专利名称：热力发动机和热电系统及方法
技术领域：
本发明涉及热力领域，并且更具体地涉及热力发动机及相关的热电系统，所述热力发动机与选取的工作流体组合利用朗肯(Rankine)热力循环以从广泛的热源产生电力。
背景技术：
热通常作为工业过程的副产品而产生，在这些工业过程中，含热的液体、固体或气体的流动流必须被排放到环境中或以某种方式被移除，以尽力保持工业过程设备的操作温度。工业过程有时能够使用热交换器装置俘获热量并且经由其他过程流将其回收到过程中。其他时间由于热量温度太高或可能包括不充分的质量流量而不适于俘获和回收这种热量。这种热量被称为“废”热。废热典型地直接排放到环境中或间接地通过诸如水之类的冷却介质排放。废热能够由涡轮发电机系统利用以将热量转化为功，所述涡轮发电机系统采用众所周知的被称为朗肯循环的热力方法。典型地，该方法基于蒸汽，其中废热用于升高在锅炉中的蒸汽以驱动涡轮机。基于蒸汽的朗肯循环并非总是可行的，这是由于它需要温度较高(600 °F或更高)或总热含量大的热源流。在多个压力/温度下使水沸腾以捕获热含量的复杂性。当热源流冷却时在多个压力/温度下使水沸腾以在多个温度水平下俘获热量的复杂性使得在设备成本和操作人力方面是昂贵的。基于蒸汽的朗肯循环对于小流速流和/或低温流而言不是现实的选择。在本领域中存在对于不但能够从废热而且能够从广泛的热源高效且有效地产生电力的系统的需求。
发明内容
废热回收系统利用在工作流体回路中的工作流体执行热力循环，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧。在所述工作流体回路中的系统部件包括废热交换器，所述废热交换器与也连接到所述工作流体回路上的废热源热连通，从而将热能从所述废热源传递给在所述工作流体回路中的所述工作流体；膨胀器，所述膨胀器设置在所述工作流体回路的所述高压侧与所述低压侧之间，所述膨胀器可操作以将所述工作流体的压降/焓降转化为机械能；换热器，所述换热器位于所述工作流体回路中，所述换热器可操作以在所述工作流体回路的所述高压侧与所述低压侧之间传递热能；冷却器，所述冷却器与所述工作流体回路的所述低压侧热连通，所述冷却器可操作以控制在所述工作流体回路的所述低压侧中的所述工作流体的温度；泵，所述泵位于所述工作流体回路中且连接至所述工作流体回路的所述低压侧和所述高压侧，并且可操作以使所述工作流体移动穿过所述工作流体回路；以及质量管理系统，所述质量管理系统连接至所述工作流体回路，所述质量管理系统具有连接到所述工作流体回路的所述低压侧上的工作流体容器。在一个实施例中，废热能量回收和转换装置包括工作流体回路，所述工作流体回路具有导管和部件以用于容纳工作流体和引导工作流体在所述装置的部件之间的流动，所述装置可操作以将热能转化为机械能，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧；支承结构，所述支承结构用于支承所述工作流体回路的所述导管和所述部件，所述部件包括膨胀器，所述膨胀器可操作以将所述工作流体的压降转化为机械能；发电机(例如交流发电机)，所述发电机联接至所述膨胀器、换热器、冷却器、泵和可操作以驱动所述泵的泵电机；以及质量管理系统，所述质量管理系统具有用于接收和保持所述工作流体的质量控制箱，所述质量控制箱通过导管连接至所述工作流体回路的所述高压侧和所述工作流体回路的所述低压侧。罩壳也可以设置为基本包封所述装置的所述部件中的一些或全部。一个或多个热交换器可以设置在所述支承结构上或所述支承结构以外。所述热交换器、换热器和冷却器/冷凝器可以包括印刷回路热交换板。用于控制所述装置的操作的控制系统可以远程于或物理封装于所述装置。 本公开和相关发明还包括使用处于闭环热力循环中的工作流体将热能转化为机械能的方法，其中所述工作流体容纳在工作流体回路中，所述工作流体回路具有通过导管互连的部件，所述部件包括至少一个热交换器，所述至少一个热交换器可操作以将热能传递给所述工作流体；至少一个膨胀装置，所述至少一个膨胀装置可操作以将来自所述工作流体的热能转化为机械能；至少一个泵，所述至少一个泵可操作以将所述工作流体传送穿过所述工作流体回路，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧；以及质量管理系统，所述质量管理系统包括通过导管连接到所述工作流体回路的所述低压侧上的质量管理容器；所述方法包括下述步骤将热能源布置为与所述热交换器部件热连通；通过所述泵的操作将所述工作流体泵送穿过所述工作流体回路以向所述膨胀器供给处于超临界或亚临界状态的工作流体；将远离所述膨胀器处于亚临界状态的所述工作流体引导穿过所述工作流体回路且到达所述泵；控制处于超临界状态的所述工作流体从所述工作流体回路的所述高压侧向所述质量管理容器的流动；以及控制处于亚临界或超临界状态的工作流体从所述质量管理容器向所述工作流体回路的所述低压侧和所述泵的流量。本公开和相关发明还包括用于控制在具有泵或压缩机的工作流体回路中的热力循环中的工作流体质量的量的质量管理系统，所述质量管理系统具有工作流体控制箱，所述工作流体控制箱用于保持在第一压力P下的工作流体的量，所述工作流体控制箱设置在所述工作流体回路的外部；以及流体连接件，所述流体连接件位于所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的低压侧之间，以容许所述工作流体在所述工作流体回路与所述工作流体控制箱之间通过。下面参照附图以代表性形式进一步描述本公开和相关发明的这些和其他方面。
图I是本发明的热电系统的示意图；图2是二氧化碳的压力一焓图3A —图3M是本公开和相关发明的热力发动机装置和热力发动机台架的代表性实施例的示意图；图4A是本公开的热力发动机的操作状态的流程图；图4B是代表用于本公开的热力发动机的代表性起动和操作顺序的流程图；以及图4C是代表用于本公开的热力发动机的关停顺序的流程图。
具体实施例方式本公开发明的热力发动机100 (本文可选地还称为“热机”、“发电装置”、“废热回收系统”和“热回收系统”、“热电系统”)利用一种热力循环，该热力循环具有与所选取的工作流体(例如二氧化碳)组合的朗肯热力循环的元件以从广泛的热源产生电力。通过“热机”或“热力发动机”，通常指的是执行本文描述的热力循环的成套设备；通过“热回收系统”，通 常指的是热机与其他设备协作以将热量(从任何源)传送给本发明的热机和从本发明的热机中移除热量。参照对于选定的工作流体的压力一焓图(图2)来描述由热力发动机100执行的热力循环。热力循环被设计成操作为工作流体回路中的闭环热力循环，所述工作流体回路具有由导管限定的流动路径，所述导管使工作流体回路的部件互连。操作所述循环的热机可以是气密的、或可以不是气密的、或另外完全密封的(使得没有工作流体的量从系统泄漏至周围环境中)。通过热机执行的热力循环在图2中示出为其最基本的形式，其中图2为二氧化碳的压力一焓图。为了易于理解，可以通过将在该图上的点A处的工作流体作为参照对热力循环进行描述。在该点处，工作流体相对于其在循环期间且如图中所示的任意其他点处的状态，具有最低的压力和最低的焓。从此处，工作流体被压缩和/或泵送到较高压力(图中的点B)。从此处，热能被引入工作流体，这既增大了工作流体的温度、又增大了工作流体的焓(图中的点C)。工作流体随后通过机械过程膨胀至点(D)。从此处，工作流体排放热量，从而温度和焓均下降，直到其返回至点(A)为止。每个过程(即A — B、B — C、C 一 D、D —A)不需要发生为如示例图中所示的，并且本领域的普通技术人员应当明白，每个循环步骤能够以多种方式实现和/或能够获得图中的各种不同坐标。类似地，图中的每个点可以作为系统变化的内部和外部的变量(即环境温度、废热温度、系统中的质量的量)而随时间动态地变化。 在热机的优选实施例中，循环在常规的稳态操作期间执行为使得系统的低压侧(图2中的点A和D)介于400psia与1500psia之间而系统的高压侧介于2500psia与4500psia之间(图2中的点B和C)。本领域的普通技术人员应当明白，能够为每个点或所有点选取更高或更低的压力或更高和更低的压力。在循环的优选实施例中，将见到的是，在点C与点D之间，工作流体从超临界状态转变为亚临界状态(即，跨临界循环)；本领域的普通技术人员应当明白，在点C和D处的压力能够选取为使得工作流体在整个循环期间保持在超临界状态。在热机的优选实施例中，工作流体为二氧化碳。术语二氧化碳的使用并非意为限制于任意特定类型、纯度或等级的二氧化碳，尽管工业级二氧化碳为优选的工作流体。