CN110249122B - 用于使废热回收系统中的流膨胀的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种废热回收系统包括第一热交换器、第二热交换器和膨胀器。第一热交换器从第一回路的第一部分接收工作流体，并将工作流体提供到第一回路的第二部分。第二热交换器从第二回路的第一部分接收工作流体，并将工作流体提供到第二回路的第二部分。膨胀器向公共管路的第一部分提供工作流体。膨胀器包括定子。定子包括第一进口和第二进口。公共管路在第一回路的第一部分的上游和第二回路的第一部分的上游向第一回路和第二回路提供工作流体。

Description

用于使废热回收系统中的流膨胀的系统和方法
关于联邦资助研究或开发的声明
本发明是在政府的支持下根据能源部授予的第DE-EE0007281号能源部合同完成的。政府对本发明具有某些权利。
技术领域
本申请总体上涉及用于内燃发动机的废热回收系统的领域。
背景
在运行中，内燃发动机通过废气、发动机冷却系统、增压空气冷却系统等将热能排放到外部环境中。不用于进行有用的工作的排出热能通常被称为“废热”。废热回收系统捕获一部分废热以执行有用的工作。一些废热回收系统使用朗肯循环(“RC”)。RC是一种热力学过程，在该热力学过程中，热量传递到RC回路中的工作流体。工作流体被泵送到热交换器，在热交换器中工作流体蒸发。蒸气经过膨胀器，并且然后经过冷凝器，在冷凝器中蒸气冷凝变回到液体。膨胀的工作流体蒸气使膨胀器中的转子旋转，从而将废热能转换成机械能。机械能可以传递到发动机系统部件，例如泵、压缩机、发电机等其它类似设备。
概述
在一个实施例中，一种废热回收系统包括第一热交换器、第二热交换器和膨胀器。第一热交换器从第一回路的第一部分接收工作流体，并将工作流体提供到第一回路的第二部分。第二热交换器从第二回路的第一部分接收工作流体，并将工作流体提供到第二回路的第二部分。膨胀器向公共管路的第一部分提供工作流体。膨胀器包括定子和转子。定子包括第一进口和第二进口。第一进口接收来自第一回路的第二部分的工作流体。第二进口接收来自第二回路的第二部分的工作流体。转子相对于定子旋转。公共管路在第一回路的第一部分的上游和第二回路的第一部分的上游向第一回路和第二回路两者提供工作流体。
在一些实施方案中，所述第一进口包括第一组喷嘴。
在一些实施方案中，由所述第一进口接收的工作流体通过所述第一组喷嘴被推进到所述转子上，使得在所述转子上产生第一旋转力。
在一些实施方案中，所述第二进口包括第二组喷嘴。
在一些实施方案中，由所述第二进口接收的工作流体通过所述第二组喷嘴被推进到所述转子上，使得在所述转子上产生第二旋转力；并且其中所述第一旋转力和所述第二旋转力协作以引起所述转子相对于所述定子的旋转。
在一些实施方案中，所述定子还包括第一组喷嘴和第二组喷嘴；其中所述第一热交换器包括由第一温度限定的第一热源；其中所述第二热交换器包括由不同于所述第一温度的第二温度限定的第二热源；其中所述第一组喷嘴基于所述第一温度来选择；并且其中所述第二组喷嘴基于所述第二温度来选择。
在一些实施方案中，所述第一进口限定第一面积，其中所述第二进口限定第二面积，并且其中所述第二面积大于所述第一面积。
在一些实施方案中，所述定子是环形的，并且限定孔。
在一些实施方案中，所述废热回收系统还包括回流换热器，所述回流换热器从所述第一回路的第三部分接收工作流体，将工作流体提供到所述第一回路的所述第一部分，从所述第二回路的第三部分接收工作流体，并将工作流体提供到所述第二回路的所述第一部分。
在一些实施方案中，所述回流换热器还接收来自所述公共管路的所述第一部分的工作流体，并将工作流体提供到所述公共管路的第二部分。
在一些实施方案中，所述废热回收系统还包括第三热交换器，所述第三热交换器接收来自所述公共管路的所述第二部分的工作流体，并将工作流体提供到所述公共管路的第三部分。
在一些实施方案中，所述第三热交换器包括冷凝器和与所述冷凝器分离的过冷器。
在一些实施方案中，所述废热回收系统还包括第一泵，所述第一泵接收来自所述公共管路的所述第三部分的工作流体，并将工作流体分别提供到所述第一回路的所述第三部分和所述第二回路的第四部分。
在一些实施方案中，所述废热回收系统还包括第二泵，所述第二泵接收来自所述第二回路的所述第四部分的工作流体，并将工作流体提供到所述第二回路的所述第三部分。
在一些实施方案中，所述膨胀器还包括：第二转子，其相对于所述定子旋转；和公共出口，其向所述公共管路的所述第一部分提供工作流体，所述公共出口在所述膨胀器的所述第一侧和所述膨胀器的所述第二侧之间被布置在所述膨胀器的面上。
在一些实施方案中，所述定子还包括第一组喷嘴和第二组喷嘴；其中所述第一进口被布置在所述膨胀器的第一侧上；其中所述第二进口被布置在所述膨胀器的第二侧上，所述膨胀器的所述第二侧与所述膨胀器的所述第一侧相对；其中由所述第一进口接收的工作流体通过所述第一组喷嘴被推进到所述转子上，使得在所述转子上产生第一旋转力；并且其中由所述第二进口接收的工作流体通过所述第二组喷嘴被推进到所述第二转子上，使得在所述第二转子上产生第二旋转力。
