具有潤滑回路的有機朗肯循環系統的制作方法
【專利說明】具有潤滑回路的有機朗肯循環系統
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求在2013年I月28日提交的、名稱為“HEAVY DUTY ROOT EXPANDER HEATENERGY RECOVERY”的美國臨時申請序列號61/757，533的優先權，該申請的全部內容通過引用合并在此。
[0003]政府許可權利
[0004]本發明根據由美國能源部的能源效率和可再生能源辦公室出資的國家能源技術實驗室授予的合同號N0.DE-EE0005650在政府資助下完成。政府對本發明擁有一定權利。
技術領域
[0005]本發明涉及一種用于回收余熱的系統。更具體地，本發明涉及一種有機朗肯循環系統。
【背景技術】
[0006]朗肯循環是一種將熱能轉化為機械功的發電循環。朗肯循環通常用于熱發動機中，并且通過使工作物質從較高溫度狀態轉到較低溫度狀態來完成上述轉化。經典的朗肯循環是基于蒸汽機的操作的基本熱力學過程。
[0007]朗肯循環通常采用單獨的子系統，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。來自栗的加壓液體在換熱器中加熱并且用于驅動膨脹器渦輪以便將熱能轉化為機械功。當離開膨脹器渦輪時，工作流體返回到對任何剩余的蒸汽進行冷凝的冷凝器。之后，冷凝的工作流體返回到栗并且重復該循環。
[0008]經典的朗肯循環的一個變型是有機朗肯循環(ORC)，其命名是由于使用有機高分子質量流體，并具有比水-汽的相變更低的溫度下發生的液-汽相變或沸點。這樣，作為經典的朗肯循環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熱量回收，如從生物質燃燒、工業廢熱、地熱、太陽池等。低溫熱量然后可被轉化為有用功，該有用功繼而可被轉化為電力。
[0009]期望進一步改進這些朗肯循環系統。
【發明內容】
[0010]本發明的一方面涉及包括朗肯循環工作回路和潤滑回路的閉環有機朗肯循環系統。在某些示例中，朗肯循環工作回路和潤滑回路具有彼此重合的部分。在某些示例中，朗肯工作回路和潤滑回路共用共同的液壓栗。在某些示例中，允許來自潤滑回路的潤滑劑和來自朗肯循環工作回路的工作流體彼此混合。在某些示例中，潤滑回路是對用于潤滑機械膨脹器的組件(例如，軸承、正時齒輪等)的潤滑劑進行冷卻的冷卻回路，機械膨脹器從朗肯循環工作回路中提取能量/功。在某些示例中，來自潤滑回路的潤滑劑與朗肯循環工作回路的工作流體混合并且為驅動流經朗肯循環工作回路和朗肯工作回路的液壓栗提供潤滑劑。
[0011]本發明的各方面允許用于減少密封問題和減少栗送組件的簡化朗肯循環系統。在某些示例中，在朗肯循環工作流體于換熱器處蒸發之前，分離器用于將朗肯循環工作流體與潤滑劑分離。在某些示例中，朗肯循環系統用于從來自原動機(如內燃機、燃料電池或類似組件)的余熱中重獲能量。在某些示例中，朗肯循環系統用于從來自車輛的原動機的余熱中重獲能量。
[0012]在以下說明中將提及附加方面的各種變化。這些方面可以涉及單個特征并且涉及特征的組合。應當理解，前述的一般性描述和以下詳細的描述僅是示例性和解釋性的目的并且不是對本文所公開的實施例所基于的寬泛概念進行限制。
【附圖說明】
[0013]圖1是根據本發明的原理的、具有作為創造性方面的示例的、采用朗肯循環工作回路和潤滑回路的朗肯循環系統的示意圖；
[0014]圖2是示出圖1所示的系統所采用的朗肯循環的圖表；
[0015]圖3是用于從圖1的系統中提取機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齒輪的剖視圖；
[0018]圖6示出能夠在圖1的朗肯循環系統中使用的分離器的示例性構造；并且
[0019]圖7示意性示出根據本發明的原理的包括朗肯循環系統的車輛。
【具體實施方式】
[0020]參照附圖，其中在全部多個視圖中相同的附圖標記對應于相同或類似的組件。
[0021]本發明大體關于利用來自熱源的熱量產生有用功的朗肯循環系統(例如，有機朗肯循環系統)。在一個示例中，熱源是來自如原動機(例如，內燃機(如柴油發動機或火花點火式發動機)、燃料電池等)的裝置的余熱。在一個示例中，機械裝置(如旋轉式膨脹器)用于從朗肯循環系統中提取機械能。在一個示例中，朗肯循環系統是將朗肯循環工作流體(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)度的有機朗肯循環系統。
[0022]這樣高的溫度會惡化用于潤滑機械裝置(例如，旋轉式膨脹器)的運動組件(例如，軸承、齒輪等)的潤滑油，該機械裝置用于從朗肯循環回路中提取能量。在該方面，就可流動潤滑油而言，期望使用使潤滑劑維持在可接受的溫度的潤滑冷卻回路。由于形成朗肯循環工作流體的溶劑可引起脫脂，所以潤滑脂通常不是有效的。此外，潤滑脂在高溫下將會惡化。當無效密封(例如，在機械組件處如膨脹器、栗或具有需要潤滑的運動部件的其它組件)使得這些油與朗肯循環工作流體混合時，潤滑油可能存在問題。例如，朗肯循環工作流體內的潤滑劑由于污染蒸發器旋管所以對蒸發過程是不利的。
[0023]本發明的各方面涉及包括朗肯循環工作回路和潤滑回路的閉環有機朗肯循環系統。在某些示例中，朗肯循環工作回路和潤滑回路構造為使得有意地將來自潤滑回路的潤滑劑與朗肯循環工作流體混合。以這種方式，朗肯循環工作回路和潤滑回路具有彼此重合的部分。在某些示例中，朗肯循環工作回路和潤滑回路共用共同的液壓栗。在某些示例中，潤滑劑和朗肯循環工作流體在栗的低壓側的上游處混合，并且在栗的高壓側和蒸發器之間分離器將朗肯循環工作流體與潤滑劑分離。在某些示例中，潤滑回路是對用于潤滑機械膨脹器的組件(例如，軸承、正時齒輪等)的潤滑劑進行冷卻的冷卻回路，該機械膨脹器從朗肯循環工作回路中提取能量/功，并且來自潤滑回路的潤滑劑與朗肯循環工作回路的工作流體混合并對液壓栗提供潤滑，該液壓栗驅動流經朗肯循環工作回路和潤滑回路兩者。潤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滑期間獲取的潤滑劑中去除。在某些示例中，朗肯循環系統用于從余熱中獲取熱量。
[0024]圖1示出根據本發明的原理的有機朗肯循環系統100。有機朗肯循環系統100構造為將來自熱源(如，發動機116)的熱量轉化為機械能。有機朗肯循環系統100構造為使朗肯循環工作流體(例如，如乙醇、正戊烷、甲苯的溶劑或其它溶劑)反復循環通過閉環有機朗肯循環。如圖1所示，有機朗肯循環系統100包括具有冷凝區104、加熱區106和機械能提取區108的朗肯循環工作回路102。液壓栗110用于使工作流體運動通過朗肯循環回路102。栗110包括與冷凝區104流體連通的低壓側112以及與加熱區106流體連通的高壓側114。機械能提取區10