二氧化碳为温室友好且中性的工作流体，其提供了诸如无毒性、非易燃性、易获得性、价格低廉以及无需回收之类的优点。在优选实施例中，工作流体在系统的某些部分(“高压侧”)处于超临界状态，而在系统的其他部分(“低压侧”)处于亚临界状态。在其他实施例中，整个循环可以操作为使得工作流体在循环的整个执行期间处于超临界或亚临界状态。在各种实施例中，工作流体可以为二元、三元或其他工作流体的混合物。如本文描述的，工作流体的组合应当被选取用于由热回收系统内的流体组合所拥有的独特属性。例如，一种这样的流体组合包括液体吸收剂和二氧化碳，从而容许使用比压缩CO2所需的能量少的能量输入将组合流体以液体状态泵送至高压力。在另一实施例中，工作流体可以为二氧化碳和一种或多种其他易混合流体的组合。在其他实施例中，工作流体可以为二氧化碳和丙烷、或二氧化碳和氨的组合。本领域的普通技术人员应当明白，使用术语“工作流体”并非意为限制工作流体所处的物质状态或相。换言之，工作流体可以在循环内的任意一个点或多个点处为流体相、气相、超临界相、亚临界状态或任意其他相或状态。 本发明的热电系统可以在系统的其他部分中利用其他流体，例如水、热油或合适的制冷剂；这些其他流体可以在位于热力发动机100外部的热交换器和设备内(例如在冷却器12和/或废热交换器5处)使用和在冷却或其他循环以及在热电系统内操作的子系统内(例如在散热器4处，所述散热器4冷却设置于热力发动机的交流发电机2处的环路)使用。如进一步描述的，在一个代表性实施例中，如在图3A —图3M中概念性图示的250kff (净)或更大的台架(skid)系统设置为部署在废热或副产品热的任意来源或位置处。额定输出(电或功)并非意为本公开或相关发明的限制特征。本公开的热力发动机100具有下述三个主要的设备类别，当执行热力循环时工作流体可以经过这些设备进行循环(i) 一个或多个热交换器；(ii) 一个或多个泵和/或压缩机；以及(iii)一个或多个膨胀(做功)装置(例如涡轮机、冲压式喷气发动机，或者诸如盘配流(geroler)或内齿轮油泵(gerotor)之类的正排量膨胀器3)。如进一步描述的,这些设备件中的每一个通过使用例如在工作流体回路中的合适的导管、联接件和接头可操作地联接至图I中所示的循环。热力发动机100还可以包括用于将来自一个或多个膨胀装置的机械能转化为电能的装置；这种装置可以包括但不限于发电机、交流发电机2、或其他装置和相关的动力调节或转换设备或装置。在一个实施例中，热力发动机100的某些部件可以共享共用元件，例如在涡轮交流发电机的情况下(图I中所示)(其中膨胀装置与交流发电机2共享共用轴)，或者在涡轮泵的情况下，其中膨胀装置与泵共享共用轴。或者，膨胀装置可以(i)通过将涡轮机轴磁联接至发电装置的转子和/或(ii)通过将齿轮箱可操作地联接至涡轮机轴和发电装置的转子而机械地联接至发电装置。热力发动机100还可以包括其他设备和仪器，例如传感器、阀(其可为开/关式或可变式)、接头、过滤器、电机、通气孔、泄压设备、张紧器、合适的导管，以及其他设备和传感器。优选的热力发动机100包括图I中所示的另外的设备。优选热力发动机100还包括用于管理在系统内的工作流体的量的系统，例如如进一步描述的在图I中公开的质量管理系统。优选热力发动机100还包括控制系统和相关设备，从而容许用于发动机的自动和/或半自动操作、系统的远程控制和/或系统性能的监测。优选热力发动机100还包括一个或多个冷却循环系统以从膨胀装置、发电装置和/或功率电子设备中的一个或多个移除热量和/或提供热管理。在优选实施例中，设置有图I中所示的冷却循环，该冷却循环从介于膨胀器3与交流发电机2之间的机械联接件、交流发电机2和功率电子设备I移除热量并提供热管理。本发明的系统是灵活的并且可以利用多种不同的常规热交换器。本发明的热力发动机系统100的优选实施例利用一个或多个印刷回路热交换器(PCHE)或其他构造的热交换器、换热器或冷却器部件，其中的每一个可以容纳一个或多个芯，每个芯均利用微通道技术。如本文使用且在本领域中已知的，“微通道技术”包括但不限于包含一个或多个微 通道、中等通道和/或小通道的热交换器。如在本文使用的，术语“微通道”、“中等通道”和/或“小通道”可互换地使用。另外，本发明的微通道、中等通道和/或小通道不限于任意特定的尺寸、宽度和/或长度。依据多种因素能够利用任意合适的尺寸、宽度或长度。另外，微通道、中等通道和/或小通道的任意方位能够与本发明的各种实施例一起使用。膨胀装置(本文也称为“膨胀器”)可以为阀，或者其可以为能够将高温和高压流体转化为机械能的装置。膨胀装置可以具有轴向或径向构造；其可以为单级或多级。示例包括盘配流，内齿轮油泵，其他类型的正排量装置例如压力翼(pressure wing)、涡轮机，或者能够将工作流体中的压力或压降/焓降转化为机械能的任意其他装置。在优选实施例中，所述装置为涡轮交流发电机，其中涡轮机通过(i )共享单根轴(“单轴设计”)或者通过将涡轮机轴可操作地联接至交流发电机2的转子(或其他轴)(通过使用高功率磁体以使两根轴能够作为单根轴进行操作)而可操作地联接至交流发电机2。在优选实施例中，涡轮机与交流发电机2物理隔离以减少在交流发电机2内的风阻损失。因此，在优选实施例中，尽管涡轮机可操作地联接至交流发电机2，但是涡轮机和交流发电机2不共享共用壳体(或外壳)。在单轴设计中，涡轮机外壳通过使用合适的轴密封而在共用轴处被密封并且由此与交流发电机2隔离。在单轴设计中，合适的轴密封可以为下述中的任一种迷宫式密封、双重密封、动态压力平衡型密封(有时也被称为浮动环或流体填充式密封)、干气体密封或任意其他密封机构。在磁联接设计中，不需要轴密封，这是由于能够将涡轮机完全包封在其壳体内从而实现与交流发电机2的期望隔离。优选涡轮交流发电机的其他区分属性为其单轴设计；其输送高等熵效率(>70%)的能力；其在高转速(>20K rpm)下进行操作；其轴承在操作期间不进行润滑或在操作期间仅通过工作流体进行润滑；以及其使高速涡轮机和交流发电机2直接联接以用于优化的系统(涡轮交流发电机)效率的能力。在优选实施例中，涡轮交流发电机使用空气箔片轴承；空气箔片轴承由于它们减少或消除第二系统且消除对于润滑的需求(这在与优选的工作流体，二氧化碳一起工作时尤为重要)而选取为优选的设计。但是，也可以使用静压轴承、空气静力轴承、磁轴承和其他类型的轴承。热力发动机100还设置为将工作流体的一部分输送到膨胀器的腔体(或壳体)内以冷却膨胀器3的一个或多个部分。在优选实施例中，由于对于在优选热力发动机的涡轮交流发电机内的动态压力平衡的潜在需求，在热机内的位置的选择(从该位置获得这部分工作流体)是关键的，这是因为将这部分工作流体引入到涡轮交流发电机内必须不干扰涡轮交流发电机在操作期间的压力平衡(以及由此的稳定性)。这通过使输入到涡轮交流发电机内的工作流体(用于冷却的目的)的压力匹配于在涡轮机的入口处的工作流体的压力而实现；在优选热力发动机100中，在工作流体穿过SOVEXP 25和F4 (过滤器)之后获得这部分工作流体。工作流体随后在引入到涡轮交流发电机的壳体内之前调节至期望的温度和压力。这部分工作流体在涡轮交流发电机的出口处离开涡轮交流发电机。多种涡轮交流发电机的设计能够在本发明的系统内工作并且获得不同的性能特点。用于将工作流体的压力从图2中的点A — B增大的装置可以为压缩机、泵、冲压式喷气发动机装置或能够增大选定的工作流体的压力的其他设备。在优选实施例中，所述装置为泵。泵可以为正排量泵、离心泵或任意其他类型或构造的泵。泵可以联接至VFD (变频驱动器)11以控制速度，这又能够用于控制工作流体在系统中的质量流动速率，并且作为这种控制的后果而控制系统的高侧压力。如进一步描述，VFD可以与控制系统通信。
