專利名稱：能量回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及各種工業(yè)形式的能量用法，更具體地說，涉及一種能量回收系統(tǒng)。
產(chǎn)生(電)能量的傳統(tǒng)技術(shù)有很多；大多數(shù)一般包含燃燒最終限制供應(yīng)的一些燃料(例如，煤、天然氣)。
此外，已經(jīng)記載了許多能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。例如，US-A-4,896,509披露了一種用于在蘭金循環(huán)中將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的工藝。這里，重復(fù)的循環(huán)包括下述步驟，借助于熱源(例如來自鍋爐的用以產(chǎn)生水蒸氣的熱水)使工作流體蒸發(fā)，在膨脹設(shè)備(旋轉(zhuǎn)或相互位移裝置，例如渦輪)中將所產(chǎn)生的蒸氣膨脹，借助于冷的熱源(例如冷水)將其冷卻從而(例如，利用一般在制冷設(shè)備中應(yīng)用的冷凝器)使其冷凝，以及利用泵將其壓縮。但是，這種系統(tǒng)一般在沸騰過程中采用燃料燃燒。
而且，可用的蘭金循環(huán)系統(tǒng)一般是以多兆瓦范圍進(jìn)行操作的大型設(shè)備，并且不適于在小型設(shè)備上從相對(duì)低溫源例如來自小型工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、汽車內(nèi)燃機(jī)等的廢熱流體提取能量。
需要一種能量回收系統(tǒng)，它可克服上述問題并提供一種改進(jìn)的回收系統(tǒng)。
能量回收本發(fā)明提供一種用于從熱源提取電能的能量回收系統(tǒng)，，所述系統(tǒng)具有循環(huán)的工作流體，包括第一熱交換器，用于接收流體源和接收所述工作流體，該流體源結(jié)合有熱源的至少部分熱量，由此熱量被從流體源傳遞給工作流體；膨脹單元，其被設(shè)置成接收從第一熱交換器輸出的工作流體，由此將機(jī)械能傳遞給膨脹單元；機(jī)電轉(zhuǎn)換單元，其與膨脹單元耦合，用于將所述機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能；冷卻系統(tǒng)，其與膨脹單元耦合并與第一熱交換器耦合，用于接收來自膨脹單元的工作流體，將流體冷卻，并將該流體提供給第一熱交換器。優(yōu)選地，熱交換器為小型的熱交換器。
在一個(gè)實(shí)施例中所述系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，第一熱交換器適于接收處于第一溫度的結(jié)合有熱量的流體源，并將處于第二溫度的所述廢流體輸出，以及用于接收處于第三溫度的所述工作流體并輸出處于第四溫度的工作流體，所述第四溫度高于所述第三溫度以及高于工作流體的沸點(diǎn)；膨脹單元包括渦輪單元，該渦輪單元被設(shè)置成接收從第一熱交換器輸出的處于第一壓力的工作流體并輸出處于第二壓力的工作流體，所述第二壓力低于第一壓力，渦輪單元由此將旋轉(zhuǎn)能傳遞給安裝在該渦輪單元內(nèi)的渦輪軸；和機(jī)電轉(zhuǎn)換單元與渦輪軸相連，用于將所述旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化成電能。優(yōu)選地，渦輪為高度微型渦輪。
優(yōu)選地，冷卻系統(tǒng)包括第二熱交換器，該第二熱交換器與渦輪單元耦合并與第一熱交換器耦合，用于將接收來自渦輪單元的處于第五溫度的工作流體第一供源并輸出處于第六溫度的來自所述第一供源的工作流體，所述第六溫度低于所述第五溫度；其中，第二熱交換器還適于接收處于第七溫度的液態(tài)形式的工作流體第二供源并將處于所述第三溫度的來自流體第二供源的工作流體輸出至所述第一熱交換器。優(yōu)選地，冷卻系統(tǒng)還包括冷凝單元，該冷凝單元與第二熱交換器耦合并適于接收冷卻流體供源，用于接收處于所述第六溫度的由第二熱交換器輸出的工作流體并輸出處于所述第七溫度的液態(tài)形式的工作流體，所述第七溫度低于所述第六溫度并低于工作流體的沸點(diǎn)。優(yōu)選地，冷卻系統(tǒng)包括泵，該泵與冷卻系統(tǒng)耦合，用于接收處于所述第七溫度的工作流體并將所述工作流體泵送至所述第二熱交換器，由此將所述工作流體第二供源提供給第二熱交換器。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一溫度約110-225℃。在一個(gè)實(shí)施例中，第二溫度約80-140℃。在一個(gè)實(shí)施例中，第一溫度約180℃，第二溫度約123℃。在一個(gè)實(shí)施例中，第一壓力約10-30絕對(duì)巴。在一個(gè)實(shí)施例中，第二壓力約0.5-2絕對(duì)巴。
優(yōu)選地，渦輪軸安裝在所述渦輪單元內(nèi)的軸承上，所述工作流體滲透入所述渦輪單元，由此提供所述軸承的潤(rùn)滑。
優(yōu)選地，工作流體包括選自烷烴的單一組分流體。優(yōu)選地，工作流體包括沸點(diǎn)約30-110℃的流體。
優(yōu)選地，機(jī)電轉(zhuǎn)換單元包括適于輸出電流的交流發(fā)電機(jī)。優(yōu)選地，機(jī)電轉(zhuǎn)換單元包括電或電子調(diào)節(jié)單元，其與所述交流發(fā)電機(jī)耦合，用于改變從交流發(fā)電機(jī)得到的電流的頻率并輸出處于電源頻率的電流。優(yōu)選地，交流發(fā)電機(jī)為高速交流發(fā)電機(jī)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，膨脹單元包括渦輪單元，該渦輪單元具有軸和安裝于該軸上的至少一個(gè)渦輪級(jí)，該渦輪級(jí)或每個(gè)渦輪級(jí)具有一組葉片。至少一個(gè)渦輪級(jí)由鋁或鋼制成。在某些實(shí)施例中，至少一個(gè)渦輪級(jí)由塑料制成。塑料可以是(a)含有碳纖維的聚醚醚酮(PEEK)，例如具有40％碳纖維的PEEK，(b)Ultern 2400，或(c)Valox 865。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，采用HFE-7100或己烷或水作為任何附隨權(quán)利要求的系統(tǒng)中的工作流體和/或潤(rùn)滑流體。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，采用烷烴中的一種作為任何附隨權(quán)利要求中的系統(tǒng)中的工作流體和/或潤(rùn)滑流體。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種電能產(chǎn)生系統(tǒng)，包括微型渦輪系統(tǒng)，該微型渦輪系統(tǒng)包括燃燒單元，其與燃料源相連，用于燃燒所述燃料并輸出第一廢流體，渦輪，其被耦合成用于接收所述第一廢流體，由此在使用中將旋轉(zhuǎn)能傳遞給渦輪的渦輪軸，該渦輪適于輸出第二廢流體；中間傳熱單元，其被耦合成用于接收所述第二廢流體并適于把來自該第二廢流體的熱量傳遞給中間傳熱流體并在所述熱量傳遞之后輸出該中間傳熱流體；和根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的能量回收系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有所述第一熱交換器，該第一熱交換器被耦合成用于接收所述中間傳熱流體，該中間傳熱流體包括有所述熱源。
優(yōu)選地，微型渦輪系統(tǒng)還包括壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)與渦輪機(jī)耦合并與燃燒單元耦合，在使用中由渦輪軸驅(qū)動(dòng)，該壓縮機(jī)接收含氧流體供源并在使用中將壓縮狀態(tài)的所述含氧流體提供給燃燒單元。
優(yōu)選地，微型渦輪系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)耦合并且在使用中由渦輪軸驅(qū)動(dòng)，該發(fā)電機(jī)適于輸出電能。
電能產(chǎn)生系統(tǒng)優(yōu)選地還包括設(shè)置在渦輪和中間傳熱單元之間的同流換熱器，該同流換熱器被耦合成用于接收所述第二廢流體并將第三廢流體輸出至中間傳熱單元，該同流換熱器還適于接收來自例如壓縮機(jī)的含氧流體供源，以及在傳遞自所述第二廢流體到其的熱量之后將所述含氧流體傳送給壓縮機(jī)。
優(yōu)選地，同流換熱器包括熱交換器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種電能產(chǎn)生系統(tǒng)，包括內(nèi)燃系統(tǒng)，該內(nèi)燃系統(tǒng)包括與燃料源耦合的內(nèi)燃機(jī)，用于燃燒所述燃料并輸出發(fā)動(dòng)機(jī)廢流體，該內(nèi)燃機(jī)被設(shè)置成在使用中將旋轉(zhuǎn)能傳遞給驅(qū)動(dòng)軸；中間傳熱單元，其被耦合成用于接收所述發(fā)動(dòng)機(jī)廢流體并適于將來自發(fā)動(dòng)機(jī)廢流體的熱量傳遞給中間傳熱流體并將在所述的熱量傳遞之后輸出該中間傳熱流體；以及根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的能量回收系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有所述的被耦合成用于接收所述中間傳熱流體的第一熱交換器，該中間傳熱流體包含有所述熱源。
優(yōu)選地，內(nèi)燃系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)耦合并且在使用中由驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，以及該發(fā)電機(jī)適于輸出電能。優(yōu)選地，內(nèi)燃機(jī)與燃料供源相連并與含氧流體供源相連。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種電能產(chǎn)生系統(tǒng)，包括廢氣處理煙囪，其包括基底級(jí)，該基底級(jí)包括用于將含氧氣體吹入廢氣處理煙囪的送風(fēng)機(jī)，燃燒級(jí)，其鄰接基底級(jí)并與廢氣源相連，廢氣是易燃?xì)怏w或包含易燃?xì)怏w，在使用中該燃燒級(jí)適于燃燒所述含氧氣體中的所述廢氣，混合器級(jí)，其鄰接所述燃燒級(jí)并適于產(chǎn)生混合氣體，該混合氣體包括被混合有所述燃燒級(jí)產(chǎn)生的燃燒廢氣的空氣；中間傳熱單元，其被耦合成用于接收所述混合氣體并適于將來自混合氣體的熱量傳遞給中間傳熱流體并在所述熱量傳遞之后輸出該中間傳熱流體；和以及根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的能量回收系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有所述的被耦合成用于接收所述中間傳熱流體的第一熱交換器，該中間傳熱流體包含有所述熱源。
優(yōu)選地，送風(fēng)機(jī)包括電激勵(lì)送風(fēng)機(jī)，該送風(fēng)機(jī)與機(jī)電轉(zhuǎn)換單元電耦合，在使用中至少部分由能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)產(chǎn)生的電能激勵(lì)該送風(fēng)機(jī)。
優(yōu)選地，中間傳熱單元包括熱交換器，和/或包含傳熱油的中間傳熱流體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于其提供小型的能量回收系統(tǒng)。另一優(yōu)點(diǎn)在于其能夠從相對(duì)低溫源提取能量。其它優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明可從不然會(huì)被浪費(fèi)的熱源、或從再生能源以合理效率回收能量，和/或本發(fā)明顯著提高了能量產(chǎn)生系統(tǒng)中所產(chǎn)生的電能的量。
渦輪設(shè)計(jì)另一問題是，雖然單級(jí)徑流式渦輪以及兩級(jí)軸流式渦輪是眾所周知的，但至今缺乏能夠高速操作和處理某些工業(yè)中所遇到的極高壓差的兩級(jí)徑流式渦輪設(shè)計(jì)。經(jīng)常，問題在于單級(jí)徑流式渦輪不能處理某些壓降。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種徑流式渦輪單元，包括殼體，其具有接收處于第一壓力的流體的入口；安裝在殼體內(nèi)的軸承上的軸，其具有旋轉(zhuǎn)軸線；設(shè)置在所述軸上的渦輪，該渦輪包括，第一渦輪級(jí)，其包括安裝所述軸上的第一組葉片，由入口接收的所述流體徑向入射至所述第一組葉片上并以第三壓力沿著第一預(yù)定方向離開第一渦輪級(jí)，第二渦輪級(jí)，包括安裝在所述軸上的第二組葉片，用于將離開第一渦輪級(jí)的流體傳送至第二渦輪級(jí)的管道，由第二渦輪級(jí)接收的所述流體徑向入射至所述第二組葉片上并以第二壓力沿著第二預(yù)定方向離開所述第二渦輪級(jí)，其中所述流體在所述第一和第二渦輪級(jí)將旋轉(zhuǎn)能傳遞給所述軸。
優(yōu)選地，第一壓力約為第二壓力的2-10倍。優(yōu)選地，第三壓力約為第二壓力的3-4倍。
優(yōu)選地，所述第二渦輪級(jí)的徑向尺寸大于第一渦輪級(jí)的徑向尺寸。優(yōu)選地，第二渦輪級(jí)的徑向尺寸約為第一渦輪級(jí)的徑向尺寸的1.25倍。優(yōu)選地，所述第一渦輪級(jí)的軸向尺寸約為第一渦輪級(jí)的徑向尺寸的0.3-0.375倍。優(yōu)選地，所述第二渦輪級(jí)的軸向尺寸約為第二渦輪級(jí)的徑向尺寸的0.35-0.4倍。
