CN112534200A - 旋转式回热器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在流体流之间进行热交换的热交换器结合有旋转特征以控制所述流的通过。

Description

旋转式回热器
发明领域
特色装置是用作热交换器的旋转式回热器或同流换热器。还描述了可以在其中使用所述旋转式回热器的燃气轮机循环。这种回热器和/或利用它们的轮机循环可以用于一系列应用中，包括但不限于汽车应用和静态发电。
背景技术
回热式热交换器(或回热器)是一种被设计用于在两个不同温度的流之间进行热交换的热交换器。使热流体(通常为气体)流与固体热质量或介质接触，从而在一段时间内升高介质的温度。然后，由于流路中的某个切换，冷流体流与现在热的介质接触了一段时间，从而通过相同的表面将热量传递出去。冷热流体可以沿相反方向(逆流)或沿相同方向(同流)通过，但是前者通常更有效。
这与典型的热交换器不同，在典型的热交换器中，冷热流被永久密封开，并且热量必须不断地完全流过固体分隔介质，而流体却不能逆流。
“永司登(Ljungstrom)”式旋转式回热器是由网或蜂窝状物形成的圆柱形蓄热介质绕其轴线旋转的回热器。在最简单的形式中，蓄热介质的正面通过密封件被分成两个名义上不透气的区段，并且冷热气体同时沿平行于旋转轴线并垂直于蓄热介质的正面的方向流过任一区段。当热介质旋转时，热介质会从热流中吸收热量，然后再将此热量传输到冷流。
“罗特缪勒(Rothemuhle)”式回热器使用相同的原理，但使用固定蓄热轮，流体流通过旋转罩被运送，这些罩将流依次引导到介质的不同部分，同时使密封面在蓄热轮上滑动以防止高压流转向低压流。
US 138198、US 391727和US 276515示出了旋转式回热器，其中入口和出口管道的取向被设置为使得装置的入流和出流平行于热介质轮的旋转轴线。因此，在热介质轮的表面上形成通常处于不同压力的热流和冷流之间的密封。由于理想用作高温蓄热介质的材料不会使其自身承受很大的压力差或承受住滑动界面的磨损，因此这种回热器会存在明显的密封问题。例如，陶瓷蜂窝状结构的壁较薄，并且向这种介质的正面不断地施加被推动的滑动界面会导致它们碎裂，从而产生破坏密封的间隙。
比如US 950707的现有技术为“永司登”或“罗特缪勒”式回热器利用了新颖的密封机构。这种密封件使用复杂的几何结构，而不能与高温应用所需的材料一起使用。
其他解决方案(D.G.WILSON和T.KORAKIANITIS的“The design of high-efficiency turbomachinery and gas turbines《高效涡轮机械和燃气轮机的设计》”，第2版，麻省理工学院，2014年。)还使用了分度旋转，其中热介质轮上的密封通过可机械展开的密封件(也许是液压的也许是气动的)临时形成，当蓄热轮静止时，该密封件接合，该密封件脱开以允许该轮旋转并切换热流和冷流的进出通道。优点是，密封面不需要在热介质轮上滑动，而是可以轻轻地向下接合到热轮面上。缺点是，当密封件未接合时，会发生从高压流到低压流的泄漏，从而需要快速旋转轮(或密封机构)以最大程度地减少这种情况。因此，由于往复运动和更快的运动，这种回热器比连续旋转式回热器在机械上受到更大的力，从而缩短了任何轴承的寿命，并且密封需要主动控制，而更多的移动部件和子系统都在高温下运行，从而降低了可靠性。
当在压力差流之间进行热交换时，传统的回热器会存在被称为“携带损失(carry-over loss)”的现象。由于一定量的高压气体被周期性地密封在热介质内部的空气空间中，然后释放到低压流中，因此会产生携带损失。加压此气体量所需的功将以一阵流的形式传递到系统出口。相反，携带到高压流的低压气体量引起一阵流进入回热器介质中，以使压力相等。在燃气轮机循环的情况下，携带损失的影响是减少流到轮机的可用高压流并通过排出高压流体而增加浪费的压缩功，从而导致系统效率降低。典型的设计要求可以是确保与通过系统的标称气体质量流量相比，携带的气体质量流较小，可能低于1％。
回热器通常用作较大系统的一部分，比如实现燃气轮机循环的系统。常用的燃气轮机循环是回热开式布雷顿循环。工作流体(通常是空气)从大气中被抽取、压缩、使用回热器从轮机排气中升高温度，并进一步利用热量输入(通常在燃烧室中使用燃料)升高温度。轮机提取功并降低流体的温度和压力。轮机的排气用于预热进入的压缩工作流体。轮机通常可以驱动经由共用轴直接附接的压缩机，并且另外可以驱动发电机发电。在循环内匹配部件以相互补充可以最大程度地提高循环的效率。
燃气轮机循环的热效率被定义为发电量与热能输入(通常通过燃料燃烧)之比，通常随尺寸的增加而增加(Bejan,A.，Lorente,S.，Yilbas,B.，&ahin,A.(2011)。尺寸对效率的影响：电厂和维管设计。国际传热传质杂志，54(7)，1475-1481.)。产生<50MW净功率输出的单轮机循环通常不会达到大于约35％的效率。这是因为较大的轮机会使其自身更加复杂(例如，通过叶片冷却技术、或在燃烧阶段注入蒸汽)。复杂性增加、异金属的使用和/或为注入蒸汽而净化水的要求导致成本增加，这仅在较大规模下才可接受。通过使用组合循环系统可以增加循环的净功率输出，其中燃气轮机循环与例如蒸汽循环相组合，蒸汽循环从轮机排气中提取更多的能量。比如布雷顿循环与蒸汽循环组合的组合循环增加了复杂性，并且由于成本，形成蒸汽的困难以及小规模蒸汽轮机技术的可用性，通常在小规模上是不可行的。
开式布雷顿循环通常也将存在氮氧化物(NOx)污染物的形成。大型燃气轮机系统可以利用排气处理系统去除大部分但不是全部污染物，然而，这种处理增加了小型燃气轮机系统的复杂性、成本和空间使用。
小规模的布雷顿循环需要可以适当高效的轮机。在高温和低功率输出下，这需要找到一种有效的热回收装置，该装置可以从轮机排气中提取足够的热量，使得不需要组合循环来提高效率(比如如上所述的旋转式回热器)，以及找到一种低排放燃烧器，该燃烧器可以燃烧所需的燃料而不需要会降低效率的冷却流体。
在现有技术中存在高效率(>40％的发电热输入)的布雷顿循环，然而这些系统通常需要大规模实施，从而以合理的成本实现这些效率。例如，美国专利6622470 B2示出了半闭式布雷顿循环，其利用纯氧作为氧化剂，从而将工作流体从空气变为水、二氧化碳、以及氧气混合物，从而消除了NOx排放的可能性。由于需要空气分离，因此该系统必然更加复杂，并且仅在大规模上可行。存在使用工作流体替代空气的类似半闭式系统(比如，使用超临界二氧化碳的Allam循环)，然而，与开式布雷顿循环相比，这些系统都存在更大的复杂性。(在进行其他任何考虑之前，存在这样的事实，即虽然可以从大气中自由获得空气，但必须特殊提供这些替代工作流体。这样做的要求将意味着，与使用空气作为工作流体的等效循环相比，使用替代工作流体的循环将总是更加复杂)。
其他现有技术使用有中间热量输入的布雷顿循环来消除与排放物、系统集成和燃烧器的设计有关的相关联问题，这些问题是由于燃烧碳氢化合物以提供热能而引起的。美国专利5873250 A描述了一种开式布雷顿循环，其效率为48-50％，由存储的热能提供动力，用于电动汽车。此专利描述了燃烧燃料以再生所存储的热能的可能性，然而此行为会影响本发明的低污染性，从而导致高排放循环。
存在其他开式布雷顿微型轮机循环，但通常不用于高效发电。使用布雷顿循环的微型轮机系统的示例在现有技术中示出，比如美国专利6170251 B1。此现有技术描述了一种提供压缩空气的二次输出的微型轮机系统。由于轮机的大部分功用于压缩空气，因此此系统的发电效率将较低。
通过增加循环的复杂性，可以实现使用布雷顿循环的高效率微型轮机。例如，美国专利20120324903 A1描述了一种高效率多转子布雷顿循环，其在单独的轴上的压缩机之间具有中间冷却。或美国专利9279364 B2描述了具有多个燃烧器的燃气轮机循环。这种类型的复杂性给循环的控制和系统的整体设计增加了固有的复杂因素，因此，如果建立在微型轮机水平上将不具有成本效益。