在本发明的热机的另一实施例中，泵可以构造为使得设有将泵与膨胀装置相连的共用轴，从而使泵能够通过由工作流体的膨胀产生的机械能进行驱动(例如，涡轮泵)。可以采用涡轮泵替代或补充优选实施例的泵。如在以上详述涡轮交流发电机的章节中注意到的，可以通过使用位于膨胀装置的轴与泵的轴之间的磁联接而实现“共用轴”。在具有涡轮泵的热力发动机100的一个实施例中，设有通过共用轴联接至泵的第二膨胀装置。第二膨胀装置设置在与去往主系统膨胀器3的流体并行运行的流体流内，并且在第二膨胀器3的每一侧上设有两个阀以调节向第二膨胀器3的流动。应当注意的是，不需要第二膨胀器3以形成涡轮泵。涡轮泵的共用轴可以与主系统膨胀器3的共用轴共享，和/或在优选实施例中与涡轮交流发电机的共用轴共享。类似地，如果系统使用第二膨胀装置以与涡轮泵共享共用轴，则第二膨胀装置不需要设置为如上所述。热机的一个实施例的发电装置为可操作地联接至涡轮机以形成涡轮交流发电机(如上所述)的高速交流发电机2。发电装置可以可选地为将机械能转化为电力的任意已知的装置，包括发电机或交流发电机2。其可以通过齿轮箱、通过共享共用轴、或者通过任意其他机械连接件可操作地联接至主系统膨胀器3。发电装置可操作地连接至功率电子设备I的成套设备。在优选实施例中，交流发电机2的电力输出匹配于高效率的功率电子设备I的成套设备，该成套设备具有提供主动负载调整能力(0-100%)的设备。在优选实施例中，功率电子设备I系统具有设备以在适当的条件下使用低总谐波失真(THD)、SAG支承、电流和电压尾随、VAR补偿提供将高频高压电力转化为电网级品质电力的能力，以用于提供起动涡轮交流发电机的扭矩、以及在负载损耗的情况下用于灵活和安全地控制涡轮交流发电机的动态制动能力；其还具有在交流发电机2的较宽电压和速度范围内向电网同步和输出电力的能力。在优选实施例中，泵的入口压力对整个系统的效率和能够产生的电量具有直接影响。由于优选的工作流体、二氧化碳的热物理性质，当泵的入口温度升高和下降时，系统必须在入口压力和温度的宽广范围内(例如，从一 4 °F至104 °F ;以及479psia至1334psia)控制入口压力。另外，如果未仔细控制入口压力，则可能发生过泵的气蚀。
质量管理系统被设置为通过向系统添加质量和从系统中移除质量以控制在泵处的入口压力，这又使系统更高效。在优选实施例中，质量管理系统与系统半顺从地一起操作。所述系统使用传感器来监测在系统的高压侧(从泵出口到膨胀器3的入口)和低压侧(从膨胀器3的出口到泵的入口)内的压力和温度。质量管理系统还可以包括阀、箱加热器或其他设备以有利于工作流体运动到系统和质量控制箱7 (用于存储工作流体)内和从系统和质量控制箱中运动出。如图I中所示，在优选实施例的情况下，质量管理系统包括通过图中的黄线或导管并且在质量控制系统的终止点处的设备(含)(例如，S0VMC114，S0VMC215, S0VMC316,S0VMC417, M00418, M01421, M01622，和M01723)处 可操作连接的设备。优选质量管理系统经由阀S0VMC316从由热机执行的热力循环中移除较高压力的、较大密度的工作流体(相对于在系统的低压侧上的压力，温度和密度)。质量管理系统经由阀S0VMC114和S0VMC215将工作流体排送到主热力发动机系统100内。通过控制阀S0VMC114、S0VMC215和S0VMC316的操作，质量管理系统在没有泵的情况下向系统添加质量或从系统中移除质量，从而减小系统的成本、复杂性和维护。在系统的优选实施例中，质量控制箱7填充有工作流体。其与S0VMC114和S0VMC316流体连通，使得任一个或两个阀的打开将工作流体输送至质量控制箱7的顶部。质量控制箱7与S0VMC215流体连通，使得S0VMC215的打开从质量控制箱7的底部移除工作流体。容纳在质量控制箱7内的工作流体将分层为在箱的底部处的较高密度的工作流体和在箱的顶部处的较低密度的工作流体。工作流体可以为液相、气相或这两者；如果工作流体既为气相也为液相，则将存在使工作流体的一个相与另一相分离的相界，且较高密度的工作流体位于质量控制箱7的底部处。以这种方式，S0VMC2也向系统传送在质量控制箱7内的最高密度的工作流体。在优选实施例的情况下，该套设备与在主热力发动机系统100内的一组传感器及如限定在其内的控制系统相结合。在优选实施例的情况下，该质量管理系统还包括在多种操作条件(例如使如图I中所示的热力发动机系统100起动、充电、关停和通气)下使用的设备。质量控制系统的优选实施例的示例操作如下。当位于质量存储容器中的CO2处于给定环境温度的蒸气压下且系统中的低压侧的压力高于蒸气压时，在质量控制容器中的压力必须增大以容许向系统内添加质量。这能够通过打开阀S0VMC114进行控制并且由此容许更高压力、更高温度、更低密度的超临界C02流动到质量控制箱7内。阀S0VMC215被打开以容许位于质量控制容器的底部处的较高密度的液体C02流动到系统内且增大泵的吸入压力。工作流体可以为液相、气相或这两者；如果工作流体既为气相也为液相，则在质量控制箱中将存在相界。通常，质量控制箱容纳有液相和气相工作流体的混合物，或者超临界流体的质量。在前者的情况下，将存在相界。在后者的情况下，将不存在相界(由于对于超临界流体不需要存在相界)。但是，流体将仍趋于分层，并且阀S0VMC215能够打开以容许位于质量控制容器的底部处的较高密度的液体C02流动到系统内且增大泵的吸入压力。工作流体质量可以经由质量控制箱添加到工作流体回路中或从工作流体回路中移除。本公开的质量管理系统可以联接至控制系统，使得各种阀和其他设备的控制为自动或半自动的且响应于经由设置在整个系统中的传感器获得的系统性能数据和大气及环境条件。用于控制在质量控制箱7中的压力和/或温度(或两者)以将质量移动到系统(即，工作流体回路)中和从系统中移出的其他构型包括使用在容器/箱内的加热器和/或线圈或者任意其他装置以将热量添加到在质量管理箱内的流体/蒸气中或从该流体/蒸气中移除热量。或者，机械装置(例如供给泵)可以用于从质量控制箱7中获得进入系统内的工作流体。控制在工作流体回路的低压侧中的工作流体的压力的一种方法是通过控制工作流体容器或质量控制箱7的温度。基本要求是保持泵的入口压力高于在泵的入口处的沸腾压力。这通过将质量控制箱7的温度保持在比泵的入口温度高的水平而实现。质量控制箱7的温度控制的示例方法为直接电加热；具有泵排放流体的热交换器线圈(其处于比泵的入口处高的温度)；或者具有从冷却器/冷凝器中排放的冷却水的热交换器线圈(也处于比泵的入口处高的温度下)。
如图3A-图3M所示，本公开的废热回收系统在一种形式中可以构造为具有所描述的主部件，其中的一些或全部可以布置在单个台架或平台上或者布置在容置壳或防护壳中，本文统称为“台架”或“支承结构”。图3A-图3M图示了本发明的热力发动机100的代表性实施例，其具有示例尺寸、端口位置和接口面板。本发明的热力发动机100的台架式封装的一些优点包括在废热源处的整体便携性和安装接口，通过外部壳体对部件的防护，用于维修和维护的接口，以及易于连接至本发明的热力发动机100的能量输出、电网或任意其他能量(由本发明的热力发电机100产生)接收器或消耗品。如图3A-图3M中所示，热力发动机100构建在具有代表性和示例性尺寸的框架上，并且位于框架上的壳体内。接口和连接点如所示地设置在壳体的外部，以有利于安装、操作和维护。图3B —图3E指示与本发明的热力发动机100的各种操作连接件，包括废热源供给19、冷却水供给、以及水热源和冷却水返回路线(图3B);器械空气供给29和质量管理(工作流体)填充点21 (图3C);膨胀器3的空气出口和泄压阀排放口 22 (图3D);以及C02泵通气口 30、高压侧通气口 23以及另外的泄压阀排放口(图3E)。充分的通风、经由散热器4的冷却(如所需的)以及隔音也通过壳体设计实现。系统的主要部件在图3M中指示并且图示出管道连接件。变频驱动器(VFD)
11、可编程逻辑控制器(PLC)和电力面板(电力输出)示意性地图示为安装在壳体内。还包括在台架上或台架外、或者另外地与系统的工作流体回路流体连通或热连通的是至少一个废热交换器(WHE) 5。WHE使用热传递流体(例如可以设置为任意合适的工作流体或气体，例如THERMINOL XP),该热传递流体从台架外的热源接到WHE，通过废热源供给19端口 M005穿过台架罩壳的外部，穿过WHE回路至废热源返回M00620从而离开壳体。在优选实施例中，热量传递给废热交换器5中的系统工作流体。进入膨胀器EXP 3的工作流体的流动和压力可以通过起动、关停和旁路阀并且通过本文设置的控制系统进行控制。还设置的是冷却器12，其中在工作流体内的另外的残余热量从系统中排出，从而增大工作流体的密度，并且在LST 3处离开冷却器12且进入系统的泵内。冷却器12可以设置在台架上或台架外。超临界工作流体离开泵并且流动到换热器(REC) 6，在换热器6处其由来自低压力工作流体的残余热量进行预热。工作流体随后前行至废热交换器(WHE) 5。工作流体从WHE 5前行至膨胀器(EXP) 3。在EXP的下游侧，工作流体容纳在循环的低压侧。工作流体从EXP3前行通过REC 6，随后到达冷却器12并且随后返回至泵。在沿着线路的点处和在部件处设置合适的压力和温度监测并且可以与自动控制系统集成。控制系统能够设置为与本发明的热力发动机系统100可操作连接以监测和控制所述操作参数，包括但不限于温度、压力(包括端口、线路和装置内部的压力)、流动计量和速率、端口控制、经由VFD的泵操作、流体高度、流体密度泄漏检测、阀状态，过滤器状态、通风口状态、能量转化效率、能量输出、仪器仪表、操作参数的监测和调整、报警和关停。