在另一个实施例中，一种用于废热回收系统的膨胀器包括框架、转子和定子。框架将膨胀器联接到结构。转子被接纳在框架内，并被促使在框架内旋转。定子被接纳在框架内，并相对于框架保持静止。定子包括第一进口和第二进口。第一进口从第一回路接收工作流体。第二进口从第二回路接收工作流体，从第二回路接收的工作流体与从第一回路接收的工作流体分开。第一进口和第二进口被配置为将工作流体引导至转子。膨胀器将来自第一进口的工作流体连同来自第二进口的工作流体一起提供到公共管路。
在一些实施方案中，所述膨胀器还包括位于所述第一进口中的第一组喷嘴，所述第一组喷嘴被配置为接收来自所述第一回路的在第一压力下的工作流体，并且将工作流体以低于所述第一压力的第二压力提供到所述转子。
在一些实施方案中，所述膨胀器还包括位于所述第二进口中的第二组喷嘴，所述第二组喷嘴被配置为接收来自所述第二回路的在第三压力下的工作流体，并且将工作流体以低于所述第三压力的第四压力提供到所述转子。
在一些实施方案中，所述第一组喷嘴和所述第二组喷嘴被配置为使得所述第二压力等于所述第四压力。
在一些实施方案中，所述第一进口由第一面积限定；所述第二进口由第二面积限定；并且所述第一面积不等于所述第二面积。
在一些实施方案中，所述第一组喷嘴和所述第二组喷嘴中的至少一个基于所述第一面积和所述第二面积之间的差异来配置。
在又一实施例中，一种废热回收系统包括第一回路、第二回路、公共管路、第一热交换器、第二热交换器、膨胀器和回流换热器(recuperator)。第一回路使工作流体循环。第二回路使工作流体循环。公共管路将工作流体提供到第一回路和第二回路。第一热交换器接收来自第一回路的在第一温度下的工作流体，并将工作流体在高于第一温度的第二温度下提供到第一回路。第二热交换器接收来自第二回路的在第三温度下的工作流体，并将工作流体在高于第三温度的第四温度下提供到第二回路。膨胀器接收来自第一回路的在第二温度下的工作流体。膨胀器单独地接收来自第二回路的在第四温度下的工作流体。膨胀器将工作流体提供到公共管路。回流换热器在回流换热器的上游从第一回路接收工作流体。回流换热器将从第一回路接收的工作流体在回流换热器的下游提供到第一回路。回流换热器在回流换热器的上游从第二回路接收工作流体。回流换热器将从第二回路接收的工作流体在回流换热器的下游提供到第二回路。回流换热器在回流换热器的上游从公共管路接收工作流体。回流换热器将从公共管路接收的工作流体在回流换热器的下游提供到公共管路。
在一些实施方案中，所述膨胀器包括：第一组喷嘴，其接收来自所述第一回路的工作流体；和第二组喷嘴，其接收来自所述第二回路的工作流体。
在一些实施方案中，所述膨胀器还包括转子；其中所述第一组喷嘴将从所述第一回路接收的工作流体引导到所述转子上；并且其中所述第二组喷嘴将从所述第二回路接收的工作流体引导到所述转子上。
附图简述
在附图和下面的描述中阐述了一个或更多个实施方式的细节。从描述、附图和权利要求，本公开的其它特征、方面和优点将变得明显，其中：
图1是具有示例性膨胀器的示例性废热回收系统的示意框图；
图2是运行废热回收系统(如图1所示的废热回收系统)的工作流体的温度相对于焓的关系图；
图3是图1所示废热回收系统中使用的膨胀器的定子的侧透视图；
图4示出了图3中所示定子的右侧视图；
图5是图1所示的废热回收系统中使用的膨胀器的横截面图；以及
图6是另一个膨胀器的横截面图。
应认识到，一些或所有附图是为了说明的目的的示意性表示。为了说明一个或更多个实施方式的目的而提供附图，明确地理解附图将不用于限制权利要求的范围或含义。
详细描述
以下是有关废热回收系统中使用的膨胀器的方法、装置和系统的各种构思和废热回收系统中使用的膨胀器的方法、装置和系统的实施方式的更详细的描述。上文介绍的并且在下文更详细地讨论的各种构思可以以多种方式中的任一种方式来实施，这是因为所描述的构思不限于实施方式的任何具体的方式。主要为了例证性目的来提供特定的实施方式和应用的示例。
I.综述
内燃发动机(例如，柴油内燃发动机等)产生废热，通常使用废热回收系统将废热部分地转化成有用的能量。内燃发动机包括向大气散热的数个热源。常规的废热回收系统试图通过将热量传递给流体，然后通过使用膨胀器内的转子来利用存储在流体中的能量来收集原本会浪费的热量。常规的废热回收系统通常只能从单一热源回收热量。在可能从两个热源回收的情况下，常规的废热回收系统为每个热源采用单独的转子。例如，对于两个热源，常规的废热回收系统可以利用两个膨胀器，每个膨胀器具有其自己的转子。额外的转子和/或膨胀器使得常规的废热回收系统变得更加昂贵和复杂。