仍然需要一种效率高、复杂性低的微型燃气轮机循环，该循环在小规模上可行并且能够利用多种燃料，同时继续保持低排放。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种回热式热交换器模块，包括：
a)室；
b)室的至少一个第一入口和至少一个第一出口，用于使至少一部分第一流体流通过；
c室的至少一个第二入口和至少一个第二出口，用于使至少一部分第二流体流通过；以及
d)室内的至少一个可旋转体，该可旋转体被安装用于绕轴线旋转；
其中，至少一个体包括多个流体流动通路，该流体流动通路横向于旋转轴线延伸并且被流体可渗透的热传递介质分隔开，该多个流体流动通路被布置成使得在使用中：
a)在第一旋转位置时，多个流体流动通路与至少一个第一入口和至少一个第一出口对准，使得至少一部分第一流体流穿过至少一个第一入口进入至少一个流体流动通路，穿过流体可渗透的热传递介质进入至少一个相邻的流体流动通路，并且穿过至少一个相邻的流体流动通路进入至少一个第一出口，以及
b)在第二旋转位置时，多个流体流动通路与至少一个第二入口和至少一个第二出口对准，使得至少一部分第二流体流穿过至少一个第二入口进入至少一个流体流动通路，穿过流体可渗透的热传递介质进入至少一个相邻的流体流动通路，并且穿过至少一个相邻的流体流动通路进入至少一个第二出口。
为了本发明的目的，术语“第一入口”在至少一个第一入口的功能是允许第一流体流进入室中的意义上可以理解为“第一流入口”。同样，术语“第一出口”在至少一个第一出口的功能是允许第一流体流从室流出的意义上可以理解为“第一流出口”。同样，术语“第二入口”在至少一个第二入口的功能是允许第二流体流进入室的意义上可以理解为“第二流入口”。同样，术语“第二出口”在至少一个第一出口的功能是允许第二流体流从室流出的意义上可以理解为“第二流出口”。
可选地，至少一个第一入口和至少一个第一出口在周向上彼此相对，并且至少一个第二入口和至少一个第二出口在周向上彼此相对。
可选地，在第一旋转位置时至少一部分第一流体流从至少一个第一出口进入的流体流动通路中的至少一个流体流动通路也是在第二旋转位置时至少一部分第二流体流从其进入第二出口的至少相邻的流动通路，并且其中，在第一旋转位置时至少一部分第一流体流从其流入至少一个第一出口的至少一个相邻的流动通路也是在第二旋转位置时至少一部分第二流体流入的流体流动通路中的至少一个流体流动通路。
可选地，可旋转体被容纳在转鼓中，并且转鼓被容纳在压力容器中，使得转鼓适应于与可旋转体一起旋转，并且压力容器保持固定。在这种情况下，热交换器可以可选地进一步包括压力容器和转鼓中的外部穿孔，在第一旋转位置时，外部穿孔对准成与第一入口和第一出口密封，而在第二旋转位置时对准成与第二入口和第二出口密封，并且，固定压力容器和转鼓中的所述外部穿孔还与流体可渗透的热传递介质中的多个流体流动通路中的至少一个流体流动通路对准。
可选地，在使用压力容器和转鼓的情况下，在固定压力容器与转鼓之间具有圆形滑动界面，从而实现密封紧密接合，以用于在第一旋转位置时阻止第二流体流的通过，并在第二旋转位置时阻止第一流体流的通过。
可选地，流体可渗透的热传递介质成蜂窝状基体结构或网布置，或被布置成为堆叠在一起的蜂窝状块。
可选地，至少一个第一入口、至少一个第一出口、至少一个第二入口、至少一个第二出口、流体可渗透的热传递介质和多个流体流动通路关于垂直于旋转轴线的平面是共面的。
替代地，可以使用更复杂的布置，其中：
i)至少一个第一入口和至少一个第一出口关于垂直于旋转轴线的平面彼此不共面；
ii)至少一个第二入口和至少一个第二出口关于垂直于旋转轴线的平面彼此不共面；
iii)多个流体流动通路沿旋转轴线分布，使得至少一个流体流动通路关于垂直于旋转轴线的平面与至少一个第一入口、至少一个第一出口、至少一个第二入口和至少一个第二出口中的每一个共面；
iv)流体可渗透的热传递介质沿旋转轴线分布，使得在第一旋转位置时，至少一部分第一流体流从关于垂直于旋转轴线的平面与至少一个第一入口共面的流体流动通路穿过流体可渗透的热传递介质进入关于垂直于旋转轴线的平面与至少一个第一出口共面的至少一个相邻的流体流动通路，并且在第二旋转位置时，至少一部分第二流体流从关于垂直于旋转轴线的平面与至少一个第二入口共面的流体流动通路穿过流体可渗透的热传递介质进入关于垂直于旋转轴线的平面与至少一个第二出口共面的至少一个相邻的流体流动通路。
在使用更复杂的布置的情况下，可选地，至少一个第一入口关于垂直于旋转轴线的平面与至少一个第二出口共面，并且至少一个第二入口关于垂直于旋转轴线的平面与至少一个第一出口共面。
可选地，第一流体流的压力比第二流体流更高，并且其中，第二流体流处于比第一流体流更高的温度进入热交换器，并且其中，第一流体流处于比当第一流体流进入时更高的温度流出热交换器，并且第二流体流处于比当第二流体流进入时更低的温度流出热交换器。
在另一方面，本发明提供了如上所述的由至少两个回热式热交换器构成的组件，该组件联接以允许第一流体流和第二流体流在热交换器之间通过。
在另一方面，本发明提供了一种用于使轮机循环生效的系统，包括轮机、燃烧器和如上所述的至少一个回热式热交换器或由多个热交换器构成的组件。轮机可以是主要由陶瓷材料制成的外转轮式轮机。燃烧器可以是无焰燃烧器系统，包括纵向地延伸的燃烧室，氧化剂沿纵向方向从入口穿过燃烧室流到出口，以及至少一条燃料管线；其中，至少一个与燃料管线流体连通的燃料喷射管路延伸穿过燃烧室的壁，其中，每个燃料喷射管路包含至少一个用于将燃料喷射到燃烧室中的燃料喷射器。
在另一方面，本发明提供了一种汽车或用于汽车的发动机，其包括至少一个如权利要求1至11中任一项所述的回热式热交换器、如权利要求12所述的由至少两个回热式热交换器构成的组件、或如权利要求13至15中任一项所述的系统。
在另一方面，本发明提供了一种静态发电机，包括至少一个根据权利要求1-11中任一项所述的回热式热交换器、如权利要求12所述的由至少两个回热式热交换器构成的组件、或如权利要求13至15中任一项所述的系统。
附图说明
图1描绘了根据本发明的模块化回热器的模块。
图2描绘了图1的模块在平面A-A处的横截面图。
图3描绘了在平面B-B处的图2的模块的横截面图。
图4描绘了图3的方框区段C的详细视图。
图5描绘了根据本发明的模块化回热器的鼓。
图6描绘了图5的鼓在平面F-F处的横截面图。
图7详细描绘了图1的模块和相同模块之间的连接。
图8一致地描绘了根据图1的一系列五个模块。
图9是串联连接的如图1中的一系列五个模块化回热器的对角相位对比鼓旋转角的曲线图。
图10描绘了在循环的冷却和加热部分中通过如图1中的模块化回热器的流体流。
图11描绘了本发明的大大简化的版本，其中，几乎所有部件都关于垂直于旋转轴线的平面是彼此共面的。
图12：系统正在进行将根据本发明的旋转式同流换热器结合到轮机循环中的过程。
图13：与图12一样，但还包括用于热回收排气的可选燃料热交换器。
图14：与图12一样，但包括可选的燃料压缩机。
图15：与图12一样，但包括用于启动目的的可选高压烧嘴
图16：与图12一样，但用多级中冷轴驱动的压缩机代替了压缩机。
图17：与图12一样，但包括与液体燃料一起使用的可选燃料汽化器。
图18：与图12一样，但用无轴驱动的压缩机代替了压缩机。
图19：与图12一样，但包括用于启动目的的可选额外电机。
图20：与图12一样，但包括用于启动目的的可选电空气加热器。
图21：与图12一样，但包括用于启动目的的可选级联烧嘴系统。
图22：与图12一样，但包括用于启动目的的可选辅助烧嘴。
图23：与图12一样，但包括用于启动目的的可选辅助压缩机。
图24：与图12一样，但包括用于进一步热回收的可选排气热交换器。
图25：基于潜在的静态发电过程的示例，将许多附加物结合到图12的系统的通用系统。
图26：基于潜在的汽车增程器应用示例，将许多附加物结合到图12的系统的通用系统。
图27：示出了如图25所描绘的静态发电系统的一般启动过程。
具体实施方式