如进一步描述的，代表性控制系统可以包括适当构造的可编程逻辑控制器(PLC)，具有从所述装置、部件和传感器的输入和用于控制操作参数的输出。控制系统可以与本发明的热力发动机100集成或直接安装至所述热力发动机，或者远程地或作为分布式控制系统的一部分且与其他控制系统(例如供电电网)集成。控制系统能够编程以依据系统的期望性能设定、控制或改变多种操作参数中的任一个。操作仪表的显示装置可以设置为控制系 统的复合仪表板屏幕显示装置从而显示文字和图形数据、以及本发明的热力发动机100及总体和特定状态的虚拟显示。控制系统还可以包括捕获和存储热力发动机100的所有参数的操作历史和范围，具有查询功能和报告生成。用于250kW的名义净额定功率的本公开的热效热力发动机100的控制系统和控制逻辑可以包括下述特征、功能和操作在专用控制系统作用下的自动化无人操作；用于数据访问、数据获取、单元健康监测和操作的本地和远程的人机界面能力；受控起动、操作和在失去电输入源或电输出连接的情况下的关停；全自动起动/停止、报警、关停、过程调整、周围环境温度调整、数据获取和同步；设计用于与外部分布式设备控制系统交接的控制/电力管理系统。用于热效热力发动机100的示例控制系统可以具有如图4A中描绘的多个控制状态，包括下述步骤和功能。在41，初始填充工作流体以净化和填充空系统，从而容许系统预热起动。在47，在系统操作的同时将质量从顶部添加至质量管理箱。在40，待机用于传感器和控制器的起动；没有流体循环；并且若必要激活预热系统。在42，起动。在43，循环怠速，其中流体以旁路模式与涡轮机一起循环；逐渐预热换热器，冷却废热交换器；BPVWHX初始地打开，但是当热嵌片(hot slug)从废热交换器中排出时关闭。在44,最小怠速,其中润轮机处于最小速度( 20k RPM)以实现支承脱离；通过泵速度和BPVEXP 24的位置的组合维持(闭环)涡轮机速度。在45，全速怠速，其中涡轮机位于设计速度(40k RPM)而没有负载；泵速度设定涡轮机速度(闭环)。在46，进行操作，其中涡轮机以设计速度进行操作并且产生额定设计功率；在使用功率电子设备I负载的同时通过增大泵速度而从泵速度控制切换至负载控制以维持涡轮机速度为40k RPM。在48，关停，其中涡轮膨胀器3受控停止并且逐渐冷却系统。在49，紧急关停，用于非期望的系统关停；泵和涡轮膨胀器3快速停下并且热交换器容许被动冷却；以及在50，通风以排空系统并且移除压力以用于维护动作。如图4C中表示的，控制系统的其他功能可以包括检查跳转(trips)和报警51，具有与关停48和紧急关停49、起动42的控制联接件、以及在可恢复报警状态下的继续操作。本发明由此以足够具体的方式公开以能够由本领域的技术人员理解，下面的权利要求包括如此描述的所有概念、原理和实施例以及所有等同。
权利要求
1.一种可操作以使用工作流体执行热力循环的热力发动机系统，所述热力发动机系统包括 工作流体回路，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧、以及容纳在所述工作流体回路中的工作流体； 热交换器，所述热交换器位于所述工作流体回路中且与连接至所述工作流体回路的热源热连通，由此将热能从所述热源传递至位于所述工作流体回路中的所述工作流体； 膨胀器，所述膨胀器位于所述工作流体回路中且设置在所述工作流体回路的所述高压侧与所述低压侧之间，并且可操作以将所述工作流体的压降转化为机械能； 换热器，所述换热器位于所述工作流体回路中且可操作以在所述工作流体回路的所述高压侧与所述低压侧之间传递热能； 冷却器，所述冷却器与冷却介质热连通且与所述工作流体回路的所述低压侧热连通，并且可操作以控制在所述工作流体回路的所述低压侧中的所述工作流体的温度； 泵，所述泵位于所述工作流体回路中且连接至所述工作流体回路的所述低压侧和所述高压侧，并且可操作以使所述工作流体移动穿过所述工作流体回路；以及 质量管理系统，所述质量管理系统连接至所述工作流体回路，所述质量管理系统具有连接到所述工作流体回路的所述低压侧上的工作流体容器。
2.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述热交换器包括一个或多个芯，所述芯具有一个或多个印刷回路热交换板。
3.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述膨胀器包括涡轮机。
4.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述膨胀器包括正排量装置。
5.如权利要求I所述的热力发动机系统，还包括联接至所述膨胀器的发电机。
6.如权利要求3所述的热力发动机系统，还包括联接至所述膨胀器的发电机。
7.如权利要求5所述的热力发动机系统，其中，所述发电机磁联接至所述膨胀器。
8.如权利要求6所述的热力发动机系统，其中，所述发电机磁联接至所述膨胀器。
9.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，来自所述工作流体回路的所述高压侧的所述工作流体的一部分作为用于所述膨胀器的冷却剂。
10.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体容器容纳处于超临界状态的工作流体。
11.如权利要求6所述的热力发动机系统，其中，来自所述工作流体回路的所述高压侧的所述工作流体的一部分经过所述工作流体回路引导至所述膨胀器，作为用于所述膨胀器和所述发电机的冷却剂，并且介于所述膨胀器与所述发电机之间的联接件。
12.如权利要求9所述的热力发动机系统，其中，来自所述工作流体回路的所述高压侧的所述工作流体的用于冷却所述膨胀器的部分的压力值与位于去往所述膨胀器的入口处的所述工作流体的压力值基本匹配。
13.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述质量管理系统连接至在去往所述冷却剂的入口附近的所述工作流体回路的所述低压侧。
14.如权利要求11所述的热力发动机系统，其中，来自所述工作流体回路的所述高压侧的所述工作流体的用于冷却所述膨胀器的部分的压力值与位于去往所述膨胀器的入口处的所述工作流体回路的压力值基本匹配。
15.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述泵为可操作以增大在所述工作流体回路的所述高压侧中的所述工作流体的压力的正排量泵。
16.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述泵可操作以控制在所述工作流体回路的所述高压侧中的工作流体的质量流动速率。
17.如权利要求I所述的热力发动机系统，还包括可操作以控制所述泵的操作速度的变频驱动器。
18.如权利要求I所述的热力发动机系统，还包括位于所述工作流体回路中且联接至所述泵的膨胀装置，所述膨胀装置通过所述工作流体的膨胀进行操作。
19.如权利要求18所述的热力发动机系统，其中，所述膨胀装置磁联接至所述泵。
20.如权利要求18所述的热力发动机系统，其中，所述膨胀装置联接至与所述泵共用的轴。
21.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述膨胀器联接至所述泵。
22.如权利要求I所述的热力发动机系统，还包括联接至所述膨胀器且可操作地连接至电功率电子设备的发电机；以及可操作以控制所述发电机的温度的冷却系统。
23.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述质量管理系统的所述工作流体容器还包括介于所述工作流体回路的所述高压侧与所述工作流体容器之间的至少一个连接件。
24.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述质量管理系统在去往所述泵的入口附近连接至所述工作流体回路的所述低压侧。
25.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述质量管理系统还包括所述工作流体容器的填充端口。
26.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述质量管理系统还包括用于控制在所述工作流体容器中的所述工作流体的温度的热控制系统。
27.如权利要求26所述的热力发动机系统，其中，所述热控制系统包括热连接至所述工作流体容器的热源。