本文描述的实施方式涉及废热回收系统，其用于从两个不同的热源回收热量。废热回收系统使工作流体循环通过第一回路、第二回路和公共管路。第一回路使工作流体循环通过与其中一个热源相关联的第一热交换器，并且第二回路使工作流体循环通过与另一个热源相关联的第二热交换器。废热回收系统包括膨胀器，该膨胀器在从第一热源收集热量之后从第一回路接收工作流体，并且在从第二热源收集热量之后从第二回路接收工作流体，从第二回路接收的工作流体与从第一回路接收的工作流体分离。膨胀器利用工作流体内的能量，并且然后将工作流体提供到公共管路。然后，泵通过公共管路抽取工作流体，并将工作流体提供到第一回路和第二回路。
在一些实施方式中，膨胀器包括转子。膨胀器使用转子来利用工作流体的能量。膨胀器使用来自第一回路的工作流体和来自第二回路的工作流体的组合来引起转子的旋转。在一些实施方式中，膨胀器包括独立的喷嘴组，用于接收来自第一回路和第二回路的工作流体。喷嘴组可以基于热源的温度单独配置。在其他实施方式中，膨胀器包括安装在单个轴上的两个转子。在这些实施方式中，由第一回路提供的工作流体由一个转子控制，而由第二回路提供的工作流体由另一个转子控制。
在一些实施方式中，废热回收系统包括在第一回路、第二回路和公共管路上运行的回流换热器。回流换热器保持第一回路、第二回路和公共管路中的每一个中的工作流体在回流换热器内分离。废热回收系统还包括热交换器，该热交换器用于在将工作流体提供到泵之前冷却工作流体。废热回收系统包括在第一回路和第二回路之一上运行的第二泵，以进一步增加第一回路或第二回路内的压力。
在这里描述的实施方式中，膨胀器接收来自两个独立回路的工作流体，并将工作流体提供到公共管路，该公共管路最终将工作流体提供回这两个回路。膨胀器可以包括同时利用来自两个回路的能量的单个转子。膨胀器允许这里描述的废热回收系统比常规的废热回收系统更便宜和更简单。
II.废热回收系统概述
图1描绘了根据示例性实施方案的废热回收系统100。废热回收系统100是可操作的，以使用低温热交换器102从低温热源回收热量，和使用高温热交换器104从高温热源回收热量。低温热交换器102和高温热交换器104可以从例如废气再循环系统、废气流(例如，高温废气、低温废气等)、气缸盖、气缸体、歧管、油系统、油加热器、冷却剂系统、增压空气系统、高等级废热、低等级废热和其他类似的源来单独地或以任何组合回收热量。低温热交换器102从由相对于环境温度的第一温度限定的第一热源回收热量。高温热交换器104从由相对于环境温度的第二温度限定的第二热源回收热量。在一些应用中，第一温度小于第二温度。因此，与从低温热交换器102回收相比，可以从高温热交换器104回收更多的热量。
废热回收系统100包括低压回路106和高压回路108。低压回路106包括低温热交换器102，并且高压回路108包括高温热交换器104。低压回路106和高压回路108中的每一个都使工作流体循环。当工作流体通过低压回路106中的低温热交换器102和高压回路108中的高温热交换器104时，工作流体吸收热量。低压回路106和高压回路108循环相同的工作流体。根据应用，工作流体可以包括例如水、乙二醇、氢氟碳化物、全氟化碳和其他类似流体。
低压回路106包括低压回路第一部分110和低压回路第二部分112。低压回路第一部分110将工作流体在第一温度TL1下提供到低温热交换器102(例如，经由低温热交换器102的进口等)，并且低压回路第二部分112接收来自低温热交换器102的在第二温度TL2下的工作流体(例如，经由低温热交换器102的出口等)。在废热回收系统100运行期间，TL1小于TL2。TL1和TL2之间的差异与低温热交换器102的温度直接相关。
类似于低压回路106，高压回路108包括高压回路第一部分114和高压回路第二部分116。高压回路第一部分114将工作流体在第一温度TH1下提供到高温热交换器104(例如，经由高温热交换器104的进口等)，并且高压回路第二部分116接收来自高温热交换器104的在第二温度TH2下的工作流体(例如，经由高温热交换器104的出口等)。在废热回收系统100运行期间，TH1小于TH2。TH1和TH2之间的差异与高温热交换器104的温度直接相关。
废热回收系统100还包括膨胀器118。如将更具体的解释的，膨胀器118包括双进口涡轮膨胀器。膨胀器118接收来自低压回路第二部分112和高压回路第二部分116的工作流体。膨胀器118利用工作流体中的压力来产生机械能。膨胀器118将工作流体在温度TC1下提供到公共管路120中，温度TC1是TL2和TH2的函数。
公共管路120与低压回路106和高压回路108都是连续的，使得公共管路构成低压回路106的一部分和高压回路108的一部分。公共管路120包括公共管路第一部分122，公共管路第一部分122接收来自膨胀器118的工作流体，并将工作流体提供到回流换热器124(即回流换热器124在回流换热器124的上游从公共管路120接收工作流体)。公共管路120还包括公共管路第二部分126，公共管路第二部分126从回流换热器124接收工作流体(即回流换热器124在回流换热器124的下游向公共管路120提供工作流体)。公共管路第二部分126还向热交换器128提供工作流体。