本发明是具有旋转部件的热交换器。本发明可以以简单的几何结构实现，其中，入口和出口以及可渗透流体的热传递介质均关于垂直于旋转轴线的平面是共面的，并且随着可旋转体160旋转，可渗透流体的热传递介质首先暴露于第一入口110和第一出口116，然后暴露于第二入口112和第二出口114，使得流体通过可渗透流体的热传递介质122交替地从第一入口流到第一出口，然后从第二入口流到第二出口。
图1中描绘了更复杂的布置。图1描绘了高温旋转回热式热交换器，其包括至少一个由合适的高温材料或热介质(比如容纳在合适的压力容器或模块内的陶瓷蜂窝状物)制成的热轮单元。
通过使用热流体和冷流体向腔室(包含热轮)的径向流入和流出，在本发明中避免了密封蜂窝状热传递介质轮的正面的经典问题。流体流沿垂直于热轮旋转轴线的方向进入和离开腔室。这不同于现有技术，在现有技术中，流平行于旋转轴线、垂直于热介质的开放面进入。本发明允许在可能具有压力差的两个流(热流和冷流)之间进行高效的热交换。
图1描绘了单个模块，其中至少一个模块被构造，其外部是固定压力容器，比如封闭的筒。在每个固定压力容器内是内部转鼓，优选地是不锈钢，其可以旋转并容纳至少一个热轮。多个模块也可以如下描绘的那样串联连接。
优选地，穿过热介质的流路(即，沿着蜂窝状基体的通道，或穿过网)与转鼓的旋转轴线对准。转鼓可以通过合适的驱动系统缓慢旋转，通常不超过约10rpm。
在模块串联连接的情况下，轴的转速可以特定于每个模块或在旋转式回热器内所有模块之间是一致的。转速的增加将提高热交换效能(ηeff)，热交换效能被定义为实际热传递与最大可能热传递之比。然而，转速的增加也导致携带损失的增加，这转化为压缩高压冷流所需的寄生负载的增加。因此，对于每种应用，取决于不同的过程变量，这些变量包括但不限于流速、可接受的携带损失，期望的效能(ηeff)、使用的模块数量、模块尺寸和压力差，存在最佳转速。最佳转速取决于操作者相对于应用特定过程变量的期望输出，其中那个特定应用期望在效能(ηeff)与携带损失之间进行折中。
例如，在典型的燃气轮机循环中，假定所有其他变量保持恒定，则在携带损失与效能(ηeff)之间的折中自身将显示在循环的热效率对比转速的曲线中。曲线的形状取决于循环中的其他部件、以及回热器的携带损失和效能(ηeff)对特定循环的影响。在操作者想要最大化燃气轮机循环的热效率的情况下，回热器的最佳转速将在曲线的峰处。在一些燃气轮机循环或其他应用中，其中可能需要将冷输入流的温度输出最大化，或者其中将携带损失降至最小(以效能为代价)。因此，最佳转速可能不对应于循环的最大热效率。
热流和冷流通过容器中的外部穿孔被运送进出每个模块。在转鼓中制有穿孔或显露口，使得在某些角位置，固定的外部穿孔与旋转的内部穿孔对准，由此允许一个流通过流体流的输送而径向流入、以及其相应径向流出每个转鼓，转鼓优选地由不锈钢制成并且必要时衬有绝缘材料。管道可以以本领域技术人员已知的任何方式来制作或铸造或制造。在任何给定时间，模块将要么允许在热流的入口与出口之间流动，要么允许在冷流的入口与出口之间流动，或者都不允许。优选地，容器和鼓中的显露口可以间隔开以与形成在陶瓷蜂窝状块的两侧或之间的通路对准。优选地，所述显露口径向相对放置，使得每个热流或冷流均具有用于最高达180度旋转的开放流路。显露口的周向定位将决定每个循环的旋转量，其可以在本发明的范围内变化。
圆形的滑动界面存在于外部固定压力容器的内侧和转鼓的外部，由此此界面形成了密封，该密封阻挡了一个流的流动而允许另一个流进入。
优选地，如果使用蜂窝状介质，则通道的横截面将是正方形，这允许壁具有恒定的厚度。其他形状的孔，比如圆形孔也将在本发明的范围内起作用，但是这是较不优选的，因为壁通常具有可变的厚度，从而减少了热的穿透并产生了热应力。通常，蜂窝状孔的宽度是大约0.5mm到2mm。蜂窝状物的尺寸和横截面形状取决于应用，并且不限于正方形横截面或特定的宽度或高度。
热介质可以由具有合适的热容量、热导率、热膨胀、热冲击特性以及针对热流和冷流的温度和压力的耐热性的任何材料构成。合适的材料可以包括但不限于堇青石、莫来石、氧化铝、硅酸钙、碳化硅和氮化硅的材料族。
优选地，当转鼓在与两个流对准之间的一半以避免一次对两个流都开放时，存在小的对角，其中均都不开放，并且存在足够的角间隔以形成密封。因此，显露口的尺寸可以被设置成使得对于小于180度的鼓旋转角，流是开放的。
优选地，使用多个模块以确保热流和冷流始终具有穿过回热器的流路，并且这样将永远不会被切断。每个模块可以按顺序定相，使得热流和冷流始终都具有至少一个具有开放流路的模块，但是当定位在任一个流的显露口之间时，每个模块形成紧密的密封。可以通过在转鼓中的显露口定位和尺寸设置以及鼓外部穿孔或通过每个模块中转鼓的旋转位置来进行顺序定相。例如，连接至一个热轮单元的转鼓的轴也可以连接至单独模块中的其他热轮单元，从而允许旋转式回热器内的所有热轮单元同时旋转。
如果回热器由多个模块构成，则每个模块将通过本领域技术人员公知的合适的管道连接，使得在故障情况下模块化有助于模块的更换。优选地，使用波纹管或其他膨胀接头以允许连接在不同模块之间的管道之间的热膨胀。
优选地，短轴式轴可以附接到每个单元的任一端，以沿着一系列模块传输驱动转矩。
优选地，短轴可以坐在合适的轴承上，以将模块的重量传递回合适的框架。否则，单元可以被支撑在外部容器上，或者两者的组合，可选地使用高度调节机构来改变负载路径。
可选地，本发明可以被解释为使用热流流动和冷流流动运行，热流流动和冷流流动既不是连续的也不是同时发生的，例如间歇式应用，在这些应用中，单个模块可能也就足够了。(单个模块本质上是间歇式回热器，但是如果多个模块串联连接，则由此可以实现连续运行)。如果在特定应用中流动是连续的或同时发生的，则可以使用单个模块，条件是可以适应回热器下游的反压力和调节流。在流动是连续的或同时发生的大多数应用中(例如典型的燃气轮机循环)，设置带有多个模块的回热器以避免任何反压力或调节流是有利的。将基于应用的合适特征选择模块的数量和显露口的定相，这些合适特征包括但不限于流速和压力、模块的体积、模块的几何结构、制造成本、回热器的效能(ηeff)、模块中的特定流路、以及应对调节流和反压力的能力。多个模块还具有允许集成潜在冗余的优点，其中一个模块的故障不会导致为了维修整个回热器而停机。
可选地，多模块式回热器可以集成成带有内部分隔壁的单个模块单元中。
可选地，在外部压力容器内部可以附接有内部耐磨板，而不是外部压力容器抵靠着转鼓滑动，更换内部磨损板可以更便宜。这要求耐磨板具有与外部压力容器的显露口相匹配的显露口，从而不会阻碍流动并可以保持静止。可选地，附加地或替代地，可以添加另外的耐磨板，该耐磨板被附接以便出于相同的原因与鼓一起旋转。
可选地，所述耐磨板的滑动界面上可以涂覆有合适的润滑剂。高温固体润滑剂的一个示例是六方氮化硼。比如油基润滑剂的液体润滑剂可能会在陶瓷热介质能够实现的温度下燃烧掉，但是鉴于系统的益处或与其他液体一起使用，有可能减轻这种油的消耗。因此，在滑动界面处使用固体润滑剂或液体润滑剂都不会脱离本发明。
可选地，固定耐磨板可以通过一层软绝缘层与外部容器分开。这用于既保护容器以防高温，而且还可以帮助将夹紧负载均匀地分布到耐磨板上，从而产生更均匀的密封。
可选地，热介质块可以是可以堆叠在一起成为单个轮层的立方体形状，使得每个块上的流动开放的面不接触相邻块的面。
可选地，除了立方体块，热轮可以使用满足上述标准的任何其他三维形状。例如，一圈分段形状是在本发明的范围内。
可以用绝缘层封装块层的封闭平坦外面，这些绝缘层可以保护转鼓以防峰温度。鼓内的绝缘层的类型和数量将基于转鼓和容器的形状、金属鼓和外部容器的材料选择所必需的给定温度范围以及特定几何结构的任何结构要求进行选择。用于绝缘的材料可以是但不限于陶瓷微孔、可浇铸耐火材料、结构硅酸钙、绝缘毡和陶瓷纤维产品。
可选地，可以通过流动衬里来保护与流路相邻的任何绝缘层，以防止高速气体引起的腐蚀。优选地，这些衬里将使用不锈钢并且仅由薄的折叠片材形成。这些流动衬里可以是牺牲性的。替代地，可以选择绝缘层以抵抗气体侵蚀并且可以在没有衬里的情况下使用或具有合适的涂层。
