專(zhuān)利名稱(chēng)：燃?xì)廨啓C(jī)及熱力功率生成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及外加熱引擎。更具體地，本申請(qǐng)涉及在低溫低壓下工作的外加熱引擎的效率和性能的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
外加熱引擎，尤其是類(lèi)似于氣體或液體渦輪類(lèi)引擎的外加熱引擎，通常具有極大的前景。這是因?yàn)檫@樣的引擎相當(dāng)高效、操作相對(duì)簡(jiǎn)單，且可靈活使用工作流體作為媒介。然而，與此同時(shí)，外加熱引擎在許多應(yīng)用中受到了重大的限制。使用液態(tài)流體流的渦輪類(lèi)引擎受到的限制最大。除非與其后具有大量的水的水壩或與高處大量下落且特別快速流動(dòng)的水流連通，外加熱引擎不能產(chǎn)生大量的能量。在沒(méi)有水壩或水流的情況下，充分加熱液體或?qū)⑵渖咦銐蚨喽皇褂锰嗟幕ㄙM(fèi)以獲得有用的 網(wǎng)絡(luò)輸出則是不可行的或無(wú)效的。同樣，例如ー些蒸汽船中使用的槳輪類(lèi)結(jié)構(gòu)需要単獨(dú)的動(dòng)カ源(例如，蒸汽機(jī))來(lái)進(jìn)行操作。使用氣態(tài)流體流的渦輪類(lèi)引擎具有更大的前景。其可使用氣相流體為引擎(例如，蒸汽機(jī)車(chē))提供動(dòng)力。其它類(lèi)型的熱氣渦輪也是本領(lǐng)域公知的，并可有效地工作。然而，事實(shí)上，在全部這些情況中，氣體需要非常高的溫度和壓力。這些引擎難以達(dá)到幾百華氏度的溫度并同時(shí)在幾百PSI的壓カ下工作。通常，這意味著必須為引擎專(zhuān)門(mén)提供燃燒源與之結(jié)合工作，以達(dá)到所需要的工作水平。舊式蒸汽機(jī)車(chē)和固定的蒸汽機(jī)例如依靠大量的煤火運(yùn)行，與升壓泵結(jié)合工作，以產(chǎn)生所需要的水平。這樣的引擎會(huì)在不合適的時(shí)間爆炸。燃?xì)鉁u輪引擎(例如在發(fā)電站使用的)也使用非常高的溫度和壓力。噴射式渦輪引擎(例如在飛機(jī)上使用的)也在其燃燒腔內(nèi)產(chǎn)生極高溫度，并且還使用多級(jí)壓縮以達(dá)到期望的壓カ和溫度。本發(fā)明g在提供這樣的熱カ引擎和功率生成系統(tǒng)，其避免高溫高壓，并依賴(lài)于相對(duì)低溫的熱源和低壓工作流體來(lái)產(chǎn)生能量。該系統(tǒng)無(wú)需專(zhuān)用的燃燒源來(lái)工作，并將相對(duì)高效地工作，且產(chǎn)生足夠多的能量。該引擎被設(shè)計(jì)為依賴(lài)于其它處理剰余的低溫廢熱工作，或依賴(lài)于低溫太陽(yáng)能、地?zé)崮?、發(fā)電廠廢熱或可從諸如空調(diào)或冰箱裝置獲得的廢熱工作?，F(xiàn)有的許多專(zhuān)利公開(kāi)了渦輪發(fā)電裝置的配置，具體地包括，旋轉(zhuǎn)元件上的渦輪葉片、機(jī)架結(jié)構(gòu)、工作流體入ロ和排氣ロ。Scalzo的第3，501，249號(hào)美國(guó)專(zhuān)利針對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子，尤其針對(duì)用于鎖定位于葉片支撐盤(pán)的外圍的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的結(jié)構(gòu)。Basmajian的第4，073，069號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了這樣的裝置，其包括中心圓盤(pán)制成的渦輪轉(zhuǎn)子輪和定子機(jī)架，繞中心圓盤(pán)的外圍以接近的規(guī)則間隔安裝并結(jié)合有弧形彎曲板狀渦輪葉片，定子機(jī)架上具有用于包圍該渦輪轉(zhuǎn)子輪的透明蓋，支撐ー個(gè)或多個(gè)饋送噴嘴，并提供噴嘴的定子反應(yīng)底座，該輪及其機(jī)架安裝在器具底盤(pán)上，該底盤(pán)包括參數(shù)調(diào)節(jié)裝置和渦輪輸出調(diào)節(jié)測(cè)量裝置，以提供渦輪操作的緊湊經(jīng)濟(jì)的指示器。
Miller等人的第4，400，137號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了轉(zhuǎn)子組件和用于將轉(zhuǎn)子葉片在該轉(zhuǎn)子組件內(nèi)固定和移除的方法。該轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子盤(pán)和多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，轉(zhuǎn)子盤(pán)限定多個(gè)葉片槽，并包括位于葉片槽之間的多個(gè)榫，多個(gè)榫限定從榫的外表面向內(nèi)徑向延伸的多個(gè)銷(xiāo)槽，每個(gè)葉片包括位于葉片槽內(nèi)、保護(hù)葉片不徑向移動(dòng)的根部，并包括覆蓋榫且限定徑向延伸銷(xiāo)孔的葉片平臺(tái)。轉(zhuǎn)子組件還包括多個(gè)鎖定銷(xiāo)，鎖定銷(xiāo)徑向延伸穿過(guò)銷(xiāo)孔并進(jìn)入銷(xiāo)槽，以保護(hù)轉(zhuǎn)子葉片不徑向移動(dòng)，每個(gè)銷(xiāo)包括頭部和底部以限定銷(xiāo)的徑向移動(dòng)。Wosika的第4，421，454號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了全周進(jìn)氣徑向沖擊式渦輪和具有全周進(jìn)氣徑向沖擊級(jí)的渦輪。該渦輪為單軸、雙壓式渦輪。在包含軸向流渦輪級(jí)的低壓部分利用從徑向沖擊級(jí)所在的高壓部分排出的工作流體。雙壓渦輪的徑向沖擊級(jí)(或每個(gè)徑向沖擊級(jí))具有轉(zhuǎn)子或輪，轉(zhuǎn)子或輪的桶或袋的方向與輪旋轉(zhuǎn)的方向橫切并在輪的外圍開(kāi)ロ。經(jīng)由形成或支撐在噴嘴環(huán)上的噴嘴將工作流體提供至桶，噴嘴環(huán)圍繞渦輪的輪 并與桶的入口端對(duì)準(zhǔn)。Miller等人的第4，502, 838號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了潤(rùn)輪輪子的葉片(bucket),上述葉片形成為輪坯邊緣內(nèi)的一系列等間隔重疊的U形通道。在加工過(guò)程中，島狀物被遺留為U形的彎曲部的內(nèi)部部分，并與迷宮式密封結(jié)合用來(lái)提供每個(gè)葉片的入口和出口之間的流體密封。Violette的第5，074，754號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了轉(zhuǎn)子葉片的保持系統(tǒng)，其利用固定保持法蘭和具有閉側(cè)保持件的可移動(dòng)保持板的組合。這個(gè)系統(tǒng)可以快速更換或移除葉片以進(jìn)行檢查、維修或更換，而無(wú)需移除周?chē)闹饕娌考蚪Y(jié)構(gòu)件。通過(guò)將轉(zhuǎn)子葉片的成形葉片根部的向外延伸部分插入到位于保持件結(jié)構(gòu)內(nèi)部的周邊的、向內(nèi)徑向突出成形的法蘭的下方，轉(zhuǎn)子葉片安裝在可旋轉(zhuǎn)轂(未示出)中的保持件中?？舍尫诺匕惭b并配合于保持件的可移動(dòng)成形保持板則捕獲并用可釋放緊固件固定轉(zhuǎn)子葉片的成形根部的另一向外延伸部分。成形根部固定在保持件內(nèi)而不使用直接的螺釘連接。預(yù)載緊固件產(chǎn)生系統(tǒng)組件中的壓縮負(fù)載，從而使其各組件表面的磨損減小或消除?，F(xiàn)有技術(shù)包括嘗試從主熱源獲取廢熱然后在次級(jí)能量系統(tǒng)中再利用該能量的能量系統(tǒng)的許多實(shí)施例。Kelly的第3，822，554號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了在溫度Tl (低)和T2 (高)之間工作的熱カ引擎，其包括在Tl和T2溫度下的換熱關(guān)系中的、単獨(dú)的蒸汽閉合循環(huán)電機(jī)和泵系統(tǒng)，并包括所述系統(tǒng)的冷凝劑之間的換熱器。Cheng等人的第3，953，973號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了ー種熱カ引擎或熱泵，其中，工作媒介交替地受到凝固和熔化操作。ー種工作媒介稱(chēng)為S/L型工作媒介，其受到循環(huán)操作，每個(gè)循環(huán)包括第一壓カ下的高溫熔化步驟和第二壓カ下進(jìn)行的低溫凝固步驟。每個(gè)熱泵循環(huán)包括第一壓カ下進(jìn)行的高溫凝固步驟和第二壓カ下進(jìn)行的低溫凝固步驟。當(dāng)使用非水媒介時(shí)，第一壓カ和第二壓カ分別為相對(duì)高壓和相對(duì)低壓。當(dāng)使用水媒介吋，兩個(gè)壓力分別為相對(duì)低壓和相對(duì)高壓。熱泵的操作為熱カ引擎的反操作。B.}6rklund的第4，292，809號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了用于將低級(jí)熱能轉(zhuǎn)化為渦輪的機(jī)械能以進(jìn)一歩利用的方法。該方法的特征在于，在換熱器中將低級(jí)加熱媒介和第一冷卻媒介蒸發(fā)。將蒸汽運(yùn)送至渦輪進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，并將潮濕的蒸汽運(yùn)送至換熱器進(jìn)行冷凝。將冷凝物抽回?fù)Q熱器。換熱器由蒸汽渦輪電路和熱泵電路以這樣的方式共用，以使換熱器包括蒸汽渦輪電路的冷凝器和熱泵電路中的蒸發(fā)器。通過(guò)冷凝去除的熱可由第二蒸發(fā)冷卻媒介吸收，其蒸汽由熱泵抽至由冷卻的媒介冷卻過(guò)的換熱器，在第二蒸發(fā)冷卻媒介處進(jìn)行冷凝。當(dāng)從換熱器出去的冷卻后的媒介整體加熱至低于處理開(kāi)始時(shí)的原始溫度、或部分的流被重新加熱至等于或高于處理開(kāi)始時(shí)的原始溫度并返回?fù)Q熱器時(shí)，冷凝物經(jīng)由膨脹閥被運(yùn)送回?fù)Q熱器。