回流换热器124被配置为(例如，被构造成，等等)从公共管路120传递热量。根据各种实施例，回流换热器124被配置为将热量从公共管路120传递到低压回路106和高压回路108。低压回路106、高压回路108和公共管路120在回流换热器124内都是独立的，使得工作流体不会在回流换热器124内在低压回路106、高压回路108和公共管路120之间发生混合。
回流换热器124将工作流体在低于TC1的温度TC2下提供到公共管路第二部分126(即回流换热器124的下游)。TC1和TC2之间的差异可以与废热回收系统100的效率相关。回流换热器124可以是例如交叉板热交换器、竖直平板回流换热器、水平平板回流换热器器或蜂窝状回流换热器。公共管路120还包括公共管路第三部分130，公共管路第三部分130接收来自热交换器128的工作流体，并将工作流体在温度TC3下在压力P1下提供到第一泵132。热交换器128被配置为冷却由公共管路第二部分126提供的工作流体，使得TC3小于TC2。TC2和TC3之间的差异可以与废热回收系统100的效率有关。
与常规废热回收系统中使用的热交换器不同，回流换热器124通过使用公共管路120经由单个进口从膨胀器118接收工作流体。在常规的废热回收系统中，回路通过膨胀器和热交换器保持分离。这种差异使废热回收系统比常规的废热回收系统能更有效地运行。同样与常规废热回收系统中使用的热交换器不同，低压回路106和高压回路108都分别穿过回流换热器124。在常规的废热回收系统中，每个回路通常都有自己的热交换器。与常规的废热回收系统相比，这种差异使废热回收系统100能够更便宜并且需要更少的空间。与具有多个热交换器的常规废热回收系统相比，这种差异也促成了公共管路120内工作流体的较低压降。
第一泵132被配置为将工作流体从公共管路第三部分130提供到低压回路106的低压回路第三部分134和高压回路108的高压回路第三部分136，提供到高压回路第三部分136的工作流体与提供到低压回路第三部分134的工作流体分离。第一泵132使得工作流体被推进到低压回路第三部分134和高压回路第三部分136中，从而将工作流体的压力从P1增加到压力P2。在一些实施例中，第一泵132用作分流器。因此，第一泵132可以包括分流器(例如，电控阀、Y形配件等)。在替代实施例中，第一泵132不包括分流器，并且不用于将工作流体从公共管路第三部分130提供到低压回路第三部分134和高压回路第三部分136，提供到高压回路第三部分136的工作流体与提供到低压回路第三部分134的工作流体分开。在该实施例中，第一泵132向在第一泵132下游的包括分流器的公共管路120提供工作流体。该分流器用于将工作流体从公共管路第三部分130提供到低压回路第三部分134和高压回路第三部分136，提供到高压回路第三部分136的工作流体与提供到低压回路第三部分134的工作流体分离。
在一个替代实施例中，分流器用于选择性地防止工作流体流经低压回路106和高压回路108之一。以这种方式，可以维护废热回收系统100的部件和/或可以实现废热回收系统100更理想的操作。例如，第一泵132可以是电子控制的，并且可以接收信号(例如，来自控制器、来自移动设备等)，以选择性地阻止工作流体向高压回路108的流动。维护工人可以，例如检查高压回路108的部分。
废热回收系统100还包括第二泵138。第二泵138被配置为接收来自高压回路第三部分136的工作流体，并将工作流体提供到高压回路108的高压回路第四部分140。第二泵138被配置为将高压回路108中的工作流体的压力从P2增加到P3。第一泵132和第二泵138可以包括例如正排量泵、旋转泵、往复泵、脉冲泵、速度泵和其他类似的泵。
低压回路第三部分134将工作流体在第三温度TL3下提供到回流换热器124(即，回流换热器124在回流换热器124的上游从低压回路106接收工作流体)。类似地，高压回路第四部分140在第三温度TH3下向回流换热器124提供工作流体(即，回流换热器124在回流换热器124的上游从高压回路108接收工作流体)。在穿过回流换热器124之后，来自低压回路106的工作流体被提供到低压回路第一部分110(即，回流换热器124在回流换热器124的下游向低压回路106提供工作流体)。类似地，在穿过回流换热器124之后，来自高压回路108的工作流体被提供到高压回路第一部分114(即，回流换热器124在回流换热器124的下游向高压回路108提供工作流体)。回流换热器124用于通过从公共管路120传递热量来提高低压回路106和高压回路108中的工作流体的温度。根据各种实施例，TL3小于TL1，TH3小于TH1。废热回收系统100的效率可以与TL3和TL1之间的差异以及TH3和TH1之间的差异相关。
