TW201447201A - 用於冷卻ｏｔｅｃ工作流體泵馬達的系統及方法 - Google Patents

用於冷卻ｏｔｅｃ工作流體泵馬達的系統及方法 Download PDF

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Abstract

本發明揭露一種位於一OTEC系統中之冷卻系統及方法，其中係使用來自於工作流體泵出口之次冷卻工作液體直接或間接地經由與一第二流體進行熱交換而冷卻該工作流體泵馬達。避免馬達所產生的熱在工作流體流入蒸發器之前進入工作流體有助於緩解蒸發器的負荷，如此表示該蒸發器便會具有產生更多能量的可能性。此外，由於諸如用於一OTEC系統中之雙相位蒸發器在單相加熱方面之效率係低於單相熱交換器，此工作流體之預加熱將顯著有助於蒸發器之性能。

Description

用於冷卻OTEC工作流體泵馬達的系統及方法
本發明揭露內容係有關於一種海洋熱能轉換(OTEC)系統，以及一種用於該OTEC系統中之工作流體泵馬達。
在一典型的OTEC系統中，許多的組件係位於水線以下，其中一種此等組件係為工作流體冷凝器熱交換器。由於需要淨正壓吸水壓力頭，該工作流體泵必須設置在冷凝器下方，且因此該工作流體泵同樣必須設置在水線下。
市場上現有的(COTS)工作流體泵並無法適用於沉浸在水中的應用。因此，該工作流體泵必須設置在一壓力容器中，以便將該等泵隔絕海洋環境以及壓力差異。如此設置會使得散熱問題變得更為複雜，熱量必須從馬達排散，以便使諸如馬達捲繞線圈、封口、軸承以及潤滑劑等馬達工作組件保持冷卻。
馬達之無效輸出(名義上為5%)將會直接轉換成為熱能形式的機械功。此熱能必須依照其產生的速率進行萃取排出。除此之外，馬達溫度不能超過某一特定溫度， 一般而言係為攝氏40度。一種解決方案係使用圍繞該壓力容器之海水作為散熱器。不幸的是，該壓力容器並不具有足夠的表面積，能夠依靠該壓力容器內部的空氣對流與該壓力容器外部的自然海水對流達成散熱需求。即便迫使海水圍繞容器流動，以便在空氣循環的同時於該壓力容器內部產生強迫對流，如此還是無法快速地排散足夠的熱量，使得其足以充分地冷卻馬達。
另一種選項係為使用海水泵送通過位於該壓力容器內部或者是位於該壓力容器外部的一熱交換器，以便冷卻該馬達。不幸的是，此選項需要一海水入口以及一海水出口(在一內部熱交換器的案例中)，或者是一額外的熱交換器流體入口與出口(在一外部交換器的案例中)、一海水過濾器(失敗點)、一額外的泵浦(失敗點)、額外的封口(失敗點)，且直接地使用海水，其具有高度腐蝕性(增加了故障的可能性)。
本發明揭露一種位於一OTEC系統中之冷卻系統與方法，其中係使用來自於該工作流體泵出口之次冷卻工作液體冷卻該工作流體泵馬達，並可直接或間接地以一第二流體經過熱交換器的方式進行冷卻。
在一實施例中，直接冷卻能夠包括使工作流體通過馬達之外罩，用以導引產生強迫對流冷卻，如圖3中所示。在一實施例中，間接冷卻能夠包括工作流體對空氣進行熱交換或是工作流體對諸如淡水之第二液體進行熱交 換。對於使用空氣而言，該熱交換器將會在壓力容器內的空氣與工作流體之間進行熱交換。對於使用一種第二液體而言，該熱交換器將在通過該馬達水罩的第二液體與工作流體之間進行熱交換，如圖2中所示。
冷卻用之工作流體將從該工作流體泵出口之高壓側通過熱交換器，或者是直接到馬達，且接著重新導流進入該泵出口，以便伴隨某特定量之解除次冷卻(de-subcooling)繼續流到蒸發器，或者是該工作流體能夠在進入泵入口之前導流回到冷卻迴路中。該解除次冷卻選項將能夠使工作流體去除某程度的次冷卻，藉以緩和有可能從蒸發器產生的熱量。此外，由於蒸發器係設計成為一種雙相位熱交換器，故具有較少次冷卻的工作流體便能夠更有效率地蒸發。因此，便能夠將該系統兩側原本會浪費的熱能放回系統內，成為純淨效益。