熱泵的熱氣用于對(duì)提供至渦輪的輸入的第一蒸發(fā)冷卻媒介進(jìn)行額外過(guò)熱。Dibelius等人的第4，475，343號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了利用熱泵生成熱的方法,其中，載熱流體由換熱器加熱并通過(guò)之后的壓縮機(jī)內(nèi)的溫度升高而壓縮，熱量由此傳遞至熱接納(heat-admitting)處理；然后流體在氣體渦輪中膨脹以工作，然后殘留的熱被傳輸至熱能處理，為壓縮機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)的能量源的最高溫度低于熱傳遞的溫度。主熱源可由發(fā)熱的化學(xué)或核反應(yīng)構(gòu)成，熱接納處理可為煤的氣化處理。壓縮機(jī)內(nèi)的工作基本由氣體渦輪和熱能量處通提供。Rosenblatt的第4，503，682號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了ー種引擎系統(tǒng)，其包括與吸收冷卻子系統(tǒng)結(jié)合的合成低溫散熱器，該子系統(tǒng)的輸入來(lái)自外部低級(jí)熱能供應(yīng)和冷卻流體的外部 源。低溫引擎包括與外部熱能源換熱連通的高溫端、和與吸收冷卻子系統(tǒng)提供的合成散熱器換熱連通的低溫端。冷卻溫度可根據(jù)需要而改變，包括低于環(huán)境溫度(例如外部冷卻源的溫度)的溫度。這ー特性使得能夠利用非常低級(jí)的外部熱輸入源，因?yàn)榭蛇x擇有利的低的散熱溫度。Rosenblatt的第5，421，157號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了低溫引擎系統(tǒng)，其具有換熱器形式的升溫恢復(fù)器，該恢復(fù)器的第一入口連接于位于渦輪熱カ引擎的高溫入口和低溫出口之間的中間位置的抽取點(diǎn)，該恢復(fù)器的出口通過(guò)到第二入口的導(dǎo)管連接于渦輪的高溫端和低溫端之間、抽取點(diǎn)的下游處。在恢復(fù)器中，來(lái)自抽取點(diǎn)的熱カ媒介與從渦輪単元的低溫排氣端經(jīng)由水冷卻冷凝器得到的熱カ媒介為熱交換關(guān)系，并在制冷冷凝器中與流進(jìn)吸收冷卻子系統(tǒng)的冷凝劑為熱交換關(guān)系。離開(kāi)恢復(fù)器返回渦輪的熱カ媒介被引導(dǎo)穿過(guò)返回導(dǎo)管以與吸收冷卻子系統(tǒng)的冷凝劑進(jìn)ー步熱交換，并由外部熱源在換熱器中加熱，并通過(guò)導(dǎo)管返回渦輪的高溫端，從而完成循環(huán)。例如水的冷卻劑通過(guò)熱カ媒介冷凝器導(dǎo)入以與從渦輪的低溫排氣端排除并穿過(guò)其中的熱カ媒介進(jìn)行換熱。Vogel的第5，537，823號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了組合循環(huán)熱カ熱流處理，用于將熱能高效轉(zhuǎn)換為機(jī)械軸動(dòng)力。這ー處理對(duì)于提供電カ的高效能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(以及熱服務(wù)的適當(dāng)情況)特別有用。還公開(kāi)了高效能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。優(yōu)選的系統(tǒng)包括兩個(gè)閉合Brayton循環(huán)系統(tǒng)，ー個(gè)用作熱カ引擎，另ー個(gè)用作熱泵，二者的閉合工作流體系統(tǒng)在公共的間接換熱器處連接。熱カ引擎優(yōu)選為由于能拒絕來(lái)自公共的換熱器的膨脹的渦輪工作流體的熱而能夠特別高效工作的氣體渦輪，公共的換熱器通過(guò)熱泵系統(tǒng)保持在低溫。熱泵系統(tǒng)有用地使用氣體渦輪技術(shù)，但由從熱カ引擎的輸出部分獲取能量的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。Rosenblatt的第6，052，997號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了ー種改進(jìn)的組合循環(huán)低溫引擎系統(tǒng)，其具有循環(huán)膨脹渦輪媒介，該媒介用于當(dāng)其與渦輪路徑橫切時(shí)恢復(fù)熱量。熱恢復(fù)是通過(guò)提供一系列換熱器并提供膨脹的渦輪媒介而完成的，從而與吸收冷卻循環(huán)中的循環(huán)冷卻劑熱交換連通。吸收冷卻子系統(tǒng)的先前的熱恢復(fù)被限制為在到其加熱器的路徑中冷卻從ORC渦輪的冷凝器返回的冷凝物Saranchuk等人的第7,010,920號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了ー種低溫?zé)幞?其使廢熱通過(guò)換熱器流回主動(dòng)カ入口。該專(zhuān)利公開(kāi)了用于利用在系統(tǒng)中循環(huán)的工作流體產(chǎn)生動(dòng)カ以驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方法，該系統(tǒng)包括具有入口的主動(dòng)カ和容納流出主動(dòng)カ的流體的聚積器。加熱的蒸汽流體流以相對(duì)高壓被提供至主動(dòng)カ入口，并通過(guò)主動(dòng)カ膨脹至低壓排放側(cè)，以使排出的流體進(jìn)入聚積器。排出的流體通過(guò)經(jīng)過(guò)具有壓カ差的膨脹裝置而蒸發(fā)到具有小于主動(dòng)カ排放側(cè)壓カ的壓力。從主動(dòng)力排放的排出流體中液化的潛在熱量通過(guò)換熱器傳遞至穿過(guò)膨脹裝置的排出流體。受到從主動(dòng)カ排放的流體傳遞的熱的、蒸發(fā)的排出流體可通過(guò)壓縮機(jī)和蒸汽鼓返回主動(dòng)カ入口。蒸發(fā)的排出流體可通過(guò)壓縮機(jī)從聚積器直接移除，在壓縮機(jī)處使其受壓為壓カ略高于其直接傳遞至的蒸汽鼓內(nèi)的壓力，或者可使其在到蒸汽鼓的路徑中離開(kāi)壓縮機(jī)之后經(jīng)過(guò)換熱器將來(lái)自壓縮流體的熱傳遞至外部媒介。將來(lái)自聚積器的液態(tài)排出流體抽至加熱液體鼓中，然后經(jīng)由換熱器到達(dá)蒸汽鼓。液態(tài)排出流體可通過(guò)換熱器處從外部源吸熱的孔而膨脹，并根據(jù)離開(kāi)換熱器時(shí)的溫度排放至蒸汽鼓或聚積器內(nèi)。Stinger等人的第7，096, 665號(hào)美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了級(jí)聯(lián)閉合回路 循環(huán)(CascadingClosed Loop Cycle, CCLC)和超級(jí)聯(lián)閉合回路循環(huán)(Super-CCLC),上述系統(tǒng)用于從蒸汽潤(rùn)輪系統(tǒng)的廢熱恢復(fù)機(jī)械能或電能形式的動(dòng)力。通過(guò)蒸發(fā)多個(gè)間接換熱器中的丙烷或其它輕質(zhì)烴流體、在多個(gè)級(jí)聯(lián)的膨脹渦輪中膨脹蒸發(fā)的丙烷以生成有用的能量、并利用冷卻系統(tǒng)將其冷凝為液體，恢復(fù)來(lái)自加熱器和蒸汽冷凝器的廢熱。然后，用泵對(duì)液體丙烷加壓，并使其返回間接換熱器，以在閉合的密封處理中重復(fù)蒸發(fā)、膨脹、液化和加壓循環(huán)。該系統(tǒng)可用于從低溫?zé)嵩串a(chǎn)生動(dòng)カ。盡管做出了大量的嘗試希望從主熱源獲得廢熱并將能量在次級(jí)能量系統(tǒng)中再利用，但是全部這些嘗試都具有缺陷。因此，需要一種高效、可靠且低成本的、利用低溫廢熱并能利用低溫低壓工作流體操作的能量系統(tǒng)和熱力引擎。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明包括容納于外殼中的外部加熱引擎。旋轉(zhuǎn)部件安裝在軸承上的外殼內(nèi)，軸通過(guò)密封件延伸至引擎的外部。安裝在旋轉(zhuǎn)部件上的是ー個(gè)或多個(gè)葉片。氣流通過(guò)ー個(gè)或多個(gè)固定噴嘴的作用而導(dǎo)向至葉片的表面上。葉片上的氣體的作用使得力施加在葉片上。這導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)，且當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)扭矩施加在軸上。旋轉(zhuǎn)部件能夠進(jìn)行工作，這是通過(guò)將軸耦合至發(fā)電裝置以產(chǎn)生電功率來(lái)完成的。在本發(fā)明中，通過(guò)利用諸如制冷劑的工作流體很容易在低溫下產(chǎn)生大量的、有益的、適度的壓縮氣體。例如，制冷劑R134就是工作流體的ー種可能的類(lèi)型。許多其他標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型的制冷劑也是適用的。該液態(tài)形式的制冷劑在低溫低壓下很容易汽化并在加熱后產(chǎn)生大量的熱氣。Rl34氣體尤其適合于該目的，并完全避免了對(duì)高壓和高溫的需求。安裝在本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)部件上的葉片不是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)。現(xiàn)有技術(shù)的葉片傾向于制造為用于高壓高溫氣流(例如在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中)，或用于液體流，尤其是水(例如在水力發(fā)電設(shè)備中)。這些葉片對(duì)于低壓低溫氣體不能很好地起作用。本發(fā)明通過(guò)將獨(dú)特的葉片設(shè)計(jì)與特殊設(shè)計(jì)相結(jié)合克服了現(xiàn)有技術(shù)的限制，從而在所需條件下有效地獲取功率。如所配置的那樣，噴嘴將氣流幾乎垂直地引導(dǎo)至葉片的表面上。