具有润滑回路的有机朗肯循环系统 |
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| 申请号 | CN201480017891.X | 申请日 | 2014-01-28 | 公开(公告)号 | CN105074140A | 公开(公告)日 | 2015-11-18 |
| 申请人 | 伊顿公司; | 发明人 | W·N·埃博根; M·D·普赖尔; S·S·帕蒂尔; L·M·帕蒂尔; | ||||
| 摘要 | 公开了一种包括 朗肯循环 工作回路和润滑回路的朗肯循环系统。朗肯循环工作回路包括循环通 过冷 凝区、加热区和机械 能量 提取区的朗肯循环 工作 流体 。机械能提取区包括机械膨胀器。润滑回路润滑机械膨胀器。润滑回路和朗肯循环工作回路包括具有来自朗肯循环工作回路的朗肯循环工作流体和来自润滑回路的 润滑剂 的混合物的共享段。分离器接收来自共享段的朗肯循环工作流体和润滑剂的混合物并且将朗肯循环工作流体与润滑剂分离。分离的朗肯循环工作流体从分离器沿朗肯循环工作回路被引导到加热区，并且分离的润滑剂从分离器沿润滑回路被引导到机械膨胀器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种朗肯循环系统，包括： |
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| 说明书全文 | 具有润滑回路的有机朗肯循环系统[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求在2013年1月28日提交的、名称为“HEAVY DUTY ROOT EXPANDER HEAT ENERGY RECOVERY”的美国临时申请序列号61/757,533的优先权，该申请的全部内容通过引用合并在此。 [0003] 政府许可权利 技术领域背景技术[0006] 朗肯循环是一种将热能转化为机械功的发电循环。朗肯循环通常用于热发动机中，并且通过使工作物质从较高温度状态转到较低温度状态来完成上述转化。经典的朗肯循环是基于蒸汽机的操作的基本热力学过程。 [0007] 朗肯循环通常采用单独的子系统，如冷凝器、流体泵、诸如沸腾器的换热器、以及膨胀器涡轮。泵常常用于加压作为液体而不是气体从冷凝器中接收的工作流体。来自泵的加压液体在换热器中加热并且用于驱动膨胀器涡轮以便将热能转化为机械功。当离开膨胀器涡轮时，工作流体返回到对任何剩余的蒸汽进行冷凝的冷凝器。之后，冷凝的工作流体返回到泵并且重复该循环。 [0008] 经典的朗肯循环的一个变型是有机朗肯循环(ORC)，其命名是由于使用有机高分子质量流体，并具有比水-汽的相变更低的温度下发生的液-汽相变或沸点。这样，作为经典的朗肯循环中的水和蒸汽的替代，在ORC中的工作流体可以是溶剂，例如正戊烷或甲苯。ORC工作流体允许从较低温度源的朗肯循环热量回收，如从生物质燃烧、工业废热、地热、太阳池等。低温热量然后可被转化为有用功，该有用功继而可被转化为电力。 [0009] 期望进一步改进这些朗肯循环系统。 发明内容[0010] 本发明的一方面涉及包括朗肯循环工作回路和润滑回路的闭环有机朗肯循环系统。在某些示例中，朗肯循环工作回路和润滑回路具有彼此重合的部分。在某些示例中，朗肯工作回路和润滑回路共用共同的液压泵。在某些示例中，允许来自润滑回路的润滑剂和来自朗肯循环工作回路的工作流体彼此混合。在某些示例中，润滑回路是对用于润滑机械膨胀器的组件(例如，轴承、正时齿轮等)的润滑剂进行冷却的冷却回路，机械膨胀器从朗肯循环工作回路中提取能量/功。在某些示例中，来自润滑回路的润滑剂与朗肯循环工作回路的工作流体混合并且为驱动流经朗肯循环工作回路和朗肯工作回路的液压泵提供润滑剂。 [0011] 本发明的各方面允许用于减少密封问题和减少泵送组件的简化朗肯循环系统。在某些示例中，在朗肯循环工作流体于换热器处蒸发之前，分离器用于将朗肯循环工作流体与润滑剂分离。在某些示例中，朗肯循环系统用于从来自原动机(如内燃机、燃料电池或类似组件)的余热中重获能量。在某些示例中，朗肯循环系统用于从来自车辆的原动机的余热中重获能量。 [0012] 在以下说明中将提及附加方面的各种变化。这些方面可以涉及单个特征并且涉及特征的组合。应当理解，前述的一般性描述和以下详细的描述仅是示例性和解释性的目的并且不是对本文所公开的实施例所基于的宽泛概念进行限制。附图说明 [0013] 图1是根据本发明的原理的、具有作为创造性方面的示例的、采用朗肯循环工作回路和润滑回路的朗肯循环系统的示意图； [0014] 图2是示出图1所示的系统所采用的朗肯循环的图表； [0015] 图3是用于从图1的系统中提取机械能的罗茨式膨胀器的剖视图； [0016] 图4是图3的罗茨式膨胀器的示意图； [0017] 图5是示出图3的罗茨式膨胀器的正时齿轮的剖视图； [0018] 图6示出能够在图1的朗肯循环系统中使用的分离器的示例性构造；并且[0019] 图7示意性示出根据本发明的原理的包括朗肯循环系统的车辆。 具体实施方式[0020] 参照附图，其中在全部多个视图中相同的附图标记对应于相同或类似的组件。 [0021] 本发明大体关于利用来自热源的热量产生有用功的朗肯循环系统(例如，有机朗肯循环系统)。在一个示例中，热源是来自如原动机(例如，内燃机(如柴油发动机或火花点火式发动机)、燃料电池等)的装置的余热。在一个示例中，机械装置(如旋转式膨胀器)用于从朗肯循环系统中提取机械能。在一个示例中，朗肯循环系统是将朗肯循环工作流体(例如，如乙醇、正戊烷、甲苯的溶剂或其它溶剂)加热到等于或大于275摄氏(C)度的有机朗肯循环系统。 [0022] 这样高的温度会恶化用于润滑机械装置(例如，旋转式膨胀器)的运动组件(例如，轴承、齿轮等)的润滑油，该机械装置用于从朗肯循环回路中提取能量。在该方面，就可流动润滑油而言，期望使用使润滑剂维持在可接受的温度的润滑冷却回路。由于形成朗肯循环工作流体的溶剂可引起脱脂，所以润滑脂通常不是有效的。此外，润滑脂在高温下将会恶化。当无效密封(例如，在机械组件处如膨胀器、泵或具有需要润滑的运动部件的其它组件)使得这些油与朗肯循环工作流体混合时，润滑油可能存在问题。例如，朗肯循环工作流体内的润滑剂由于污染蒸发器旋管所以对蒸发过程是不利的。 [0023] 本发明的各方面涉及包括朗肯循环工作回路和润滑回路的闭环有机朗肯循环系统。在某些示例中，朗肯循环工作回路和润滑回路构造为使得有意地将来自润滑回路的润滑剂与朗肯循环工作流体混合。以这种方式，朗肯循环工作回路和润滑回路具有彼此重合的部分。在某些示例中，朗肯循环工作回路和润滑回路共用共同的液压泵。在某些示例中，润滑剂和朗肯循环工作流体在泵的低压侧的上游处混合，并且在泵的高压侧和蒸发器之间分离器将朗肯循环工作流体与润滑剂分离。在某些示例中，润滑回路是对用于润滑机械膨胀器的组件(例如，轴承、正时齿轮等)的润滑剂进行冷却的冷却回路，该机械膨胀器从朗肯循环工作回路中提取能量/功，并且来自润滑回路的润滑剂与朗肯循环工作回路的工作流体混合并对液压泵提供润滑，该液压泵驱动流经朗肯循环工作回路和润滑回路两者。润滑剂与冷凝冷却的工作流体相混合将热量从在膨胀器组件润滑期间获取的润滑剂中去除。在某些示例中，朗肯循环系统用于从余热中获取热量。 [0024] 图1示出根据本发明的原理的有机朗肯循环系统100。有机朗肯循环系统100构造为将来自热源(如，发动机116)的热量转化为机械能。