具有潤(rùn)滑回路的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】具有潤(rùn)滑回路的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求在2013年I月28日提交的、名稱為“HEAVY DUTY ROOT EXPANDER HEATENERGY RECOVERY”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/757，533的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用合并在此。
[0003]政府許可權(quán)利
[0004]本發(fā)明根據(jù)由美國(guó)能源部的能源效率和可再生能源辦公室出資的國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室授予的合同號(hào)N0.DE-EE0005650在政府資助下完成。政府對(duì)本發(fā)明擁有一定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005]本發(fā)明涉及一種用于回收余熱的系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0006]朗肯循環(huán)是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的發(fā)電循環(huán)。朗肯循環(huán)通常用于熱發(fā)動(dòng)機(jī)中，并且通過(guò)使工作物質(zhì)從較高溫度狀態(tài)轉(zhuǎn)到較低溫度狀態(tài)來(lái)完成上述轉(zhuǎn)化。經(jīng)典的朗肯循環(huán)是基于蒸汽機(jī)的操作的基本熱力學(xué)過(guò)程。
[0007]朗肯循環(huán)通常采用單獨(dú)的子系統(tǒng)，如冷凝器、流體栗、諸如沸騰器的換熱器、以及膨脹器渦輪。栗常常用于加壓作為液體而不是氣體從冷凝器中接收的工作流體。來(lái)自栗的加壓液體在換熱器中加熱并且用于驅(qū)動(dòng)膨脹器渦輪以便將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。當(dāng)離開(kāi)膨脹器渦輪時(shí)，工作流體返回到對(duì)任何剩余的蒸汽進(jìn)行冷凝的冷凝器。之后，冷凝的工作流體返回到栗并且重復(fù)該循環(huán)。
[0008]經(jīng)典的朗肯循環(huán)的一個(gè)變型是有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)，其命名是由于使用有機(jī)高分子質(zhì)量流體，并具有比水-汽的相變更低的溫度下發(fā)生的液-汽相變或沸點(diǎn)。這樣，作為經(jīng)典的朗肯循環(huán)中的水和蒸汽的替代，在ORC中的工作流體可以是溶劑，例如正戊烷或甲苯。ORC工作流體允許從較低溫度源的朗肯循環(huán)熱量回收，如從生物質(zhì)燃燒、工業(yè)廢熱、地?zé)?、太?yáng)池等。低溫?zé)崃咳缓罂杀晦D(zhuǎn)化為有用功，該有用功繼而可被轉(zhuǎn)化為電力。
[0009]期望進(jìn)一步改進(jìn)這些朗肯循環(huán)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的一方面涉及包括朗肯循環(huán)工作回路和潤(rùn)滑回路的閉環(huán)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。在某些示例中，朗肯循環(huán)工作回路和潤(rùn)滑回路具有彼此重合的部分。在某些示例中，朗肯工作回路和潤(rùn)滑回路共用共同的液壓栗。在某些示例中，允許來(lái)自潤(rùn)滑回路的潤(rùn)滑劑和來(lái)自朗肯循環(huán)工作回路的工作流體彼此混合。在某些示例中，潤(rùn)滑回路是對(duì)用于潤(rùn)滑機(jī)械膨脹器的組件(例如，軸承、正時(shí)齒輪等)的潤(rùn)滑劑進(jìn)行冷卻的冷卻回路，機(jī)械膨脹器從朗肯循環(huán)工作回路中提取能量/功。在某些示例中，來(lái)自潤(rùn)滑回路的潤(rùn)滑劑與朗肯循環(huán)工作回路的工作流體混合并且為驅(qū)動(dòng)流經(jīng)朗肯循環(huán)工作回路和朗肯工作回路的液壓栗提供潤(rùn)滑劑。
[0011]本發(fā)明的各方面允許用于減少密封問(wèn)題和減少栗送組件的簡(jiǎn)化朗肯循環(huán)系統(tǒng)。在某些示例中，在朗肯循環(huán)工作流體于換熱器處蒸發(fā)之前，分離器用于將朗肯循環(huán)工作流體與潤(rùn)滑劑分離。在某些示例中，朗肯循環(huán)系統(tǒng)用于從來(lái)自原動(dòng)機(jī)(如內(nèi)燃機(jī)、燃料電池或類似組件)的余熱中重獲能量。在某些示例中，朗肯循環(huán)系統(tǒng)用于從來(lái)自車輛的原動(dòng)機(jī)的余熱中重獲能量。
[0012]在以下說(shuō)明中將提及附加方面的各種變化。這些方面可以涉及單個(gè)特征并且涉及特征的組合。應(yīng)當(dāng)理解，前述的一般性描述和以下詳細(xì)的描述僅是示例性和解釋性的目的并且不是對(duì)本文所公開(kāi)的實(shí)施例所基于的寬泛概念進(jìn)行限制。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明的原理的、具有作為創(chuàng)造性方面的示例的、采用朗肯循環(huán)工作回路和潤(rùn)滑回路的朗肯循環(huán)系統(tǒng)的示意圖；