在一實施例中係設置一種泵系統，其包括一個界定出包含空氣或者是諸如氮氣之惰性氣體的一內部空間之壓力容器、一進入該內部空間的流體入口以及一離開該內部空間的流體出口。一泵係配置在該內部空間中，且該泵具有一個流體連接到該壓力容器之流體入口的入口、以及一個流體連接到該壓力容器之流體出口的出口。除此之外，一馬達係配置於該內部空間中，並連接到泵，用以驅動該泵。一馬達冷卻流動路徑係配置在該內部空間中，並且與該馬達形成熱交換關係。該馬達冷卻流動路徑包括一入口部分，其係流體連接到該泵出口或者是泵入口。
在另一實施例中係設置一種海洋熱能轉換系統，該系統包括一工作流體迴路，其包括一冷凝器、一蒸發器、一工作流體泵、以及一個與該冷凝器、蒸發器與工作流體泵交連的封閉環路導管。一種雙相位工作流體係位於該工作流體迴路中。該工作流體泵、蒸發器以及冷凝器係配置在一水體表面下方，且該工作流體泵係配置在一個界定出一包含空氣或是諸如氮氣的惰性氣體之內部空間的壓力容器中，一個進入該內部空間之流體入口係流體連接到該封閉環路導管，且一個從該內部空間離開之流體出口係流體連接到該封閉環路導管。該泵具有一個流體連接到壓力容器之流體入口的流入口以及一個流體連接到該壓力容器之流體出口的流出口。一馬達係配置在該內部空間之中，且連接到泵，用以驅動該泵。此外，一馬達冷卻流動路徑係配置在該內部空間中，並與該馬達形成熱交換關係。該馬達冷卻流動路徑包括一個入口部分，其流體連接到泵出口，以便接受來自於該泵出口之工作流體，以及一個出口部分，其流體連接到泵出口或者是泵入口。
在另一實施例中係揭露一種海洋熱能轉換系統以及一種冷卻驅動一泵之泵馬達的方法，其中該泵以及泵馬達係配置在一壓力容器之內部空間中，該壓力容器係配置在一水體表面下方，且該泵係泵送一種雙相位工作流體。在該方法中，其中在壓力容器之內部空間內，工作流體係從泵之一出口導引，以便與泵馬達進行熱交換，且在與該泵馬達進行熱交換之後，便將該工作流體導引返回進 入泵出口或者進入該泵之一入口。
10‧‧‧壓力容器
12‧‧‧內部空間
14‧‧‧工作流體入口
16、20‧‧‧流體導管
18‧‧‧工作流體出口
22‧‧‧工作流體泵馬達
24‧‧‧馬達冷卻流動路徑
26、42‧‧‧入口部分
28、44‧‧‧出口部分
28’、44’‧‧‧鏈線
30‧‧‧熱交換器
32‧‧‧液體冷卻迴路
34‧‧‧流動路徑
40‧‧‧馬達冷卻流動路徑
100‧‧‧OTEC能源產生系統
102‧‧‧離岸平台
104‧‧‧渦輪發電機
106‧‧‧封閉環路工作流體導管
108‧‧‧工作流體
110-1‧‧‧蒸發器
110-2‧‧‧冷凝器
112‧‧‧水體表面
114‧‧‧工作流體泵
116、124‧‧‧海水泵
120、122、128、130‧‧‧流體導管
圖1顯示一種能夠使用本文中所描述之泵馬達冷卻系統的OTEC系統；圖2顯示一間接泵馬達冷卻系統之一範例；圖3顯示一直接泵馬達冷卻系統之一範例。
本發明描述一種在一OTEC系統中之冷卻系統及方法，其中係使用來自於工作流體泵出口之經次冷卻的工作液體直接或間接地經由與一第二流體進行熱交換的方式冷卻該工作流體泵馬達。
圖1係為一OTEC能源產生系統100之佈置的概略圖。一OTEC系統之整體構造以及運作係廣為熟諳此技藝之人士所熟知。該OTEC系統100能夠配置在諸如海洋(ocean)、海(sea)、鹹水或淡水湖等水體之中。
在此實施例中，該系統100包括一離岸平台102、一渦輪發電機104、一工作流體迴路，其包括一蒸發器110-1、一冷凝器110-2、一工作流體泵114，以及一封閉環路工作流體導管106，其與該冷凝器、蒸發器以工作流體泵相互流體連接，並且延伸通過渦輪發電機104。例如但並非限定於氨之一種雙相位工作流體108係包含於該工作流體迴路之中。該系統100進一步包括海水泵116與124，以及流體導管120、122、128與130。
如圖1中所示，該工作流體泵114、蒸發器110-1 以及冷凝器110-2係配置在一水體之表面112下方，該水體可為一海洋、海、淡水湖與類似物。
蒸發器110-1可具有習用構造，並包括一熱交換器，其係組配來將熱量從位於表面區域中的溫暖海水送入工作流體108，藉以引起該工作流體產生蒸發。冷凝器110-2亦可具有習用構造，並包括一熱交換器，其係組配來將熱量從該經蒸發工作流體108送到來自於深水區域中的冰冷海水，藉以使該蒸發的工作流體108冷凝回復成為液體形式。