有机朗肯循环系统100构造为使朗肯循环工作流体(例如，如乙醇、正戊烷、甲苯的溶剂或其它溶剂)反复循环通过闭环有机朗肯循环。如图1所示，有机朗肯循环系统100包括具有冷凝区104、加热区106和机械能提取区108的朗肯循环工作回路102。液压泵110用于使工作流体运动通过朗肯循环回路102。泵110包括与冷凝区104流体连通的低压侧112以及与加热区106流体连通的高压侧114。机械能提取区108具有与加热区106流体连通的入口侧116以及与冷凝区104流体连通的出口侧118。 [0025] 朗肯循环系统100还包括用于使冷却润滑剂(例如，蓖麻油、合成油、其它油或润滑材料)循环/环行的润滑回路113，该冷却润滑剂用于润滑与机械能量提取区108的机械组件(例如，旋转式膨胀器)相关联的运动部件。朗肯循环工作回路102和润滑回路113包括朗肯循环工作流体和润滑剂彼此混合的共享段115。朗肯工作回路102和润滑回路113沿共享段115共同延伸。泵110沿共享段115定位为使得朗肯循环工作流体和润滑剂的混合物通过泵110从低压侧112流到高压侧114。混合物内的润滑剂有助于润滑泵110。泵110提供用于循环流经朗肯循环工作回路102和润滑回路113两者的正压力。共享段115开始于位于冷凝区104与泵110的低压侧112之间的初级混合位置111并且从初级混合位置111延伸通过泵110到达流体分离器119。润滑剂可以在初级混合位置111处被计量到朗肯循环工作流体中。 [0026] 流体分离器119构造成将润滑剂与朗肯循环工作流体分离。朗肯循环工作回路102包括具有不含润滑剂的朗肯循环工作流体的非共享段121。非共享段121从分离器119延伸通过加热区106、机械能提取区108和冷凝区104。润滑回路113包括从分离器119延伸到机械能提取区108的非共享段123。在一个示例中，非共享段123包括不含朗肯循环工作流体的润滑剂。在机械能提取区108处，润滑剂可以流经旋转式膨胀器127的含润滑剂结构125(如轴承、轴承室和齿轮室)。润滑剂可以从机械能提取区108的含润滑剂结构 125经由段129流动到初级混合位置111处。在某些示例中，朗肯循环工作流体可以通过膨胀器127的轴密封件泄漏到含润滑剂结构125中使得段129运载润滑剂和朗肯循环工作流体的混合物。在该示例中，由于能够随后将润滑剂与朗肯循环工作流体分离，所以朗肯循环工作流体在机械膨胀器127处泄漏到润滑回路113不会对系统造成问题。因此，无需使用绝对防止泄漏的特殊密封件，从而减少了系统中的密封件的数量和/或费用。 [0027] 在一个示例中，流体分离器119将朗肯循环工作流体与润滑剂分离并且将朗肯循环工作流体引导到非共享段121并将润滑剂引导到非共享段123。来自泵110的压力驱动朗肯循环工作流体流经非共享段121并且还驱动润滑剂流经非共享段123。机械膨胀器127可包括具有一个或多个转子的转子室128。使用时，来自加热区106的受热朗肯循环工作流体流经机械膨胀器127的引起转子旋转的转子室128，使得从朗肯循环回路102中提取有用功。例如，可以经由输出轴400提取功。在旋转式机械膨胀器127处，一些朗肯循环工作流体可以从转子室128流经密封件到达含润滑剂结构125。因此，在一些示例中，朗肯循环工作流体和润滑剂的混合物从含润滑剂结构125流经段129到达初级混合区111。在初级混合区111，在润滑剂和朗肯循环工作流体之间发生初级混合。朗肯循环工作流体和润滑剂的混合物流经泵110到达分离器119。与朗肯循环工作流体混合的润滑剂有助于润滑泵110。在混合期间，热量将从受热润滑剂传递到冷却工作流体，以将润滑剂的温度降低到冷却工作流体的温度。 [0028] 在图示的示例中，朗肯循环系统100构造为通过汲取来自发动机的余热(例如，汲取来自如主排气管线和/或来自排气再循环管线中发动机排气的热量)来捕获来自如发动机116(例如，内燃机(如柴油发动机或火花点火式发动机)或燃料电池)的原动机的废能。如图1所示，有机朗肯循环系统100的加热区106包括用于汲取来自发动机116的余热的至少一个换热器150。当工作流体通过加热区106时，换热器150将热量从发动机116传递到朗肯循环回路102的朗肯循环工作流体，从而加热并蒸发工作流体。在某些示例中，工作流体过热。在其它示例中，工作流体未过热。 [0029] 将会理解，发动机116可以用于为车辆300(见图7)提供动力。车辆300可以包括用于将转矩从发动机曲轴传递到车辆300的一个或多个轴304的转矩传递配置302(例如，传动系、传动轴、变速器、差速器等)。轴304可以耦接到车轮、车架和适于接触地面的其它结构。在这些示例中，车辆底盘/框架306承载有机朗肯循环系统100和发动机116(示意性示出)。在某些实施例中，原动机(如燃料电池、柴油发动机或火花点火式发动机)可用于为车辆提供电力。 [0030] 机械能提取/回收装置 [0031] 如上所述，图1的有机朗肯循环系统100包括具有能够输出来自朗肯循环工作回路102的机械能的至少一个机械装置(例如，反作用式涡轮机、活塞式发动机、涡旋式膨胀器、螺杆型膨胀器等)的机械能提取区108。在某些示例中，机械装置依靠工作流体的动能、温度/热量和压力来旋转输出轴400(见图1)。在机械装置被用于膨胀应用的情况下(例如与朗肯循环一起)，经由流体膨胀从工作流体中提取能量。在这些情况下，机械装置可被称为膨胀器或膨胀装置。然而，应理解的是，机械装置并不限于工作流体在该装置内膨胀的应用。在某些示例中，机械装置包括在朗肯循环的工作流体的作用下转动的一个或多个旋转元件(例如，涡轮、叶片、转子等)，以便驱动机械装置的输出轴400旋转。在某些示例中，输出轴400可以耦接到用于发电、用于为有源组件供电、或者用于为适用于按需供电的电池充电的交流发电机。在其它示例中，输出轴400可被耦接到用于生成液压、用于对有源液压组件供电或者用于为适于按需提供液压的液压蓄能器充电的液压泵。在另外的一些示例中，输出轴400可被机械耦接(例如，通过齿轮、带、链或其它结构)到其它的有源组件或者反馈给作为用于朗肯循环系统的余热源的原动机。 [0032] 在一个示例中，在机械能提取区108处使用的机械装置可以包括罗茨式(Roots-style)旋转装置(本文被称为罗茨式膨胀器)。装置的入口侧处的压力大于装置的出口侧处的压力。入口和出口之间的压降驱动在装置内旋转。通常，除了与流体泄漏和装置失效有关的降压之外，膨胀/降压不会在装置本身中出现，而是当工作流体在出口处离开装置时出现。由于就转子在装置内的每次旋转而言该装置具有固定的排量，所以该装置可被称为容积式装置。 [0033] 图3-图5图示出适于在朗肯循环系统100的机械能提取区108处使用的罗茨式膨胀器200。膨胀器200包括具有入口204和出口206的壳体202。使用时，入口204与朗肯循环系统100的加热区106流体连通并且出口206与朗肯循环系统100的冷凝区104流体连通。 [0034] 膨胀器壳体202在入口204与出口206之间限定了提供流体连通的内腔体208(即，转子室)。内腔体208由第一和第二平行转子孔210(见图4)形成，该第一和第二平行转子孔210由圆柱孔-限定表面222限定。膨胀器200还包括分别安装在第一和第二转子孔210中的第一和第二转子212。转子212中的每一者包括安装在轴216上的多个叶片214。轴216彼此平行并且通过轴承217可旋转地相对于膨胀器壳体202安装(图3)。 轴216围绕平行的旋转轴线213相对于壳体202自由旋转。