28.如权利要求26所述的热力发动机系统，其中，所述热控制系统包括与所述工作流体容器热接触的热交换器。
29.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，在所述质量管理系统中的所述工作流体的压力基本等于或大于在所述工作流体回路的所述高压侧与所述低压侧之间的工作流体的压力。
30.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体容器容纳不同相的工作流体。
31.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体流进所述工作流体容器内和从所述工作流体容器中流出是以阀的方式控制的。
32.如权利要求31所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体流进所述工作流体容器内和从所述工作流体容器中流出是通过控制系统控制的。
33.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体为二氧化碳。
34.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体为在所述工作流体回路的至少一部分中处于超临界状态下的二氧化碳。
35.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体为在所述工作流体回路的不同部分中处于亚临界状态和超临界状态下的二氧化碳。
36.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体为氨。
37.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体为在所述工作流体回路中的处于超临界状态的氨。
38.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体为在所述工作流体回路中的处于亚临界状态和超临界状态的氨。
39.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体为从二氧化碳、氨、氮气、氩气、丙烷、天然气的组中选取的工作流体的混合物。
40.如权利要求I所述的热力发动机系统，还包括台架，所述台架容纳有所述工作流体回路、废热交换器、膨胀器、换热器、冷却器、泵和质量管理系统、以及与所述工作流体回路和所述膨胀器的能量产生装置的连接件。
41.如权利要求22所述的热力发动机系统，其中，所述发电机可操作以产生范围为大约50kW至10，OOOkff或更大的电功率。
42.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述质量管理系统的所述工作流体容器还连接至所述工作流体回路的所述高压侧。
43.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述换热器包括一个或多个芯，所述芯具有一个或多个印刷回路热交换板。
44.如权利要求I所述的热力发动机系统，其中，所述冷却器包括一个或多个芯，所述芯具有一个或多个印刷回路热交换板。
45.如权利要求I所述的热力发动机系统，还包括控制系统，所述控制系统可操作以控制在所述工作流体回路内的热力循环的参数和所述膨胀器的操作速率并且控制由所述膨胀器产生的机械能的量。
46.如权利要求45所述的热力发动机系统，其中，所述控制系统可操作以设定和维持由所述膨胀器产生的机械能的量。
47.如权利要求45所述的热力发动机系统，其中，所述控制系统可操作以根据周围环境的压力和温度控制所述热力发动机系统。
48.如权利要求45所述的热力发动机系统，其中，所述控制系统可操作以在所述工作流体回路内发生预定条件的情况下终止所述热力循环。
49.如权利要求5所述的热力发动机系统，其中，所述发电机为交流发电机。
50.如权利要求5所述的热力发动机系统，其中，所述发电机做机械功。
51.如权利要求3所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体包括二氧化碳。
52.如权利要求51所述的热力发动机系统，其中，所述工作流体在所述系统的所述高压侧的至少一部分期间处于超临界状态并且在所述系统的所述低压侧的至少一部分期间处于亚临界状态。
53.如权利要求52所述的热力发动机系统，其中，所述涡轮机磁联接至发电机。
54.如权利要求52所述的热力发动机系统，其中，所述涡轮机联接至发电机。
55.如权利要求54所述的热力发动机系统，其中，所述换热器包括一个或多个芯，所述芯具有一个或多个印刷回路热交换板。
56.如权利要求52所述的热力发动机系统，其中，所述质量管理系统的所述工作流体容器还包括介于所述工作流体容器与所述工作流体回路的所述高压侧之间的至少一个连接件。
57.如权利要求55所述的热力发动机系统，其中，所述质量管理系统的所述工作流体容器还包括介于所述工作流体容器与所述工作流体回路的所述高压侧之间的至少一个连接件。
58.如权利要求55所述的热力发动机系统,其中,所述冷却器包括一个或多个芯,所述芯具有一个或多个印刷回路热交换板。
59.如权利要求55所述的热力发动机系统,其中,所述热交换器包括一个或多个芯,所述芯具有一个或多个印刷回路热交换板。
60.如权利要求57所述的热力发动机系统，其中，所述冷却器或所述热交换器包括一个或多个芯，所述芯具有一个或多个印刷回路热交换板。
61.如权利要求52所述的热力发动机系统，还包括控制系统，所述控制系统可操作以控制在所述工作流体回路内的所述热力循环的参数和所述膨胀器的操作速率并且控制由所述膨胀器产生的机械能的量。
62.如权利要求55所述的热力发动机系统，还包括控制系统，所述控制系统可操作以控制在所述工作流体回路内的所述热力循环的参数和所述膨胀器的操作速率并且控制由所述膨胀器产生的机械能的量。
63.如权利要求57所述的热力发动机系统，还包括控制系统，所述控制系统可操作以控制在所述工作流体回路内的所述热力循环的参数和所述膨胀器的操作速率并且控制由所述膨胀器产生的机械能的量。
64.如权利要求64所述的热力发动机系统，其中，所述控制系统可操作以根据周围环境的压力和温度控制所述热力发动机系统。
65.如权利要求52所述的热力发动机系统，还包括位于所述工作流体回路中且联接至所述泵的膨胀装置，所述膨胀装置通过所述工作流体的膨胀进行操作。
66.如权利要求55所述的热力发动机系统，其中，所述涡轮机磁联接至发电机。
67.如权利要求66所述的热力发动机系统，其中，所述换热器包括一个或多个芯，所述芯具有一个或多个印刷回路热交换板。
68.如权利要求68所述的热力发动机系统，还包括控制系统，所述控制系统可操作以控制在所述工作流体回路内的所述热力循环的参数和所述膨胀器的操作速率并且控制由所述膨胀器产生的机械能的量。
69.如权利要求51所述的热力发动机系统，其中，所述换热器与废热流热连通。
70.一种用于控制在工作流体回路中的热力循环的工作流体质量的量的质量管理系统，所述工作流体回路具有泵和压缩机，所述质量管理系统包括工作流体控制箱，所述工作流体控制箱用于保持处于第一压力(P)下的所述工作流体量，所述工作流体控制箱设置在所述工作流体回路的外部；以及流体连接件，所述流体连接件位于所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的热力循环的低压侧之间，以容许所述工作流体在所述工作流体回路与所述工作流体控制箱之间通过。
71.如权利要求71所述的质量管理系统，还包括位于所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的高压侧之间的一个或多个流体连接件，所述一个或多个流体连接件构造为容许工作流体在所述工作流体回路与所述工作流体控制箱之间通过。
72
73.如权利要求71所述的质量管理系统，还包括与位于所述工作流体控制箱与所述工作流体回路之间的所述一个或多个流体连接件相连的一个或多个阀。
74.如权利要求71所述的质量管理系统，其中，所述工作流体回路还包括冷却器和至少一个流体连接件，所述至少一个流体连接件位于所述工作流体控制箱与所述工作流体回路的所述低压侧之间，所述至少一个流体连接件设置在所述冷却器与所述泵或压缩机之间。
75.如权利要求71所述的质量管理系统，还包括测量位于所述工作流体回路的所述低压侧中的所述工作流体的温度的仪器。