這在葉片的上游側(cè)比下游側(cè)產(chǎn)生了更高的壓強(qiáng)，并且由于這種影響的效果，壓差(AP)產(chǎn)生了在所需方向上葉片上的凈力。如果葉片表面積足夠大并且旋轉(zhuǎn)部件的直徑較大，則一定量的AP能夠產(chǎn)生較大的扭矩。此外，葉片設(shè)計(jì)額外的優(yōu)點(diǎn)是由熱氣工作流體流和葉片的幾何配置產(chǎn)生的氣流的動(dòng)量的變化。通過(guò)使工作流體流倒轉(zhuǎn)，使得在葉片上得到的反作用カ將較大并且處于所需的方向。氣流的動(dòng)量與其速率的平方成正比，所以噴嘴被設(shè)計(jì)為在氣流到達(dá)葉片之前，極大地加速氣流的速率。由氣流的速率產(chǎn)生的カ是矢量，所以方向的變化可以和速度的變化ー樣有效果。所以，葉片表面是彎曲的，這要好于使氣流沖擊抵靠在葉片表面上，然后氣流的方向還轉(zhuǎn)變幾乎180度。這產(chǎn)生的動(dòng)量變化幾乎兩倍于將氣流抵靠于葉片上。很高的速率(甚至超聲)和方向的徹底改變相結(jié)合導(dǎo)致了很大的動(dòng)量變化。因此，在葉片上施加了較大的反作用力。精細(xì)導(dǎo)向氣體的作用和乘法效果的兩種類(lèi)型的結(jié)合產(chǎn)生在該壓強(qiáng)和溫度下的氣體不能產(chǎn)生的力水平。此外，為了從整個(gè)系統(tǒng)中獲取均衡的、更好的性能，在輸入和功率系統(tǒng)的渦輪回路 的排放中重獲能量。在引擎的輸入端，將熱量從外部源傳遞至服務(wù)于渦輪回路的換熱器。這是通過(guò)將熱傳輸流體從熱源循環(huán)至換熱器而完成的。顯然，并不是熱傳輸流體流中的所有可用熱量都將被吸收至單個(gè)流通中的引擎內(nèi)。如果在該點(diǎn)排出流體，那么將損失未被吸收的熱量。該系統(tǒng)利用了泵和回路將流體再循環(huán)至源，然后循環(huán)回到引擎。這樣，未浪費(fèi)熱量，并且將熱量反復(fù)提供給引擎，而且最終幾乎將熱量全部利用上。甚至將操作泵所需的能量提供給氣流，從而將這些能量在圍繞最終應(yīng)用的過(guò)程中獲取和循環(huán)。在渦輪回路的排放端，采用類(lèi)似的過(guò)程。未在引擎中轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ臒崃烤奂趽Q熱器中，并且傳遞至回收回路。該回收回路本質(zhì)上是熱泵，用于回升抬高工作流體的溫度，然后將工作流體提供至另ー個(gè)換熱器。然后，該換熱器用于在適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)將熱量注回至引擎的主回路。甚至，用于使熱泵中的壓縮機(jī)工作的能量也吸收至工作流體中，并且注入引擎加以利用。在引擎的輸入端和排放端均結(jié)合了熱量回收和熱量再利用是極為有效的，并且產(chǎn)生的可用功率輸出遠(yuǎn)大于具有給定熱源的情況。可選地，將外部熱源引至系統(tǒng)的回路可針對(duì)包括熱泵系統(tǒng)的回收回路，而非渦輪回路。將熱從外部熱源引至熱泵回路使得能夠利用比外部熱源與渦輪回路直接連通的布置低的溫度范圍中的廢熱。對(duì)相對(duì)低溫廢熱的利用極大地?cái)U(kuò)展了回收實(shí)際上通常未被使用的廢熱的機(jī)會(huì)。因此，本發(fā)明的ー個(gè)目的是，在無(wú)需為了操作而使用專(zhuān)用燃燒源的情況下使功率系統(tǒng)工作。本發(fā)明的另ー個(gè)目的是，在由發(fā)電廠渦輪冷凝器或空調(diào)單元廢棄的低溫廢熱下使功率系統(tǒng)工作。本發(fā)明的又ー個(gè)目的是，在低溫太陽(yáng)能能量或地?zé)崮芰肯率构β氏到y(tǒng)工作。本發(fā)明的又ー個(gè)目的是，能夠有效地利用低溫?zé)嵩春偷蛪汗ぷ髁黧w產(chǎn)生大量能量。本發(fā)明的又ー個(gè)目的是，提供具有一個(gè)或多個(gè)葉片的高效熱カ引擎，葉片安裝在旋轉(zhuǎn)部件上，旋轉(zhuǎn)部件利用了高速氣流以將カ施加在旋轉(zhuǎn)部件上。通過(guò)本發(fā)明的圖例、示例和一些實(shí)施方案，根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述，將理解本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的每一幅附圖都是說(shuō)明書(shū)的一部分，且包含了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，并且圖示了實(shí)施方案的各種目的和特征。


圖I是示出主要組件的渦輪的核心的分解圖，包括葉片、噴嘴、旋轉(zhuǎn)件和圍繞物；圖2A是具有葉片安裝槽的旋轉(zhuǎn)件的前視圖；圖2B是具有葉片安裝槽的旋轉(zhuǎn)件的側(cè)視圖；圖3A是葉片之一的頂視圖；圖3B是葉片之一的側(cè)視圖；圖4分層地示出了ー個(gè)端板、旋轉(zhuǎn)件、葉片和噴嘴，從而可看出上述組件的關(guān)系； 圖5A示出了ー個(gè)端板，其具有噴嘴和用于該板的安裝定位孔；圖5B是圖5A所示裝置的頂視圖；圖6A是圍繞物的中心部分或環(huán)的前視圖；圖6B是圖6A所示的中心部分或環(huán)的頂視圖；圖7A是具有排氣端ロ的相對(duì)端板的前視圖；圖7B是具有排氣端ロ的相對(duì)端板的頂視圖；圖8A示出了與葉片對(duì)準(zhǔn)的收縮噴嘴，和得到的流的方向；圖8B示出了具有替換圖8A所示形狀的形狀的與葉片對(duì)準(zhǔn)的收縮噴嘴；圖9示出了與葉片對(duì)準(zhǔn)的收縮-張開(kāi)噴嘴，和得到的流的方向；圖IOA是收縮噴嘴的截面圖；圖IOB是圖IOA的噴嘴的透視圖；圖IlA是收縮-張開(kāi)噴嘴的截面圖；圖IlB是圖IlA的噴嘴的透視圖；圖12示出了整個(gè)系統(tǒng)的視圖，其中，在輸入回路具有緩沖換熱器，并利用一般的廢熱源。這有利于當(dāng)需要時(shí)在輸入側(cè)設(shè)置熱泵；圖13示出了整個(gè)系統(tǒng)的視圖，其中，在輸入回路具有緩沖換熱器，并利用太陽(yáng)能陣列作為熱源。這有利于當(dāng)需要時(shí)在輸入側(cè)設(shè)置熱泵；圖14示出了整個(gè)系統(tǒng)的視圖，其中，在輸入回路不具有緩沖換熱器，并利用一般的廢熱源；圖15示出了整個(gè)系統(tǒng)的視圖，其中，在輸入回路不具有緩沖換熱器，并利用太陽(yáng)能陣列作為熱源；圖16示出了圖12所示的整個(gè)系統(tǒng)視圖的替代實(shí)施方式，其中，外部熱回路與熱泵回路為間接熱交換的關(guān)系；圖17示出了圖13所示的整個(gè)系統(tǒng)視圖的替代實(shí)施方式，其中，外部熱回路與熱泵回路為間接熱交換的關(guān)系；圖18示出了圖14所示的整個(gè)系統(tǒng)視圖的替代實(shí)施方式，其中，外部熱回路與熱泵回路為間接熱交換的關(guān)系；圖19示出了圖15所示的整個(gè)系統(tǒng)視圖的替代實(shí)施方式，其中，外部熱回路與熱泵回路為間接熱交換的關(guān)系；圖20示出了與圖16所示的整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似但具有渦輪回路中的子冷卻器的替代形式的整個(gè)系統(tǒng)；圖21示出了與圖17所示的整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似但具有渦輪回路中的子冷卻器的替代形式的整個(gè)系統(tǒng)；圖22示出了與圖18所示的整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似但具有渦輪回路中的子冷卻器的替代形式的整個(gè)系統(tǒng)；圖23示出了與圖19所示的整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似但具有渦輪回路中的子冷卻器的替代形式的整個(gè)系統(tǒng)；圖24示出與圖20所示的整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似的整個(gè)系統(tǒng)，其還包括熱氣旁路和截止閥，用于啟動(dòng)的輔助膨脹閥以及電功率發(fā)生的替代形式；圖25示出與圖21所示的整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似的整個(gè)系統(tǒng)，其還包括熱氣旁路和截止閥，用于啟動(dòng)的輔助膨脹閥以及電功率發(fā)生的替代形式；圖26示出與圖22所示的整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似的整個(gè)系統(tǒng)，其還包括熱氣旁路和截止閥，用于啟動(dòng)的輔助膨脹閥以及電功率發(fā)生的替代形式；圖27示出與圖23所示的整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似的整個(gè)系統(tǒng)，其還包括熱氣旁路和截止閥，用于啟動(dòng)的輔助膨脹閥以及電功率發(fā)生的替代形式。