根据各种实施例，热交换器128包括冷凝器142和过冷器144。冷凝器142被配置为接收来自公共管路第二部分126的工作流体，并将工作流体提供到过冷器144。过冷器144被配置为向公共管路第三部分130提供工作流体。冷凝器142可用于冷凝工作流体，并且过冷器144可用于将冷凝后的工作流体过冷。
在一些实施例中，废热回收系统100不包括回流换热器124。在这些实施例中，低压回路第三部分134直接连接到低压回路第一部分110，高压回路第四部分140直接连接到高压回路第一部分114，并且公共管路第一部分122直接连接到公共管路第二部分126。与其他实施例相比，当低温热交换器102和高温热交换器104都具有相对较高的温度时，这些实施例可能特别有用。
在其他实施例中，回流换热器124连接到公共管路120，并且仅连接到低压回路106和高压回路108中的一个。例如，在一些应用中，回流换热器124接收来自低压回路第三部分134的工作流体，并将该工作流体提供到低压回路第一部分110，并且接收来自公共管路第一部分122的工作流体，并将该工作流体提供到公共管路第二部分126，同时高压回路第四部分140直接连接到高压回路第一部分114。在另一个示例中，回流换热器124接收来自高压回路第四部分140的工作流体，并将该工作流体提供到高压回路第一部分114，并且接收来自公共管路第一部分122的工作流体，并将该工作流体提供到公共管路第二部分126，同时低压回路第三部分134直接连接到低压回路第一部分110。
图2示出了废热回收系统100中工作流体的温度作为工作流体的焓的函数的关系图。如图2所示，废热回收系统100实施几个等温过程，其中工作流体的温度在焓变化时保持基本上恒定。
图3-5详细示出了根据示例性实施例的膨胀器118及其部件。根据各种实施例，膨胀器118包括定子300，定子300限定孔302、第一进口304和第二进口306。定子300被配置为与结构联接(例如，安装等)。如图4所示，定子300是环形形状的。孔302被配置为接纳轴。第一进口304被配置为接收来自低压回路第一部分110的工作流体，并且第二进口306被配置为接收来自高压回路第一部分114的工作流体。第一进口304和第二进口306中的每一个都包含在定子300内。
第一进口304由第一面积限定，并且第二进口306由第二面积限定。在一些实施例中，第一组喷嘴504和第二组喷嘴506基于第一进口304的面积和第二进口306的面积之间的差异来配置。
根据各种实施例，基于低温热交换器102和高温热交换器104中的至少一个的温度，第一进口304和第二进口306被不同地配置，以便优化压力P3和压力P2。例如，根据低温热交换器102和高温热交换器104，第一进口304和第二进口306可以更大或更小。在示例性实施例中，第一进口304比第二进口306大(即，基于面积)。
如图5所示，膨胀器118包括定子300和转子500。定子300和转子500由框架502保持，使得转子500可以在框架502内相对于定子300旋转。定子300包括第一组(例如，多个等)喷嘴504和第二组喷嘴506。在一些实施例中，第一组喷嘴504限定第一进口304，并且第二组喷嘴506限定第二进口306。在其他实施例中，第一组喷嘴504包含在第一进口304内，并且第二组喷嘴506包含在第二进口306内。在这些实施例中，工作流体避免绕过第一组喷嘴504和第二组喷嘴506。
第一组喷嘴504被配置为接收来自低压回路第一部分110的工作流体，并且第二组喷嘴506被配置为接收来自高压回路第一部分114的工作流体。以这种方式，膨胀器118从低压回路106接收工作流体，从低压回路106接收的工作流体与从高压回路108接收的工作流体分离。第一组喷嘴504和第二组喷嘴506被配置为单独推动工作流体通过定子300到达转子500。在一些实施例中，第一组喷嘴504和第二组喷嘴506将工作流体引导到转子500上。如图5所示，第一组喷嘴504和第二组喷嘴506各自相对于定子300成角度。例如，第一组喷嘴504可以由相对于定子300的第一角度限定，第二组喷嘴506可以由相对于定子300的第二角度限定，第二角大于第一角度。以这些方式，第一组喷嘴504和第二组喷嘴506能够利用工作流体在转子500上独立地产生协同旋转力。
转子500包括多个转子叶片508。转子叶片508被配置为接收来自第一组喷嘴504和第二组喷嘴的工作流体，并将来自工作流体的能量转换成旋转能量。多个转子叶片508中的每一个都由入射角限定。根据各种实施例，多个转子叶片508中的每一个由相同的入射角限定。在一些应用中，多个转子叶片508中的每一个被成形，使得发生在基本上轴向方向上的工作流体流接触转子叶片508，从而造成转子500旋转。然后，这种旋转可以被利用并转化为例如电力，或者为附件、齿轮传动或皮带传动提供动力。在经过转子叶片508之后，来自第一组喷嘴504的工作流体与来自第二组喷嘴506的工作流体结合。然后，组合的工作流体被提供到公共管路第一部分122。以这种方式，转子500对于低压回路106和高压回路108都是共用的。相比之下，常规的膨胀装置只能从单个回路接收流体。