在特定實(shí)施例中，渦輪單元還包括第三渦輪級(jí)，其包括安裝在所述軸上的第三組葉片，用于將離開第二渦輪級(jí)的流體傳輸至第三渦輪級(jí)的管道，由第三渦輪級(jí)接收的所述流體徑向入射至所述第三組葉片上并以第四壓力沿著第三預(yù)定方向離開第三渦輪級(jí)，其中所述流體在所述的第一、第二和第三渦輪級(jí)將旋轉(zhuǎn)能傳遞給所述軸。
優(yōu)選地，所述第三渦輪級(jí)的軸向尺寸約為第三渦輪級(jí)的徑向尺寸的1/3倍。
優(yōu)選地，所述第一、第二和/或第三預(yù)定方向一般為軸向。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述流體為氣體。優(yōu)選地，所述流體為HFE-7100或己烷或水。所述流體為烷烴中的一種。
本發(fā)明還提供一種用于從廢熱源提取能量的廢能回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，并包括熱交換器，機(jī)電轉(zhuǎn)換單元、冷卻系統(tǒng)和根據(jù)任何附隨權(quán)利要求的渦輪單元，在使用中，熱交換器將工作流體提供給所述渦輪單元。
優(yōu)選地，所述流體滲透入殼體，由此提供軸承潤(rùn)滑。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于它在高旋轉(zhuǎn)速度(例如，25,000-50,000Rpm)時(shí)可用。其它優(yōu)點(diǎn)在于兩級(jí)設(shè)計(jì)使每級(jí)伴有壓降，從而允許處理更高的輸入壓力(例如高達(dá)20絕對(duì)巴)。
另外的優(yōu)點(diǎn)在于容許渦輪的相對(duì)小型結(jié)構(gòu)。
上述特征確保了所述渦輪可有利地應(yīng)用于能量可從流體(氣體)以很高操作壓力進(jìn)行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)(例如，蘭金(Rankine)循環(huán)系統(tǒng))中，從而提高了效率。
軸承設(shè)計(jì)另一問題在于小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)用的軸承系統(tǒng)缺乏可用性。需要這樣一種用于支撐高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)部件的軸的裝置。而且，關(guān)鍵在于提供一種在小型機(jī)器上既用作軸頸軸承又用作推力軸承的軸承系統(tǒng)。這種類型的軸承也必須堅(jiān)固可靠，這樣它們可在一天24小時(shí)，七天一周的持續(xù)時(shí)間(以及約五年或更多的使用年限)操作的系統(tǒng)中使用。
本發(fā)明提供一種軸承，用于支撐圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)的軸并至少局部設(shè)置在一殼體內(nèi)，該軸承包括軸承件，其固定地連接于殼體上并具有第一軸承面，位于所述軸上的相對(duì)的第二軸承面，所述第一和第二軸承面一般橫向于所述軸線，圓柱形內(nèi)部通道限定第三軸承面，該第三軸承面一般平行于所述軸線并與第四軸承面相對(duì)地設(shè)置在所述軸上，軸承件包括管道，該管道適于將潤(rùn)滑流體傳輸給至少第三和第四軸承面之間的空間內(nèi)。
優(yōu)選地，軸承件的與第一軸承面相對(duì)的端部具有一般橫向于所述軸線延伸的第五軸承面。
優(yōu)選地，軸承件的剖面一般為T型。優(yōu)選地，軸承件上的第一軸承面由凸圓面限定，該凸圓面位于軸承件的徑向內(nèi)末端與徑向外末端之間局部延伸的‘T’的頂部之上。優(yōu)選地，多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的第一凹槽徑向延伸地設(shè)置在第一軸承面上，由此促進(jìn)潤(rùn)滑流體流向與該第一軸承面相對(duì)的空間。優(yōu)選地，第一凹槽在第一軸承面的徑向內(nèi)末端與徑向外末端之間局部地延伸。
優(yōu)選地，多個(gè)細(xì)長(zhǎng)第二凹槽徑向延伸地設(shè)置在第五軸承面上，由此促進(jìn)潤(rùn)滑流體流向與第四軸承面相對(duì)的空間內(nèi)。優(yōu)選地，第二凹槽在第五軸承面的徑向內(nèi)末端與徑向外末端之間局部地延伸。
優(yōu)選地，在‘T’型軸承件的細(xì)長(zhǎng)部的兩端之間的一個(gè)位置處，周向凹槽被限定在軸承件的徑向外末端處的表面上。優(yōu)選地，多個(gè)第一潤(rùn)滑通道徑向延伸地設(shè)置在軸承件的周向凹槽與徑向內(nèi)末端之間，由此允許軸承件的外部與內(nèi)圓柱通道之間的潤(rùn)滑流體流動(dòng)。
優(yōu)選地，軸承件包括多個(gè)第二潤(rùn)滑通道，每個(gè)通道在第一軸承面的第一細(xì)長(zhǎng)凹槽與第五軸承面上的各自相對(duì)的第二細(xì)長(zhǎng)凹槽之間軸向延伸。
優(yōu)選地，第一和/或第二細(xì)長(zhǎng)凹槽的數(shù)目為2至8之間，優(yōu)選為6。
優(yōu)選地，第二潤(rùn)滑通道的數(shù)目為2至8之間。
所述軸承優(yōu)選地還包括墊圈，其中，在使用中，墊圈的其中一個(gè)表面鄰接軸承件的第五軸承面，墊圈的另一表面適于鄰接驅(qū)動(dòng)元件例如渦輪的相應(yīng)表面。
本發(fā)明還提供一種用于從廢熱源提取能量的能量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，并包括熱交換器、機(jī)電轉(zhuǎn)換單元，冷卻系統(tǒng)和渦輪單元，熱交換器在使用中將工作流體提供給所述渦輪單元作為氣體，其中渦輪單元借助于一軸機(jī)械耦合該機(jī)電轉(zhuǎn)換單元，該軸由任何附隨權(quán)利要求中的軸承支撐。
優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括從冷卻系統(tǒng)至軸承的第二工作流體供給管線，由此工作流體被提供給軸承件的外部，從而提供所述軸承的潤(rùn)滑流體。優(yōu)選地，工作流體作為液體被提供給軸承。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于其提供一種小型軸承。另一優(yōu)點(diǎn)在于它既能夠用作軸頸軸承又能夠用作推力軸承。在某些實(shí)施例中，具有通過工作流體提供潤(rùn)滑并且無需潤(rùn)滑供源的優(yōu)點(diǎn)。
耦合另一問題在于，雖然磁耦合裝置是公知的，但至今缺乏一種能夠高速操作并處于密封單元的耦合設(shè)計(jì)，該耦合設(shè)計(jì)處理某些工業(yè)所遇到的極高壓差。經(jīng)常，關(guān)鍵在于不能夠提供這樣一種具有小尺寸的裝置。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種旋轉(zhuǎn)的磁耦合裝置，包括第一旋轉(zhuǎn)件，包括其上設(shè)有第一磁性件的第一軸，所述第一軸在使用中由旋轉(zhuǎn)能源驅(qū)動(dòng)，第二旋轉(zhuǎn)件，包括其上設(shè)有第二磁性件的第二軸，所述第二旋轉(zhuǎn)件在使用中通過第一和第二磁性件的耦合接收來自第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)能，其中，所述第一和第二磁性件之一，或者二者包括多個(gè)磁體部，該磁體部相對(duì)于所述第一和第二軸的軸線設(shè)置在不同的角位置。
優(yōu)選地，第一旋轉(zhuǎn)件設(shè)置在氣密密封的殼體內(nèi)，一部分殼體位于第一旋轉(zhuǎn)件和第二旋轉(zhuǎn)件之間并由非磁性材料制成。優(yōu)選地，非磁性材料包括不銹鋼、尼莫尼克(nimonic)合金、或塑料。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一磁性件包括與第一軸一體形成的一般為圓柱形的電樞部，以及固定連接至該電樞部外部的多個(gè)第一磁體部；第二磁性件包括與第二軸一體形成的一般為圓柱形的外支撐部，和與該支撐部的內(nèi)部固定相連的多個(gè)第二磁體部。優(yōu)選地，第一磁性件還包括設(shè)置在第一磁體部外部的包殼，用于在第一軸的高速旋轉(zhuǎn)過程中將所述的第一磁體部保持固定。所述包殼由合成材料例如碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRF)、Kevlar或玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GRP)制成。優(yōu)選地，第一磁性件設(shè)置在第二磁性件內(nèi)側(cè)并通過所述一部分殼體而與該第二磁性件分離。優(yōu)選地，磁體部包括偶極磁體，每個(gè)磁體在N-S方向上徑向延伸。
在另一個(gè)實(shí)施例中，第一磁性件一般為圓盤形并包括第一安裝部，多個(gè)第一磁體部固定安裝于該第一安裝部中，該第一磁體部由此形成圓盤形；第二磁性件一般為圓盤形并包括第二安裝部，多個(gè)第二磁體部固定安裝于該第二安裝部中，該第二磁體部由此形成圓盤形。優(yōu)選地，第一和第二磁體部構(gòu)成圓盤的扇區(qū)。優(yōu)選地，第一和第二磁體部包括偶極磁體，每個(gè)磁體在N-S方向上軸向延伸。優(yōu)選地，所述第一圓盤形磁性件與第二圓盤形磁性件軸向?qū)R地相鄰設(shè)置，并通過所述一部分殼體分離。
優(yōu)選地，所述第一磁性件和/或所述第二磁性件的磁體部的數(shù)目，為偶數(shù)2或更大的偶數(shù)。更優(yōu)選地，所述第一磁性件和/或所述第二磁性件的磁體部的數(shù)目為4。
優(yōu)選地，所述磁體部由鐵氧體材料、釤鈷或釹鐵硼制成。
本發(fā)明還提供一種用于從廢熱源提取能量的廢能回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，并包括熱交換器、機(jī)電轉(zhuǎn)換單元、冷卻系統(tǒng)和渦輪單元，該渦輪機(jī)通過任何附隨權(quán)利要求中的磁耦合裝置而與機(jī)電轉(zhuǎn)換單元?dú)饷艿孛芊獠Ⅰ詈稀?br> 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于它可在高旋轉(zhuǎn)速度(例如25,000-50,000Rpm)時(shí)使用。另一優(yōu)點(diǎn)在于它提供一種防止激勵(lì)渦輪用的工作流體(有時(shí)有害或危險(xiǎn))泄漏的密封單元。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于容許渦輪的相對(duì)小型結(jié)構(gòu)；機(jī)械隔離/磁耦合裝置對(duì)于使渦輪功率能夠驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有的交流發(fā)電機(jī)特別有利，例如汽車應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的那些優(yōu)點(diǎn)。
上述特征確保了磁耦合裝置可有利地應(yīng)用于從流體(氣體)以很高旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)(例如，蘭金循環(huán)系統(tǒng))中。
功率控制蘭金循環(huán)系統(tǒng)的其它缺點(diǎn)在于它們一般是多兆瓦范圍操作的大型設(shè)備，并且不適于在小型設(shè)備上從相對(duì)低溫源例如來自小型工業(yè)設(shè)備、汽車內(nèi)燃機(jī)等的廢熱氣提取能量。
而且，在從諸如廢熱量或太陽(yáng)熱源之類的來源獲得電能的情況下，理想的是，所述系統(tǒng)可以最佳效率來提取能量。
大多數(shù)現(xiàn)有蘭金循環(huán)裝置是具有同步交流發(fā)電機(jī)的低速單元，以與柵極電源相同的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。渦輪速度和功率控制一般通過閥給渦輪設(shè)旁路。例如，US-B-4,537,032披露了一種平行級(jí)模塊化蘭金循環(huán)渦輪，其中渦輪上的負(fù)載通過控制每個(gè)節(jié)流閥的操作來控制。并且US-A-2002/0108372披露了一種包括功率產(chǎn)生系統(tǒng)，它包括兩個(gè)“開機(jī)”備用的有機(jī)蘭金循環(huán)渦輪系統(tǒng)，其中一個(gè)蘭金循環(huán)渦輪系統(tǒng)包括用于根據(jù)另一蘭金循環(huán)渦輪系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的輸出而進(jìn)行打開和關(guān)閉的控制閥。