具體實(shí)施例方式圖I到11描述了熱力引擎。圖12到15描述了完整的熱カ系統(tǒng)。從熱カ引擎開(kāi)始，圖I示出了熱カ引擎組件的分解圖。如圖所示，熱カ引擎包括左端鐘狀件6、右端鐘狀件7和環(huán)狀件4，上述三個(gè)部件共同用于包圍、密封、和支撐引擎。旋轉(zhuǎn)件I安裝在軸3上，軸3由安裝在左端鐘狀件6和右端鐘狀件7內(nèi)的軸承5支撐。軸3操作為連接于發(fā)電機(jī)或其他機(jī)械設(shè)備，以從旋轉(zhuǎn)件I得到運(yùn)轉(zhuǎn)。左端機(jī)架包括入口端ロ 16，每個(gè)入口端ロ 16支撐ー個(gè)噴嘴8。右端鐘狀件7包括排氣端ロ 17。盡管本發(fā)明示出了四個(gè)入口噴嘴，但是入口端口和對(duì)應(yīng)噴嘴的數(shù)量可從ー個(gè)到多個(gè)變化。左端鐘狀件6、環(huán)狀件4和右端鐘狀件7由多個(gè)緊固件以流體密封的關(guān)系牢固地緊固在一起，所述的緊固件例如為螺釘、螺母或密封件(未示出)?？?5以圓周的形式間隔地設(shè)置在左端鐘狀件6、右端鐘狀件7和環(huán)狀件4的周?chē)?，且其大小被設(shè)置為允許多個(gè)螺釘中的每個(gè)穿過(guò)。葉片2安裝在旋轉(zhuǎn)件I上。應(yīng)該理解，示出的葉片和噴嘴的數(shù)量并不是唯一可能的數(shù)量。例如，這些數(shù)量可變化用來(lái)增加熱力引擎的功率輸出。同樣，盡管軸承5示出為滾珠軸承，但是應(yīng)該理解，也可使用其它類(lèi)型的軸承，例如，滾針軸承、滾柱軸承、徑向軸承、磁カ軸承等。旋轉(zhuǎn)件I具有靠近左端鐘狀件6的第一平坦表面51和靠近右端鐘狀件7的第ニ平坦表面53。外圍表面55與第一和第二平坦表面都鄰接。葉片2的寬度近似等于第一和第二平坦表面之間的距離，葉片2的高度從外圍表面55向外延伸。圖2A、2B、3A和3B示出了旋轉(zhuǎn)件和葉片附件的一些其它細(xì)節(jié)。旋轉(zhuǎn)件I具有燕尾形安裝槽9，葉片2可從側(cè)面滑進(jìn)安裝槽9中。葉片2包括具有安裝孔13的楔形基座10，銷(xiāo)釘和螺釘穿過(guò)安裝孔13安裝，從而在葉片滑進(jìn)安裝槽9內(nèi)之后將葉片保持在適當(dāng)位置。結(jié)合的效果是防止了葉片由于旋轉(zhuǎn)カ而從旋轉(zhuǎn)件移開(kāi)，還防止了葉片從ー側(cè)移動(dòng)到另ー側(cè)從而在圍繞物的側(cè)壁上摩擦。每個(gè)葉片2都在葉片的第一側(cè)面上具有凹表面12，并在葉片2的第二側(cè)面上具有凸表面11。
在工作中，噴嘴8將高速氣體導(dǎo)向每個(gè)葉片2的凹表面12。噴嘴的角度和葉片的形狀提供了大量的優(yōu)勢(shì)。圖IOA和IlA示出了噴嘴的截面。氣體從左進(jìn)入，并穿過(guò)圖IOA所示的收縮噴嘴、或圖11所示的收縮-張開(kāi)噴嘴，以達(dá)到非常高的氣流速度。每個(gè)噴嘴都緊固并密封在各自的入口端ロ 16內(nèi)，以便于根據(jù)需要移除或替換。此外，可使用不同的噴嘴設(shè)計(jì)來(lái)在需要改變流體性質(zhì)的不同環(huán)境中對(duì)引擎進(jìn)行操作。噴嘴形成為細(xì)長(zhǎng)中空體，用于容納工作氣體并將其運(yùn)送至準(zhǔn)確的位置并以希望的方向流動(dòng)。噴嘴出ロ處的錐形末端將離開(kāi)的流置于安裝在旋轉(zhuǎn)件I上的葉片2附近的期望位置。與離開(kāi)噴嘴的非常高速的氣流速度結(jié)合的、大的總體流(集中的)導(dǎo)致集中流的非常大的動(dòng)量。因而，與現(xiàn)有引擎相比，該流具有明顯優(yōu)勢(shì)。圖8A、8B和圖9示出了導(dǎo)向葉片的該流。圖8A示出了葉片2的一個(gè)實(shí)施方式，圖 8B示出了葉片2’的替換實(shí)施方式。如圖所示，氣流在氣流入ロ與葉片2和2’之間以非常小的角度(例如，10度)被引入。如該設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的，該流幾乎筆直地進(jìn)入葉片2的凹表面
12。由于越過(guò)葉片的高速氣流，因此在葉片安裝之后，兩個(gè)重要的力被施加于葉片和旋轉(zhuǎn)件。當(dāng)流直接沖擊葉片時(shí)，葉片的上游側(cè)或凹表面12上的壓カ變?yōu)榇笥谌~片的下游側(cè)或凸表面11上的壓力。這就產(chǎn)生了葉片2上的壓カ差(AP)。AP乘以葉片的表面積得到ー個(gè)力，該カ然后向旋轉(zhuǎn)件I施加旋轉(zhuǎn)力。第二個(gè)重要的力是大的動(dòng)量變化的結(jié)果。流幾乎豎直向上地進(jìn)入(如圖8A所示)，并幾乎豎直向下地流出，這意味著得到幾乎完全反向的流(幾乎180度)。在圖8B所示的實(shí)施方式中，流幾乎豎直向上地進(jìn)入葉片2’但非豎直向下地流出，而是產(chǎn)生大致120度的反向的流。如圖SB所示，葉片2’的下游邊緣以比圖8A所示的葉片2大的角度引導(dǎo)排出的氣流。葉片2’的下游邊緣的配置將防止在渦輪中產(chǎn)生過(guò)量的背壓。由于速度和動(dòng)量是矢量，輸入的動(dòng)量“M”變?yōu)檩敵龅膸缀鯙椤?M”的動(dòng)量。這就得到了總共為M-(-M)=2M的動(dòng)量變化。精確的值當(dāng)然依賴(lài)于精確的葉片角度。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中僅將流引入為靠在葉片上、或使流通過(guò)稍微彎曲的葉片而得到的動(dòng)量變化而言，這都帶來(lái)了極大的改進(jìn)。每個(gè)葉片上的合力是以上兩個(gè)重要的力結(jié)合的結(jié)果。圖4是左端鐘狀件6、旋轉(zhuǎn)件I、葉片2和噴嘴8在單ー視圖中分層示出的透視圖。如圖I和圖4所示，本發(fā)明特別提供了多個(gè)葉片和多個(gè)噴嘴，從而使多個(gè)カ的脈沖并行地應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)件I。當(dāng)旋轉(zhuǎn)件完成完整旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更大數(shù)量的力脈沖。并行地提供多個(gè)脈沖増大了在給定時(shí)刻可用的轉(zhuǎn)矩。每個(gè)旋轉(zhuǎn)提供多個(gè)脈沖増大了每個(gè)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可改變?nèi)~片和噴嘴的數(shù)量，從而改變引擎可產(chǎn)生的能量。圖示的數(shù)量?jī)H用于示例性目的，而不作為限制。圖IOA是收縮噴嘴8A的截面圖，圖IOB是收縮噴嘴8A的透視圖。圖IlA是收縮-張開(kāi)噴嘴8B的截面圖，圖IlB是收縮-張開(kāi)噴嘴8B的透視圖。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到這些安裝特征的變體。示出的特征說(shuō)明了結(jié)構(gòu)但并不作為限制。具有更大直徑的渦輪將從相同的壓カ差產(chǎn)生更大轉(zhuǎn)矩也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。同樣地，具有更寬葉片的渦輪將導(dǎo)致反應(yīng)表面區(qū)域増大，且因此產(chǎn)生比具有較小寬度葉片的渦輪更大的力和轉(zhuǎn)矩。在下面系統(tǒng)中利用的換熱器可為多種類(lèi)型，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可預(yù)想到可選擇類(lèi)型且合適數(shù)量的單元來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的工作效率。接下來(lái)，我們分析如圖12至15所示的總的熱力系統(tǒng)。上述附圖示出了可能的可選配置。本領(lǐng)域技術(shù)人員可預(yù)想基本配置的其它變體，上述基本配置并不作為限制。如圖12所示，三個(gè)熱カ回路構(gòu)成該系統(tǒng)。這三個(gè)熱カ回路為從源引進(jìn)熱的外部回路，直接運(yùn)行引擎的內(nèi)部回路，和將引擎的廢熱再利用于系統(tǒng)的熱泵回路。下面詳細(xì)描述。外部回路或熱源回路從熱源18開(kāi)始。該源可為任何低溫?zé)岬脑矗魏蔚蜏責(zé)岚▉?lái)自任何數(shù)量的廢熱源或太陽(yáng)能熱源和地?zé)嵩吹膹U熱。在該實(shí)施方式中，外部熱源可供應(yīng)低至250° F的溫度。在該回路的操作模式中，通過(guò)第一熱傳遞流體將來(lái)自源18的熱傳送至泵21。第一熱傳遞流體可為Paratherm NF⑩或許多商用等同中的ー種 。泵21的速度由控制單元22控制，以達(dá)到期望的壓カ和流速?？蓪踩y并入該回路以避免形成破壞性過(guò)壓。然后，可將熱傳遞流體傳送至儲(chǔ)熱箱23，利用相變材料保持。儲(chǔ)熱箱23內(nèi)的材料在被加熱到期望溫度時(shí)，其相從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。這種材料熔化的熱非常大并且能在小體積內(nèi)保持非常大的熱量。儲(chǔ)存的熱可在之后當(dāng)外部熱源可能變得暫時(shí)不可用時(shí)使用。氮箱20用來(lái)將例如氮?dú)獾亩栊詺怏w保持在膨脹箱的頂部，以防止抽吸壓力降至太低而產(chǎn)生泵氣穴現(xiàn)象，并用來(lái)防止腐蝕。一旦儲(chǔ)存了期望的熱量且達(dá)到期望的溫度，則啟動(dòng)次級(jí)泵25。該泵使來(lái)自儲(chǔ)存箱23的第二熱傳遞流體循環(huán)至主換熱器24。次級(jí)速度控制器26控制泵25并維持期望的壓力和流速。提供至主換熱器24的熱現(xiàn)在則可使用。還提供了旁路閥47，在出現(xiàn)且必須丟棄到環(huán)境中的過(guò)熱的情況下，旁路閥用來(lái)在需要時(shí)允許熱源繞過(guò)主換熱器24，并且還允許將熱旁路至卸載負(fù)載(dump load) 19中。內(nèi)部回路或渦輪回路以下述方式工作。內(nèi)部回路或渦輪回路將來(lái)自主換熱器24的熱由作為制冷劑的熱傳遞流體傳送至熱カ引擎27。熱カ引擎27以圖I至11公開(kāi)的方式構(gòu)造和操作。制冷劑將在低于300° F的低溫和小于200磅/平方英寸(psig)的壓カ下工作。在工作中，渦輪回路中的熱傳遞流體在低至80° F的溫度下液化，并且當(dāng)在熱カ引擎中使用時(shí)在大約70° F汽化。熱カ引擎27接著工作并將能量傳送至發(fā)電機(jī)單元28。發(fā)電機(jī)單元28產(chǎn)生傳導(dǎo)至換流器29的電力。換流器29對(duì)能量進(jìn)行處理并使其可在外部使用。在變熱的過(guò)程中，離開(kāi)換熱器24的制冷劑通過(guò)孔ロ 44繞過(guò)熱力引擎。這就使得內(nèi)部回路能變熱而不將熱氣提供給冷的熱カ引擎，否則其將液化并產(chǎn)生問(wèn)題。非常少量的熱氣在這個(gè)時(shí)候通過(guò)熱カ引擎，將使其升溫但不會(huì)使氣體過(guò)度液化至液體。在離開(kāi)引擎27之后，氣態(tài)的制冷劑通入換熱器30，換熱器30用來(lái)將氣體液化回液體。在此處理中，熱被釋放至現(xiàn)在將要討論的熱泵回路。內(nèi)部回路制冷劑(現(xiàn)在為液體)在離開(kāi)換熱器30之后，穿過(guò)壓カ控制閥46，壓カ控制閥46防止壓カ降至過(guò)低而影響回路功能。僅在系統(tǒng)可能安裝在涼爽氣候的情況下需要壓カ控制閥46。在這種情況下，從冷凝器出來(lái)的被液化的液體的壓カ可能降至過(guò)低。沒(méi)有足夠的壓力存在，制冷劑將不會(huì)以充足的量循環(huán)，因?yàn)樾枰獕亥珌?lái)迫使循環(huán)。壓頭控制閥通過(guò)暫時(shí)且自動(dòng)地降低冷凝器的能力而保持高壓來(lái)避免這種壓カ損失。然后，將制冷劑存儲(chǔ)在接收器45中，等待進(jìn)ー步的循環(huán)需求。一旦要求更多的流體，制冷劑則離開(kāi)接收器45并穿過(guò)子冷卻器38，正好充分冷卻以防止在液體中過(guò)早形成任何氣泡。然后，該流繼續(xù)延伸至泵41。除了將液體繞回路循環(huán)之外，泵還用來(lái)將液體壓カ升高至操作所需的水平。流量計(jì)42測(cè)量由泵速控制的流速。