第一组喷嘴504中的每一个和第二组喷嘴506中的每一个都由目标压降来限定。目标压降与由从第一组喷嘴504的每一个或第二组喷嘴506的每一个排出的工作流体在转子叶片508上引起的压力相关。目标压降还与低压回路第二部分112中的工作流体的压力和高压回路第二部分116中的工作流体的压力相关。
根据应用，第一组喷嘴504和第二组喷嘴506可以变化，使得第一组喷嘴504和第二组喷嘴506的目标压力被定制用于目标应用。在一些实施例中，第一组喷嘴504的目标压力等于第二组喷嘴506的目标压力。根据各种实施例，第一组喷嘴504被配置为基于低温热交换器102提供第一目标压力，并且第二组喷嘴506被配置为基于高温热交换器104提供不同于第一目标压力的第二目标压力。在一些实施例中，第一组喷嘴504和第二组喷嘴506被配置为将工作流体以相似的质量速度提供到转子500。在一些实施例中，第一组喷嘴504基于温度TL2配置，并且第二组喷嘴506基于温度TH2配置。
膨胀器118优于常规的膨胀装置，因为膨胀器118同时接收来自低压回路106的工作流体和来自高压回路108的工作流体。相比之下，常规的膨胀装置需要两个部分进气涡轮机。通过使用定子300和转子500，膨胀器118消除了对两个涡轮机的需要，从而比常规的膨胀装置更便宜且更简单。例如，膨胀器118仅需要单个轴承组，而常规的膨胀装置通常需要两个或更多个轴承组。常规膨胀装置的两个涡轮机都有各自的风阻和摩擦损失。常规膨胀装置的两个涡轮机也造成了不良的明显的悬垂载荷。与常规的膨胀装置相比，膨胀器118最小化了风阻和摩擦损失，并减少了悬垂载荷。
转子500的直径(例如，大直径等)可以显著大于常规膨胀装置的转子直径，以允许转子500以比常规膨胀装置的转子更慢的速度旋转。与常规的膨胀装置相比，这减少或最小化了与膨胀器118相关联的寄生损耗，并增加了膨胀器118的可靠性。此外，转子叶片508的高度可以大于两个单独涡轮机上的叶片的可比高度。
图6示出了根据替代实施例的膨胀器。如图6中所示，膨胀器118包括框架600、第一转子602、和第二转子604。第一转子602和第二转子604被配置为在框架600内并相对于框架600旋转。膨胀器118还包括轴606，轴606连接到小齿轮608并且连接到第一转子602和第二转子604中的每个。
在该实施例中，如前所述，框架600的操作类似于框架502和定子300的组合。第一转子602通过框架600中的第一进口610接收工作流体。第一进口610在框架600的第一侧。第一进口610接收来自低压回路106的工作流体。第二转子604通过框架600中的第二进口612接收工作流体。第二进口612在框架600的第二侧，第二侧与框架600的第一侧相对。第二进口612接收来自高压回路108的工作流体。第一进口610和第二进口612中的每一个可以至少部分是环形的，使得工作流体通过膨胀器118围绕轴606周向地被接收。根据各种实施例，第一进口610和第二进口612各自包括一组喷嘴，与如前所述的第一组喷嘴504和第二组喷嘴506相类似。
第一转子602接收由第一进口610提供的工作流体，并将工作流体输送到框架600中的公共出口614。类似地，第二转子604接收由第二进口612提供的工作流体，并将工作流体输送到公共出口614。在一些实施例中，公共出口设置在膨胀器118的面上(例如，在框架600上，等等)，例如第一进口610和第二进口612之间的面。工作流体在第一转子602和第二转子604中的每一个上的力协作以引起轴606的旋转，因为轴606联接到第一转子602和第二转子604中的每一个。轴606的旋转然后被传递到小齿轮608，在小齿轮608处，轴606的旋转进一步被传递到旋转输出端，例如齿轮系、泵、滑轮、交流发电机、风扇或其他类似装置。
第一转子602由第一直径限定，并且第二转子604由第二直径限定。根据各种实施例，第一直径大于第二直径。第一转子602和第二转子604中的任一个可以包括任意数量的叶片，与前述的转子叶片508相类似。在一些实施例中，第一转子602比第二转子604具有更少的转子叶片。第一转子602上的转子叶片的尺寸可以不同于第二转子604上的转子叶片的尺寸。例如，第一转子602上的转子叶片可以小于第二转子604上的转子叶片。
虽然本说明书包含很多特定的实施方式细节，但是这些不应被解释为对可被要求保护的内容的范围的限制，而是应被解释为对特定的实施方式所特有的特征的描述。在本说明书中的在单独的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以组合地在单个实施方式中实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实施。此外，虽然特征可被描述为以某些组合起作用且甚至最初被这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或更多个特征在一些情况下可从该组合删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。