[0014]圖2是示出圖1所示的系統(tǒng)所采用的朗肯循環(huán)的圖表；
[0015]圖3是用于從圖1的系統(tǒng)中提取機(jī)械能的羅茨式膨脹器的剖視圖；
[0016]圖4是圖3的羅茨式膨脹器的示意圖；
[0017]圖5是示出圖3的羅茨式膨脹器的正時(shí)齒輪的剖視圖；
[0018]圖6示出能夠在圖1的朗肯循環(huán)系統(tǒng)中使用的分離器的示例性構(gòu)造；并且
[0019]圖7示意性示出根據(jù)本發(fā)明的原理的包括朗肯循環(huán)系統(tǒng)的車輛。
【具體實(shí)施方式】
[0020]參照附圖，其中在全部多個(gè)視圖中相同的附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)于相同或類似的組件。
[0021]本發(fā)明大體關(guān)于利用來(lái)自熱源的熱量產(chǎn)生有用功的朗肯循環(huán)系統(tǒng)(例如，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng))。在一個(gè)示例中，熱源是來(lái)自如原動(dòng)機(jī)(例如，內(nèi)燃機(jī)(如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī))、燃料電池等)的裝置的余熱。在一個(gè)示例中，機(jī)械裝置(如旋轉(zhuǎn)式膨脹器)用于從朗肯循環(huán)系統(tǒng)中提取機(jī)械能。在一個(gè)示例中，朗肯循環(huán)系統(tǒng)是將朗肯循環(huán)工作流體(例如，如乙醇、正戊烷、甲苯的溶劑或其它溶劑)加熱到等于或大于275攝氏(C)度的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。
[0022]這樣高的溫度會(huì)惡化用于潤(rùn)滑機(jī)械裝置(例如，旋轉(zhuǎn)式膨脹器)的運(yùn)動(dòng)組件(例如，軸承、齒輪等)的潤(rùn)滑油，該機(jī)械裝置用于從朗肯循環(huán)回路中提取能量。在該方面，就可流動(dòng)潤(rùn)滑油而言，期望使用使?jié)櫥瑒┚S持在可接受的溫度的潤(rùn)滑冷卻回路。由于形成朗肯循環(huán)工作流體的溶劑可引起脫脂，所以潤(rùn)滑脂通常不是有效的。此外，潤(rùn)滑脂在高溫下將會(huì)惡化。當(dāng)無(wú)效密封(例如，在機(jī)械組件處如膨脹器、栗或具有需要潤(rùn)滑的運(yùn)動(dòng)部件的其它組件)使得這些油與朗肯循環(huán)工作流體混合時(shí)，潤(rùn)滑油可能存在問(wèn)題。例如，朗肯循環(huán)工作流體內(nèi)的潤(rùn)滑劑由于污染蒸發(fā)器旋管所以對(duì)蒸發(fā)過(guò)程是不利的。
[0023]本發(fā)明的各方面涉及包括朗肯循環(huán)工作回路和潤(rùn)滑回路的閉環(huán)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。在某些示例中，朗肯循環(huán)工作回路和潤(rùn)滑回路構(gòu)造為使得有意地將來(lái)自潤(rùn)滑回路的潤(rùn)滑劑與朗肯循環(huán)工作流體混合。以這種方式，朗肯循環(huán)工作回路和潤(rùn)滑回路具有彼此重合的部分。在某些示例中，朗肯循環(huán)工作回路和潤(rùn)滑回路共用共同的液壓栗。在某些示例中，潤(rùn)滑劑和朗肯循環(huán)工作流體在栗的低壓側(cè)的上游處混合，并且在栗的高壓側(cè)和蒸發(fā)器之間分離器將朗肯循環(huán)工作流體與潤(rùn)滑劑分離。在某些示例中，潤(rùn)滑回路是對(duì)用于潤(rùn)滑機(jī)械膨脹器的組件(例如，軸承、正時(shí)齒輪等)的潤(rùn)滑劑進(jìn)行冷卻的冷卻回路，該機(jī)械膨脹器從朗肯循環(huán)工作回路中提取能量/功，并且來(lái)自潤(rùn)滑回路的潤(rùn)滑劑與朗肯循環(huán)工作回路的工作流體混合并對(duì)液壓栗提供潤(rùn)滑，該液壓栗驅(qū)動(dòng)流經(jīng)朗肯循環(huán)工作回路和潤(rùn)滑回路兩者。潤(rùn)滑劑與冷凝冷卻的工作流體相混合將熱量從在膨脹器組件潤(rùn)滑期間獲取的潤(rùn)滑劑中去除。在某些示例中，朗肯循環(huán)系統(tǒng)用于從余熱中獲取熱量。
[0024]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的原理的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)100。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)100構(gòu)造為將來(lái)自熱源(如，發(fā)動(dòng)機(jī)116)的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)100構(gòu)造為使朗肯循環(huán)工作流體(例如，如乙醇、正戊烷、甲苯的溶劑或其它溶劑)反復(fù)循環(huán)通過(guò)閉環(huán)有機(jī)朗肯循環(huán)。如圖1所示，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)100包括具有冷凝區(qū)104、加熱區(qū)106和機(jī)械能提取區(qū)108的朗肯循環(huán)工作回路102。液壓栗110用于使工作流體運(yùn)動(dòng)通過(guò)朗肯循環(huán)回路102。栗110包括與冷凝區(qū)104流體連通的低壓側(cè)112以及與加熱區(qū)106流體連通的高壓側(cè)114。機(jī)械能提取區(qū)10