需要一種用于控制所述系統(tǒng)的能量回收系統(tǒng)和技術(shù)，以克服上述問題并提供一種改進(jìn)的回收系統(tǒng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種在能量回收系統(tǒng)中執(zhí)行從廢熱源提取能量的方法，該系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，并包括熱交換器、包含交流發(fā)電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換單元、冷卻系統(tǒng)、渦輪單元、和與機(jī)電轉(zhuǎn)換單元耦合并適于改變從交流發(fā)電機(jī)獲得的電壓的控制系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟(a)將電壓增加一個(gè)電壓階躍；(b)測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率；(c)如果步驟(b)中所測(cè)得的輸出功率小于或等于先前的輸出功率，(i)將電壓降低一個(gè)電壓階躍，(ii)重復(fù)下述步驟(1)將電壓降低一個(gè)電壓階躍，(2)測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率，只要步驟(c)(ii)(2)中所測(cè)得的輸出功率大于先前測(cè)得的輸出功率，如果步驟(b)所測(cè)得的輸出功率大于先前的輸出功率，就重復(fù)步驟(iii)將電壓增加一個(gè)電壓階躍，(iv)測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率，只要步驟(c)(iv)中所測(cè)得的輸出功率大于先前測(cè)得的輸出功率。
可選擇地，將電壓增加一個(gè)電壓階躍的每個(gè)步驟是用將電壓降低一個(gè)電壓階躍的步驟來替換的，反之亦然。
電壓階躍約為平均電壓的1％-2.5％。優(yōu)選地，步驟(a)約每2秒執(zhí)行一次。
測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率的步驟包括測(cè)量從交流發(fā)電機(jī)輸出端獲得的輸出電壓V，測(cè)量從交流發(fā)電機(jī)獲得的輸出電流I，以及計(jì)算輸出功率＝V*I?？蛇x擇地，測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率的步驟包括用獨(dú)立功率測(cè)量裝置來測(cè)量輸出功率。
優(yōu)選地，所述方法還包括將交流發(fā)電機(jī)電壓從第一頻率轉(zhuǎn)變成第二頻率。優(yōu)選地，第一頻率高于第二頻率，第二頻率大約為電源頻率。優(yōu)選地，所述的轉(zhuǎn)變電壓的步驟包括利用校正電路來校正交流發(fā)電機(jī)所輸出的電壓，由此獲得直流電壓；和利用功率調(diào)節(jié)單元從所述直流電壓產(chǎn)生交流電壓。
所述方法還包括存儲(chǔ)輸出功率的最后測(cè)量值。
本發(fā)明還提供一種可編程的控制系統(tǒng)，被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)成用于實(shí)施任何附隨權(quán)利要求中的方法，所述系統(tǒng)包括處理器、存儲(chǔ)器、與機(jī)電轉(zhuǎn)換單元耦合的界面、以及用戶界面。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于它提供的系統(tǒng)和技術(shù)，可使效率最大化以及可應(yīng)用在小型且高速的系統(tǒng)中，特別是低功率單元中。
工作流體凈化在許多傳統(tǒng)的用作封閉系統(tǒng)并應(yīng)用膨脹裝置例如渦輪的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、例如蘭金循環(huán)系統(tǒng)中，采用工作流體，該工作流體通過所述系統(tǒng)中的各個(gè)階段并且在某位置時(shí)通常為液態(tài)形式。
典型地，當(dāng)所述系統(tǒng)在一開始進(jìn)行填充時(shí)，工作流體為液體，所以，所述系統(tǒng)的其它部分必須用氣體例如氮填充。
這種系統(tǒng)的問題是，如果在系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在非冷凝氣體，綜合性能就基本會(huì)降低。這是因?yàn)?，例如采用基于渦輪的系統(tǒng)，使渦輪氣體膨脹至出口的壓力必須盡可能地低，以便使渦輪壓力比(輸入端壓力輸出端壓力)盡可能地高。
美國(guó)專利5,119,635和5,487,765中已經(jīng)披露了試圖解決這個(gè)問題的技術(shù)。但是，這些都強(qiáng)加了一種獨(dú)立裝置的額外需求，該獨(dú)立裝置用于將氣體泵出冷凝器，將其冷卻以冷凝工作流體，以及除去不想要的非冷凝氣體，然后將工作流體泵送回所述系統(tǒng)。
本發(fā)明設(shè)法提供一種要簡(jiǎn)單得多的且易于實(shí)施的系統(tǒng)，以便從工作流體除去雜質(zhì)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作流體凈化系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，并包括膨脹裝置例如渦輪機(jī)，工作流體沿著穿過于此的路徑循環(huán)，所述工作流體凈化系統(tǒng)包括膨脹槽；位于膨脹槽內(nèi)的隔膜，由此確定用于接收所述工作流體的可變?nèi)莘e；設(shè)置在所述路徑和膨脹槽之間的控制閥，該控制閥適于控制流體流向所述可變?nèi)莘e和/或控制流體從所述可變?nèi)莘e流動(dòng)；其中，控制閥經(jīng)管道與所述路徑中的接點(diǎn)相連，所述接點(diǎn)處于所述路徑中的最高點(diǎn)。
優(yōu)選地，控制閥安裝在比所述接點(diǎn)高的點(diǎn)處。優(yōu)選地，膨脹槽安裝在比所述控制閥高的點(diǎn)處。
所述系統(tǒng)優(yōu)選還包括控制器，該控制器適于打開和關(guān)閉所述控制閥。優(yōu)選地，控制器被配置成執(zhí)行凈化循環(huán)，所述凈化循環(huán)包括將控制閥打開第一預(yù)定時(shí)段，和將控制閥關(guān)閉第二預(yù)定時(shí)段。優(yōu)選地，控制器被配置成在接通所述系統(tǒng)之后在啟動(dòng)程序的預(yù)定持續(xù)之間內(nèi)執(zhí)行多個(gè)所述的凈化循環(huán)。優(yōu)選地，所述多個(gè)凈化循環(huán)包括約3-5個(gè)凈化循環(huán)。優(yōu)選地，第一預(yù)定時(shí)段約為1分鐘，第二預(yù)定時(shí)段約為10分鐘。
所述系統(tǒng)優(yōu)選還包括與控制器耦合的壓力傳感器；其中，控制器被配置成當(dāng)傳感器所指示的壓力為預(yù)定水平之上時(shí)執(zhí)行至少一個(gè)凈化循環(huán)。優(yōu)選地，壓力傳感器被配置成檢測(cè)渦輪(膨脹裝置)出口的壓力。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于從熱源提取電能的能量回收系統(tǒng)，包括任何附隨權(quán)利要求中的工作流體凈化系統(tǒng)，渦輪，熱交換器，機(jī)電轉(zhuǎn)換單元，和冷卻系統(tǒng)，該熱交換器在使用中將工作流體提供給所述渦輪機(jī)。
現(xiàn)在將通過實(shí)例、參照附圖描述本發(fā)明，其中

圖1(a)所示為根據(jù)本發(fā)明一方面的能量回收系統(tǒng)的示意性概圖，圖1(b)為改變交流發(fā)電機(jī)的輸出的中間電子設(shè)備；圖2根據(jù)本發(fā)明的一方面示意性地示出了其中一種廢熱源的起源；圖3詳細(xì)示出了圖1的渦輪單元以及交流發(fā)電機(jī)；圖4為圖3中的渦輪軸承的放大圖；圖5詳細(xì)示出了圖4的軸承中所用的指示流體流的軸承件；圖6根據(jù)本發(fā)明的另一方面示出了圖1的渦輪單元和交流發(fā)電機(jī)的另一種(磁性)耦合；圖7提供了基于微型渦輪的系統(tǒng)的多個(gè)視圖，(a)是獨(dú)立的，(b)具有同流換熱器，(c)和(d)與(a)和(b)的系統(tǒng)相同，但分別結(jié)合有本發(fā)明的能量回收系統(tǒng)；圖8(a)示出了基于IC發(fā)動(dòng)機(jī)的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，(b)是相同的系統(tǒng)但結(jié)合有本發(fā)明的能量回收系統(tǒng)；圖9所示為基于火炬煙囪的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其結(jié)合有本發(fā)明另一方面的能量回收系統(tǒng)。
參照附圖，其中相同的標(biāo)號(hào)用以表示相同的元件，圖1(a)為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的能量回收系統(tǒng)100的示意圖。這里，“能量回收系統(tǒng)”包括回收來自不然就被浪費(fèi)的能量源(例如，熱量)的能量的能量回收系統(tǒng)，以及在原始(熱)能沒有必要被浪費(fèi)但可以現(xiàn)有形式使用(例如以便至少有助于將建筑物加熱)的環(huán)境中將能量從一種形式(例如，熱能)轉(zhuǎn)化為另一種形式(例如，電能)的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。
主熱交換器102具有至少一個(gè)流體源入口104，該主熱交換器102經(jīng)該流體入口104接收具有熱能的熱流體源，該熱能由所述系統(tǒng)設(shè)法回收。剛進(jìn)入主熱交換器102的流體源溫度被指定為t1。
主熱交換器102可由任何熱源驅(qū)動(dòng)，熱源的實(shí)例包括熱空氣，蒸汽，熱油，從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣，生產(chǎn)過程廢熱流體，來自基于微渦輪的發(fā)電系統(tǒng)、基于IC發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)的廢流體，火炬煙囪的燃燒廢氣，等等。可選擇地，熱源可以是將適當(dāng)流體(例如傳熱油)加熱的太陽(yáng)能，該適當(dāng)流體構(gòu)成主熱交換器102用的流體源。
簡(jiǎn)單地參照?qǐng)D2，該圖示意性地例示了本發(fā)明一個(gè)方面的其中一種廢料源的起源廢能的重要實(shí)例就是無所不在的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)是汽油、柴油或氣體燃料的往復(fù)式渦輪。最佳的簡(jiǎn)單循環(huán)的化石燃料型發(fā)動(dòng)機(jī)(不同于非常大的發(fā)電站或船用發(fā)動(dòng)機(jī))具有35-40％的效率這意味著來自驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)用的燃料的能量的60-65％被作為廢熱損失掉了。
回到圖1(a)，流體源在降低的溫度t2時(shí)經(jīng)由至少一個(gè)流體源出口106排出主熱交換器102。
主熱交換器102，為適當(dāng)?shù)慕徊婺媪餍?，還具有工作流體入口108和工作流體出口110，該主熱交換器102經(jīng)該工作流體入口108和工作流體出口110分別接收(作為處于溫度t3的液體)和輸送(處于溫度t4)所述系統(tǒng)的工作流體。所述工作流體，被在主熱交換器102內(nèi)加熱和汽化，仔細(xì)選擇該工作流體從而使其熱力特征和化學(xué)特征適于所述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、操作溫度和壓力。在一個(gè)實(shí)施例中，工作流體為HFE-7100。
在從主熱交換器102的工作流體出口110排出之后，氣態(tài)工作流體沿著箭頭A的方向流向渦輪單元114的渦輪進(jìn)氣口112。工作流體以壓力P1到達(dá)渦輪單元114，在將安裝在渦輪單元114的渦輪軸116上的渦輪(未示出)驅(qū)動(dòng)的過程中損失熱量和壓力，并以大致低于P1的壓力P2從渦輪出氣口118排出。在一個(gè)實(shí)施例中，壓力P1為絕對(duì)11.5巴，壓力P2為絕對(duì)1.0巴。
在一個(gè)實(shí)施例中，渦輪軸116安裝在一軸承(未示出)上并與交流發(fā)電機(jī)120機(jī)械耦合，例如渦輪和交流發(fā)電機(jī)電樞(未示出)都安裝在共用軸116上。這樣，渦輪軸116的高速旋轉(zhuǎn)促使交流發(fā)電機(jī)120中產(chǎn)生電能，因而在交流發(fā)電機(jī)輸出端122產(chǎn)生電壓。以下將參照3-5進(jìn)一步描述渦輪軸116與交流發(fā)電機(jī)120的耦合。
在從渦輪出氣口118排出之后，工作流體沿著箭頭B的方向朝著第二熱交換器126的入口124行進(jìn)，該第二熱交換器利用渦輪廢氣充當(dāng)工作流體的預(yù)熱器。所以工作流體以溫度t5輸入第二熱交換器126并以較低溫度t6經(jīng)出口128排出。同時(shí)，第二熱交換器經(jīng)入口130以溫度t7(沿著箭頭C的方向)接收其它工作流體流，該流體流處于其沸點(diǎn)以下并且為液體形式。在第二熱交換器126中，熱能被傳遞給到達(dá)入口130的工作流體流，該工作流體經(jīng)出口132以溫度t3排出，并(沿著箭頭D的方向)流向主熱交換器102的入口108。
所述系統(tǒng)還包括冷凝單元(或水冷卻器)134，其中冷水經(jīng)入口136進(jìn)入并經(jīng)出口138排出。在操作中，來自第二熱交換器126的工作流體，沿著箭頭E的方向流動(dòng)，經(jīng)入口140到達(dá)冷凝單元134，在冷凝單元134中被冷卻和冷凝成液體，然后經(jīng)出口142排出。這種液態(tài)工作流體(處于溫度t7)，由泵144經(jīng)閥146沿著箭頭C的方向推動(dòng)并構(gòu)成到達(dá)第二熱交換器126的工作流體的第二供源，從而重新開始循環(huán)。在一個(gè)實(shí)施例中，獨(dú)立的流體線160將液態(tài)工作流體供至用于耦合渦輪單元114和交流發(fā)電機(jī)120的軸承，以便潤(rùn)滑。