參考圖2，工作流體泵114係配置在一壓力容器10中，該壓力容器界定出包含空氣或者是一諸如氮氣的惰性氣體之內部空間12。該容器10包括一個工作流體入口14，其以一個位於該容器內，並流體連接到該封閉環路導管106以及該泵之一入口的流體導管16進入該內部空間12。該入口14以及流體導管16將低壓工作流體從冷凝器110-2導引進入容器10與泵入口。此外，該容器10包括一個來自於該內部空間的工作流體出口18，其以位於該容器內部的一流體導管20流體連接到該封閉環路導管106以及泵之出口。該出口18以及流體導管20將高壓工作流體從泵導引進入該封閉環路導管106，工作流體於該處流到蒸發器110-1。
一工作流體泵馬達22係配置在該內部空間12中，並且連接到泵114，用以驅動該泵。在圖2所顯示之實施例中，一馬達冷卻流動路徑24係配置在該內部空間12中，並且與馬達22形成間接熱交換關係。該馬達冷卻流動 路徑24包括一個入口部分26，其係經由流體導管20流體連接到泵出口，以便接收來自於泵出口之工作流體、以及一個出口部分28，其係經由該流體導管20流體連接到該泵出口。該馬達冷卻路徑24延伸通過一熱交換器30，以該入口部分26將工作流體導引到該熱交換器30，並以出口部分28將工作流體導引離開該熱交換器30。
在此範例中，熱交換器30係為一個配置在該壓力容器10中之一液體冷卻迴路32的一部分。該冷卻迴路32在熱交換器30與馬達22內部之間包括一個包含諸如清水之冷卻液體封閉環路冷卻液體流動路徑34。從馬達組件取出熱量之該流動路徑34中的液體需要進行冷卻，經過加熱之液體接著係導引到熱交換器30，液體於該處與位於流動路徑24中的工作流體進行熱交換，經過冷卻之液體接著係回到馬達22，繼續進行循環。
經由出口部分28返回之工作流體係在熱交換器30中進行加熱。由於熱量在工作流體進入蒸發器110-1之前排出，故蒸發器之熱負載便會減輕，如此表示該蒸發器便會具有更多產生能源的潛力。此外，由於使用諸如那些OTEC系統中所使用的雙相位蒸發器之效率係低於單相位加熱的單相位熱交換器，此工作流體在進入蒸發器之前的預熱將顯著有助於該蒸發器的性能。
取代以出口部分28使工作流體返回到泵出口的方式，該出口部分28能夠經由導管16使工作流體返回到泵114之入口，如圖2中之鏈線28’中所示。
除此之外，儘管圖2中之工作流體係描述且顯示成在熱交換器中與液體冷卻迴路32進行熱交換，本發明亦能夠使用其他的冷卻選項。例如，該液體冷卻迴路32能夠去除，且流過該熱交換器30之工作流體能夠與位於該容器之內部空間12中的空氣或是惰性氣體進行熱交換。熱量能夠從馬達22經由強迫循環/對流而排散到位於該容器中的空氣或惰性氣體，該經加熱之空氣/惰性氣體接著係經由該熱交換器30進行冷卻。
圖3顯示一種實施例，其包括一馬達冷卻流動路徑40，該流動路徑係配置在內部空間12中，並且與該馬達22形成直接熱交換關係。該馬達冷卻流動路徑40包括一個入口部分42，其係經由流體導管20流體連接到泵出口，以便接受來自於泵出口之工作流體、以及一個出口部分44，其係經由流體導管20流體連接到該泵出口。在此實施例中，該入口部分42將工作流體直接導引到馬達，工作流體於該處係直接冷卻該馬達組件。出口部分44使工作流體返回到泵出口，工作流體於該處繼續到達蒸發器。
取代該出口部分44使工作流體返回到泵出口的方式，該出口部分能夠經由導管16使工作流體返回到泵114之入口，如圖3中之鏈線44’中所示。
本發明申請案中所描述之範例在考量所有觀點方面而言係作為展示之用，且並非作為本發明之限制。本發明之範疇係藉由所附請求項所指出，而非為上述之描述；且所有的變化形式係屬於請求項預計包含之相等項目 的涵意以及範疇之內。
10‧‧‧壓力容器
12‧‧‧內部空間
14‧‧‧工作流體入口
16‧‧‧流體導管
18‧‧‧工作流體出口
20‧‧‧流體導管
22‧‧‧工作流體泵馬達
24‧‧‧馬達冷卻流動路徑
26‧‧‧入口部分
28‧‧‧出口部分
28’‧‧‧鏈線
30‧‧‧熱交換器
32‧‧‧液體冷卻迴路
34‧‧‧流動路徑
114‧‧‧工作流體泵