第一和第二转子212的叶片 214彼此相互啮合/相互交错。相互啮合的正时齿轮218(见图5)设置在轴216上，以便同步第一和第二转子212的旋转，使得第一和第二转子212的叶片214在使用时不会彼此接触。在某些示例中，叶片214可以扭转地或螺旋地沿轴216的长度方向布置。转子212在叶片214之间限定流体传递体积219(图4)。叶片214可以包括外部末端220(图4)，当转子212围绕它们各自的轴线213旋转时外部末端非常靠近壳体202的孔限定表面222。在某些实施例中，外部末端220不接触孔限定表面222。 [0035] 使用膨胀器200时，来自加热区106的工作流体(例如，蒸发的工作流体或两相工作流体)通过入口204进入膨胀器壳体202。一旦通过入口204，蒸发的工作流体进入限定在转子212中的一者的叶片214之间的流体传递体积219。通过膨胀器200的压降使得工作流体围绕其旋转轴线213旋转转子212，使得含有蒸发的工作流体的流体传递体积219围绕孔限定表面222从入口204周向运动到出口206。当转子212在工作流体的作用下旋转时，机械能从膨胀器200中通过与轴216中的一个相一致的输出轴400传出。输出轴400(图3)向外延伸出膨胀器壳体202的外边界，以便传递来自膨胀器200的转矩/能量。 [0036] 将会理解，来自入口204的工作流体在内部腔体208的在平行平面P之间的中央区域CR处进入壳体202(见图4中的箭头228)的内部腔体208，平行平面P包括轴线213并且在膨胀器壳体202的入口侧与出口侧之间延伸。来自入口204的工作流体在中央区域CR处进入转子212的流体传递体积219并且使得转子212围绕其各自的轴线213沿相反方向旋转。转子212围绕其各自的轴线213旋转，使得包含工作流体的流体传递体积219沿壳体202的各自的周向孔限定表面222从中央区域CR运动到内部腔体208的外部区域OR(即，平面P外部的区域)，如箭头230所示(见图4)。转子212继续围绕其各自的轴线213旋转，从而使流体传递体积219从外部区域OR返回到邻接出口206的中央区域CR，如箭头232所示。来自流体传递体积219的工作流体通过出口206离开膨胀器壳体202，如箭头234所示(见图4)。 [0037] 相互啮合的齿轮218和轴承217可以位于包含用于对齿轮218和轴承217进行润滑的润滑室402内(见图3)。润滑室402是图1的含润滑剂结构125的示例。转子腔中的温度可以高达300℃至350℃并且因此膨胀器中的轴承和正时齿轮暴露到相对高的温度。高温会恶化用于轴承和正时齿轮的润滑油并且减小轴承和正时齿轮的寿命。为了防止这种情况的发生，润滑回路113可以用于使润滑剂循环通过润滑室402，因此，润滑剂仅在有限的时间内暴露于高温。当润滑剂与离开冷凝区104的相对冷的朗肯循环工作流体混合时，润滑回路113的润滑剂被冷却。冷却的润滑剂通过润滑回路113的非共享段123流回到润滑室402。将会理解，润滑室402是含润滑剂结构125的一个示例，并且其它的含润滑剂结构125(例如，其它的润滑室)也可以设置为润滑回路113的一部分。 [0038] 朗肯循环操作 [0039] 图2示出了描述代表性的朗肯循环的图表，该朗肯循环可适用于如参考图1描述的系统100。图表描绘了朗肯循环的不同阶段，其示出相对于熵“S”标示的摄氏温度，其中，熵定义为能量(以千焦耳计)除以开尔文温度并进一步除以千克质量(kJ/kg＊K)。图2所示的朗肯循环具体地为闭环的有机朗肯循环(ORC)，其可以使用有机高分子量工作流体，该工作流体具有在比经典朗肯循环的水-气相变更低的温度下发生的液-汽相变或沸点。因此，在系统100中，工作流体可以是溶剂，例如乙醇、正戊烷或甲苯。 [0040] 在图2的图表中，术语“Q”表示流向或来自系统100的热流，并且通常表示为单位时间的能量。术语“W”表示由系统100消耗的或提供给系统100的机械功率，并且也通常表示为单位时间的能量。由图2另外可以看出，ORC中有四个不同的过程或阶段141-1、142-2、142-3和142-4。在阶段142-1期间，湿蒸汽形式的朗肯循环工作流体进入并在冷凝区104处通过至少一个冷凝器25，在其中朗肯循环工作流体在恒定温度下被冷凝以变成饱和液体。在阶段142-1之后，朗肯循环工作流体在阶段142-2期间由泵106从低压泵送到高压。在阶段142-2期间，朗肯循环工作流体处于液体状态。 [0041] 朗肯循环工作流体从阶段142-2被转移到阶段142-3。在阶段142-3期间，加压的朗肯循环工作流体进入并通过换热器150，在该处朗肯循环工作流体在恒定压力下被外部热源加热以变成蒸汽或两相流体(即，液体与蒸汽一起)。在阶段142-4期间，以完全蒸发的流体或两相流体形式的朗肯循环工作流体通过机械能提取区108，从而产生有用功或功率。工作流体可以在机械能提取区108处膨胀，从而减小了工作流体的温度和压力，使得可能发生朗肯循环工作流体的额外的冷凝。在阶段142-4之后，朗肯循环工作流体返回到冷凝区104，在该点处循环完成并通常将在阶段142-1处重新启动。 [0042] 分离器 [0043] 图6示出适用于用作图1的朗肯循环系统的分离器119的示例性分离器500。分离器500包括限定入口522、第一出口524和第二出口526的分离器壳体520。当结合到图1的朗肯循环系统中时，入口522与泵110的高压侧流体连接，使得接收来自泵110的润滑剂和朗肯循环工作流体的混合物。此外，第一出口524耦接到第一非共享段121并且第二出口526耦接到第二非共享段123。分离器500包括包含在壳体520中的多孔介质527(例如，过滤介质、分离介质、沉淀介质)。 [0044] 多孔介质可以包括在固体材料之间含有孔或间隙的能够经过液体或气体的物质。天然存在的多孔介质的示例包括砂、土和一些类型的石材(如浮石和砂岩)。海绵、陶瓷和网状泡沫也被制造用作多孔介质。但是应该理解的是，多孔介质的类型可与其他示例不同。在一些示例中，多孔介质可由金属丝网或编织金属丝网(如呈卷绕构造的不锈钢金属丝网)制成，这非常适用于分离出的润滑油滴。在一个示例中，它多孔介质的密度可以是约九磅每立方英尺的量级。在其它示例中，多孔介质可以由组合或联合编织金属丝和玻璃纤维网(如与玻璃纤维联合编织的304不锈钢网)制成。这些材料被认为是非常适合用于过滤润滑油，并且多孔介质可以具有约12磅每立方英尺的密度。 [0045] 在该示例中，润滑剂(例如，油)和朗肯循环工作流体(例如，乙醇)的混合物可以在入口522进入油分离器500并且流经多孔介质527。多孔介质527可减缓混合物流动，这可以促进分离。在某些示例中，润滑剂是比朗肯循环工作流体较重并且该重量差允许分离器500经由重力将润滑剂从朗肯循环工作流体分开。例如，在壳体520内，润滑剂相对于朗肯循环工作流体下沉。因此，朗肯循环工作流体聚集在壳体520的顶部528，并且润滑剂聚集在壳体520的底部530。第一出口524位于壳体520的顶部528，以便接收所分离的朗肯循环工作流体，而第二出口526位于壳体520的底部530，以便接收所分离的润滑剂。朗肯循环工作流体通过第一出口524离开壳体520并流过第一非共享段121到达换热器150。润滑剂通过第二出口526离开壳体520并流经第二非共享段123到达机械膨胀器127的含润滑剂结构125。 |
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