优选地，外部容器由上半部和下半部构成，上半部和下半部在任一侧的纵向凸缘处夹紧在一起。这产生预负载，从而在旋转界面与固定界面之间形成密封。
如本文所述，具有径向流入和流出允许设计比现有技术更紧凑。这是因为热介质可以堆叠到热轮内的多个内壁中，每个内壁分隔开有一定的偏移量，该偏移量允许流进入轮之间的开放通路中，转动90度，穿过热介质，转动90度，并通过开放通路流出。现有技术的热轮要求所有的流沿着平行于旋转轴线的相同方向(即垂直于热介质的开放面)进入单元中，要求所有的热介质布置在单个平面上，而不是布置在几个平行的平面上。在相同数量的热介质的情况下，本发明极大地减小了入口和出口导管的横截面尺寸，使系统更加紧凑，减少了热损失，并且强度更高且构造更便宜。
对于本发明，被携带的流体量(关于携带损失)还包括转子内部的热介质之间的开放空间，该空间由上述偏移量形成，直至密封面。因此，原则上，携带损失比常规热轮设计略高。然而，通过比如可扩展性、设计的紧凑性、密封和可靠性的改进来减轻损失。
可选地，可以连接相邻的模块，使得为了减少携带损失，已完成其高压循环(并且例如，处于低温状态)的模块可以将其一批加压空气排入对应的低压单元(例如，在将其引入低温高压流之前，先处于高温下)，直到压力相等，由此再循环部分内部压力。可以扩展该系统，以将加压空气再循环到一系列单元或单独的存储容器中，以交换和再循环更大部分的压力，尽管复杂程性不断增加。
可选地，替代地可以通过涡轮增压器或波转子排放高压流来再循环携带损失，该涡轮增压器或波转子使用吸收的功率用处于环境压力的新鲜空气对低压模块加压。
径向(即，垂直于旋转轴线)进入模块的流的原理可以在不脱离本发明范围的情况下以多种方式实现，例如，使滑动界面于在模块内部(而不是外部)转动90度之前与旋转轴线平行对准，以径向朝着热介质传递。
本文所述的本发明还通过去除高温材料蜂窝状密封件降低了高温回热的成本、复杂性和效能(ηeff)。与热介质相反，外部固定容器和转鼓都不需要由耐高温材料制成，而是可以使用不同更高强度的工程材料，比如钢级。因此，避免了与密封可能是蜂窝状高温热介质有关的问题。例如，蜂窝状物面上的薄壁由于滑动密封而破裂的问题，或者复杂的可展开密封界面的问题被例如在强度更大且坚固的平坦钢表面中设计滑动界面的较简单问题替代。
在附图中描绘了本发明的示例。所展示的具体示例旨在用作燃气轮机循环的一部分。本发明允许垂直于旋转轴线的流体流动，以使得在处于高温和/或高温差下的两个压力差流之间能够进行热交换。在优选的条件下，高压和低压流体在整个回热器中连续流动，由于流体流动的方向，携带损失最小。尽管在本发明中可以实现温度和压力的任何组合，包括等效压力的流，但是本文中的描述基于低压高温进流与高压低温进流之间的热交换。
在本发明中，旋转式回热器包含至少一个如图1所描绘的模块42。热轮单元42的旋转部分通过短轴38相对于轴线旋转，短轴与金属鼓24的两侧连接(如图3所示)。在金属鼓24内是长方体陶瓷蜂窝状物20，被不同几何结构18、28、30、34和52的绝缘层以及导管流动衬里36包围(如图2、图3和图4所示)。长方体陶瓷通过较小的蜂窝状物区段22的堆叠布置，这些蜂窝状物区段具有(垂直于蜂窝状通道的方向)开放的通路44(如图6所描绘的)。通路44与金属鼓24中的开口或显露口46对准，其允许长方体陶瓷蜂窝状物20与入口导管10、14和出口导管12、16之间的流体连通。
导管流动衬里36保护绝缘层18以防气体速度的不利影响。绝缘层和导管流动衬里36延伸至热的入口导管14和出口导管16。耐磨板26围绕旋转金属鼓24的整个圆周，并通过外壳或导管夹具32保持在位。绝缘层28围绕耐磨板26，从而减少了到导管夹具32的热传递程度。本发明中合适的高温润滑剂、六方氮化硼涂覆金属鼓24接触耐磨板26的面。
与旋转轴线平行的是用于高压输入流体的连接管道2a，用于高压输出流体的连接管道2b，用于低压输入流体的连接管道2c和用于低压输出流体的连接管道2d。垂直于旋转轴线的入口导管10、14和出口导管12、16允许连接管道2a、2b、2c、2b之间通过入口导管10、14和出口导管12、16流体连通至金属鼓24，使得入口导管10、14和出口导管12、16从连接管道2a、2b、2c、2d的圆周对着鼓24的圆周。
在本实施例中，金属鼓24具有尺寸被设置为沿旋转轴线纵向间隔开的圆周的一部分的显露口46，以允许陶瓷蜂窝状物20与入口导管10、14和出口导管12、16之间的流体连通。显露口46彼此径向相对地间隔开并且沿着金属鼓24纵向地错开，以便与长方体蜂窝状物20内的相关导管和开放通路44正确对准。显露口46的周向尺寸被设置为跨越长方体蜂窝状物20的一侧，并且基于流体的流速被设置纵向尺寸。
随着回热单元转动，回热单元在加热和冷却期间循环。在加热期期间，热流体显露口46允许陶瓷蜂窝状物20与低压热入口导管14之间的流体连通。热低压流体通过通路44流入与旋转轴线平行的蜂窝状通道中，并一直流到较小的堆叠长方体蜂窝状物22的另一侧的通路44，然后流出金属鼓24。
因此，低压流体填充蜂窝状物堆叠体22中的通道，从而将热能传递至蜂窝状物堆叠体22。同时，冷流体显露口允许低压出口导管12与陶瓷长方体蜂窝状物20之间的流体连通。因此，显露口46被定位成使得加热期允许低压入口导管14、长方体蜂窝状物20与低压出口导管12之间的流体连通。热低压流体从入口导管14流过陶瓷蜂窝状通道，传递热能并降低温度，流至低压出口导管12，在低压出口导管中作为冷流体流出。
在冷却期期间，显露口46与高压流体入口导管10和高压出口导管16对准，从而允许高压入口导管10、陶瓷蜂窝状物20与高压出口导管16之间的流体连通。与热循环相比，高压流体沿逆流方向从高压入口导管10穿过显露口46通过蜂窝状通道流到陶瓷蜂窝状物20。通过从陶瓷蜂窝状物堆叠体22提取热能，流体温度升高，并且通过显露口46流出到高压出口导管16。
该单元不断地重复循环，从而用热流体加热陶瓷蜂窝状物堆叠体22，并用冷流体冷却，以周期性地将能量从热流体传递到冷流体。在从热循环转换为冷循环的过程中，使转速平衡(～1-10rpm)，以使热交换最大化，同时使系统中的压力损失或携带损失最小化。热循环后，留在蜂窝状通道中的任何低压流体将降低高压冷流体在冷循环期间进入蜂窝状通道的总压力。
本发明的单个模块42可以单独使用，或者可以有利地与附加模块42连接。例如，如图8所描绘的，本发明的一个优选实施例包括五个旋转轮单元42。图7详细地描绘了图1所描绘的类型的两个模块之间的连接点(以及提供旋转力的电机54)。每个单元通过波纹管40经由连接管道2连接，并且短轴38通过联轴器50连接。通过这种布置，所有单元的旋转可以由单个电机驱动。对每个单元的热周期循环和冷周期循环进行定时，以使低压流和高压流始终具有穿过回热器的至少一个模块的路径，并且旋转显露口46对于低压流和高压流开放的横截面面积是恒定或接近恒定的；这有利地意味着流速是恒定的或接近恒定的，从而消除或大大降低了否则会增强的反压力。图9展示了本发明的循环周期。在y轴上，“1”表示低压导管12、14与显露口46的最大对角，而“-1”指示高压导管10、16与显露口46的最大对角，反之亦然。X轴表示旋转角度(以度为单位)。
金属鼓中的显露口和显露口46的尺寸根据那个特定单元的体积流量而设置，入口和出口导管10、12、14、16以及连接管道2也是如此。
本领域技术人员将了解，虽然在当前情况下，为了确保恒定或接近恒定的流过速率所需的模块的最佳数量为五个，但是在本发明的其他实施例中，取决于比如显露口的几何结构的特征，可能需要更多或更少的模块。
本文所述的旋转式回热器能够将温度从两个高压流体或两个低压流体传递，而不仅仅是从低压流体传递至高压流体(反之亦然)。除了考虑体积变化的操作之外，不需要明显改变就能够使本发明在相等压力的两个流之间传递热能。这样，旋转式回热器之前可以是波转子、涡轮压缩机或本领域技术人员公知的任何类型的压缩机，以将低压进流增大至较高压力。这具有减少携带损失的优点。
结合有旋转式回热器的轮机循环系统
根据本发明的旋转式回热器的一个用途可以作为回热式轮机循环的一部分。