高壓液體然后流至閥40。該閥通常為開(kāi)啟的，但在引擎關(guān)閉時(shí)關(guān)閉，以防止淹沒(méi)下游組件。在通過(guò)閥40之后，該流到達(dá)換熱器39。此時(shí)，該流獲取從熱泵回路回收的熱，現(xiàn)在將對(duì)此進(jìn)行討論。這使得液體的溫度上升并使其汽化從而形成氣體。自此，該流行進(jìn)回到換熱器24，并在換熱器處接收所需的熱的平衡，并且循環(huán)再次開(kāi)始。事實(shí)上，系統(tǒng)回收的熱量為使得從換熱器39得到操作引擎所需的大部分熱量。每次繞回路僅從換熱器24增加少量的熱。這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率來(lái)說(shuō)是重要的，并且與現(xiàn)有引擎完全不同。下面介紹熱泵回路或熱回收回路。從接收器36開(kāi)始，在壓カ下將液態(tài)的熱回收傳遞流體(制冷劑)提供至膨脹閥31。此時(shí)，壓カ以受控的方式迅速下降，并將下降的壓カ提供至換熱器30。在此過(guò)程中，制冷劑開(kāi)始汽化并變?yōu)榉浅＠涞臍怏w。冷氣通過(guò)換熱器30從內(nèi)部回路吸熱，并將吸收的熱帶走以 便被回收。冷氣現(xiàn)在行進(jìn)至壓力控制閥32，在壓カ控制閥處對(duì)壓カ的降低進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓カ控制閥32被認(rèn)為是任選的并且用于防止系統(tǒng)中的蒸發(fā)器變得太冷。實(shí)際上這很少發(fā)生。氣體壓カ保持足夠高以使氣體溫度不會(huì)下降到低于期望溫度。自此，氣體行進(jìn)至聚積器34，在聚積器34處，任何無(wú)意殘留的液滴都被臨時(shí)保存，從而防止其到達(dá)并損壞壓縮機(jī)。仍然為冷氣的流然后行進(jìn)至壓縮機(jī)35。盡管可使用各種類(lèi)型的壓縮機(jī)，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員將選擇類(lèi)型和合適數(shù)量的単元以實(shí)現(xiàn)最大的工作效率。例如，可使用多単元渦旋式壓縮機(jī)。此時(shí)，氣體被極大地壓縮，到達(dá)高得多的壓カ和溫度水平。然后，該流行進(jìn)至換熱器39，在換熱器39處，溫度足夠高從而可將熱有效地重新注入內(nèi)部回路或渦輪回路處理。這樣，該熱以及從壓縮機(jī)的壓縮工作獲得的熱一起被回收。在穿過(guò)換熱器39的過(guò)程中，熱泵回路制冷氣體充分冷卻，從而再次液化為液體。然后，其穿過(guò)子冷卻器37，將任何殘留液體液化，并將液體稍微再冷卻。然后，該流穿過(guò)防止壓カ降至太低而影響回路功能的壓カ控制閥33，并最終返回接收器36，在接收器36處再次開(kāi)始熱泵回路處理。使用過(guò)濾/干燥元件來(lái)去除回路中的雜散顆粒和雜散濕氣，從而防止全部組件結(jié)冰、損壞和腐蝕。此外，提供了系統(tǒng)控制器和顯示器43。利用為此創(chuàng)建的軟件提供了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，如此復(fù)雜的系統(tǒng)只能在自動(dòng)控制下現(xiàn)場(chǎng)操作。圖13是圖12所示的能量系統(tǒng)的圖示，其中，在輸入回路中具有緩沖換熱器，太陽(yáng)能陣列替代作為熱源。這有利于根據(jù)需要在輸入側(cè)使用熱泵。圖14是圖12所示的能量系統(tǒng)的圖示，然而，在圖14的情況下，在輸入回路不具有緩沖換熱器，且使用一般的廢熱源。圖15是與圖14所示的系統(tǒng)類(lèi)似的系統(tǒng)，其在輸入回路不具有緩沖換熱器，并用太陽(yáng)能陣列替代作為熱源。如圖16至圖19所示，三個(gè)熱カ回路構(gòu)成能量系統(tǒng)的替換實(shí)施方式。這三個(gè)熱カ回路為從源引進(jìn)熱的外部回路，直接運(yùn)行引擎的內(nèi)部回路，和將引擎的廢熱再循環(huán)于系統(tǒng)的熱泵回路。在此實(shí)施方式中，來(lái)自外部回路的熱被引導(dǎo)至熱泵回路，而非如之前實(shí)施方式那樣被引導(dǎo)至渦輪回路，從而能夠使用溫度低于之前實(shí)施方式中所使用的廢熱。理論上，能夠使用低至約50° F溫度的廢熱，但是流輸入熱的體積將非常大以在每小時(shí)捕獲足夠大的BTU，足夠大的BTU可能使裝置不切實(shí)際地變大。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從產(chǎn)生約150° F廢熱的傳統(tǒng)空調(diào)單元產(chǎn)生的廢熱尤其適用于此系統(tǒng)。同樣地，來(lái)自產(chǎn)生120° F范圍內(nèi)的廢熱的發(fā)電廠渦輪冷凝器的廢熱也尤其適用于此系統(tǒng)。圖16至圖19所示的系統(tǒng)共享圖12至圖15所示的系統(tǒng)中示出且描述的系統(tǒng)的大部分的相同組件。外部回路或熱源回路從熱源18開(kāi)始。該源可為任何低溫?zé)岬脑?，任何低溫?zé)岚▉?lái)自任何數(shù)量的廢熱源諸如空調(diào)單元或發(fā)電廠渦輪冷凝器的廢熱。外部熱源可供應(yīng)低至50° F的溫度，但是優(yōu)選地供應(yīng)120° F至150° F范圍內(nèi)的溫度。在該回路的操作模式中，通過(guò)第一熱傳遞流體將來(lái)自源18的熱傳送至泵21。第一熱傳遞流體可為ParathermNF 或許多商用等同中的ー種。泵21的速度由控制單元22控制，以達(dá)到期望的壓カ和流速?？蓪踩y并入該回路以避免形成破壞性過(guò)壓。然后，可將熱傳遞流體傳送至儲(chǔ)熱箱23，利用相變材料保持。儲(chǔ)熱箱23內(nèi)的材料在被加熱到期望溫度時(shí)，其相從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。這種材料熔化的熱非常大并且能在小體積內(nèi)保持非常大的熱量。儲(chǔ)存的熱可在之后當(dāng)外部熱源可能變?yōu)闀簳r(shí)不可用時(shí)使用。氮箱20用來(lái)將例如氮?dú)獾亩栊詺怏w保持在膨脹箱的頂部，以防止抽吸壓力降至太低而產(chǎn)生泵氣穴現(xiàn)象，并用來(lái)防止腐蝕。 一旦儲(chǔ)存了期望的熱量且達(dá)到期望的溫度，則啟動(dòng)次級(jí)泵25。該泵使來(lái)自儲(chǔ)存箱23的第二熱傳遞流體循環(huán)至主換熱器24。次級(jí)速度控制器26控制泵25并維持期望的壓力和流速。提供至主換熱器24的熱現(xiàn)在則可使用。還提供了旁路閥47，在出現(xiàn)必須丟棄到環(huán)境中的過(guò)熱的情況下，旁路閥用來(lái)在需要時(shí)允許熱源繞過(guò)主換熱器24，并允許將熱旁路至卸載負(fù)載19中。內(nèi)部回路或渦輪回路以下述方式工作。熱カ引擎27以圖I至11公開(kāi)的方式構(gòu)造和操作。制冷劑將在低于300° F的低溫和小于200psig的壓カ下工作。在工作中，渦輪回路中的熱傳遞流體在低至80° F的溫度下液化，并且當(dāng)在熱カ引擎中使用時(shí)在大約70° F汽化。熱カ引擎27接著工作并將能量傳送至發(fā)電機(jī)単元28。發(fā)電機(jī)単元28產(chǎn)生傳導(dǎo)至換流器29的電力。換流器29對(duì)能量進(jìn)行處理并使其可在外部使用。在變熱的過(guò)程中，離開(kāi)換熱器24的制冷劑通過(guò)孔ロ 44繞過(guò)熱カ引擎。這使得內(nèi)部回路變熱，而不將熱氣提供給冷的熱カ引擎，否則將液化并產(chǎn)生問(wèn)題。在離開(kāi)引擎27之后，氣態(tài)的制冷劑通入換熱器30，換熱器30用來(lái)將氣體液化回液體。在此處理中，熱被釋放至現(xiàn)在將要討論的熱泵回路。內(nèi)部回路制冷劑(現(xiàn)在為液體)在離開(kāi)換熱器30之后，穿過(guò)壓カ控制閥46，壓カ控制閥46防止壓カ降至過(guò)低而影響回路功能。僅在系統(tǒng)可能安裝在涼爽的氣候的情況下需要壓カ控制閥46。在這種情況下，從冷凝器出來(lái)的被液化的液體的壓カ可能降至過(guò)低。沒(méi)有足夠的壓力存在，制冷劑將不會(huì)以充足的量循環(huán)，因?yàn)樾枰獕亥仁寡h(huán)。壓頭控制閥通過(guò)暫時(shí)且自動(dòng)地降低冷凝器的能力而保持高壓來(lái)避免這種壓カ損失。然后，將制冷劑存儲(chǔ)在接收器45中，等待進(jìn)ー步的循環(huán)需求。一旦要求更多的流體，制冷劑則離開(kāi)接收器45并穿過(guò)子冷卻器38，正好充分冷卻以防止在液體中過(guò)早形成任何氣泡。然后，該流繼續(xù)延伸至泵41。除了將液體繞回路循環(huán)之外，泵還用來(lái)將液體壓カ升高至操作所需的水平。流量計(jì)42測(cè)量由泵速控制的流速。高壓流體然后流至閥40。該閥通常為開(kāi)啟的，但在引擎關(guān)閉時(shí)關(guān)閉，以防止淹沒(méi)下游組件。