76.如权利要求75所述的质量管理系统，还包括控制系统，所述控制系统可操作地连接至所述仪器以测量位于所述工作流体回路的所述低压侧中的所述工作流体的温度，并且连接至所述工作流体控制箱以控制在所述工作流体控制箱与所述工作流体回路之间的工作流体的流动。
77.如权利要求71所述的质量管理系统，其中，位于所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的低压侧之间的所述流体连接件设置在所述泵或压缩机的附近。
78.如权利要求76所述的质量管理系统，其中，所述控制系统可操作以监测和控制在所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的所述低压侧之间的工作流体的流动，以及在所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的所述高压侧之间的工作流体的流动。
79.如权利要求76所述的质量管理系统，其中，所述控制系统可操作以控制在所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的所述高压侧之间的流体连接件，以及在所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的所述低压侧之间的流体连接件，以维持去往所述泵或压缩机的入口处的压力，所述压力介于比所述工作流体的饱和压力高的低压水平与比所述低压水平高的高压水平之间。
80.如权利要求76所述的质量管理系统，其中，所述控制系统可操作以控制在所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的所述低压侧之间的所述流体连接件，以在所述热力循环的所述低压侧的压力小于在所述泵或压缩机的所述入口附近的所述工作流体回路中的压力时容许工作流体从所述工作流体控制箱流到所述工作流体回路。
81.如权利要求76所述的质量管理系统，其中，所述控制系统可操作以控制在所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的所述低压侧之间的所述流体连接件，以在所述热力循环的所述低压侧的压力大于在所述泵或压缩机的所述入口附近的所述工作流体回路中的压力时容许工作流体从所述工作流体回路流到所述工作流体控制箱。
82.如权利要求76所述的质量管理系统，其中，所述控制系统可操作以控制在所述工作流体控制箱与所述工作流体回路中的所述热力循环的所述高压侧之间的所述流体连接件，以在所述工作流体控制箱中的压力小于在所述热力循环的所述低压侧的压力时容许工作流体从所述热力循环的所述高压侧流到所述工作流体控制箱。
83.如权利要求76所述的质量管理系统，其中，所述控制系统可操作以测量和监测在一个或多个热交换器处的所述工作流体的温度，所述一个或多个热交换器位于所述工作流体回路中。
84.如权利要求71所述的质量管理系统，还包括与所述工作流体控制箱热连通的可控热源。
85.如权利要求52所述的质量管理系统，还包括与所述工作流体控制箱热连通的可控热源。
86.如权利要求73所述的质量管理系统，还包括与所述工作流体控制箱热连通的可控热源。
87.如权利要求76所述的质量管理系统，还包括与所述工作流体控制箱热连通的可控热源。
88.如权利要求78所述的质量管理系统，还包括与所述工作流体控制箱热连通的可控 热源。
89.如权利要求79所述的质量管理系统，还包括与所述工作流体控制箱热连通的可控热源。
90.如权利要求80所述的质量管理系统，还包括与所述工作流体控制箱热连通的可控热源。
91.如权利要求81所述的质量管理系统，还包括与所述工作流体控制箱热连通的可控热源。
92.如权利要求81所述的质量管理系统，其中，所述工作流体包括二氧化碳。
93.如权利要求82所述的质量管理系统，其中，所述工作流体包括二氧化碳。
94.如权利要求80所述的质量管理系统，其中，所述工作流体包括二氧化碳。
95.一种通过使用位于闭环热力循环中的工作流体将热能转化为机械能的方法，所述工作流体容纳在具有由导管互连的部件的工作流体回路中，所述部件包括至少一个热交换器，所述至少一个热交换器可操作以将热能传递给所述工作流体；至少一个膨胀装置，所述至少一个膨胀装置可操作以将来自所述工作流体的热能转化为机械能；至少一个泵，所述至少一个泵可操作以使工作流体输送穿过所述工作流体回路，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧；以及质量管理系统，所述质量管理系统包括通过导管连接到所述工作流体回路的所述低压侧上的质量管理容器；所述方法包括下述步骤 将热能源布置为与热交换器部件热连通； 通过所述泵的操作将所述工作流体泵送穿过所述工作流体回路以向所述膨胀器供给处于超临界或亚临界状态的工作流体； 将远离所述膨胀器的处于亚临界状态的所述工作流体引导穿过所述工作流体回路并且到达所述泵； 控制处于超临界状态的所述工作流体从所述工作流体回路的所述高压侧流到所述质量管理容器； 控制处于亚临界或超临界状态的工作流体从所述质量管理容器到所述工作流体回路的所述低压侧和所述泵的量。
96.如权利要求95所述的方法，还包括提供二氧化碳作为所述工作流体的步骤。
97.如权利要求95所述的方法，其中，所述工作流体为位于所述工作流体回路的所述高压侧的处于超临界状态的二氧化碳。
98.如权利要求95所述的方法，其中，所述质量管理系统的所述质量管理容器也通过导管连接至所述工作流体回路的所述高压侧。
99.如权利要求95所述的方法，还包括提供氨作为所述工作流体的步骤。
100.如权利要求95所述的方法，其中，所述工作流体为位于所述工作流体回路的所述高压侧的处于超临界状态的氨。
101.如权利要求98所述的方法，还包括通过控制从所述工作流体回路的所述高压侧到所述质量管理容器的处于超临界状态下的工作流体的量来设置在所述工作流体回路中的所述工作流体质量的量的步骤，以及设置从所述质量管理容器到所述工作流体回路的所述低压侧和所述泵的处于亚临界或超临界状态下的工作流体的量的步骤。
102.如权利要求101所述的方法，还包括检测在所述工作流体回路中的所述工作流体的温度的步骤，以及根据所检测的在所述工作流体回路中的所述工作流体质量的量来控制在所述工作流体回路与所述工作流体容器之间的所述工作流体的温度的步骤。
103.如权利要求101所述的方法，还包括检测在所述工作流体回路中的所述工作流体的压力的步骤，以及根据所检测的在所述工作流体回路中的所述工作流体质量的量控制在所述工作流体回路与所述工作流体容器之间的所述工作流体的压力的步骤。
104.如权利要求95所述的方法，还包括控制所述膨胀器的操作速率的步骤。
105.如权利要求95所述的方法，还包括控制在所述工作流体回路中的热力循环以优化在周围环境条件下将热能转化为机械能的步骤。
106.如权利要求95所述的方法，还包括将来自所述工作流体回路的所述高压侧的所述工作流体的一部分作为用于所述膨胀器的冷却剂的步骤。
107.如权利要求106所述的方法，还包括将来自所述工作流体回路的所述高压侧的所述工作流体的一部分作为用于联接至所述膨胀器的联接件的冷却剂的步骤。
108.如权利要求105所述的方法，还包括将从所述工作流体回路的所述高压侧引导穿过所述工作流体回路而到达所述膨胀器的所述工作流体的一部分作为用于所述膨胀器和介于所述膨胀器与交流发电机之间的联接件的冷却剂的步骤。
109.如权利要求106所述的方法，还包括使来自所述工作流体回路的所述高压侧的用于冷却所述膨胀器的所述工作流体的一部分的压力值与来自所述工作流体回路的所述高压侧的位于去往所述膨胀器的入口处的所述工作流体的压力值基本匹配的步骤。
110.如权利要求95所述的废热回收系统，其中，所述泵为可操作以增大在所述工作流体回路的所述高压侧中的所述工作流体的压力的正排量泵。
111.如权利要求95所述的方法，还包括控制所述泵的操作速率以控制在所述工作流体回路的所述高压侧中的工作流体的质量流动速率的步骤。
112.如权利要求95所述的方法，还包括使用可操作以控制所述泵的操作速度的变频驱动器的步骤。
113.如权利要求95所述的方法，还包括设置位于所述工作流体回路中且联接至所述泵的第二膨胀装置的步骤，所述第二膨胀装置通过位于所述第二膨胀装置中的所述工作流体的膨胀进行操作。
114.如权利要求95所述的方法，还包括将交流发电机联接至所述膨胀器的步骤，所述交流发电机可操作地连接至电功率电子设备，并且设有可操作以控制所述交流发电机的温度的冷却系统，并且控制所述冷却系统以控制所述电功率电子设备的操作温度。