例如，开式布雷顿型的极其简单的轮机循环系统可以结合有如上所述的旋转式回热器、燃烧器和轮机。回热器可以被布置成接收离开轮机的高温流体，并在此流体与也输入到回热器中的低温高压流体之间进行热交换。然后，所产生的高压高温流体可以进入处于高温的燃烧器，该高温优选地高于为燃烧器所提供的燃料的自燃温度，使燃烧器输出在高压甚至更高温度的流体。此流体然后可以进入轮机，轮机将从该流体中提取功，并且轮机的排气可以在回热器处重新进入循环。
可选的布置可以包括用于进气的压缩机、本文所述的用于将热量从轮机排气传递至压缩空气的旋转式回热器、用于将压缩空气的温度升高至所需轮机进气条件的燃烧器以及用于从高温压缩空气提取功的轮机。本文所述的旋转式回热器可以接收流出轮机的高温流体，并且将此高温流体与流出压缩机的低温流体交换。低温流体在离开回热器后，现在高温可以进入高温燃烧器，燃烧器处于高于燃料的自燃温度的温度。因此，燃烧器将需要是能够处理高温进气的低排放燃烧器。轮机将接收来自燃烧器的高温空气，因此必须由合适的材料制成以应对高温进气，这种轮机基于材料规格可能需要相对低的转速。用于进气的压缩机可以是能够由轮机轴驱动的高效压缩机，因此能够以低转速压缩空气。与其他微型轮机循环相比，包括本文所述的旋转式回热器的这种循环能够具有高效率。
在特别优选的实施例中，本发明公开了一种开式布雷顿燃气轮机循环系统，其中使用高温热回收装置，比如如上所述的旋转式回热器，对工作流体进行压缩和加热。压缩的工作流体的温度适当地高到高于所选燃料的自燃温度。此高温高压工作流体用作能够接收高温氧化剂并用多种燃料工作的超低NOx排放(<3ppm)无焰燃烧器中的氧化剂。然后，通过燃料燃烧使温度进一步升高的燃烧工作流体被输送到高温轮机，该轮机在低压排气用于旋转式同流换热器中以加热进入的高压工作流体之前从流体中提取功。可以通过齿轮箱和发电机将功转换为电力。由于高温回热器从膨胀机排气中回收热量，因此系统的空燃比相对高(通常大于1:20质量比)。这是因为热量回收非常高，因此在燃烧阶段需要较少量的热量输入到过程中，以将其升高到轮机进气温度。
在沿着这些路线的优选实施例中，使用根据本发明的旋转式回热器，优选类型的无焰燃烧器和优选类型的高温轮机允许以以下方式使那些部件相互：
·优选类型的高温轮机在足够高的温度和低压比下运行，以使得排气大于输入燃料的自燃温度。当与旋转式回热器结合工作时，轮机的排气可以用作高温低压输入流体，并且回热器可以用于将热量从排气传递到高压低温工作流体输入以将工作流体的温度升高到足够高于燃料的自燃温度。
·根据本发明的高效能(ηeff)旋转式回热器确保了系统的热效率高，系统的最佳压力比低，以及燃烧室的输入温度高于燃料的自燃温度。(系统的最佳压力比是回热器效能(ηeff)的函数，因此高效能回热器产生较低的最佳压力比；在这种情况下，该比率可能为约3-4。)
·根据本发明的旋转式回热器能够处理高温并且能够将两个压力不同的流之间有效地密封。
·优选类型的无焰燃烧器能够在没有冷却流体的情况下处理高温进入氧化剂，并且能够燃烧燃料而不形成热NOx、CO或颗粒。
·根据本发明的优选类型的无焰燃烧器和旋转式回热器两者都具有足够低的压降，以不影响系统的整体热效率。
优选轮机类型：最简单地，优选轮机类型是主要由陶瓷材料构成的外转轮式轮机。在GB专利申请号GB 1804912.2、GB 1709339.4、GB 1702648.5和GB 1616239.8以及PCT申请号PCT/GB 2017/052850中提供了适用于如上所述的布雷顿循环系统的这种轮机的广泛示例。这些申请的全部内容通过援引并入本文，并且其权利要求描述了优选类型的轮机的特别合适的示例。
例如，轮机的优选类型可以是包括轴流式轮机的轮机组件，该轴流式轮机包括轴向布置的一系列转子区段，其中，每个转子区段包括外环和转子叶片，并且转子区段的外环连接以形成旋转外壳，其中，转子区段由反应结合氮化硅(RBSN)制成，并且轮机组件包括为轴流式轮机提供结构支撑的外部护套，其中，护套由致密氮化硅(DSN)制成，其中，转子区段安装到外部护套的内部，并且护套和旋转外壳被布置成一起旋转。
在这种情况下，轴流式轮机可以进一步包括一系列轴向布置的定子区段，其中，每个定子区段包括内毂和多个定子叶片，并且这些定子区段的内毂连接形成固定轴，其中，这些定子区段由反应烧结氮化硅制成。(在这种情况下，轴流式轮机可以进一步包括至少一个包含在内毂中的罩。)轴流式轮机可以进一步包括至少一个罩，该罩包括在外环中。护套可以由密度大于理论密度的96％的DSN制成。护套可以由氮化硅282或气压烧结氮化硅制成。
替代地，优选类型的轮机可以是轴流外转轮式轮机，其包括轴向布置的一系列转子区段，其中，每个转子区段包括外环和转子叶片，并且转子区段的外环连接以形成旋转外壳，其中，转子区段由RBSN制成并选择了径向尺寸，使得在轮机的最大轴速度下，径向区段受到的应力不大于100MPa。
替代地，优选类型的轮机可以是轴流外转轮式轮机，其包括轴向布置的一系列转子区段，其中，每个转子区段包括外环和转子叶片，并且转子区段的外环连接以形成旋转外壳，其中，转子区段由RBSN以外的氮化硅制成(例如，气压烧结氮化硅，烧结氮化硅或重结晶氮化硅)。
替代地，优选类型的轮机可以是轴流外转轮式轮机，其包括轴向布置的一系列转子区段，其中，每个转子区段包括外环和转子叶片，并且转子区段的外环连接以形成旋转外壳，其中，转子区段由RBSN、烧结RBSN、或反映结合碳化硅制成，并且进一步包括加强插入件。(插入件可以包含致密陶瓷或碳纤维。)
替代地，优选类型的轮机可以是轴流外转轮式轮机，其包括轴向布置的一系列转子区段，其中，每个转子区段包括外环和转子叶片，并且转子区段的外环连接以形成旋转外壳，其中转子部分由碳化硅制成(例如，烧结碳化硅，氮化物结合碳化硅、重结晶碳化硅、硅碳化硅、或反应结合碳化硅)。
替代地，优选类型的轮机可以是轴流外转轮式轮机，其包括轴向布置的一系列转子区段，其中每个转子区段包括外环和转子叶片，并且转子区段的外环连接以形成旋转外壳，其中，转子区段由RBSN制成，并且转子区段装配到外部护套的内侧，护套和旋转外壳布置成一起旋转，并且护套由碳化硅或除了致密氮化硅以外的氮化硅制成(例如，护套可能由气压烧结氮化硅、烧结氮化硅、重结晶氮化硅、RBSN或烧结RBSN制成)。
优选地，轮机将是微型轮机(即，净功率输出低于大约1MW的轮机)。为了在高温下运转，使用金属部件的常规内转轮式轮机和外转轮式轮机都需要由昂贵的异金属合金制成，并且运行温度有限(低于大约1100℃，这限制了发电效率)，或者需要复杂的毛细管通道才能将冷却工作流体吹过叶片以保持其机械强度。冷却通道大大增加了轮机叶片的设计和制造的复杂性，增加压缩机寄生负载来为工作流体提供动力，并且无法轻松地装配在微型轮机中典型的非常薄的小叶片中(即，净功率输出低于大约1MW的燃气轮机)。因此，优选地，轮机将由合适的陶瓷或陶瓷复合材料构造而成。优选地，轮机将由能够应对更高温度并且能够被机械加工成复杂几何结构(比如轮机叶片)的陶瓷材料构造而成，陶瓷材料是比如反应结合氮化硅(RBSN)。可选地，陶瓷轮机将具有更致密的陶瓷护套，以形成轮机组件，与不具有致密护套的轮机相比，该轮机组件可承受更大的机械应变。可选地，用于微型轮机的陶瓷材料可以是碳化硅或另一种适合于机械应变和温度以实现轮机成功运行的材料。优选地，微型轮机将能够以相对低的转速(<～20,000rpm，与～100,000rpm完全不同)运行。
优选燃烧器类型：最简单地，优选燃烧器类型是如GB专利申请号GB 1805687.9中所描述的无焰燃烧器，该专利申请通过援引以其全部内容并入本文，其权利要求描述了优选类型的燃烧器的特定示例。
那么，优选燃烧器类型可以是无焰燃烧器系统，其包括纵向延伸的燃烧室以及至少一条燃料管线，氧化剂穿过燃烧室沿纵向方向从入口流到出口，其中，与燃料管线流体连通的至少一个燃料喷射管路延伸穿过燃烧室的壁，其中，每个燃料喷射管路包含至少一个用于将燃料喷射到燃烧室中的燃料喷射器。
