[发明专利]具有选择性地可配置的工作流体回路的热机系统

说明书

本发明提供一种具有选择性地可配置的工作流体回路的热机系统.一种热机系统包括：泵，其使通过工作流体回路的工作流体循环；以及膨胀器，其接纳来自工作流体回路的高压侧的工作流体，并且将工作流体中的压降转换为机械能。多个废热交换器均选择性地定位在高压侧内或与高压侧隔绝。多个复热器均选择性地定位在高压侧和低压侧内或与高压侧和低压侧隔绝。多个阀致动以选择性地控制所述多个废热交换器中哪一个废热交换器定位在高压侧中，所述多个复热器中哪一个复热器定位在高压侧中，以及多个复热器中哪一个复热器定位在低压侧中。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2014年9月3日提交的美国发明申请No.14/475,640；2014年9月3日提交的美国发明申请No.14/475,678；2013年9月5日提交的美国临时申请No.61/874,321；2014年6月11日提交的美国临时申请No.62/010,731；和2014年6月11日提交的美国临时申请No.62/010,706的优先权。这些优先权申请整体以引用的方式并入本文，到与本发明相符的程度。

背景技术

废热通常形成为工业过程的副产品，其中高温液体、气体或流体的流动流必须排放到环境中或者以某种方式去除以试图保持工业工艺设备的操作温度。某些工业过程采用热交换器装置来捕集废热并经由其它工艺流使废热再循环到该过程中。然而，对于采用高温或者具有不足质量流或其它不利条件的工业过程而言，废热的捕集和再循环是不可行的。

因此，废热可以通过各种涡轮发电机或采用热动力方法(例如朗肯循环或其它动力循环)的热机系统而转换为有用的能量。朗肯循环和类似热动力循环通常是基于蒸汽的过程，其回收并利用废热产生蒸汽，以用于驱动与发电机、泵或其它装置连接的涡轮机、涡轮增压器或其它膨胀器。

有机朗肯循环利用低沸点工作流体来代替传统朗肯循环期间的水。示例性低沸点工作流体包括烃类，例如轻质烃(例如，丙烷或丁烷)和卤化烃类，例如氢氯氟烃(HCFCs)或氢氟烃(HFCs)(例如，R245fa)。最近，鉴于例如低沸点工作流体的热不稳定性、毒性、易燃性和生产成本的问题，某些热动力循环已经修改为使非烃类工作流体(例如氨)进行循环。

当操作动力循环或另一个热动力循环时影响整体系统效率的一个主要的因素在于，供热步骤是有效的。不良地设计的热机系统和循环除了需要大型热交换器来执行热与电力的转换之外，热与电力的转换可能也是效率低下的。与高度优化的系统相比，这样的系统以高得多的每千瓦成本传递动力。能够处理这样的高压和高温的热交换器通常占热机系统的总成本的较大部分。

因此，需要用于转换能量的热机系统和方法，由此该系统和方法在由热能产生功或电力的同时提高效率。

发明内容

在一个实施例中，热机系统包括工作流体回路，该工作流体回路具有高压侧和低压侧，并且被配置成使得工作流体流过该工作流体回路。多个废热交换器中的每个废热交换器被配置成与工作流体回路的高压侧流体地联接且热连通，与热源流流体地联接且热连通，并且将热能从热源流传递到高压侧内的工作流体。多个复热器中的每个复热器流体地联接到工作流体回路，并且被配置成使热能在工作流体回路的高压侧和低压侧之间传递。第一膨胀器流体地联接到工作流体回路，设置在高压侧和低压侧之间，并且被配置成将工作流体中的压降转换为机械能。第二膨胀器流体地联接到工作流体回路，设置在高压侧和低压侧之间，并且被配置成将工作流体中的压降转换为机械能。第一泵在工作流体回路的低压侧和高压侧之间流体地联接到工作流体回路，并且被配置成使工作流体回路内的工作流体循环或加压。第一冷凝器与工作流体回路的低压侧上的工作流体热连通，并且被配置成从工作流体回路的低压侧上的工作流体去除热能。