在通過(guò)閥40之后，該流到達(dá)換熱器39。此時(shí)，該流獲取從熱泵回路以及外部或外熱回路回收的熱，現(xiàn)在將對(duì)此進(jìn)行討論。這使得液體的溫度上升并使其汽化從而形成氣體。自此，該流行進(jìn)到熱カ引擎27。減熱器54緊接著位于熱カ引擎27的下游。減熱器54的功能是處理存在于渦輪排氣中的過(guò)熱。在渦輪內(nèi)，焓被轉(zhuǎn)換為機(jī)械功。然而，并非所有的焓都可有效地轉(zhuǎn)換成渦輪內(nèi)的功，因此相當(dāng)大量的焓將留在排氣中。如果所有的焓被傳遞至熱泵回路進(jìn)行回收，則將會(huì)蓋過(guò)熱泵的容量。如果熱泵足夠強(qiáng)大以避免被蓋過(guò)，則熱泵自身將消耗的能量多于其所能產(chǎn)生的能量。減熱器54使用氣冷換熱器將過(guò)剩的焓抽送至環(huán)境。減熱器54不會(huì)將熱氣液化為液體而僅從熱氣移除一些過(guò)剩能量。事實(shí)上系統(tǒng)回收許多熱量，并且這對(duì)總系統(tǒng)的效率極為重要，并且與現(xiàn)有引擎完全不同。下面描述熱泵回路或熱回收回路。從接收器36開(kāi)始，在壓カ下將液態(tài)的熱回收傳遞流體(制冷劑)提供至膨脹閥31。此時(shí)，壓カ以受控的方式迅速下降，并將下降的壓カ提供至換熱器30。在此過(guò)程中，制冷劑開(kāi)始汽化并變?yōu)榉浅＠涞臍怏w。冷氣通過(guò)換熱器30從內(nèi)部回路吸熱，并將吸收的熱帶走以便被回收。冷氣現(xiàn)在行進(jìn)至壓力控制閥32，在壓カ控制閥處對(duì)壓カ的降低進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓カ控制閥32及被設(shè)計(jì)成EPR閥的其它閥可被認(rèn)為是任選的，并且用于防止系統(tǒng)中的蒸發(fā)器變得過(guò)冷。事實(shí)上這很少發(fā)生。此時(shí)熱回收流體已經(jīng)通過(guò)換熱器24并且通過(guò)管路50傳送至流中。此時(shí)來(lái)自外部回路的熱被加到熱泵回路。氣體壓力保持足夠高以使氣體溫度不會(huì)下降到低于期望溫度。自此，氣體行進(jìn)至聚積器34，在聚積器34處，任何無(wú)意殘留的液滴都被臨時(shí)保存，從而防止其到達(dá)并損壞壓縮機(jī)。流然后行進(jìn)至壓縮機(jī)35。此時(shí)，氣體被極大地壓縮，到達(dá)高得多的壓カ和溫度水平。然后，該流行進(jìn)至換熱器39，在換熱器39處，溫度足夠高從而可將熱有效地重新注入內(nèi)部回路或渦輪回路處理。因此熱回收回路包含已經(jīng)回收的來(lái)自渦輪回路的熱、來(lái)自外部回路的熱以及從壓縮機(jī)的壓縮工作獲得的熱。在穿過(guò)換熱器39的過(guò)程中，熱泵回路制冷氣體充分冷卻，從而再次液化為液體。優(yōu)選地，水冷冷凝器56緊接著位于換熱器39的下游，水冷冷凝器56僅在系統(tǒng)操作的啟動(dòng) 和調(diào)節(jié)階段使用。水冷冷凝器56在主冷凝器還未提升到其期望容量時(shí)(例如啟動(dòng)時(shí))為熱泵回路中的熱氣提供液化功能。如果水冷冷凝器56不存在，則熱氣可能不能完全液化，從而導(dǎo)致熱泵回路功能的故障。在ー些特定參數(shù)下，水冷冷凝器56可被認(rèn)為是任選的。熱泵制冷劑然后穿過(guò)子冷卻器37，將任何殘留液體液化，并將液體稍微再冷卻。然后其穿過(guò)防止壓カ降至太低而影響回路功能的壓カ控制閥33，并最終返回接收器36，在接收器36處再次開(kāi)始熱泵回路處理。連接在膨脹閥31上游的回流管路52將制冷劑的一部分傳送至換熱器
24。使用過(guò)濾/干燥元件來(lái)去除回路中的雜散顆粒和雜散濕氣，從而防止全部組件結(jié)冰、損壞和腐蝕。此外，提供了系統(tǒng)控制器和顯示器43。利用為此創(chuàng)建的軟件提供了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，如此復(fù)雜的系統(tǒng)只能在自動(dòng)控制下現(xiàn)場(chǎng)操作。圖17是圖16所示能量系統(tǒng)的圖示，其中在輸入回路中具有緩沖換熱器，太陽(yáng)能陣列替代作為熱源。這有利于根據(jù)需要在輸入側(cè)使用熱泵。圖18是圖16所示的能量系統(tǒng)的圖示，然而在圖18的情況下，在輸入回路不具有緩沖換熱器，且使用一般的廢熱源。
圖19是圖18所示的系統(tǒng)類(lèi)似的系統(tǒng)，其在輸入回路不具有緩沖換熱器，并且太陽(yáng)能陣列替代作為熱源。圖20至圖23示出了圖16至圖19所示的實(shí)施方式的替代的系統(tǒng)實(shí)施方式。在此系統(tǒng)實(shí)施方式中，制冷子冷卻器58取代之前實(shí)施方式中的氣冷子冷卻器38。制冷子冷卻器58在渦輪中緊挨著位于泵41前。制冷子冷卻器能夠在給定的環(huán)境溫度下具有合適的性能。通過(guò)氣冷子冷卻器38，當(dāng)氣溫到達(dá)特定值(在約80° F的區(qū)域)時(shí)，子冷卻器會(huì)出現(xiàn)故障并且使液體制冷劑閃變?yōu)闅怏w。一旦氣體到達(dá)泵的輸入端，泵將不能適當(dāng)?shù)毓ぷ鞑⑶覝u輪將停止工作。在這些情況下，當(dāng)環(huán)境溫度太熱時(shí)，需要使用制冷劑的可替代的子冷卻器設(shè)計(jì)。少量的熱泵容量通過(guò)毛細(xì)管分接出并且被傳送至換熱器使用，如圖20至圖23所示。該制冷劑的作用是將流入渦輪泵41的液體溫度降低至比環(huán)境低若干度的溫度。液體將足夠冷使其不能閃變?yōu)闅怏w。這樣會(huì)消除泵故障并因此排除渦輪的停止。而且，圖20-23的系統(tǒng)實(shí)施方式示出了任選的熱氣旁路閥60。旁路閥60作用為在低流期間增加制冷劑的流量。當(dāng)熱負(fù)載較低時(shí)，這可能在啟動(dòng)時(shí)發(fā)生。被注入的熱氣使通過(guò)系統(tǒng)的流的體積和速度増大，從而防止不期望地形成穿過(guò)熱泵回路的制冷劑油。 圖24至圖27所示的系統(tǒng)實(shí)施方式示出了圖20至圖23所示的系統(tǒng)的替代實(shí)施方式。在此實(shí)施方式中，除了主膨脹閥31之外還使用了啟動(dòng)膨脹閥62。主膨脹閥31為被設(shè)計(jì)為處理施加在引擎的熱泵回路上的滿負(fù)載的非常大容量単元。該閥為按需在銘位值(nameplate value)的20%與銘位值的約120%的最大值之間自控制、調(diào)節(jié)其輸出。不幸地，當(dāng)單元首次啟動(dòng)并且變熱時(shí)，所施加的負(fù)載顯著小于銘位值的20%。因此，不能使用主膨脹閥，因?yàn)槠溥h(yuǎn)不能節(jié)流。結(jié)果是過(guò)度供給制冷劑，這將使所連接的換熱器超載和過(guò)填充。該問(wèn)題通過(guò)在兩個(gè)閥之間具有控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)來(lái)解決。主閥31在變熱時(shí)關(guān)閉并且更小的啟動(dòng)膨脹閥62在該位置打開(kāi)。該啟動(dòng)膨脹閥62能夠充分節(jié)流。隨后，當(dāng)壓カ和溫度傳感器檢測(cè)到啟動(dòng)閥62已經(jīng)到達(dá)其滿容量吋，啟動(dòng)閥62關(guān)閉，系統(tǒng)恢復(fù)到使用主膨脹閥31來(lái)替代。該實(shí)施方式公開(kāi)了發(fā)電機(jī)64，發(fā)電機(jī)64可以是能夠?qū)C(jī)械功轉(zhuǎn)換為電能的任意配置。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，這種類(lèi)型的發(fā)生器可用于前述能量系統(tǒng)實(shí)施方式中的任ー個(gè)。ー種可能的配置是使用三相電機(jī)作為發(fā)電機(jī)。其是與所施加的馬カ成精確比例的自調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電功率。這樣完全消除了對(duì)昂貴的功率轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)部件的需求。三相電機(jī)必須具有合適的尺寸，以使最大可用軸馬カ不會(huì)使電機(jī)電超載。同樣地，熱カ引擎27的機(jī)械輸出可用作使用軸馬カ的任意類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備的能量輸出，該機(jī)械設(shè)備諸如但不限于泵、壓縮機(jī)、磨碎設(shè)備等。將認(rèn)識(shí)到，包括壓カ計(jì)量表和服務(wù)端ロ以及未專(zhuān)門(mén)討論的其它元件在內(nèi)的全部組件可以稍微不同的順序設(shè)置，而仍然在本系統(tǒng)的意圖內(nèi)。示出的附圖僅為示意性的，而不作為限制。本文提到的全部專(zhuān)利和公開(kāi)文獻(xiàn)表示本領(lǐng)域技術(shù)人員的水平。全部這些專(zhuān)利和公開(kāi)文件都通過(guò)引用并入本文，就好像每篇公開(kāi)文獻(xiàn)被專(zhuān)門(mén)和単獨(dú)指出通過(guò)引用并入本文一樣。應(yīng)該理解，盡管說(shuō)明了本發(fā)明的ー些形式，但本發(fā)明并不限于本文描述和示出的具體形式或設(shè)置。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，可作出多種變化而不偏離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明并不限于說(shuō)明書(shū)和附圖中描述和示出的內(nèi)容。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明適用于實(shí)現(xiàn)上文提及的和其固有的目的和效果。本文描述的實(shí)施方式、方法、處理過(guò)程和技術(shù)是用來(lái)表示優(yōu)選的實(shí)施方式，其趨向?yàn)槭纠缘?，而不作為?duì)范圍的限制。本發(fā)明精神范圍內(nèi)、由權(quán)利要求的范圍限定的變化和其他使用對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。盡管結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解，要求保護(hù)的本發(fā)明不應(yīng)過(guò)度地限于這些具體實(shí)施方式