在一些示例中，该系统包括至少两条燃料管线，使得至少一条燃料喷射管路中的至少一条延伸穿过燃烧室的壁跨过燃烧室的内部到达燃烧室的相对壁，并穿过相对的壁，使得燃料喷射管路与第一和第二燃料管线均流体连通。在这种情况下，可能的是，至少一条燃料管线中的每条燃料管线包括从其沿其长度延伸的多个燃料入口管路，并且每条燃料入口管路包括从其沿其长度延伸的多条燃料喷射管路。
在一些示例中，至少一条燃料管线中的每条燃料管线具有从其延伸的至少一条与燃料管线流体连通的燃料入口管路，并且至少一条燃料喷射管路中的至少一条从燃料入口管路延伸，使得燃料喷射管路与燃料入口管路流体连通。
在一些示例中，至少一条燃料管线沿纵向方向基本上平行于燃烧室延伸。(在这种情况下，可能是至少一条燃料喷射管路沿垂直于至少一条燃料管线的方向的方向延伸。在这种情况下，可能是至少一条燃料管线中的每条从其延伸出至少一条与燃料管线流体连通的燃料入口管路，而至少一条燃料喷射管路中的至少一条从该至少一条燃料入口管路中的至少一条延伸，使得燃料喷射管路与燃料入口管路流体连通，并且其中，燃料入口管路沿垂直于该至少一条燃料管线和该至少一条燃料喷射管路的方向的方向延伸。在这种情况下，可能的是，至少一条燃料管线中的每条燃料管线包括从其沿其长度延伸的多个燃料入口管路，并且每条燃料入口管路包括从其沿其长度延伸的多条燃料喷射管路。)
在一些替代方案中，燃料喷射器包括孔或喷嘴。在这种情况下，可能的是孔或喷嘴的尺寸被选择为决定在工作条件下从孔或喷嘴喷射出的燃料的速度。
在一些替代方案中，燃料喷射器朝向燃烧室的出口定向。
在一些替代方案中，至少一条燃料管线的直径、至少一条燃料喷射管线的直径和(如果存在的话)至少一条燃料入口管路的直径被选择成使得在运行条件下，输送到每个喷射点的燃料压力是相同的。
在某些替代方案中，燃料喷射器均匀地分布在燃烧室内。
优选地，无焰燃烧器将是多燃料燃烧器，该多燃料燃烧器能够燃烧不同的燃料而燃烧系统仅进行很小的改变。(例如，具有合适燃料喷射系统的燃烧器，该燃料喷射系统通过将燃料喷射到燃烧器中的多个位置而能够实现即时混合。)
优选地，无焰燃烧器将被设计成使得燃烧器内的温度达不到高于典型所需的热NOx形成温度，因此与常规火焰燃烧器相比，形成的NOx非常少。例如，燃烧器以足够的速度喷射燃料，并与高速氧化剂流并流，以确保分布的反应区且没有火焰形成。
可选功能：可选地，燃料通过本领域技术人员公知的热交换器，然后喷射到燃烧器中，该燃烧器从旋转式回热器的低压低温输出中提取更多的能量，然后排放到大气。由于燃料和排气质量流量的巨大差异，热交换器不必具有新颖的设计即可具有高效能(ηeff)。这将帮助提高循环的整体热效率。
可选地，取决于燃料源，燃料将通过小型燃料压缩机，然后喷射到燃烧器或燃料热交换器中。
可选地，燃气轮机循环中的燃烧器前面将是用于启动系统的典型气体烧嘴，其尺寸合适地被设置为提供适量的热量，以确保无焰燃烧器的输入在打开无焰燃烧器之前高于自燃。此烧嘴将能够应对高压入口氧化剂，并且在正常运行期间将绕过烧嘴。可选地，烧嘴将由外部氧化剂和外部燃料源而不是已经在该过程中使用的燃料和氧化剂供应。可选地，出于启动的目的，可以使用辅助烧嘴，其排气与轮机排气一起被引导到旋转式回热器中，从而能够在不需要高压烧嘴的情况下启动。通常，这种烧嘴将在排气侧需要引风机，以通过旋转式回热器提供必要的压力分布。
可选地，启动系统将包括电预热器，例如使用碳化硅加热元件。这将基于旋转式回热器的压缩流体出口，并且将在进入无焰燃烧器之前提高工作流体的温度，以确保在打开无焰燃烧器之前温度高于自燃。
可选地，启动燃烧系统将由至少一个较小的无焰燃烧器和至少一个小烧嘴的级联系统构成，使得只需要设置烧嘴的尺寸即可确保级联系统中第一且最小燃烧器的输入温度高于燃料的自燃温度，因此减小了启动烧嘴的尺寸和复杂性。可选地，此启动烧嘴可以是用于加热空气的电加热器。
可选地，当使用液体燃料时，燃气轮机循环中的燃烧器前面将是汽化器。这将汽化液体燃料并不需要将雾化喷嘴安装到喷射系统上。优选地，液体泵将在燃料汽化器前面以将液体升高到必要的压力。
使用本发明的旋转式回热器确保紧凑的整体占地面积(与同流换热器完全不同)具有高效能(ηeff)，优选地回热器将是具有如下几何结构的旋转式回热器，该几何结构允许紧凑的设计以实现高效能(ηeff)，例如本发明。
优选地，与平行于旋转轴线的流路完全不同，旋转式回热器将具有相对于旋转轴线的径向流，以便进一步增加紧凑设计以实现高效能(ηeff)。
优选地，旋转式回热器将利用陶瓷材料作为热介质，因此它可以接收高温流。优选地，旋转式回热器将被设计成使得密封面是金属的，与陶瓷完全不同，使得避免了与陶瓷密封相关的问题，例如本发明。
优选地，旋转式回热器将是模块化的，使得可以针对不同的流量和工艺变量容易地增大尺寸。
可选地，可以通过轴驱动的压缩机将压缩的工作流体输送到旋转式回热器。尽管任何压缩装置都是合适的，但轴驱动的压缩机将消除由电驱动的压缩机引起的固有循环效率损失(即，在产生电力然后为压缩机提供动力时损失的效率)。
可选地，轴驱动的压缩机将能够在低转速下产生所需的压力比。
在压缩机是轴驱动的实施例中，该过程将具有自持速度，其中轮机和压缩机的转速足以使得仅需要燃料就可使轮机旋转。轴的旋转基于系统中其他部件的阻力，使压缩机产生特定的压力比，并具有特定质量流量通过压缩机。此质量流量和压力比足够大，使得在燃烧器中添加燃料时，从轮机提取的功大于从压缩机中需要的功。
可选地，轴驱动的压缩机将是多级中冷压缩机，使得压缩空气在各级之间被冷却以减少压缩机完成的功。在这种情形下，压缩机将具有超过一个级，并且将通过相同的轴被驱动。中间冷却器可以特定于本领域技术人员公知的压缩机或热交换器。
可选地，轴驱动的压缩机和轮机将与发电机连接，使得在启动期间，发电机可以使压缩机旋转，以在以合适的自持速度进行切换之前将压缩空气提供到系统中。可选地，轴驱动的压缩机将与用于启动目的的辅助电机连接，其中在正常运行期间，辅助电动机的轴可以与主轮机轴分离。可选地，当使用轴式压缩机时，可以通过连接到系统中的辅助压缩机来实现启动，使得，在自持速度下，相关的气门关闭可以确保辅助压缩机可以关闭并且轴式压缩机可以进行循环。
本文所述的循环是非常高效的(>40％)，NOx排放超低(<3ppm，未经排气处理)，发电量低(<1MW)，成本低，模块化，具有多燃料能力，可扩展(即可以设计成30kW到1MW的任何发电输出，复杂性低，因此易于控制，并且具有紧凑的潜力(例如用于汽车行业)。
图12至图27描绘了结合有旋转式回热器作为布雷顿型轮机循环或其他轮机循环的一部分的系统的抽象示意图。在每种情况下，该系统适应于核心过程，包括用于将压缩空气输送至三个核心部件的压缩机、旋转式回热器、轮机、以及燃烧室。
图12描绘了适应于实施过程的系统，其中将凉低压工作流体(在本发明中为环境空气210)吸入压缩级202。通常高于环境温度但低于大致150℃的压缩空气212流出压缩级并进入高温旋转式回热器204，压缩空气在回热器中被轮机排气流218加热，然后作为高温高压流214流出。此流214必须高于燃料222的自燃温度。高温高压空气214用作超低的NOx(<3ppm)无焰燃烧器206中的氧化剂。燃料222被燃烧，因此将燃烧空气216的温度升高到必要的轮机进气温度≥大致1250℃。膨胀机208作为全陶瓷微型轮机轮机(<1MW)从流中提取功，可以通过齿轮箱226和发电机/电机228将其转换为电功率。在可以使用高速发电机228的情况下，不需要齿轮箱226。轮机还通过轴224驱动压缩机202。轮机排气218向旋转式回热器204提供高温，旋转式回热器将热量传递到流212，并作为流220排放到大气中。可选地，可以通过提供另一个热输入源来减少输入系统中的燃料222的量。输入可以是直接输入(即，喷射热流体)，也可以是间接输入(即，通过热交换)。输入的位置取决于输入的类型和方法，并且可以在压缩后且回热212之前，回热214之后或进入轮机排气218之后。这包括但不限于太阳能、余热能(例如，蒸汽、热油或另一个过程的排气)、电能或非燃烧的反应产生的能量。