115.如权利要求95所述的方法，还包括将所述质量管理系统在去往所述泵的入口附近连接至所述工作流体回路的所述低压侧的步骤。
116.如权利要求95所述的方法，还包括经过去往所述工作流体容器的填充端口向所述工作流体回路提供工作流体的步骤。
117.如权利要求95所述的方法，还包括通过工作流体容器的热控制系统的操作控制在所述工作流体容器中的所述工作流体的温度的步骤。
118.如权利要求95所述的方法，还包括将在所述质量管理系统中的所述工作流体的压力控制为与在所述工作流体回路的所述低压侧中的所述工作流体的压力基本相等的步骤。
119.如权利要求95所述的方法，还包括控制所述部件和所述质量管理系统使得所述工作流体容器容纳有不同相的工作流体的步骤。
120.如权利要求95所述的方法，还包括通过位于所述工作流体容器与所述工作流体回路之间的导管中的阀的操作来控制所述工作流体流进所述工作流体容器内和从所述工作流体容器中流出的步骤。
121.如权利要求95所述的方法，还包括通过控制所述工作流体容器的温度来控制所述工作流体流进所述工作流体容器内和从所述工作流体容器中流出的步骤。
122.如权利要求120所述的方法，其中，所述阀的操作是自动的。
123.如权利要求95所述的方法，还包括向所述工作流体回路提供工作流体的步骤，所述工作流体为从二氧化碳、氨、氮气、氩气、丙烷、天然气的组中选取的工作流体的混合物。
124.如权利要求95所述的方法，还包括设置台架的步骤，在所述台架上设有所述部件和所述工作流体回路、以及用于所述工作流体回路和所述膨胀器的连接件。
125.如权利要求95所述的方法，还包括通过所述部件的受控操作来控制所述热力循环以从联接至所述膨胀器的交流发电机产生范围为大约50kW至10，OOOkW或更高的电功率的步骤。
126.如权利要求95所述的方法，还包括通过控制所述泵的操作速率来控制在所述工作流体回路中的热力循环的步骤。
127.如权利要求95所述的方法，还包括通过控制可操作地连接到所述交流发电机上的功率电子设备来控制联接到所述膨胀器上的所述交流发电机的输出的步骤。
128.—种将热能转化为机械能的方法，所述方法包括下述步骤 设置在工作流体回路中的工作流体，所述工作流体回路具有通过导管互连的部件，所述工作流体流过所述导管，所述部件包括 泵，所述泵可操作以将所述工作流体传送通过所述工作流体回路； 热交换器，所述热交换器用于将热能传递给所述工作流体； 膨胀装置，所述膨胀装置可操作以将来自所述工作流体的能量转化为机械能； 质量控制箱，所述质量控制箱通过所述导管连接至所述工作流体回路的低压侧； 通过所述泵的操作控制所述工作流体穿过所述工作流体回路的流动； 控制所述膨胀装置的操作速率；以及通过控制在所述质量控制箱中的所述工作流体的质量来控制在所述工作流体回路中的所述工作流体的质量的量。
129.如权利要求128所述的方法，还包括将所述质量控制箱连接至所述工作流体回路的高压侧的步骤。
130.如权利要求128所述的方法，还包括通过控制从所述工作流体回路的高压侧到所述质量控制箱的处于超临界状态下的所述工作流体的流量，以及控制从所述质量控制箱到所述工作流体回路的低压侧的处于亚临界或超临界状态下的所述工作流体的流量来设置 在所述工作流体回路中的所述工作流体质量的量的步骤。
131.如权利要求128所述的方法，还包括检测在所述工作流体回路中的所述工作流体的温度的步骤，以及根据所检测的在所述工作流体回路中的工作流体质量的量来控制在所述工作流体回路与所述质量控制箱之间的所述工作流体的温度的步骤。
132.如权利要求128所述的方法，还包括检测在所述工作流体回路中的所述工作流体的压力的步骤，以及根据所检测的在所述工作流体回路中的工作流体质量的量控制在所述工作流体回路与所述质量控制箱之间的所述工作流体的压力的步骤。
133.如权利要求128所述的方法，还包括将来自工作流体回路的所述工作流体的一部分作为用于所述膨胀装置的冷却剂的步骤。
134.如权利要求128所述的方法，还包括使来自所述工作流体回路的高压侧的用于冷却所述膨胀装置的所述工作流体的一部分的压力值与位于去往所述膨胀装置的入口处的所述工作流体的压力值基本匹配的步骤。
135.如权利要求128所述的方法，还包括控制所述泵的操作速率以控制在所述工作流体回路的高压侧中的工作流体的质量流动速率的步骤。
136.如权利要求128所述的方法，还包括设置位于所述工作流体回路中且联接至所述泵的第二膨胀装置的步骤，所述第二膨胀装置通过所述工作流体的膨胀进行操作。
137.如权利要求128所述的方法，还包括将交流发电机联接至所述膨胀器的步骤，所述交流发电机可操作地连接至电功率电子设备，并且设有可操作以控制所述交流发电机的温度的冷却系统，并且控制所述冷却系统以控制所述电功率电子设备的操作温度。
138.如权利要求128所述的方法，还包括在所述工作流体回路中的位于所述泵的入口之前的位置处通过导管将所述质量控制箱连接至所述工作流体回路的低压侧的步骤。
139.如权利要求128所述的方法，还包括经过去往所述质量控制箱的填充端口向所述工作流体回路提供工作流体的步骤。
140.如权利要求128所述的方法，还包括通过质量控制箱的热控制系统的操作来控制在所述质量控制箱中的所述工作流体的温度的步骤。
141.如权利要求128所述的方法，还包括将在所述质量管理系统中的所述工作流体的压力控制为与在所述工作流体回路的低压侧中的所述工作流体的压力基本相等的步骤。
142.如权利要求128所述的方法，还包括控制所述部件和所述质量管理系统使得所述工作流体容器容纳有不同相的工作流体的步骤。
143.如权利要求128所述的方法，还包括通过位于所述质量控制箱与所述工作流体回路之间的导管中的阀的操作来控制所述工作流体流进所述质量控制箱内和从所述质量控制箱中流出的步骤。
144.如权利要求128所述的方法，还包括通过控制所述质量控制箱的温度来控制所述工作流体流进所述质量控制箱内和从所述质量控制箱中流出的步骤。
145.如权利要求128所述的方法，还包括通过控制在所述质量控制箱中的所述工作流体的温度来控制所述工作流体流进所述质量控制箱内和从所述质量控制箱中流出的步骤。
146.如权利要求128所述的方法，还包括通过控制所述质量控制箱的压力来控制所述工作流体流进所述质量控制箱内和从所述质量控制箱中流出的步骤。
147.如权利要求128所述的方法，还包括向所述工作流体回路提供工作流体的步骤，所述工作流体为从二氧化碳、氨、氮气、氩气、丙烷、天然气的组中选取的工作流体的混合物。
148.如权利要求128所述的方法，还包括通过所述部件的受控操作来控制所述热力循环以从联接至所述膨胀器的交流发电机产生范围为大约50kW至10，OOOkW或更高的电功率的步骤。
149.如权利要求128所述的方法，还包括参考周围环境温度来控制在所述工作流体回路中的所述工作流体的压力和密度的步骤。
150.一种用于将热能转化为机械能的发电装置，所述发电装置包括 工作流体回路，所述工作流体回路具有用于在可操作以将热能转化为机械能的所述装置的部件之间容纳和引导工作流体的流动的部件和导管，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧； 支承机构，所述支承机构用于支承所述工作流体回路的所述导管和所述部件，所述工作流体回路的所述部件包括与热交换器的连接件；膨胀器，所述膨胀器可操作以将所述工作流体的压降转化为机械能；联接至所述膨胀器的发电机；换热器；冷却器联接件；以及泵；以及质量管理系统，所述质量管理系统具有用于接收和保持所述工作流体的质量控制箱，所述质量控制箱通过导管连接至所述工作流体回路的所述高压侧和所述工作流体回路的所述低压侧。
151.如权利要求150所述的发电装置，其中，所述工作流体回路连接至热交换器。
152.如权利要求151所述的发电装置，其中，所述热交换器设置在所述支承结构上。
153.如权利要求151所述的发电装置，其中，所述热交换器设置在所述支承结构以外。
154.如权利要求150所述的发电装置，其中，所述支承结构呈框架的形式，所述框架构造为支承所述工作流体回路的所述导管和部件。
155.如权利要求151所述的发电装置，还包括用于连接到热能源上以用于与所述热交换器热连通的热能源连接件。
156.如权利要求150所述的发电装置，还包括可操作以控制所述部件和所述工作流体回路的控制系统。
157.如权利要求150所述的发电装置，还包括涡轮膨胀器。
158.如权利要求150所述的发电装置，还包括可操作地连接到所述泵上的涡轮机。
159.如权利要求150所述的发电装置，还包括构造为冷却所述发电机的冷却回路。