。實(shí)際上，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的、本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的對(duì) 上述模式的各種修改也趨向于包含在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種燃?xì)廨啓C(jī)，包括 旋轉(zhuǎn)部件，所述旋轉(zhuǎn)部件配置為具有第一平面和第二平面的大致為圓形的盤(pán)，所述旋轉(zhuǎn)部件還包括與所述第一平面和所述第二外表面相鄰的周邊外表面； 葉片，安裝在所述旋轉(zhuǎn)部件的所述周邊外表面上，并且所述葉片具有由所述周邊外表面徑向向外延伸的高度以及在所述第一平面和所述第二平面之間延伸的寬度，所述葉片在其第一側(cè)上具有凹面，在其第二側(cè)上具有凸面，所述凸面和所述凹面從鄰近于所述第一平面的位置延伸至鄰近于所述第二平面的位置； 氣態(tài)工作流體源； 機(jī)架，包圍所述旋轉(zhuǎn)部件，所述機(jī)架具有至少ー個(gè)氣體入ロ、至少ー個(gè)氣體排放ロ以及腔體，所述腔體的大小被配置為用于容納所述旋轉(zhuǎn)部件，所述至少一個(gè)氣體入ロ中的每個(gè)均包括產(chǎn)生非常高速率的氣流的噴嘴，所述噴嘴在其出口處具有錐形末端，以用于以非常 小的角度將很高速率的氣流引導(dǎo)至所述葉片的所述凹面上， 其中所述高速氣流離開(kāi)所述噴嘴并幾乎垂直地入射到所述葉片的所述凹面上，然后，所述高速氣流轉(zhuǎn)變方向并沿著所述凹面的曲率前迸，并且以與所述高速氣流入射到所述葉片的所述凹面上的方向呈幾乎120度的方向流動(dòng)離開(kāi)所述葉片的所述凹面，從而施加幾乎兩倍于所述高速氣流的動(dòng)量的動(dòng)量。
2.如權(quán)利要求I所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中越過(guò)所述葉片的所述凹面的所述高速氣流在鄰近于所述葉片的所述凹面產(chǎn)生的壓強(qiáng)比在鄰近于所述葉片的所述凸面產(chǎn)生的壓強(qiáng)大，從而由所述葉片的所述表面乘以壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的力用于使所述旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求2所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中所述噴嘴具有會(huì)聚的內(nèi)流動(dòng)路徑，以使熱的氣體以很高的速率流動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中所述噴嘴還具有發(fā)散的內(nèi)流動(dòng)路徑，所述發(fā)散的內(nèi)流動(dòng)路徑將使所述速率加速至超聲流動(dòng)，從而使熱的氣體的有用動(dòng)量增加。
5.如權(quán)利要求I所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中所述旋轉(zhuǎn)部件具有至少ー個(gè)燕尾形安裝槽，所述葉片能夠從側(cè)面滑入所述安裝槽內(nèi)，所述葉片具有楔形基座，所述楔形基座具有安裝孔，螺釘和螺栓穿過(guò)所述安裝孔安裝，從而使所述葉片在滑入所述安裝槽中后保持所述葉片的位置。
6.如權(quán)利要求5所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中所述旋轉(zhuǎn)部件具有多個(gè)燕尾安裝槽，并且所述葉片中的一個(gè)安裝在每個(gè)所述安裝槽中。
7.如權(quán)利要求I所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中在所述流動(dòng)入口和所述葉片之間以大約10度的很小的角度引導(dǎo)氣流。
8.如權(quán)利要求I所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中所述機(jī)架包括左端鐘狀件、右端鐘狀件和環(huán)狀件，所述左端鐘狀件、右端鐘狀件和環(huán)狀件的大小配置為包圍、密封并支撐所述旋轉(zhuǎn)部件。
9.如權(quán)利要求8所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中所述旋轉(zhuǎn)部件安裝在軸上，所述軸由軸承支撐，所述軸承安裝在所述左端鐘狀件和所述右端鐘狀件中。
10.如權(quán)利要求9所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中所述軸操作性地連接于發(fā)電機(jī)或其他機(jī)械裝置，從而從所述旋轉(zhuǎn)部件獲取能量。
11.一種功率生成系統(tǒng)，包括 熱カ熱源回路，具有約150° F或更低溫度的外部熱源以及與熱源具有熱交換關(guān)系的第一工作流體； 第一泵，處于所述熱源回路內(nèi)，以使所述第一工作流體和換熱器循環(huán)； 熱カ熱引擎回路，具有第二工作流體和泵，所述第二工作流體為制冷劑，所述泵處于所述熱カ熱引擎回路內(nèi)，以使所述第二工作流體循環(huán)，并在熱循環(huán)過(guò)程中提高所述第二工作流體的壓強(qiáng)；所述熱カ熱引擎回路還具有熱引擎，所述熱引擎與所述第二工作流體處于流體連通； 熱カ熱回收回路，具有第三工作流體和壓縮機(jī)，所述第三工作流體為制冷劑，所述壓縮機(jī)處于所述熱カ熱回收回路中，以使所述第三工作流體循環(huán)并提高所述熱回收回路中的所述第三工作流體的壓強(qiáng)和溫度，并且所述換熱器將熱從所述第一工作流體轉(zhuǎn)移至所述第三工作流體； 所述熱回收回路具有熱輸入換熱器和単獨(dú)的熱輸出換熱器，從而使所述輸入換熱器將熱從所述熱引擎回路轉(zhuǎn)移至所述熱回收回路，并使所述輸出換熱器將熱從所述熱回收回路轉(zhuǎn)移至所述熱引擎回路。
12.如權(quán)利要求11所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述第二工作流體將在小于300°F的溫度下、小于200psig的壓強(qiáng)下工作，并且所述工作流體在通過(guò)所述熱カ熱引擎回路循環(huán)時(shí)，將在低至80° F的溫度下凝結(jié)，以及在約70° F汽化。
13.如權(quán)利要求11所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱源回路包括包含熱量存儲(chǔ)介質(zhì)的保持罐，所述熱量存儲(chǔ)介質(zhì)為相變材料，所述相變材料將在給定的恒定溫度下由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從而所述熱量存儲(chǔ)材料的熔解熱使得在小體積中存儲(chǔ)大量熱量。
14.如權(quán)利要求11所述的功率生成系統(tǒng),其中所述熱源來(lái)自空調(diào)系統(tǒng)的廢熱、其他電廠或其他熱カ系統(tǒng)的廢熱。
15.如權(quán)利要求12所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱源包括電廠渦輪冷凝器。
16.如權(quán)利要求12所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱源包括熱太陽(yáng)能陣列。
17.如權(quán)利要求12所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱源是地?zé)岙a(chǎn)生的。
18.如權(quán)利要求12所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱引擎包括 旋轉(zhuǎn)部件，所述旋轉(zhuǎn)部件配置為具有第一平面和第二平面的大致為圓形的盤(pán)，所述旋轉(zhuǎn)部件還包括與所述第一平面和所述第二外表面相鄰的周邊外表面； 葉片，安裝在所述旋轉(zhuǎn)部件的所述周邊外表面上，并且所述葉片具有由所述周邊外表面徑向向外延伸的高度以及在所述第一平面和所述第二平面之間延伸的寬度，所述葉片在其第一側(cè)上具有凹面，在其第二側(cè)上具有凸面，所述凸面和所述凹面從鄰近于所述第一平面的位置延伸至鄰近于所述第二平面的位置； 氣態(tài)工作流體源； 機(jī)架，包圍所述旋轉(zhuǎn)部件，所述機(jī)架具有至少ー個(gè)氣體入ロ、至少ー個(gè)氣體排放ロ以及腔體，所述至少一個(gè)氣體入口用于將所述第二工作流體引入所述熱引擎，所述腔體的大小被配置為用于容納所述旋轉(zhuǎn)部件，所述至少一個(gè)氣體入ロ中的每個(gè)均包括產(chǎn)生很高速率的氣流的噴嘴，所述噴嘴在其出口處具有錐形末端，以用于以非常小的角度將很高速率的氣流引導(dǎo)至所述葉片的所述凹面上。
19.如權(quán)利要求18所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述高速氣流離開(kāi)所述噴嘴并幾乎垂直地入射到所述葉片的所述凹面上，然后，所述高速氣流轉(zhuǎn)變方向并沿著所述凹面的曲率前迸，并且以與所述高速氣流入射到所述葉片的所述凹面上的方向呈120度至幾乎180度范圍的方向流動(dòng)離開(kāi)所述葉片的所述凹面，從而施加幾乎兩倍于所述高速氣流的動(dòng)量的動(dòng)量。
20.如權(quán)利要求19所述的功率生成系統(tǒng)，其中越過(guò)所述葉片的所述凹面的所述高速氣流在鄰近于所述葉片的所述凹面產(chǎn)生的壓強(qiáng)比在鄰近于所述葉片的所述凸面產(chǎn)生的壓強(qiáng)大，從而由所述葉片的所述表面乘以壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的力用于使所述旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。