因此，所述系統(tǒng)對(duì)蘭金循環(huán)起作用并被密封，這樣不會(huì)有工作流體泄漏和消耗，該工作流體僅僅通過各個(gè)階段循環(huán)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)150，用以控制所述系統(tǒng)輸出的功率。大多數(shù)現(xiàn)有的蘭金循環(huán)裝置是具有同步發(fā)電機(jī)的低速單元，以與柵極電源相同的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。渦輪速度和功率控制一般通過閥來給渦輪機(jī)設(shè)旁路。但是，根據(jù)本發(fā)明一方面，所述系統(tǒng)采用高度交流發(fā)電機(jī)120，功率調(diào)節(jié)單元優(yōu)選用來將高頻的交流發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)換成電源頻率。
更具體地說，控制系統(tǒng)包括中間電子設(shè)備151、功率調(diào)節(jié)單元(PCU)152和控制器154。交流發(fā)電機(jī)120的輸出端122輸出的功率由于渦輪軸的高速旋轉(zhuǎn)而處于非常高的頻率，并通過中間電子設(shè)備151來更改，該中間電子設(shè)備151在圖1(b)中詳細(xì)示出。
參照?qǐng)D1(b)，交流發(fā)電機(jī)120的輸出端122與中間電子設(shè)備151的輸入端160(三相交流電發(fā)電機(jī)具有三個(gè))相連，電子設(shè)備151的第一級(jí)為任選的變壓器級(jí)162，用于升高每條線上的電壓當(dāng)需要時(shí)，這確保了PCU152最終具有足夠的直流電壓，在PCU152的輸出端可產(chǎn)生完整的240V正弦波(按照英國(guó)電源)。但是，在某些實(shí)施例中，交流發(fā)電機(jī)120輸出的的電壓水平是如此之高以致足可省略變壓器級(jí)162。
接著，由變壓器級(jí)162在164輸出的電壓傳到整流級(jí)166，該整流級(jí)包括本領(lǐng)域公知的一組六個(gè)整流二極管168。因此，整流過的、接近直流的電壓被提供至整流級(jí)166的輸出端170，在正常的操作條件下，這出現(xiàn)在中間電設(shè)備151的輸出端172。
萬一突然失去柵極接線，將會(huì)失去所有的交流發(fā)電機(jī)負(fù)載。這會(huì)導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)120顯著超速，因此也用卸壓閥(dump valve)給渦輪設(shè)旁路，中間電子設(shè)備151包括安全級(jí)174，該安全級(jí)包括在失去柵極接線的情況下將負(fù)載提供給交流發(fā)電機(jī)120的斷電電阻(dumpresistor)158，以防止超速。
晶體管176與輸出端172交叉地串聯(lián)斷電電阻158，其中晶體管176的基極b由超速檢測(cè)單元(未示出)驅(qū)動(dòng)。后者將PWM信號(hào)提供給晶體管176，該晶體管的工作循環(huán)與超速的程度成比例，這樣超速越高，斷電電阻158提供的負(fù)載越大。
從圖1(b)可以看出，輸出端172(這里指的是dc總線)所提供的功率處于電壓為V，電流為I，并且這被提供給PCU 152。本領(lǐng)域公知的PCU 152適于將功率從直流電轉(zhuǎn)換成處于電源頻率(英國(guó)為50Hz)和電壓(英國(guó)為240V)的交流電。該P(yáng)CU反過來又能夠改變dc總線電壓從而調(diào)節(jié)所述系統(tǒng)的功率輸出。
在功率調(diào)節(jié)單元152中改變dc總線電壓(圖1(b)中的V)控制了渦輪軸116的速度。總線電壓的降低使交流發(fā)電機(jī)120上的負(fù)載增加，從而促使從交流發(fā)電機(jī)得到更多的電流。相反，總線電壓的增加導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)的電流降低。通過在總線電壓改變的前后計(jì)算功率(例如，采用P＝VI，或采用功率測(cè)量裝置)，可以確定總線電壓的變化是使功率增加還是降低。這就得以找到交流發(fā)電機(jī)120輸出的最大功率點(diǎn)，然后通過改變總線電壓不斷“跟蹤”。
在一個(gè)實(shí)施例中，在交流發(fā)電機(jī)120處于最大轉(zhuǎn)速45,000rpm的情況下，無負(fù)載的交流發(fā)電機(jī)所提供的電壓為三相中的每相290Vac(所有電壓都是兩線間測(cè)得)?？僧a(chǎn)生功率的最低速度為28,000rpm，此時(shí)無負(fù)載的交流發(fā)電機(jī)所提供的電壓峰值為180Vac。負(fù)載的增加也將使交流發(fā)電機(jī)的電壓降低例如在45,000rpm時(shí)，電壓在6.3kW時(shí)為210Vac。
通過適當(dāng)?shù)哪M或數(shù)字電子設(shè)備、微控制器等來改變總線電壓可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率輸出的控制。這也可利用個(gè)人電腦(PC)作為控制器154來進(jìn)行手動(dòng)控制。但是，優(yōu)選利用適當(dāng)?shù)某绦蚧疨C或其它計(jì)算機(jī)作為控制器154來自動(dòng)控制功率輸出。在任一情況下，PC經(jīng)RS232串行通信設(shè)備與PCU 152通信，雖然也可使用本領(lǐng)域公知的RS422或RS485適配器。從而任何時(shí)候，PC可讀取V和I，由此能夠了解瞬時(shí)功率。
在自動(dòng)PC控制的情況下，控制方法通過適當(dāng)軟件可實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容。
當(dāng)系統(tǒng)為ON時(shí)將總線電壓增加一個(gè)電壓階躍測(cè)量新功率(＝VI)如果新功率小于或等于舊電壓，就將電壓降低一個(gè)電壓階躍執(zhí)行將電壓降低一個(gè)電壓階躍測(cè)量新功率只要新功率大于舊功率否則將電壓增加一個(gè)電壓階躍測(cè)量新功率只要新功率大于舊功率本領(lǐng)域技術(shù)人員要理解的是，電壓階躍的大小由操作條件決定，并且是適當(dāng)確定的平均總線電壓的小部分(例如1-2.5％)。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓階躍約每秒就變化。
所述系統(tǒng)所具有的另一任選特征為工作流體凈化系統(tǒng)，在圖1中主要由170標(biāo)示。如上所述，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中如果存在非冷凝的氣體，綜合性能將基本降低，也即，渦輪的壓力比低于其應(yīng)有的值。例如，在此處實(shí)例所提及的渦輪中，輸入電壓P1設(shè)為20巴；如果輸出電壓P2為2巴而不是預(yù)定的1巴，壓力比為10而不是20，由此性能顯著降低。
當(dāng)一開始給系統(tǒng)供應(yīng)工作流體時(shí)，工作流體為液態(tài)而系統(tǒng)的其它部分必須充滿氣體例如氮，這很困難。當(dāng)執(zhí)行該步驟時(shí)，壓力會(huì)降低至大氣壓力以下從而降低系統(tǒng)中的氮含量。然而，壓力不會(huì)降得太多，或者泵中將出現(xiàn)氣穴。所以，從所述系統(tǒng)去除不想要的氣體的最適宜方式是在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中。
工作流體凈化系統(tǒng)170包括管道172，其一端與第二熱交換器(預(yù)熱器)126上的Q點(diǎn)相連，另一端與控制閥174相連，該控制閥可處于膨脹箱176的基底入口/出口176處，在一種實(shí)例中，所述的膨脹箱176可以是集中加熱系統(tǒng)中所用類型的膨脹箱。膨脹箱176具有撓性膜或隔膜178，這樣該膨脹箱的下部可容納可變?nèi)莘eV的氣體和/或液體。
在以下將提及的實(shí)例(6kW系統(tǒng))中，測(cè)量結(jié)果如下系統(tǒng)容積 70升流體體積 18升膨脹箱容積 50升可以看出，當(dāng)一開始用流體填充所述系統(tǒng)時(shí)，將有52升的氮。用真空泵降低該氣體的壓力使得必須容納于膨脹箱178中的氣體量降低，這意味著膨脹箱可制得更小些。這種泵送也促使膨脹箱內(nèi)的隔膜178向下膨脹，從而使得整個(gè)箱，或幾乎整個(gè)箱可用來容納氣體。
當(dāng)?shù)獨(dú)獾拿芏鹊陀诠ぷ髁黧w蒸氣的密度時(shí)，該氮?dú)庖子诙逊e在系統(tǒng)內(nèi)的最高位置處。在這點(diǎn)處(圖1的Q)，流體會(huì)離開到達(dá)膨脹箱176，允許進(jìn)行膨脹的隔膜178增加容積V；也即，隨著控制閥174打開，氣體被允許朝著膨脹箱176緩慢移動(dòng)。當(dāng)?shù)獨(dú)饷芏鹊陀诠ぷ髁黧w時(shí)，膨脹箱176中的大多數(shù)內(nèi)含物將是氮，僅僅具有很少的工作流體。
一旦控制閥174關(guān)閉，膨脹箱176及其內(nèi)含物自然地冷卻，從而促使工作流體冷凝。下次控制閥174打開，(現(xiàn)為液態(tài)的)工作流體在重力作用下(經(jīng)控制閥174和管道172)流回至系統(tǒng)的主管道，同時(shí)非冷凝的氣體由于其低密度而易于保持在膨脹箱176中。在控制閥關(guān)閉固定周期(b)之后，控制閥打開固定周期(a)的循環(huán)用來凈化工作流體，在啟動(dòng)能量回收系統(tǒng)的過程中，該循環(huán)可重復(fù)多次(例如約3-5次)，以盡可能多地收集膨脹箱176中的氮。在上述(6kW)的系統(tǒng)中，控制閥174打開一分鐘，然后關(guān)閉10分鐘?？刂崎y174的打開和關(guān)閉可手動(dòng)執(zhí)行，或者可通過適當(dāng)控制器、該情況下的控制器154自動(dòng)執(zhí)行。
所述系統(tǒng)優(yōu)選還包括與控制器154耦合的壓力傳感器，該壓力傳感器被設(shè)置成檢測(cè)膨脹裝置(渦輪)的出口處的壓力；如果在系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中壓力開始增加，那么可重復(fù)進(jìn)行凈化循環(huán)，該壓力傳感器可檢測(cè)出壓力已經(jīng)超出預(yù)定的安全閾值。
圖3詳細(xì)示出了圖1(a)的渦輪單元與交流發(fā)電機(jī)的耦合。這里，渦輪單元一般用114表示，交流發(fā)電機(jī)一般用120表示。渦輪軸圍繞軸302旋轉(zhuǎn)并與構(gòu)成交流發(fā)電機(jī)120的部分轉(zhuǎn)子306的部分304一體形成。一般地，局部為圓柱的永磁體308設(shè)置在軸116的部分304上。保持圓柱309將磁體308固定于軸116上該保持圓柱(由非磁性材料例如CFRP制成)確保了磁體308在軸116的高速旋轉(zhuǎn)過程中不移位。定子311，結(jié)合有產(chǎn)生電流的多個(gè)線圈(未示出)，正如本領(lǐng)域公知地安裝在轉(zhuǎn)子306周圍，并被封裝在殼體310內(nèi)。軸116的部分304在殼體310的一端由軸頸軸承312支撐，另一端由下文將詳述的軸承314支撐。
圖4為圖3的渦輪—軸承耦合的放大圖?？梢钥闯?，渦輪單元114包括第一渦輪級(jí)402和第二渦輪級(jí)404。存在于渦論單元?dú)んw408內(nèi)的空間406中的高壓受熱工作流體(處于壓力P1)經(jīng)第一渦輪級(jí)402的入口410進(jìn)入并沿著箭頭F的方向流動(dòng)從而被入射至第一組葉片412上，該葉片緊固安裝于軸116上?？焖倭鲃?dòng)的工作流體由此將旋轉(zhuǎn)能傳遞給軸116。一離開第一渦輪級(jí)402(處于壓力P3)，工作流體就沿著箭頭G的方向流動(dòng)。
接著，(中間)壓力為P3(基本小于P1，但仍然較高)的工作流體經(jīng)管道413傳到下一級(jí)404。這里，工作流體經(jīng)第二渦輪級(jí)404的入口414進(jìn)入并沿著箭頭H的方向流動(dòng)從而被入射至第二組葉片416上，該葉片緊固安裝至軸116上。快速流動(dòng)的工作流體由此將旋轉(zhuǎn)能進(jìn)一步傳遞給軸116。一離開第二渦輪級(jí)404(處于壓力P2)，工作流體就沿著箭頭J的方向流動(dòng)。因此，P1＞P3＞P2。
可以看出，第二渦輪級(jí)404的葉片416的軸向和徑向尺寸大于第一渦輪級(jí)402的葉片412。在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)渦輪級(jí)的直徑相同，第一渦輪級(jí)的軸向尺寸為3/10直徑，第二渦輪級(jí)的軸向尺寸為4/10直徑。在另一個(gè)實(shí)施例中，具有三個(gè)渦輪級(jí)。第一、第二和第三渦輪級(jí)的直徑的比率為4∶5∶6。第一渦輪級(jí)的軸向尺寸為0.375×各自直徑。第二渦輪級(jí)的軸向尺寸為0.35×各自直徑。第三渦輪級(jí)的軸向尺寸為0.33×各自直徑。
選擇制造渦輪級(jí)的材料很重要。在所述系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，采用鋁(Al 354；高強(qiáng)度鑄造合金)；在較大的(120kW)的系統(tǒng)中，采用不銹鋼(E3N)。