160.如权利要求150所述的发电装置，其中，所述膨胀器连接至所述工作流体回路的所述高压侧和所述工作流体回路的所述低压侧。
161.如权利要求160所述的发电装置，其中，所述膨胀器与所述工作流体回路的所述高压侧的所述连接件还包括与所述工作流体回路的所述低压侧的受控连接件。
162.如权利要求I所述的发电装置，其中，所述质量管理系统还包括与所述质量控制箱的连接件以用于向所述质量控制箱添加工作流体或从所述质量控制箱中减少工作流体。
163.如权利要求150所述的发电装置，还包括用于控制所述泵电机操作的变频驱动器。
164.如权利要求150所述的发电装置，还包括与冷却剂供给的连接件以用于提供与所述冷却器热连通的冷却剂。
165.如权利要求150所述的发电装置，还包括罩壳，所述罩壳从所述支承结构延伸并且构造为基本包封所述工作流体回路和部件。
166.如权利要求165所述的发电装置，其中，所述罩壳包括用于接口所述装置的一个或多个接口区域。
167.如权利要求150所述的发电装置，还包括与所述装置的连接件，所述连接件包括与废热源、冷却剂源以及电路的连接件。
168.如权利要求167所述的发电装置，其中，与所述装置的所述连接件包括与所述质量管理系统和空气供给和排放的连接件。
169.如权利要求165所述的发电装置，其中，与所述装置的所述连接件和联接件设置在所述罩壳的共同侧上。
170.如权利要求150所述的发电装置，构造为产生范围为大约50kW-10，OOOkff的电功率。
171.如权利要求150所述的发电装置，其中，所述工作流体回路连接至所述膨胀器和联接到所述膨胀器上的联接件以将工作流体提供为用于所述膨胀器和所述联接件的冷却剂。
172.如权利要求150所述的发电装置，还包括远离所述支承结构排放的一个或多个排放部。
173.如权利要求150所述的发电装置，其中，所述工作流体回路连接至冷却器以用于冷却在所述工作流体回路中的所述工作流体。
174.如权利要求173所述的发电装置，其中，所述冷却器设置在所述支承结构上。
175.如权利要求173所述的发电装置，其中，所述冷却器设置在所述支承结构以外。
176.如权利要求150所述的发电装置，其中，所述支承结构定尺寸为配合到大约200平方英尺的面积内。
177.如权利要求155所述的发电装置，其中，所述热能源连接件设置在所述热交换器上。
178.如权利要求152所述的发电装置，其中，所述热交换器包括用于连接到热能源上的联接件。
179.如权利要求153所述的发电装置，其中，所述热交换器包括用于连接到热能源上的联接件。
180.如权利要求150所述的发电装置，其中，所述发电机为交流发电机。
181.一种用于将热能转化为机械能的热能转化装置，所述装置包括 台架，所述台架支承工作流体回路，所述工作流体回路具有用于容纳和引导在可操作以将热能转化为机械能的部件之间的工作流体的流动的导管和部件，所述工作流体回路具有高压侧和低压侧，其中在所述高压侧，所述工作流体处于超临界状态，在所述低压侧，所述工作流体处于亚临界状态； 所述工作流体回路的部件包括用于与热能源连接的联接件；与用于从所述热能源向所述工作流体交换热量的热交换器的连接件；可操作以将所述工作流体的压降转化为机械能的膨胀器；换热器；冷却器联接件；以及泵； 以及质量管理系统，所述质量管理系统具有用于接收和保持一定量所述工作流体的质量控制箱，所述质量控制箱通过导管连接至所述工作流体回路的所述高压侧和所述工作流体回路的所述低压侧。
182.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述热交换器设置在所述台架上。
183.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述冷却器联接件联接至冷却剂源。
184.如权利要求181所述的热能转化装置，还包括冷却器，所述冷却器作为所述工作流体回路的部件并且设置在所述台架上。
185.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述发电机为交流发电机。
186.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述膨胀器为正排量装置。
187.如权利要求181所述的热能转化装置，还包括联接至所述膨胀器的发电机。
188.如权利要求187所述的热能转化装置，其中，所述发电机磁联接至所述膨胀器。
189.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述膨胀器为涡轮机。
190.如权利要求181所述的热能转化装置，还包括控制系统，所述控制系统可操作以控制所述装置的操作，其中包括所述装置的机械能输出。
191.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述质量管理系统还包括与所述质量控制箱的连接件以用于向所述质量管理箱添加工作流体或从所述质量控制箱中移除工作流体。
192.如权利要求181所述的热能转化装置，还包括用于控制所述泵电机的操作的变频驱动器。
193.如权利要求181所述的热能转化装置，还包括与冷却剂供给的连接件以用于提供与所述冷却器热连通的冷却剂。
194.如权利要求181所述的热能转化装置，还包括罩壳，所述罩壳从所述支承结构延伸并且构造为基本包封所述工作流体回路和部件。
195.如权利要求181所述的热能转化装置，还包括罩壳，所述罩壳围绕所述部件且到所述罩壳中的所述部件的接口。
196.如权利要求181所述的热能转化装置，还包括与所述装置的连接件，所述连接件包括与废热源、冷却剂源和电路的连接件。
197.如权利要求196所述的热能转化装置，其中，与所述装置的所述连接件包括与所述质量管理系统和空气供给和排放的连接件。
198.如权利要求196所述的热能转化装置，其中，与所述装置的连接件和联接件设置在所述罩壳的共同侧上。
199.如权利要求181所述的热能转化装置，构造为产生范围大约为50kW-10，OOOkff千瓦的电功率。
200.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述工作流体回路连接至所述膨胀器和联接到所述膨胀器上的联接件以将工作流体作为冷却剂提供给所述膨胀器和所述联接件。
201.如权利要求181所述的热能转化装置，还包括远离所述支承结构排放的一个或多个排放部。
202.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述工作流体回路连接至冷却器以用于冷却在所述工作流体回路中的所述工作流体。
203.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述冷却器设置在所述台架上。
204.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述冷却器设置在所述台架以外。
205.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述支承结构定尺寸为配合到大约200平方英尺的面积内。
206.如权利要求187所述的热能转化装置，其中，所述热能源连接件设置在所述热交换器上。
207.如权利要求184所述的热能转化装置，其中，所述热交换器包括用于连接到热能源上的联接件。
208.如权利要求185所述的热能转化装置，其中，所述热交换器包括用于连接到热能源上的联接件。
209.如权利要求181所述的热能转化装置，其中，所述发电机为交流发电机。
全文摘要
一种废热回收系统、方法和装置，所述系统利用位于具有高压侧和低压侧的工作流体回路中的工作流体执行热力循环。位于所述工作流体回路中的所述系统部件包括废热交换器，所述废热交换器与也连接到所述工作流体回路上的废热源热连通，从而将热能从所述废热源传递给位于所述工作流体回路的膨胀器中的所述工作流体，所述膨胀器设置在所述工作流体回路的所述高压侧与所述低压侧之间，所述膨胀器可操作以将所述工作流体的压力/焓降转化为机械能；以及具有工作流体容器的质量管理系统，所述质量管理系统连接至所述工作流体回路的所述低压侧以控制位于所述工作流体回路中的所述工作流体质量的量。
文档编号F02G5/00GK102741536SQ201080050795
公开日2012年10月17日 申请日期2010年9月16日 优先权日2009年9月17日
发明者B·F·休姆, J·D·米勒, S·霍斯勒, T·J·赫尔德 申请人:艾克竣电力系统股份有限公司