Claims (15)

  1. 一種增加蒸發器之性能的方法，該蒸發器蒸發一雙相位工作流體，該工作流體係藉由一馬達驅動之泵加以泵送到該蒸發器，該方法包含：使用來自於一泵出口的一部分工作流體與該馬達進行熱交換；及在與馬達進行熱交換以後，在該工作流體流至該蒸發器之前將該部分工作流體導引返回進入該泵出口或進入一泵入口，使得到達該蒸發器之工作流體的溫度增加。
  2. 如請求項1之方法，其中該蒸發器係為一雙相位蒸發器，其係為一海洋熱能轉換系統之部分；該泵以及泵馬達係配置在一壓力容器之一內部空間中，該壓力容器係配置在一水體的表面下；及該工作流體在該壓力容器之該內部空間中與該馬達進行熱交換。
  3. 如請求項2之方法，其中該雙相位工作流體係為氨。
  4. 如請求項2之方法，其包含將該工作流體導引進入該馬達，使得該工作流體與該馬達成直接熱交換關係。
  5. 如請求項2之方法，其包含將該工作流體導引通過一熱交換器，以便與配置於該壓力容器中之一液體冷卻迴路進行熱交換，且其係與該馬達成直接熱交換關係。
  6. 如請求項2之方法，其包含： 在與馬達進行熱交換之後，將該工作流體導引返回進入該泵出口。
  7. 一種泵系統，其包含：一個界定出包含空氣或是一惰性氣體之一內部空間的壓力容器、一個進入該內部空間之流體入口、以及一個離開該內部空間的流體出口；一個配置於該內部空間中之泵，該泵具有一個與該壓力容器之該流體入口流體連接的入口，以及一個與該壓力容器之該流體出口流體連接的出口；一個配置在該內部空間中並且連接到該泵的馬達，其用以驅動該泵；及一個配置在該內部空間中並且與該馬達成一熱交換關係的馬達冷卻流動路徑，該馬達冷卻流動路徑包括一個入口部分，其流體連接到該泵出口，以便接收來自於該泵出口的流體，以及一個出口部分，其流體連接到該泵出口或是該泵入口。
  8. 如請求項7之泵系統，其中該壓力容器係配置在一水體之表面下，且該泵係組配來泵送一雙相位流體。
  9. 如請求項8之泵系統，其中該雙相位流體係為氨。
  10. 如請求項7之泵系統，其中該馬達冷卻流動路徑係與該馬達成直接熱交換關係，且該馬達冷卻流動路徑包括一個延伸穿過該馬達的部份。
  11. 如請求項7之泵系統，其中該馬達冷卻流動路徑係與該馬達成間接熱交換關係。
  12. 如請求項11之泵系統，其進一步包含一個配置在該壓力容器內之液體冷卻迴路，該液體冷卻迴路包括一熱交換器，其係與該馬達冷卻流動路徑成熱交換關係。
  13. 如請求項11之泵系統，其進一步包含一個在該壓力容器中的熱交換器，該熱交換器係與該壓力容器內部的空氣或是惰性氣體成熱交換關係，且來自於該馬達之熱量係排散到該空氣或惰性氣體中。
  14. 一種海洋熱能轉換系統，其包含：一工作流體迴路，其包括請求項6之泵系統、一冷凝器、一蒸發器，以及使該冷凝器、該蒸發器以及泵互連的一封閉環路導管；於該工作流體迴路中之一雙相位工作流體；該泵、該蒸發器、以及該冷凝器係配置在一水體之表面下；該流體入口係藉由該封閉環路導管流體連接到該冷凝器，且該流體出口係藉由該封閉環路導管直接流體連接到該蒸發器。
  15. 如請求項14之海洋熱能轉換系統，其中該蒸發器係為一雙相位蒸發器。
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