所述材料的主要規(guī)格是極限抗拉強(qiáng)度(UTS)與密度的比率高。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，材料密度越大，渦輪機(jī)中的應(yīng)力越高，因此更多的致密材料也需要具有適當(dāng)高些的強(qiáng)度。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，具有葉片的渦輪級(jí)(也稱作渦輪機(jī)葉輪)由工程塑料例如用40％碳纖維填充的聚醚醚酮(PEEK)制成。由于渦輪機(jī)葉輪可通過注塑法制造，這種材料具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。塑料的渦輪機(jī)葉輪利用適當(dāng)固定技術(shù)安裝在例如鋼軸上。各種渦輪材料的特性闡述在表1中。
表1
從表1可以看出，最佳材料(最高的UTS/密度比率)為PEEK 40％CF。兩種其它高性能塑料(Ultern 2400和Valox 865)也包括在表1中，以說明可用塑料的廣度并適于在制造渦輪機(jī)級(jí)的過程中使用?？紤]使用塑料(表1最后三行)對(duì)于可采用的操作溫度(渦輪入口溫度)起作用。鑒于在鋁制渦輪的系統(tǒng)中，這種溫度可達(dá)到200℃，在不銹鋼制的渦輪系統(tǒng)中甚至?xí)?，在采用例如PEEK 40％CF的渦輪機(jī)中僅可達(dá)到150℃。在后者的情況下，整個(gè)系統(tǒng)100的循環(huán)設(shè)計(jì)考慮到了這種操作溫度。
返回圖4，墊圈418被固定連接至渦輪級(jí)404的肩部420上，并具有毗鄰軸承件422的其它表面，下文將詳述該軸承件422，在操作中，工作流體滲透入墊圈418和軸承件422之間的空間中，從而提供潤(rùn)滑。
軸承件422的剖面一般為T型。它包括位于T的頂部上的凸部上的第一軸承面424；在使用中，該表面與電樞部分304附近的軸116上的第二軸承面426相對(duì)地設(shè)置，該第二軸承面426具有基本相同的環(huán)形和尺寸。軸承件422具有中央圓柱形通道428，由此限定軸承件422上的圓柱形第三軸承面430，該第三軸承面與軸116外側(cè)的第四軸承面432相對(duì)地設(shè)置。第五軸承面434的端部位于軸承件422上并與第一軸承面424相對(duì)，該第五軸承面與墊圈418的各表面相對(duì)設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施例中，工作流體滲透過限定軸承件422的相對(duì)軸承面424，430和434的所有空間，由此提供軸承潤(rùn)滑。在一個(gè)實(shí)施例中，工作流體作為液體從泵144(見圖1(a))經(jīng)流體管160被提供，其與主流分離，與軸承件422的外表面連通。
應(yīng)理解，這種形式的軸承提供雙向推力軸承軸承件422具有兩個(gè)軸承面424和434，由此它能夠接收雙向推力。
圖5詳細(xì)示出了圖4的軸承中所用的指示流體流動(dòng)的軸承件422。圖5(a)為第一軸承面424的端視圖。構(gòu)成T頂部的凸緣502，具有兩個(gè)能夠?qū)⑤S承件422擰入或栓接入交流發(fā)電機(jī)120的殼體310中的螺孔504。六個(gè)相同間隔的軸向延伸的第一細(xì)長(zhǎng)凹槽(狹槽)506設(shè)置在第一軸承面424中，從第一軸承面424的徑向內(nèi)末端向第一軸承面424的徑向外末端延伸，從而潤(rùn)滑流體能夠通過。從圖5(b)可以看出，每個(gè)凹槽506不是完全到達(dá)第一軸承面424的外末端508。在圖5(a)的實(shí)施例中，每個(gè)凹槽506具有軸向延伸的第二潤(rùn)滑通道510，該潤(rùn)滑通道延伸至以下將描述的周向凹槽(溝槽)。
在其它實(shí)施例中，每個(gè)凹槽506中可以沒有第二潤(rùn)滑通道510例如，圖5(c)例示了僅兩個(gè)凹槽506中具有第二潤(rùn)滑通道510的情況。
參照?qǐng)D5(d)，周向延伸的凹槽512位于軸承件422的外表面514上?？梢钥闯?，第一潤(rùn)滑通道516(這里，它們中的四個(gè)周向間隔相同)在周向延伸凹槽512與軸承件422內(nèi)側(cè)之間延伸，以允許潤(rùn)滑流體通過。最佳如圖5(e)所示，第二潤(rùn)滑通道510在第一軸承面424與周向凹槽512之間延伸。第二潤(rùn)滑通道510的兩端也在圖(f)中示出。后面的圖還示出了位于第五軸承面434中的多個(gè)(這里為六個(gè))第二細(xì)長(zhǎng)凹槽(狹槽)516。其中兩個(gè)第二細(xì)長(zhǎng)凹槽516具有從該細(xì)長(zhǎng)凹槽向上述周向凹槽512延伸的第二潤(rùn)滑通道。圖5(g)所示為其它方式的凹槽和通道的局部剖視圖。
返回圖5(e)，潤(rùn)滑流體沿著箭頭K的方向進(jìn)入軸承件422。流體沿著箭頭L的方向流向第一軸承面424上的第一細(xì)長(zhǎng)凹槽506，沿著箭頭M的方向流向第五軸承面434上的第二細(xì)長(zhǎng)凹槽516，以及沿著箭頭N的方向(進(jìn)入紙張的方向)流向軸承件的內(nèi)部和第三軸承面430，由此潤(rùn)滑該軸承。
實(shí)例1以下闡述所述系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例(6kW方案)的特定值。所有的壓力都以巴(絕對(duì))為單位。所有的溫度都以℃為單位。工作流體為HFE-7100。
實(shí)例2以下闡述所述系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例(120kW方案)的特定值。所有的壓力都以巴(絕對(duì))為單位。所有的溫度都以℃為單位。工作流體為己烷。
根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)果證明，對(duì)于熱量回收和太陽(yáng)熱工業(yè)的非常有用的熱力學(xué)效率(熱量入、可用電力出)-110℃時(shí)輸入的流體源的效率為10％至270℃時(shí)輸入的流體源的效率為22％。
參照?qǐng)D6，其根據(jù)本發(fā)明的另一方面示出了圖1(a)的渦輪單元和交流發(fā)電機(jī)的另一種(磁性)耦合方式。圖6(a)為所述耦合的軸向剖視圖，其示出了由渦輪軸604和第一磁性件606構(gòu)成的第一旋轉(zhuǎn)件606。而，第一磁性件606包括電樞部608和下文將描述的多個(gè)磁體部610，該電樞部608由鋼或鐵制成并與所述軸一體。
第一旋轉(zhuǎn)件602氣密地密封于殼體612內(nèi)側(cè)，該殼體容納渦輪(未示出)和工作流體并且包括用于容納第一磁性件606的圓柱形部614。至少所述圓柱形部614由非磁性材料例如不銹鋼、尼莫尼克合金或塑料制成。
第二旋轉(zhuǎn)件616包括第二軸618和與其一體形成的一般為圓柱形的第二磁性件620。而該第二磁性件620包括外支撐件622，該外支撐件具有與其內(nèi)部固定相連的多個(gè)第二磁體部624。
最佳如圖6(b)所示，第一旋轉(zhuǎn)件602可具有圍繞其至少圓柱形部分的合成包殼626，從而在高速旋轉(zhuǎn)過程中將第一磁體部610保持固定。包殼可由合成物例如碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)、凱夫拉爾、或玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GRP)制成。
圖6(c)為沿著圖6(a)的A-A的橫剖圖。圖6(c)詳細(xì)示出了第一磁體部610和第二磁體部614在這種情況下，它們各具有四個(gè)部分。磁體部為細(xì)長(zhǎng)的，其剖面類似于圓盤的扇面。磁體部為適當(dāng)材料例如鐵氧體材料、釤鈷或釹鐵硼形成的永磁體。磁體部的北-南方向?yàn)閺较?，如圖6(d)示意性所示。
回到圖6(e)，其示出了一種可選擇的實(shí)施例，其中第一磁性件606′和第二磁性件620′基本都是圓盤形。第一磁性件606′包括第一安裝部628和第一磁體部610′，第二磁性件620′包括第二安裝部630和第二磁體部624′。如以前，殼體的非磁性部614′(類似于614并由上述的非磁性材料制成)將非常接近的圓盤形磁性件606′和620′的面分離。
圖6(f)示意性地示出了第一和第二磁性件606′，620′之一或兩個(gè)的磁體部的磁極的布局。而且如圖6(g)所示，隨著你沿著切向從磁體部走向磁體部，磁體部610′(或624′)的極性面發(fā)生改變。
這些磁體布置允許旋轉(zhuǎn)能和扭矩從渦輪軸604至交流發(fā)電機(jī)的軸618的耦合和傳遞，并適于在相對(duì)高速例如25,000-50,000rpm時(shí)這么做。
圖7提供了基于微型渦輪的系統(tǒng)的各個(gè)視圖，(a)為獨(dú)立的，(b)具有同流換熱器，(c)和(d)分別與(a)和(b)的系統(tǒng)相同，但分別結(jié)合有本發(fā)明的能量回收系統(tǒng)。
參照?qǐng)D7(a)，其示出了微型渦輪系統(tǒng)700。這種系統(tǒng)一般額定為60kW并用于中等至較大建筑物(住宅、商業(yè)、政府等)以從就地燃燒的燃料產(chǎn)生電力。
微型渦輪系統(tǒng)700包括由燃料供給管線704和提供含氧氣體例如空氣的空氣供給管線706供給的燃燒室702。經(jīng)管線704提供的燃料可以是例如天然氣、柴油、或煤油。來自燃燒室702的廢熱氣體經(jīng)廢氣管道708輸送至渦輪710，它們?cè)谠摐u輪中將旋轉(zhuǎn)能傳遞給渦輪軸712。渦輪軸712將發(fā)電機(jī)714(例如包括本領(lǐng)域公知的交流發(fā)電機(jī)，由此產(chǎn)生電能)和壓縮機(jī)716。壓縮機(jī)716經(jīng)入口718獲得空氣，將空氣壓縮并將該升高壓力的空氣經(jīng)空氣供給管線706提供給燃燒室702。
渦輪710的廢氣口720一般將仍然熱的氣體釋放至大氣中，從而浪費(fèi)了熱量；雖然廢氣中的一些熱能可用來為建筑物內(nèi)提供熱量，但在微型渦輪中至少一些熱量在釋放熱氣的過程中會(huì)損失掉。例如，在一些系統(tǒng)中，所產(chǎn)生的電力可以是大約60kW，所產(chǎn)生的熱量可以是大約400kW。所述系統(tǒng)的電效率可通過增加部件來提高。
圖7(b)示出了圖7(a)的微型渦輪系統(tǒng)700的另一種構(gòu)造這里，另外使用了同流換熱器722，渦輪710的出口720處的熱廢氣供給該同流換熱器722。同流換熱器722可以是現(xiàn)有的熱交換器，但可以是為了某種目的而定制設(shè)計(jì)的適當(dāng)熱交換器。這里，空氣供給管線706不與燃燒室702相連但與同流換熱器722相連。因此，在使用中，同流換熱器722將熱量從渦輪710的廢氣中提取出來，將它用來預(yù)熱空氣，該空氣經(jīng)同流換熱的空氣供給管線724傳送至燃燒室702。盡管如此，同流換熱器722經(jīng)同流換熱器出口726仍然釋放仍溫暖的廢氣。
同流換熱器對(duì)所述系統(tǒng)的作用可從表2的頭兩行中看出。
表2
以下將討論第二兩行中的數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，同流換熱器提供的空氣的熱量促使熱利用率提高，所以圖7(b)中的系統(tǒng)的電效率增加(26％對(duì)16％)。但是，缺點(diǎn)在于，廢氣的熱中仍含有許多能量，電效率也沒有被優(yōu)化。而且，同流換熱器昂貴且不可靠，如果它們?cè)诓僮鬟^程中失敗，它們將使整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖7(c)和(d)分別示出了與(a)和(b)相同的系統(tǒng)，它們分別結(jié)合有本發(fā)明的能量回收系統(tǒng)(ERS)100。該能量回收系統(tǒng)100同樣適于和上文的圖1(a)所述的系統(tǒng)，所以這里不再詳述。
在7(c)的配置中，渦輪710的渦輪廢氣口720經(jīng)管線728與中間熱交換器730相連，該中間熱交換器又具有中間熱交換器廢氣口732，在使用中，該廢氣口732釋放的廢氣溫度低于渦輪廢氣口720處的廢氣。在操作中，傳熱油(例如，BP Tanscal N)在能量回收系統(tǒng)100的中間熱交換器730與主熱交換器(或鍋爐)102之間經(jīng)管線734和736循環(huán)。傳熱油中的熱被傳遞給主熱交換器中的工作流體，由此提供熱源，電能如上文參照?qǐng)D1等所述地來源于該熱源。
在圖7(d)的配置中，是同流換熱器出口726連接中間熱交換器730，這樣在中間熱交換器730中可被傳遞的熱量小于前面所述的配置。然而，它們的操作相同。
使用這種中間熱交換器730的有利效果包括將(蘭金循環(huán))能量回收系統(tǒng)與潛在的非常高的廢氣溫度分離，能夠更佳地控制該系統(tǒng)，以及允許渦輪700在沒有(也即，獨(dú)立于)能量回收系統(tǒng)100的情況下操作。
當(dāng)考慮了特定實(shí)例(見表2的第三和第三行)時(shí)，更多的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)顯而易見，在這種情況下，微型渦輪為60kW。
1.所述系統(tǒng)的總的電效率基本增加在圖7(c)的系統(tǒng)中，電效率幾乎增加至圖7(b)的同流換熱系統(tǒng)的水平。在同流換熱系統(tǒng)(圖7(d))中，電效率增加至差不多35％，對(duì)這種尺寸的單元來說很高。
2.總的電輸出增加。未經(jīng)同流換熱的渦輪(圖7(c))現(xiàn)在提供92.5kW，并且經(jīng)同流換熱的微型渦輪(圖7(d))提供74.5kW。