图13描绘了适应于实施如图12中所描述的过程的系统，其中，排气流220通过热交换器230被改向，该热交换器使用排气流220的热量来预加热燃料222。较低温度的排气232被排放到大气中，并且温度升高的燃料234进入燃烧器。这通常会被浪费掉，因此帮助提高过程的整体热效率。
图14描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，其中燃料222进入可选的燃料压缩机236，以便在喷射(如果需要喷射)之前升高燃料238的压力。
图15描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，但是包括用于启动目的的可选的燃料烧嘴242。在一些实施例中，尤其是当燃烧器206是无焰燃烧器时，燃烧器206需要高温空气输入214以确保燃料222的自燃。在此实施例中，在旋转式回热器204能够从膨胀机排气218吸收足够的热量之前，有必要在启动期间升高流214的温度。一种这样做的方法是使用高压烧嘴242。燃料烧嘴242可以使用外部燃料管线240、原始燃料管线的改向管线222b或两者。取决于应用，燃料烧嘴还将利用外部氧化剂246或高压高温压缩空气214b的改向。这样的燃料烧嘴将能够应对高压，并且在使用压缩空气214b作为氧化剂的情况下，应对高温进入氧化剂。在启动期间，高温燃烧空气244可以被喷射到压缩空气流214中，或直接喷射到燃烧器206中。优选地，烧嘴将在正常运行期间关闭。
图16描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，其中轴驱动的压缩机已经被多级中间冷却轴驱动的压缩机202a、202b代替，以减少压缩级完成的功。图16示出了两级压缩机，低压级202a和高压级202b，其中两个压缩机都是轴驱动的。冷环境空气210被吸入第一级压缩机202a，并将这个流压缩到指定压力。对于两级压缩系统，名义上这是最终压力比(压缩空气212的压力较环境空气210的压力)的平方根。半压缩空气248进入热交换器252，该热交换器提取热量通过冷却流体254，并且现在处于较低的温度250的半压缩空气进入第二压缩机级202b。冷却流体254处于较高温度256而流出热交换器。第二级压缩机202b将半压缩空气250压缩到期望的工作流体压力212。可选地，此多级压缩机可以由外轴或电机驱动，是多转子的，并且可以包括两个以上的级。
图17描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，包括可选的燃料汽化器260，该燃料汽化器将液体燃料258b转变成气态燃料258c，然后喷射到燃烧器中。液体燃料258a将通过泵或液体压缩机259升高压力。如果该过程需要使用液体燃料而不改变多燃料燃烧器206以使用液体燃料，则将使用此方法。
图18描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，但可与非轴驱动的压缩机262一起使用。通常，像这样的压缩机将是电驱动的或通过柴油发电机驱动的。这将允许所有轮机功被用于通过发电机228发电。
图19描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，该系统包括用于使压缩机202旋转以仅用于启动目的的可选辅助电机264和轴266。在正常运行期间，启动轴266可以与主轴224分离。电机264可以包含其自己的发电机，或者可以与市电附接。这允许在启动期间使压缩机202和轮机208分离。
图20描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，但具有电气空气预热器268以用于在启动期间加热高压空气214c。这将例如使用嵌入在流体导管中的碳化硅加热元件通过外部电输入来升高压缩空气214的温度，使得加热器出口270的温度是足够高到用于启动目的的温度。电气空气预热器268可以预加热高压高温压缩空气214c的改向空气，也可以坐于主流214的导管内。这提供了一种将压缩空气214的温度升高到高于使用无焰燃烧器所需的自燃温度。
图21描绘了被设计为使用至少一个级联启动烧嘴272a和可选地级联无焰燃烧器272b来实施如图12中所述的过程的系统。在一个实施例中，在启动期间，压缩空气流214被分成较大流体流214e和相应地较小的流体流214d。较小的流体流214c进入燃烧器或烧嘴272a，其中燃料240b被燃烧，因此此流体的温度升高(270)，并与较大的流体流214e混合，然后进入主燃烧器206。这通过热量回收到旋转式回热器204中引起压缩空气214的温度的进一步提高。流体温度部分地升高，直到一部分流体214d被充分升高，使得在二次启动燃烧器272b中可以发生无焰燃烧。优选地，二次启动燃烧器还将具有另一输入流体214f，使得升高温度的燃烧空气270的总质量流量大于不使用二次燃烧器时的总质量流量。这样的级联系统将持续直到与工作流体214g混合的燃烧的流体270的温度足够高，即，高于必要的自燃温度，使得在主燃烧器206中可以发生无焰燃烧。可选地，系统将在正常运行期间被绕过214。在这样的系统中，级联烧嘴和无焰燃烧器272a和272b的数量和尺寸取决于应用，流214d、214e、214f、214g的分割也一样。
图22描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，具有用于启动目的的可选的燃料烧嘴274。辅助烧嘴214优选在环境压力下燃烧燃料源240，或使用改向后的现有燃料源222b与外部氧化剂246。辅助烧嘴排气276进入旋转式回热器，并在进入燃烧器206之前为热交换提供必要的热量，以升高压缩空气214的温度。这可以一直持续到轮机排气218的质量流量和温度足以向压缩空气214提供必要的热量为止。这提供了一种将压缩空气214的温度升高到高于使用无焰燃烧器所需的自燃温度。这样的系统可能需要将引风机放置在过程排气220上。
图23描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，该系统具有在使用轴驱动的压缩机202期间用于启动目的的辅助压缩机。在一些实施例中，当使用轴驱动的压缩机202时，发电机将不适合于启动压缩过程。在这些实施例中，将需要从辅助压缩机278提供增压。在启动期间，辅助压缩机278将冷工作流体282压缩为高压流体280。然后，此流体通过旋转式回热器204升高温度。辅助压缩机将继续被利用，直到轴驱动的压缩机202旋转得足够快到提供压缩的流体212的必要质量流量，使得过程处于自持转速。可选地，轴式压缩机的出口可以通气到大气286，直到发生压缩机的切换为止。
图24描绘了适应于实施如图12中所述的过程的系统，该系统添加了可选的排气热量回收装置284。此装置可以是区域加热系统的热交换器，也可以是制冷系统或其他从排气流中提取能量的设备。
图25描绘了被设计用于实施如图12所述的过程的系统，其中核心过程适应于静态发电的一个实施例。这包括具有级间冷却252的多级轴驱动的压缩机202a、202b。在使用过程排气220通过燃料热交换器230加热之前，燃料222通过燃料压缩机236被压缩，过程排气然后被引导至热交换器284以用于比如区域加热的应用中。辅助压缩机278和辅助烧嘴274用于启动目的。这仅仅是用于静态发电应用的一个实施例，同一应用存在各种辅助系统和核心过程的其他实施例。
图26描绘了被设计为实施图12中所述的过程，其中核心过程适应于汽车增程的一个实施例。这包括电加热器268，以用于在启动期间加热压缩空气214c，以使加热后的压缩空气270的温度高到足以启动无焰多燃料燃烧器206。液体燃料258a通过液体泵259被泵送到汽化器260，该汽化器使加压液体258b汽化，以作为气态燃料258b被喷射到燃烧器206中。在此实施例中，高速发电机228用于将轮机功转换成势能，因此不需要齿轮箱。附加地，发电机228将用于驱动轴以用于启动目的。这仅仅是用于汽车增程应用的一个实施例，同一应用存在各种辅助系统和核心过程的其他实施例。