如在本文利用的，术语“基本上”和类似的术语旨在具有与本公开的主题所属的领域中的普通技术人员的常见和被接受的使用一致的含义。查阅本公开的本领域的技术人员应理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征的说明，而不将这些特征的范围限制到所提供的精确的数值范围。因此，这些术语应被解释为指示所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或改变被认为在如所附权利要求中所述的本发明的范围内。
本文中使用的相术语“联接的”、“连接的”以及相似的术语意味着两个部件直接连结或间接地彼此连结。这样的连结可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。通过两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件彼此一体地形成为单个整体，通过这两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件附接到彼此，这样的连结可以实现。
本文使用的术语“连接到”以及类似术语意指两个部件或对象具有在这两个部件或对象之间形成的通路，诸如工作流体、水、空气、气态还原剂、气态氨等的流体可在干扰或不干扰部件或对象的情况下在该通路中流动。用于连接的连接或配置的示例可以包括管道、通道或用于实现流体从一个部件或对象到另一部件或对象的流动的任何其它适当的部件。
重要的是要注意，在各个示例性实施方式中示出的系统的构造和布置在性质上只是说明性的而非限制性的。出现在所述实施方式的精神和/或范围内的所有变化和修改期望被保护。应理解，一些特征可以不是必要的，且缺少各种特征的实施方式可被设想为在本申请的范围内，该范围由所附权利要求界定。当语言“一部分”被使用时，该项可包括一部分和/或整个项，除非特别相反地规定。

Claims (24)

1.一种废热回收系统，包括：
第一热交换器，其从第一回路的第一部分接收工作流体，并将工作流体提供到所述第一回路的第二部分；
第二热交换器，其从第二回路的第一部分接收工作流体，并将工作流体提供到所述第二回路的第二部分；和
膨胀器，其向公共管路的第一部分提供工作流体，所述膨胀器包括：
定子，所述定子包括：
第一进口，其接收来自所述第一回路的所述第二部分的工作流体；和
第二进口，其接收来自所述第二回路的所述第二部分的工作流体；和
转子，其相对于所述定子旋转；
其中所述公共管路在所述第一回路的所述第一部分的上游和所述第二回路的所述第一部分的上游向所述第一回路和所述第二回路两者提供工作流体；以及
回流换热器，所述回流换热器从所述第一回路的第三部分接收工作流体、将工作流体提供到所述第一回路的所述第一部分、从所述第二回路的第三部分接收工作流体并将工作流体提供到所述第二回路的所述第一部分。
2.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中，所述第一进口包括第一组喷嘴。
3.根据权利要求2所述的废热回收系统，其中，由所述第一进口接收的工作流体通过所述第一组喷嘴被推进到所述转子上，使得在所述转子上产生第一旋转力。
4.根据权利要求3所述的废热回收系统，其中，所述第二进口包括第二组喷嘴。
5.根据权利要求4所述的废热回收系统，其中，由所述第二进口接收的工作流体通过所述第二组喷嘴被推进到所述转子上，使得在所述转子上产生第二旋转力；并且
其中所述第一旋转力和所述第二旋转力协作以引起所述转子相对于所述定子的旋转。
6.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中，所述定子还包括第一组喷嘴和第二组喷嘴；
其中所述第一热交换器包括由第一温度限定的第一热源；
其中所述第二热交换器包括由不同于所述第一温度的第二温度限定的第二热源；
其中所述第一组喷嘴基于所述第一温度来选择；并且
其中所述第二组喷嘴基于所述第二温度来选择。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的废热回收系统，其中，所述第一进口限定第一面积，其中所述第二进口限定第二面积，并且其中所述第二面积大于所述第一面积。
8.根据权利要求7所述的废热回收系统，其中，所述定子是环形的，并且限定孔。
9.根据权利要求1-6和8中任一项所述的废热回收系统，其中，所述回流换热器还接收来自所述公共管路的所述第一部分的工作流体，并将工作流体提供到所述公共管路的第二部分。