如圖所示，和圖7(b)的系統(tǒng)中的同流換熱器722不同，使用能量回收系統(tǒng)100的其它優(yōu)點(diǎn)在于，如果在操作過程中失敗或不得不停止，微型渦輪系統(tǒng)700不受影響并且繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不用考慮能量回收系統(tǒng)100的狀態(tài)。所述系統(tǒng)的唯一缺點(diǎn)是，廢氣中得可用熱(表2第5列)現(xiàn)在要低得多廢氣被排出時(shí)處于約50℃，由于太低而不能太多地使用。然而，目的是為了提取更多的有用電力。
圖8中(a)示出了基于IC發(fā)動(dòng)機(jī)的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，(b)中的系統(tǒng)與(a)相同，但結(jié)合有本發(fā)明另一方面的能量回收系統(tǒng)。參照?qǐng)D8(a)，能量產(chǎn)生系統(tǒng)，一般表示為800，包括具有燃料供給管線804和空氣供給管線806的往復(fù)式IC發(fā)電機(jī)802。通過冷卻水入口808和出口810來促進(jìn)IC發(fā)動(dòng)機(jī)802冷卻從而在操作過程中降低發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度。IC發(fā)動(dòng)機(jī)，采用公知的技術(shù)，借助適當(dāng)?shù)凝X輪、聯(lián)軸器等和軸812給發(fā)電機(jī)814例如交流發(fā)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)。在所述系統(tǒng)中，眾所周知，廢熱氣在IC發(fā)動(dòng)機(jī)802的廢氣沖程中經(jīng)廢氣口816排出這些廢熱氣給用于將熱量和功率應(yīng)用相結(jié)合的熱交換器或鍋爐818供應(yīng)廢氣。
返回圖8(b)，其示出了與圖1(a)能量回收系統(tǒng)相結(jié)合的圖8(a)系統(tǒng)。這里，鍋爐818由中間熱交換器730(見圖7(c))取代，該中間熱交換器通過管線734和736所提供的傳熱油路將熱量傳遞給能量回收系統(tǒng)100。
在圖8(b)的系統(tǒng)中，從出口810輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水也可用于加熱，在該系統(tǒng)中這不受利用能量回收系統(tǒng)100的影響。
如同圖7(c)和(d)的系統(tǒng)一樣，能量回收系統(tǒng)的存在增加了電功率輸出并提高了電效率。表3例示了典型的90kW的往復(fù)式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)果。
表3
圖9示出了基于火炬煙囪的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其結(jié)合有本發(fā)明另一方面的能量回收系統(tǒng)100?；鹁鏌焽枋窃诶盥竦攸c(diǎn)、油田、以及其它地點(diǎn)所用的塔狀結(jié)構(gòu)，其中所述的其它地點(diǎn)具有過剩物、或廢品，含有燃燒氣體的氣源。
在垃圾填埋地點(diǎn)，填埋氣體聚集且必須處理，它通常非常污染。填埋氣體主要為具有許多雜質(zhì)的甲烷。表4中表示了其中一個(gè)典型地點(diǎn)的組分。然而，據(jù)了解，其它地點(diǎn)超過50％甲烷；成分的類型和數(shù)量的變化取決于填埋的廢物類型。
表4
返回圖9，可以看出，火炬煙囪900包括基底級(jí)902，空氣由送風(fēng)機(jī)904吹入該基底級(jí)902。燃燒級(jí)904直接位于基底級(jí)上方，填埋氣體經(jīng)入口906被傳入(包括通過泵送)該燃燒級(jí)?；旌掀麟A段908位于燃燒級(jí)904上方，填埋氣體在該混合器階段與空氣供源混合，該空氣供源是經(jīng)空氣入口910進(jìn)入混合器階段908的。
如同圖7和8的實(shí)施例一樣，設(shè)置中間熱交換器730，這時(shí)它作為煙囪900的上部階段。再次，采用在管線734和736中循環(huán)的傳熱油，中間熱交換器730因此為上述的圖1(a)中能量回收系統(tǒng)100的主熱交換器102提供熱源。
在火炬煙囪中，典型的熱輸出處于大約5MW的范圍中。借助中間傳熱油路采用能量回收系統(tǒng)100，可從煙囪的廢氣中回收熱量。能量回收系統(tǒng)100產(chǎn)生的電輸出可被輸出至柵極?？蛇x擇地或附加地，能量回收系統(tǒng)100與送風(fēng)機(jī)904電耦合以將其電發(fā)動(dòng)。將增加的空氣吹入煙囪900(處于基底級(jí)902)的作用是通過降低燃燒溫度來降低煙囪本身的排放；氧化氮排放可因此降低。此外，煙囪900中的停留時(shí)間由于附加了熱交換器730而增加，這給了更多的時(shí)間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，由此也減少了來自煙囪的有害排放。
數(shù)據(jù)表明，在一些國(guó)家可采用這些技術(shù)的火炬煙囪的數(shù)目為幾百個(gè)，而在其它國(guó)家約為幾千個(gè)。還可設(shè)想一種輸出總計(jì)1MW的煙囪，使用上述系統(tǒng)可回收約200-250kW的電能。當(dāng)許多煙囪處于遙遠(yuǎn)的、農(nóng)村地區(qū)(填埋場(chǎng)、油田)時(shí)這也特別有用，并且這對(duì)于就地產(chǎn)生盡可能多的電能特別理想。
權(quán)利要求
1.一種用于從熱源提取電能的能量回收系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有循環(huán)的工作流體，并包括第一熱交換器，用于接收流體源和接收所述工作流體，該流體源結(jié)合有熱源的至少部分熱量，由此熱量被從流體源傳遞給工作流體；膨脹單元，其被設(shè)置成接收從第一熱交換器輸出的工作流體，由此將機(jī)械能傳遞給膨脹單元；機(jī)電轉(zhuǎn)換單元，其與膨脹單元耦合，用于將所述機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能；冷卻系統(tǒng)，其與膨脹單元耦合并與第一熱交換器耦合，用于接收來自膨脹單元的工作流體，將流體冷卻，并將流體提供給第一熱交換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，第一熱交換器適于接收處于第一溫度的結(jié)合有熱量的流體源，并輸出處于第二溫度的所述廢流體，以及用于接收處于第三溫度的所述工作流體并輸出處于第四溫度的工作流體，所述第四溫度高于所述第三溫度以及高于工作流體的沸點(diǎn)；膨脹單元包括渦輪單元，該渦輪單元被設(shè)置成接收從第一熱交換器輸出的處于第一壓力的工作流體并輸出處于第二壓力的工作流體，所述第二壓力低于第一壓力，渦輪單元由此將旋轉(zhuǎn)能傳遞給安裝在該渦輪單元內(nèi)的渦輪軸；和機(jī)電轉(zhuǎn)換單元與渦輪軸相連，用于將所述旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化成電能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于，冷卻系統(tǒng)包括第二熱交換器，該第二熱交換器與渦輪單元耦合并與第一熱交換器耦合，用于將接收來自渦輪單元的處于第五溫度的工作流體的第一供源并輸出處于第六溫度的來自所述的第一供源的工作流體，所述第六溫度低于所述第五溫度；其中，第二熱交換器還適于接收處于第七溫度的液態(tài)形式的工作流體的第二供源并在所述第三溫度將來自流體的第二供源的工作流體輸出至所述第一熱交換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于，冷卻系統(tǒng)還包括冷凝單元，該冷凝單元與第二熱交換器耦合并適于接收冷卻流體供源，用于接收處于所述第六溫度的由第二熱交換器輸出的工作流體并輸出處于所述第七溫度的液態(tài)形式的工作流體，所述第七溫度低于所述第六溫度并低于工作流體的沸點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其特征在于，冷卻系統(tǒng)包括泵，該泵與冷卻系統(tǒng)耦合，用于接收處于所述第七溫度的工作流體并將所述工作流體泵送至所述第二熱交換器，由此將所述工作流體的第二供源提供給第二熱交換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一溫度約110-225℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二溫度約80-140℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一溫度約180℃，所述第二溫度約123℃。
9.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一壓力約10-30絕對(duì)巴。
10.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二壓力約0.5-2絕對(duì)巴。
11.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于，渦輪軸安裝在所述渦輪單元內(nèi)的軸承上，所述工作流體滲透入所述渦輪單元，由此提供所述軸承的潤(rùn)滑。
12.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于，工作流體包括選自烷烴的單一組分流體。
13.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于，工作流體包括沸點(diǎn)約30-110℃的流體。
14.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于，機(jī)電轉(zhuǎn)換單元包括適于輸出電流的交流發(fā)電機(jī)。
15.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于，機(jī)電轉(zhuǎn)換單元包括電調(diào)節(jié)單元，該電調(diào)節(jié)單元與所述交流發(fā)電機(jī)耦合，用于改變從交流發(fā)電機(jī)得到的電流的頻率并輸出處于電源頻率的電流。
16.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于，膨脹單元包括渦輪單元，該渦輪單元具有軸和安裝于該軸上的至少一個(gè)渦輪級(jí)，該渦輪級(jí)或每個(gè)渦輪級(jí)具有一組葉片。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個(gè)渦輪級(jí)由鋁或鋼制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個(gè)渦輪級(jí)由塑料材料制成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其特征在于，所述塑料材料為(a)含有碳纖維的聚醚醚酮(PEEK)，例如具有40％碳纖維的PEEK，(b)Ultern 2400，或(c)Valox 865。
20.一種基本如上文參照附圖所述的能量回收系統(tǒng)。
21.將HFE-7100或己烷或水用作于前面任一權(quán)利要求的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的工作流體和/或潤(rùn)滑流體。
22.將烷烴中的一種用作任一隨附權(quán)利要求的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的工作流體和/或潤(rùn)滑流體。
23.一種電能產(chǎn)生系統(tǒng)，包括微型渦輪系統(tǒng)，該微型渦輪系統(tǒng)包括燃燒單元，其與燃料源相連，用于燃燒所述燃料并輸出第一廢流體，渦輪，其被連接成用于接收所述第一廢流體，由此在使用中將旋轉(zhuǎn)能傳遞給渦輪的渦輪軸，該渦輪適于輸出第二廢流體，中間傳熱單元，其被耦合成用于接收所述第二廢流體并適于把來自該第二廢流體的熱量傳遞給中間傳熱流體并在所述熱量傳遞之后輸出該中間傳熱流體，和根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)的能量回收系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有所述第一熱交換器，該第一熱交換器被耦合成用于接收所述中間傳熱流體，該中間傳熱流體包括有所述熱源。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的電能產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，微型渦輪系統(tǒng)還包括壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)與渦輪和燃燒單元耦合，并在使用中由渦輪軸驅(qū)動(dòng)，該壓縮機(jī)接收含氧流體供源并在使用中將壓縮狀態(tài)的所述含氧流體提供給燃燒單元。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或24的電能產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，微型渦輪系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)與渦輪耦合并且在使用中由渦輪軸驅(qū)動(dòng)，該發(fā)電機(jī)適于輸出電能。