图27描绘了图25中所描绘的系统的启动过程。最初，启动辅助压缩机278向系统提供压缩空气。然后启动辅助燃烧器274使旋转式回热器204对流214加热。轮机208和轴式压缩机202a、202b将开始自旋。随着轴式压缩机202a、202b自旋得更快，通过它们的质量流量增加，并且来自轴式压缩机的压缩空气被排到大气中。随着旋转式回热器发热，压缩空气流214的温度将升高。当无焰燃烧器入口214足够高到进行燃料234的无焰燃烧时，辅助烧嘴274被关闭并且无焰燃烧器206被打开。燃料输入越多，引起向系统中输入的能量越大，而轮机中的温度越高，这样，当到系统中的燃料输入增加时，轮机的速度会增加，因此轴的速度将增加。燃料输入222增加，直到轴224的转速足够高，以使得流经压缩机202a、202b的质量流量足以使系统自持，而无需来自辅助压缩机278的额外压缩空气输入。此时，来自轴压缩机202a、202b的被引导至旋转式回热器204的压缩空气并且辅助压缩机278关闭，这可以通过例如三通阀来实现。操纵燃料输入222和来自发电机228的负载，直到轴224的速度达到设计点。
回热器和结合有回热器的轮机循环的应用
回热器和结合有回热器的轮机循环可以用于一系列不同的应用中，特别是特别需要其特定优点的应用。例如，汽车可以结合有这种回热器和/或轮机循环；这种轮机循环还可以用于静态发电。

Claims (17)

1.一种回热式热交换器模块，包括：-
a)室；
b)所述室的至少一个第一入口和至少一个第一出口，用于使至少一部分第一流体流通过；
c)所述室的至少一个第二入口和至少一个第二出口，用于使至少一部分第二流体流通过；
d)所述室内的至少一个可旋转体，所述可旋转体被安装用于绕轴线旋转；
其特征在于，
所述至少一个体包括多个流体流动通路，所述流体流动通路横向于所述旋转轴线延伸并且被流体可渗透的热传递介质分隔开，所述多个流体流动通路被布置成使得在使用中
i.在第一旋转位置时，所述多个流体流动通路与所述至少一个第一入口和所述至少一个第一出口对准，使得所述至少一部分第一流体流穿过所述至少一个第一入口进入至少一个所述流体流动通路，穿过所述流体可渗透的热传递介质进入至少一个相邻的流体流动通路，并且穿过所述至少一个相邻的流体流动通路进入所述至少一个第一出口，以及
ii.在第二旋转位置时，所述多个流体流动通路与所述至少一个第二入口和所述至少一个第二出口对准，使得所述至少一部分第二流体流穿过所述至少一个第二入口进入至少一个所述流体流动通路，穿过所述流体可渗透的热传递介质进入至少一个相邻的流体流动通路，并且穿过至少一个相邻的流体流动通路进入所述至少一个第二出口。
2.如任一项前述权利要求所述的回热式热交换器模块，其中，所述至少一个第一入口和所述至少一个第一出口在周向上彼此相对，并且所述至少一个第二入口和所述至少一个第二出口在周向上彼此相对。
3.如任一项前述权利要求所述的回热式热交换模块，其中，在所述第一旋转位置时所述至少一部分第一流体流从所述至少一个第一出口进入的所述流体流动通路中的所述至少一个流体流动通路也是在所述第二旋转位置时所述至少一部分第二流体流从其进入所述第二出口的所述至少相邻的流动通路，并且其中，在所述第一旋转位置时所述至少一部分第一流体流从其流入所述至少一个第一出口的所述至少一个相邻的流动通路也是在所述第二旋转位置时所述至少一部分第二流体流入的所述流体流动通路中的所述至少一个流体流动通路。
4.一种包括如任一项前述权利要求所述的室的回热式热交换器模块，其中，所述可旋转体被容纳在转鼓中，并且所述转鼓被容纳在压力容器中，使得所述转鼓适应于与所述可旋转体一起旋转，并且所述压力容器保持固定。
5.如权利要求4所述的回热式热交换器模块，进一步包括所述压力容器和所述转鼓中的外部穿孔，在所述第一旋转位置时，所述外部穿孔对准成与所述第一入口和所述第一出口密封，而在所述第二旋转位置时对准成与所述第二入口和所述第二出口密封，并且其中，所述压力容器和所述转鼓中的所述外部穿孔还与所述流体可渗透的热传递介质中的所述多个流体流动通路中的至少一个流体流动通路对准。
6.如权利要求4至5中任一项所述的回热式热交换器模块，包括所述固定压力容器与所述转鼓之间的圆形滑动界面，实现密封紧密接合，以用于在所述第一旋转位置时阻止第二流体流的通过，并在所述第二旋转位置时阻止第一流体流的通过。
7.如任一项前述权利要求所述的回热式热交换器模块，其中，所述流体可渗透的热传递介质成蜂窝状基体结构或网布置，或被布置成为堆叠在一起的蜂窝状块。
8.如任一项前述权利要求所述的回热式热交换器模块，其中，所述至少一个第一入口、所述至少一个第一出口、所述至少一个第二入口、所述至少一个第二出口、所述流体可渗透的热传递介质和所述多个流体流动通路关于垂直于所述旋转轴线的平面是共面的。
9.如权利要求1至7中任一项所述的回热式热交换器模块，其中，
i)所述至少一个第一入口和所述至少一个第一出口关于垂直于所述旋转轴线的平面彼此不共面；
ii)所述至少一个第二入口和所述至少一个第二出口关于垂直于所述旋转轴线的平面彼此不共面；
iii)所述多个流体流动通路沿所述旋转轴线分布，使得至少一个流体流动通路关于垂直于所述旋转轴线的平面与所述至少一个第一入口、所述至少一个第一出口、所述至少一个第二入口和所述至少一个第二出口中的每一个共面；
iv)所述流体可渗透的热传递介质沿所述旋转轴线分布，使得在第一旋转位置时，所述至少一部分第一流体流从关于垂直于所述旋转轴线的平面与所述至少一个第一入口共面的流体流动通路穿过所述流体可渗透的热传递介质进入关于垂直于所述旋转轴线的平面与所述至少一个第一出口共面的至少一个相邻的流体流动通路，并且在第二旋转位置时，所述至少一部分第二流体流从关于垂直于所述旋转轴线的平面与所述至少一个第二入口共面的流体流动通路穿过所述流体可渗透的热传递介质进入关于垂直于所述旋转轴线的平面与所述至少一个第二出口共面的至少一个相邻的流体流动通路。
10.如权利要求9所述的回热式热交换器，其中，所述至少一个第一入口关于垂直于所述旋转轴线的平面与所述至少一个第二出口共面，并且所述至少一个第二入口关于垂直于所述旋转轴线的平面与所述至少一个第一出口共面。
11.如任一项前述权利要求所述的回热式热交换器，其中，所述第一流体流的压力比所述第二流体流更高，并且其中，所述第二流体流处于比所述第一流体流更高的温度进入所述热交换器，并且其中，所述第一流体流处于比当所述第一流体流进入时更高的温度流出所述热交换器，并且所述第二流体流处于比当所述第二流体流进入时更低的温度流出所述热交换器。
12.一种由至少两个如任一项前述权利要求中所述的回热式热交换器构成的组件，所述组件联接以允许所述第一流体流和所述第二流体流在所述热交换器之间通过。
13.一种用于使轮机循环生效的系统，包括轮机、燃烧器和至少一个如权利要求1至11中任一项所述的回热式热交换器或如权利要求12所述的由至少两个回热式热交换器构成的组件。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述轮机是主要由陶瓷材料制成的外转轮式轮机。
15.如权利要求13或14所述的系统，其中，所述燃烧器是无焰燃烧器系统，包括：
纵向地延伸的燃烧室，氧化剂沿纵向方向从入口穿过所述燃烧室流到出口，以及
至少一条燃料管线；
其中，至少一个与所述燃料管线流体连通的燃料喷射管路延伸穿过所述燃烧室的壁，其中，每个燃料喷射管路包含至少一个用于将燃料喷射到所述燃烧室中的燃料喷射器。
16.一种汽车或用于汽车的发动机，包括至少一个如权利要求1至11中任一项所述的回热式热交换器、如权利要求12所述的由至少两个回热式热交换器构成的组件、或如权利要求13至15中任一项所述的系统。
17.一种静态发电机，包括至少一个如权利要求1-11中任一项所述的回热式热交换器、如权利要求12所述的由至少两个回热式热交换器构成的组件、或如权利要求13至15中任一项所述的系统。
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