10.根据权利要求9所述的废热回收系统，还包括第三热交换器，所述第三热交换器接收来自所述公共管路的所述第二部分的工作流体，并将工作流体提供到所述公共管路的第三部分。
11.根据权利要求10所述的废热回收系统，其中，所述第三热交换器包括冷凝器和与所述冷凝器分离的过冷器。
12.根据权利要求10所述的废热回收系统，还包括第一泵，所述第一泵接收来自所述公共管路的所述第三部分的工作流体，并将工作流体分别提供到所述第一回路的所述第三部分和所述第二回路的第四部分。
13.根据权利要求12所述的废热回收系统，还包括第二泵，所述第二泵接收来自所述第二回路的所述第四部分的工作流体，并将工作流体提供到所述第二回路的所述第三部分。
14.根据权利要求1或6所述的废热回收系统，其中，所述膨胀器还包括：
第二转子，其相对于所述定子旋转；和
公共出口，其向所述公共管路的所述第一部分提供工作流体，所述公共出口在所述膨胀器的第一侧和所述膨胀器的第二侧之间被布置在所述膨胀器的面上。
15.根据权利要求14所述的废热回收系统，其中，所述定子还包括第一组喷嘴和第二组喷嘴；
其中所述第一进口被布置在所述膨胀器的所述第一侧上；
其中所述第二进口被布置在所述膨胀器的所述第二侧上，所述膨胀器的所述第二侧与所述膨胀器的所述第一侧相对；
其中由所述第一进口接收的工作流体通过所述第一组喷嘴被推进到所述转子上，使得在所述转子上产生第一旋转力；并且
其中由所述第二进口接收的工作流体通过所述第二组喷嘴被推进到所述第二转子上，使得在所述第二转子上产生第二旋转力。
16.一种用于废热回收系统的膨胀器，所述膨胀器包括：
框架，其将所述膨胀器联接到结构；
转子，其被接纳在所述框架内，并被促使在所述框架内旋转；和
定子，其被接纳在所述框架内并相对于所述框架保持静止，所述定子是环形形状的，所述定子包括：
第一进口，其用于从第一回路接收工作流体；和
第二进口，其用于从第二回路接收工作流体，从所述第二回路接收的工作流体与从所述第一回路接收的工作流体分离；
其中所述第一进口和所述第二进口被配置为将工作流体引导至所述转子；并且
其中所述膨胀器将来自所述第一进口的工作流体连同来自所述第二进口的工作流体一起提供到公共管路。
17.根据权利要求16所述的膨胀器，还包括位于所述第一进口中的第一组喷嘴，所述第一组喷嘴被配置为接收来自所述第一回路的在第一压力下的工作流体，并且将工作流体以低于所述第一压力的第二压力提供到所述转子。
18.根据权利要求17所述的膨胀器，还包括位于所述第二进口中的第二组喷嘴，所述第二组喷嘴被配置为接收来自所述第二回路的在第三压力下的工作流体，并且将工作流体以低于所述第三压力的第四压力提供到所述转子。
19.根据权利要求18所述的膨胀器，其中，所述第一组喷嘴和所述第二组喷嘴被配置为使得所述第二压力等于所述第四压力。
20.根据权利要求18或19所述的膨胀器，其中：
所述第一进口由第一面积限定；
所述第二进口由第二面积限定；并且
所述第一面积不等于所述第二面积。
21.根据权利要求20所述的膨胀器，其中，所述第一组喷嘴和所述第二组喷嘴中的至少一个基于所述第一面积和所述第二面积之间的差异来配置。
22.一种废热回收系统，包括：
第一回路，其使工作流体循环；
第二回路，其使工作流体循环；
公共管路，其向所述第一回路和所述第二回路提供工作流体；
第一热交换器，其接收来自所述第一回路的在第一温度下的工作流体，并且将工作流体在高于所述第一温度的第二温度下提供到所述第一回路；
第二热交换器，其接收来自所述第二回路的在第三温度下的工作流体，并且将工作流体在高于所述第三温度的第四温度下提供到所述第二回路；
膨胀器，其接收来自所述第一回路的在所述第二温度下的工作流体，分离地接收来自所述第二回路的在所述第四温度下的工作流体，并将工作流体提供到所述公共管路；和
回流换热器，其在所述回流换热器的上游从所述第一回路接收工作流体，将从所述第一回路接收的工作流体在所述回流换热器的下游提供到所述第一回路，在所述回流换热器的上游从所述第二回路接收工作流体，将从所述第二回路接收的工作流体在所述回流换热器的下游提供到所述第二回路，在所述回流换热器的上游从所述公共管路接收工作流体，并且将从所述公共管路接收的工作流体在所述回流换热器的下游提供到所述公共管路。
23.根据权利要求22所述的废热回收系统，其中，所述膨胀器包括：
第一组喷嘴，其接收来自所述第一回路的工作流体；和
第二组喷嘴，其接收来自所述第二回路的工作流体。
24.根据权利要求23所述的废热回收系统，其中，所述膨胀器还包括转子；
其中所述第一组喷嘴将从所述第一回路接收的工作流体引导到所述转子上；并且
其中所述第二组喷嘴将从所述第二回路接收的工作流体引导到所述转子上。
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