26.根據(jù)權(quán)利要求23-25中任一項(xiàng)的電能產(chǎn)生系統(tǒng)，還包括設(shè)置在渦輪和中間傳熱單元之間的同流換熱器，該同流換熱器被耦合成用于接收所述第二廢流體并將第三廢流體輸出至中間傳熱單元，該同流換熱器還適于接收來自例如壓縮機(jī)的含氧流體供源，以及在傳遞自所述第二廢流體到其的熱量之后將所述含氧流體傳送給壓縮機(jī)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的電能產(chǎn)生系統(tǒng)，同流換熱器包括熱交換器。
28.一種電能產(chǎn)生系統(tǒng)，包括內(nèi)燃系統(tǒng)，該內(nèi)燃系統(tǒng)包括與燃料源連接的內(nèi)燃機(jī)，用于燃燒所述燃料并輸出發(fā)動(dòng)機(jī)廢流體，該內(nèi)燃機(jī)被設(shè)置成在使用中將旋轉(zhuǎn)能傳遞給驅(qū)動(dòng)軸，中間傳熱單元，其被耦合成用于接收所述發(fā)動(dòng)機(jī)廢流體并適于將來自發(fā)動(dòng)機(jī)廢流體的熱量傳遞給中間傳熱流體并將在所述的熱量傳遞之后輸出該中間傳熱流體，和根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)的能量回收系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有所述的被耦合成用于接收所述中間傳熱流體的第一熱交換器，該中間傳熱流體包含有所述熱源。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的電能產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，內(nèi)燃系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)耦合并且在使用中由驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，以及該發(fā)電機(jī)適于輸出電能。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29的電能產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，內(nèi)燃機(jī)與燃料供源相連并與含氧流體供源相連。
31.一種電能產(chǎn)生系統(tǒng)，包括廢氣處理煙囪，其包括基底級(jí)，該基底級(jí)包括用于將含氧氣體吹入廢氣處理煙囪的送風(fēng)機(jī)，燃燒級(jí)，其鄰接基底級(jí)并與廢氣源相連，廢氣是易燃?xì)怏w或包含易燃?xì)怏w，在使用中該燃燒級(jí)適于燃燒所述含氧氣體中的所述廢氣，混合器級(jí)，其鄰接所述燃燒級(jí)并適于產(chǎn)生混合氣體，該混合氣體包括混合有所述燃燒級(jí)產(chǎn)生的燃燒廢氣的空氣，中間傳熱單元，其被耦合成用于接收所述混合氣體并適于將來自混合氣體的熱量傳遞給中間傳熱流體并在所述熱量傳遞之后輸出該中間傳熱流體，和根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)的能量回收系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有所述的被耦合成用于接收所述中間傳熱流體的第一熱交換器，該中間傳熱流體包含有所述熱源。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的電能產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，送風(fēng)機(jī)包括電激勵(lì)送風(fēng)機(jī)，該送風(fēng)機(jī)與機(jī)電轉(zhuǎn)換單元電耦合，在使用中至少部分由能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)產(chǎn)生的電能激勵(lì)該送風(fēng)機(jī)。
33.根據(jù)權(quán)利要求23-32中任一項(xiàng)的電能產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，中間傳熱單元包括熱交換器，和/或包含傳熱油的中間傳熱流體。
34.一種徑流式渦輪單元，包括殼體，其具有用于接收處于第一壓力的流體的入口；安裝在殼體內(nèi)的軸承上的軸，其具有旋轉(zhuǎn)軸線；設(shè)置在所述軸上的渦輪，該渦輪包括第一渦輪級(jí)，包括安裝所述軸上的第一組葉片，由入口接收的所述流體徑向入射至所述第一組葉片上并以第三壓力沿著第一預(yù)定方向離開第一渦輪級(jí)，第二渦輪級(jí)，包括安裝在所述軸上的第二組葉片，用于將離開第一渦輪級(jí)的流體傳送至第二渦輪級(jí)的管道，由第二渦輪級(jí)接收的所述流體徑向入射在所述第二組葉片上并以第二壓力沿著第二預(yù)定方向離開所述第二渦輪級(jí)，其中，所述流體在所述第一和第二渦輪級(jí)將旋轉(zhuǎn)能傳遞給所述軸。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的渦輪單元，其特征在于，第一壓力高于第三壓力，而第三壓力高于第二壓力。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或35的渦輪單元，其特征在于，第一壓力約為第二壓力的2-10倍。
37.根據(jù)權(quán)利要求34-35中任一項(xiàng)的渦輪單元，其特征在于，第三壓力約為第二壓力的3-4倍。
38.根據(jù)權(quán)利要求34-37中任一項(xiàng)的渦輪單元，其特征在于，所述第二渦輪級(jí)的徑向尺寸大于第一渦輪級(jí)的徑向尺寸。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的渦輪單元，其特征在于，第二渦輪級(jí)的徑向尺寸約為第一渦輪級(jí)的徑向尺寸的1.25倍。
40.根據(jù)權(quán)利要求34-39中任一項(xiàng)的渦輪單元，其特征在于，所述第一渦輪級(jí)的軸向尺寸約為第一渦輪級(jí)的徑向尺寸的0.3-0.375倍。
41.根據(jù)權(quán)利要求34-40中任一項(xiàng)的渦輪單元，其特征在于，所述第二渦輪級(jí)的軸向尺寸約為第二渦輪級(jí)的徑向尺寸的0.35-0.4倍。
42.根據(jù)權(quán)利要求34-41中任一項(xiàng)的渦輪單元，還包括第三渦輪級(jí)，其包括安裝在所述軸上的第三組葉片，用于將離開第二渦輪級(jí)的流體傳輸至第三渦輪級(jí)的管道，由第三渦輪級(jí)接收的所述流體徑向入射在所述第三組葉片上并以第四壓力沿著第三預(yù)定方向離開第三渦輪級(jí)，其中，所述流體在所述第一、第二和第三渦輪級(jí)將旋轉(zhuǎn)能傳遞給所述軸。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的渦輪單元，其特征在于，所述第三渦輪級(jí)的軸向尺寸約為第三渦輪級(jí)的徑向尺寸的1/3倍。
44.根據(jù)權(quán)利要求34-43中任一項(xiàng)的渦輪單元，其特征在于，所述第一、第二和/或第三預(yù)定方向一般為軸向。
45.根據(jù)權(quán)利要求34-44中任一項(xiàng)的渦輪單元，其特征在于，所述流體為氣體。
46.根據(jù)權(quán)利要求34-45中任一項(xiàng)的渦輪單元，其特征在于，所述流體為HFE-7100或己烷或水。
47.根據(jù)權(quán)利要求34-45中任一項(xiàng)的渦輪單元，其特征在于，所述流體為烷烴中的一種。
48.根據(jù)權(quán)利要求34-47中任一項(xiàng)的渦輪單元，其特征在于，所述流體滲透入殼體，由此提供軸承潤(rùn)滑。
49.基本如上文參照附圖所描述的渦輪單元。
50.一種用于從廢熱源提取能量的廢能回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，包括熱交換器、機(jī)電轉(zhuǎn)換單元、冷卻系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求34-49中任一項(xiàng)的渦輪單元，在使用中，熱交換器將工作流體提供給所述渦輪單元。
51.一種軸承，用于支撐可圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)的軸并至少局部設(shè)置在一殼體內(nèi)，該軸承包括軸承件，其固定地連接于殼體上并具有第一軸承面；位于所述軸上的相對(duì)的第二軸承面，所述第一和第二軸承面一般橫向于所述軸線延伸；以及圓柱形內(nèi)部通道，其限定第三軸承面，該第三軸承面一般平行于所述軸線延伸并與第四軸承面相對(duì)地設(shè)置在所述軸上，軸承件包括管道，該管道適于將潤(rùn)滑流體傳輸給至少第三和第四軸承面之間的空間內(nèi)。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的軸承，其特征在于，軸承件的剖面一般為T型。
53.根據(jù)權(quán)利要求51或52的軸承，其特征在于，軸承件在其與第一軸承面相對(duì)的端部上具有一般橫向于所述軸線延伸的第五軸承面。
54.根據(jù)權(quán)利要求52的軸承，其特征在于，軸承件上的第一軸承面由凸圓面限定，該凸圓面位于在軸承件的徑向內(nèi)末端與徑向外末端之間局部延伸的‘T’的頂部上。
55.根據(jù)權(quán)利要求53的軸承，其特征在于，多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的第一凹槽徑向延伸地設(shè)置在第一軸承面上，由此促進(jìn)潤(rùn)滑流體流向與該第一軸承面相對(duì)的空間。
56.根據(jù)權(quán)利要求55的軸承，其特征在于，第一凹槽在第一軸承面的徑向內(nèi)末端與徑向外末端之間局部地延伸。
57.根據(jù)權(quán)利要求53-56中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于，多個(gè)細(xì)長(zhǎng)第二凹槽徑向延伸地設(shè)置在第五軸承面上，由此促進(jìn)潤(rùn)滑流體流向與第四軸承面相對(duì)的空間內(nèi)。
58.根據(jù)權(quán)利要求57的軸承，其特征在于，第二凹槽在第五軸承面的徑向內(nèi)末端與徑向外末端之間局部地延伸。
59.根據(jù)權(quán)利要求52-58中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于，在‘T’型軸承件的細(xì)長(zhǎng)部的相對(duì)端之間的一個(gè)位置處，周向凹槽被限定在軸承件的徑向外末端處的表面上。
60.根據(jù)權(quán)利要求59的軸承，其特征在于，多個(gè)第一潤(rùn)滑通道徑向延伸地設(shè)置在軸承件的周向凹槽與徑向內(nèi)末端之間，由此允許軸承件的外部與內(nèi)圓柱通道之間的潤(rùn)滑流體流動(dòng)。
61.根據(jù)權(quán)利要求58-60中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于，軸承件包括多個(gè)第二潤(rùn)滑通道，每個(gè)通道在第一軸承面上的第一細(xì)長(zhǎng)凹槽與第五軸承面上的各自相對(duì)的第二細(xì)長(zhǎng)凹槽之間軸向延伸。
62.根據(jù)權(quán)利要求51-61中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于，第一和/或第二細(xì)長(zhǎng)凹槽的數(shù)目為2至8之間，優(yōu)選為6。
63.根據(jù)權(quán)利要求51-62中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于，第二潤(rùn)滑通道的數(shù)目為2至8之間。
64.根據(jù)權(quán)利要求51-63中任一項(xiàng)的軸承，還包括墊圈，其中，在使用中，墊圈的一個(gè)表面鄰接軸承件的第五軸承面，墊圈的另一表面適于鄰接驅(qū)動(dòng)元件例如渦輪的相應(yīng)表面。
65.基本如上文參照附圖描述的軸承。
66.一種用于從廢熱源提取能量的能量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，包括熱交換器、機(jī)電轉(zhuǎn)換單元、冷卻系統(tǒng)和渦輪單元，熱交換器在使用中將工作流體作為氣體提供給所述渦輪單元，其中渦輪單元通過一軸機(jī)械耦合到該機(jī)電轉(zhuǎn)換單元上，該軸由根據(jù)權(quán)利要求51-65中任一項(xiàng)所述的軸承支撐。
67.根據(jù)權(quán)利要求66的系統(tǒng)，還包括從冷卻系統(tǒng)至軸承的第二工作流體供給管線，由此工作流體被提供給軸承件的外部，從而提供用于所述軸承的潤(rùn)滑流體。
68.根據(jù)權(quán)利要求67的系統(tǒng)，其特征在于，工作流體作為液體被提供給軸承。
69.一種旋轉(zhuǎn)的磁耦合裝置，包括第一旋轉(zhuǎn)件，包括第一軸，該第一軸具有設(shè)置在其上的第一磁性件，所述第一軸在使用中由旋轉(zhuǎn)能源驅(qū)動(dòng)，第二旋轉(zhuǎn)件，包括第二軸，該第二軸具有設(shè)置在其上的第二磁性件，所述第二旋轉(zhuǎn)件在使用中通過第一和第二磁性件的耦合接收來自第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)能，其中，所述第一和第二磁性件之一，或者二者包括多個(gè)磁體部，該磁體部相對(duì)于所述第一和第二軸的軸線設(shè)置在不同的角位置上。
70.根據(jù)權(quán)利要求69的磁耦合裝置，其特征在于，第一旋轉(zhuǎn)件設(shè)置在氣密密封的殼體內(nèi)，一部分殼體位于第一旋轉(zhuǎn)件和第二旋轉(zhuǎn)件之間并由非磁性材料制成。
71.根據(jù)權(quán)利要求70的磁耦合裝置，其特征在于，非磁性材料包括不銹鋼、尼莫尼克合金、或塑料。
72.根據(jù)權(quán)利要求69或70的磁耦合裝置，其特征在于，第一磁性件包括與第一軸一體形成的一般為圓柱形的內(nèi)電樞部，和固定連接至該電樞部的外部的多個(gè)第一磁體部。
73.根據(jù)權(quán)利要求69-72中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，第二磁性件包括與第二軸一體形成的一般為圓柱形的外支撐部，和固定連接至該支撐部的內(nèi)部的多個(gè)第二磁體部。
74.根據(jù)權(quán)利要求69-73中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，第一磁性件還包括設(shè)置在第一磁體部的外部的包殼，用于在第一軸的高速旋轉(zhuǎn)過程中將所述的第一磁體部保持在位置上。
75.根據(jù)權(quán)利要求73-74中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，包殼由合成材料例如CFRF、Kevlar或GRP制成。
76.根據(jù)權(quán)利要求70-75中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，第一磁性件設(shè)置在第二磁性件內(nèi)部并通過所述一部分殼體與該第二磁性件分離。
77.根據(jù)權(quán)利要求69-76中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，磁體部包括偶極磁體，每個(gè)磁體在N-S方向上徑向延伸。
78.根據(jù)權(quán)利要求69-72中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，第一磁性件一般為圓盤形并包括第一安裝部，多個(gè)第一磁體部固定安裝于該第一安裝部中，該第一磁體部由此形成圓盤形。
79.根據(jù)權(quán)利要求78的磁耦合裝置，其特征在于，第二磁性件一般為圓盤形并包括第二安裝部，多個(gè)第二磁體部固定安裝于該第二安裝部中，該第二磁體部由此形成圓盤形。
80.根據(jù)權(quán)利要求69-79中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，第一和第二磁體部構(gòu)成圓盤的扇區(qū)。
81.根據(jù)權(quán)利要求78-80中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，第一和第二磁體部包括偶極磁體，每個(gè)磁體在N-S方向上軸向延伸。
82.根據(jù)權(quán)利要求78-81中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，所述第一圓盤形磁性件與第二圓盤形磁性件軸向?qū)R地相鄰設(shè)置，并通過所述一部分殼體分離。
83.根據(jù)權(quán)利要求69-82中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，所述第一磁性件和/或所述第二磁性件的磁體部的數(shù)目為偶數(shù)2或更大的偶數(shù)。
84.根據(jù)權(quán)利要求69-83中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，所述第一磁性件和/或所述第二磁性件的磁體部的數(shù)目為4。
85.根據(jù)權(quán)利要求69-84中任一項(xiàng)的磁耦合裝置，其特征在于，所述磁體部由鐵氧體材料、釤鈷或釹鐵硼制成。
86.基本如上文參照附圖所描述的磁耦合裝置。
87.一種用于從廢熱源提取能量的廢能回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，包括熱交換器、機(jī)電轉(zhuǎn)換單元、冷卻系統(tǒng)和渦輪單元，該渦輪被氣密地密封并通過權(quán)利要求69-86中任一項(xiàng)的磁耦合裝置而與機(jī)電轉(zhuǎn)換單元耦合。
88.一種在能量回收系統(tǒng)中實(shí)施從廢熱源提取能量的方法，該系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，包括熱交換器、具有交流發(fā)電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換單元、冷卻系統(tǒng)、渦輪單元、和與機(jī)電轉(zhuǎn)換單元耦合并適于改變從交流發(fā)電機(jī)獲得的電壓的控制系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟(a)將電壓增加一個(gè)電壓階躍；(b)測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率；(c)如果步驟(b)中所測(cè)得的輸出功率小于或等于先前的輸出功率，(i)將電壓降低一個(gè)電壓階躍(ii)重復(fù)下述步驟(1)將電壓降低一個(gè)電壓階躍(2)測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率；只要步驟(c)(ii)(2)中所測(cè)得的輸出功率大于先前測(cè)得的輸出功率，如果步驟(b)中所測(cè)得的輸出功率大于先前的輸出功率，重復(fù)以下步驟(iii)將電壓增加一個(gè)電壓階躍(iv)測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率只要步驟(c)(iv)中所測(cè)得的輸出功率大于先前測(cè)得的輸出功率。
89.根據(jù)權(quán)利要求88的方法，其特征在于，將電壓增加一個(gè)電壓階躍的每個(gè)步驟由將電壓降低一個(gè)電壓階躍的步驟來替換，反之亦然。
90.根據(jù)權(quán)利要求88或89的方法，其特征在于，電壓階躍約為平均電壓的1％-2.5％。
91.根據(jù)權(quán)利要求88，89或90的方法，其特征在于，步驟(a)約每2秒執(zhí)行一次。
92.根據(jù)權(quán)利要求88-91中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率的步驟包括測(cè)量從交流發(fā)電機(jī)的輸出獲得的輸出電壓V，測(cè)量從交流發(fā)電機(jī)的輸出獲得的輸出電流I，以及計(jì)算輸出功率＝V*I。
93.根據(jù)權(quán)利要求88-91中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，測(cè)量交流發(fā)電機(jī)的輸出功率的步驟包括用獨(dú)立功率測(cè)量裝置來測(cè)量輸出功率。
94.根據(jù)權(quán)利要求88-93中任一項(xiàng)的方法，還包括將交流發(fā)電機(jī)的電壓從第一頻率轉(zhuǎn)變成第二頻率。
95.根據(jù)權(quán)利要求94的方法，其特征在于，第一頻率高于第二頻率，第二頻率大約為電源頻率。
96.根據(jù)權(quán)利要求94或95的方法，所述的轉(zhuǎn)變電壓的步驟包括利用校正電路來校正交流發(fā)電機(jī)輸出的電壓，由此獲得直流電壓，和利用功率調(diào)節(jié)單元從所述直流電壓產(chǎn)生交流電壓。
97.根據(jù)權(quán)利要求88-96中任一項(xiàng)的方法，還包括存儲(chǔ)輸出功率的最后測(cè)量值。
98.基本如上文參照附圖所述的用于控制能量回收系統(tǒng)的方法。
99.一種可編程的控制系統(tǒng)，其被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)成用于實(shí)施權(quán)利要求88-98中的任一方法，所述系統(tǒng)包括處理器、存儲(chǔ)器、與機(jī)電轉(zhuǎn)換單元耦合的界面、以及用戶界面。
100.根據(jù)權(quán)利要求99的控制系統(tǒng)，包括用于改變交流電壓的頻率的頻率轉(zhuǎn)換裝置。
101.一種用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作流體凈化系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉系統(tǒng)，并包括膨脹裝置例如渦輪機(jī)，工作流體沿著穿過該封閉系統(tǒng)的路徑循環(huán)，所述工作流體凈化系統(tǒng)包括膨脹槽；位于膨脹槽內(nèi)的隔膜，由此限定一可變?nèi)莘e，該可變?nèi)莘e連接成用于接收所述工作流體；以及設(shè)置在所述路徑和膨脹槽之間的控制閥，該控制閥適于控制流體流向所述可變?nèi)莘e和/或從所述可變?nèi)莘e流出；其中，控制閥經(jīng)管道與所述路徑中的接點(diǎn)相連，所述接點(diǎn)處于所述路徑中的最高點(diǎn)。
102.根據(jù)權(quán)利要求101的系統(tǒng)，其特征在于，控制閥安裝在比所述接點(diǎn)高的點(diǎn)處。
103.根據(jù)權(quán)利要求101或102的系統(tǒng)，其特征在于，膨脹槽安裝在比所述控制閥高的點(diǎn)處。
104.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的系統(tǒng)，還包括控制器，該控制器適于打開和關(guān)閉所述控制閥。
105.根據(jù)權(quán)利要求104的系統(tǒng)，其特征在于，控制器被構(gòu)造成執(zhí)行凈化循環(huán)，所述凈化循環(huán)包括將控制閥打開第一預(yù)定時(shí)段，和將控制閥關(guān)閉第二預(yù)定時(shí)段。
106.根據(jù)權(quán)利要求105的系統(tǒng)，其特征在于，控制器被構(gòu)造成在接通所述系統(tǒng)之后在啟動(dòng)程序的預(yù)定持續(xù)時(shí)間內(nèi)執(zhí)行多個(gè)所述凈化循環(huán)。
107.根據(jù)權(quán)利要求106的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)凈化循環(huán)包括約3-5個(gè)凈化循環(huán)。
108.根據(jù)權(quán)利要求105-107的系統(tǒng)，其特征在于，第一預(yù)定時(shí)段約為1分鐘，第二預(yù)定時(shí)段約為10分鐘。
109.根據(jù)權(quán)利要求101-108中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括與控制器耦合的壓力傳感器；其中，控制器被構(gòu)造成當(dāng)傳感器指示的壓力在預(yù)定水平之上時(shí)執(zhí)行至少一個(gè)凈化循環(huán)。
110.一種基本如上文參照附圖所描述的工作流體凈化系統(tǒng)。
111.一種用于從熱源提取電能的能量回收系統(tǒng)，包括權(quán)利要求101-110中任一項(xiàng)的工作流體凈化系統(tǒng)，渦輪，熱交換器，機(jī)電轉(zhuǎn)換單元，和冷卻系統(tǒng)，該熱交換器在使用中將工作流體提供給所述渦輪。
全文摘要
一種用于從廢熱源(例如來自小型工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、汽車內(nèi)燃機(jī)等的廢熱流體)提取能量的能量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)是具有循環(huán)的工作流體的封閉的蘭金(Rankine)循環(huán)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括第一熱交換器，用于接收處于第一溫度的結(jié)合有廢熱的流體源并輸出處于第二溫度的所述廢流體，以及用于接收處于第三溫度的所述工作流體并輸出處于第四溫度的工作流體，所述第四溫度高于所述第三溫度并且高于工作流體的沸點(diǎn)；渦輪單元，其被設(shè)置成接收從第一熱交換器輸出的處于第一壓力的工作流體并輸出處于第二壓力的工作流體，所述第二壓力低于所述第一壓力，由此渦輪單元將旋轉(zhuǎn)能傳遞給安裝在該渦輪單元內(nèi)的渦輪軸；機(jī)電轉(zhuǎn)換單元(包括交流發(fā)電機(jī))，其與渦輪軸耦合，用于將所述旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化成電能；與渦輪單元以及第一熱交換器耦合的冷卻系統(tǒng)，用于接收來自渦輪單元的處于第五溫度的工作流體，將該流體冷卻，并在第三溫度將該流體提供給第一熱交換器。本發(fā)明還公開了用于控制交流發(fā)電機(jī)的輸出功率的技術(shù)。同時(shí)公開了特定的渦輪、軸承、轉(zhuǎn)矩耦合、功率控制以及工作流體凈化技術(shù)。
文檔編號(hào)F02C6/18GK1860287SQ200480028338
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月27日
發(fā)明者R·J·比德爾, M·西姆科克, J·馬圭爾 申請(qǐng)人:Ttl動(dòng)力學(xué)有限公司, 自由動(dòng)力有限公司