21.如權(quán)利要求12所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱引擎回路包括廢熱輸出換 熱器和単獨(dú)的熱回收輸入換熱器，所述廢熱輸出交換器與所述熱回收回路熱輸入換熱器為間接熱交換關(guān)系，所述熱回收輸入換熱器與所述熱回收回路熱輸出換熱器為間接熱交換關(guān)系。
22.如權(quán)利要求12所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱回收回路包括膨脹閥，從而使熱回收回路中的壓強(qiáng)減小，并且使所述壓縮機(jī)平衡，并同時(shí)產(chǎn)生從所述熱カ熱引擎回路中去除熱量所必需的冷卻作用。
23.如權(quán)利要求22所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱回收回路還包括防止來(lái)自于所述膨脹閥的壓強(qiáng)下降得過(guò)低的第一壓強(qiáng)調(diào)整閥，從而避免所述回收回路輸出換熱器的過(guò)冷卻，而且所述熱カ熱回收回路還包括防止來(lái)自于所述壓縮機(jī)的壓強(qiáng)下降得過(guò)低的第二壓強(qiáng)調(diào)整器。
24.如權(quán)利要求23所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱回收回路還包括聚積器，所述聚積器獲取分散的液體，從而防止分散的液體到達(dá)所述壓縮機(jī)并防止造成損壞，所述熱力熱回收回路還包括儲(chǔ)備容器，所述儲(chǔ)備容器保持制冷劑的足夠供給以防止所述第三工作流體的短缺。
25.如權(quán)利要求24所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱回收回路還包括子冷卻換熱器，所述子冷卻換熱器根據(jù)需要從所述熱回收回路向外界排出多余熱量，從而保持所述第三工作流體不會(huì)產(chǎn)生能夠?qū)е滤鲩y發(fā)生故障的不需要的氣泡，所述熱カ熱回收回路還包括過(guò)濾干燥元件，所述過(guò)濾干燥元件從所述第三工作流體中去除分散的粒子和濕氣，從而防止結(jié)冰、損壞和腐蝕。
26.如權(quán)利要求12所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱源回路包括旁路閥，所述旁路閥允許所述熱源在需要時(shí)繞過(guò)所述換熱器，從而使熱量旁路至卸載負(fù)載。
27.如權(quán)利要求26所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱源回路包括安全閥以避免形成損壞性的壓強(qiáng)過(guò)大。
28.一種功率生成系統(tǒng)，包括熱カ熱源回路，具有約150° F或更低溫度的外部熱源以及與熱源具有熱交換關(guān)系的第一工作流體； 第一泵，處于所述熱源回路中，以使所述第一工作流體循環(huán)至儲(chǔ)熱罐和緩沖熱源回路，所述緩沖熱源回路包括第二泵，所述第二泵將熱從所述儲(chǔ)熱罐轉(zhuǎn)移至換熱器； 熱カ熱引擎回路，具有第二工作流體和泵，所述第二工作流體為制冷劑，所述泵處于所述熱カ熱引擎回路內(nèi)，以使所述第二工作流體循環(huán)，并在熱カ循環(huán)過(guò)程中提升所述第二エ作流體的壓強(qiáng)；所述熱カ熱引擎回路還具有熱引擎，所述熱引擎與所述第二工作流體處于流體連通；熱カ熱回收回路，具有第三工作流體和壓縮機(jī)，所述第三工作流體為制冷劑，所述壓縮機(jī)處于所述熱カ熱回收回路內(nèi)，以使所述第三工作流體循環(huán)并提高所述熱回收回路內(nèi)的所述第三工作流體的壓強(qiáng)和溫度，所述換熱器將熱從所述第一工作流體轉(zhuǎn)移至所述第三工作流體；所述熱回收回路具有熱輸入換熱器和単獨(dú)的熱輸出換熱器，從而使所述輸入換熱器將熱從所述熱引擎回路轉(zhuǎn)移至所述熱回收回路，并使所述輸出換熱器將熱從所述熱回收回路轉(zhuǎn)移至所述熱引擎回路，所述熱引擎包括 旋轉(zhuǎn)部件，所述旋轉(zhuǎn)部件配置為具有第一平面和第二平面的大致為圓形的盤(pán)，所述旋轉(zhuǎn)部件還包括與所述第一平面和所述第二外表面相鄰的周邊外表面； 至少ー個(gè)葉片，安裝在所述旋轉(zhuǎn)部件的所述周邊外表面上，并且所述葉片具有由所述周邊外表面徑向向外延伸的高度以及在所述第一平面和所述第二平面之間延伸的寬度，所述葉片在其第一側(cè)上具有凹面，在其第二側(cè)上具有凸面，所述凸面和所述凹面從鄰近于所述第一平面的位置延伸至鄰近于所述第二平面的位置； 機(jī)架，包圍所述旋轉(zhuǎn)部件，所述機(jī)架具有至少ー個(gè)氣體入ロ、至少ー個(gè)氣體排放ロ以及 腔體，所述至少一個(gè)氣體入口用于將所述第二工作流體引入所述熱引擎，所述腔體的大小被配置為用于容納所述旋轉(zhuǎn)部件，所述至少一個(gè)氣體入ロ中的每個(gè)均包括產(chǎn)生非常高速率的氣流的噴嘴，所述噴嘴在其出口處具有錐形末端，以用于以非常小的角度將非常高速率的氣流引導(dǎo)至所述葉片的所述凹面上， 所述高速氣流離開(kāi)所述噴嘴并幾乎垂直地入射到所述葉片的所述凹面上，然后，所述高速氣流轉(zhuǎn)變方向并沿著所述凹面的曲率前進(jìn)并且以與所述高速氣流入射到所述葉片的所述凹面上的方向呈在大致120度至幾乎180度之間的方向流動(dòng)離開(kāi)所述葉片的所述凹面，從而施加幾乎兩倍于所述高速氣流的動(dòng)量的動(dòng)量，并且 越過(guò)所述葉片的所述凹面的所述高速氣流在鄰近于所述葉片的所述凹面產(chǎn)生的壓強(qiáng)比在鄰近于所述葉片的所述凸面產(chǎn)生的壓強(qiáng)大，從而由所述葉片的所述表面乘以壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的力用于使所述旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。
29.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述第二工作流體將在小于300°F的溫度下、小于200psig的壓強(qiáng)下工作，并且所述工作流體在通過(guò)所述熱カ熱引擎回路循環(huán)時(shí)，將在低至80° F的溫度下凝結(jié)，以及在約70° F汽化。
30.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述儲(chǔ)熱罐包括包含熱量存儲(chǔ)介質(zhì)的保持罐，所述熱量存儲(chǔ)介質(zhì)為相變材料，所述相變材料將在給定的恒定溫度下由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從而所述熱量存儲(chǔ)材料的熔解熱使得在小體積中存儲(chǔ)大量熱量。
31.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱源來(lái)自于空調(diào)系統(tǒng)或制冷系統(tǒng)的廢熱。
32.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱源包括電廠渦輪冷凝器。
33.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱源是地?zé)岙a(chǎn)生的或太陽(yáng)能。
34.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱引擎回路包括廢熱輸出換熱器和単獨(dú)的熱回收輸入換熱器，所述廢熱輸出交換器與所述熱回收回路熱輸入換熱器為間接熱交換關(guān)系，所述熱回收輸入換熱器與所述熱回收回路熱輸出換熱器為間接熱交換關(guān)系。
35.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱回收回路包括膨脹閥，從而使熱回收回路中的壓強(qiáng)減小，并且使所述壓縮機(jī)平衡，并同時(shí)產(chǎn)生從所述熱カ熱引擎回路中去除熱量所必需的冷卻作用。
36.如權(quán)利要求35所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱回收回路還包括防止來(lái)自于所述膨脹閥的壓強(qiáng)下降得過(guò)低的第一壓強(qiáng)調(diào)整閥，從而避免所述回收回路輸出換熱器的過(guò)冷卻，而且所述熱カ熱回收回路還包括防止來(lái)自于所述壓縮機(jī)的壓強(qiáng)下降得過(guò)低的第二壓強(qiáng)調(diào)整器。
37.如權(quán)利要求36所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱回收回路還包括聚積器，所述聚積器獲取分散的液體，從而防止分散的液體到達(dá)所述壓縮機(jī)并防止造成損壞，所述熱力熱回收回路還包括儲(chǔ)備容器，所述儲(chǔ)備容器保持制冷劑的足夠供給以防止所述第三工作流體的短缺。
38.如權(quán)利要求37所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱回收回路還包括子冷卻換熱 器，所述子冷卻換熱器根據(jù)需要從所述熱回收回路向外界排出多余熱量，從而保持所述第三工作流體不會(huì)產(chǎn)生能夠?qū)е滤鲩y發(fā)生故障的不需要的氣泡，所述熱カ熱回收回路還包 括過(guò)濾干燥元件，所述過(guò)濾干燥元件從所述第三工作流體中去除分散的粒子和濕氣，從而防止結(jié)冰、損壞和腐蝕。
39.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱源回路包括旁路閥，所述旁路閥允許所述熱源在需要時(shí)繞過(guò)所述換熱器，從而使熱量旁路到卸載負(fù)載。
40.如權(quán)利要求39所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱源回路包括安全閥以避免形成損壞性的壓強(qiáng)過(guò)大。
41.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱カ熱源回路和所述緩沖回路均包括膨脹箱，以防止吸入壓強(qiáng)過(guò)低并導(dǎo)致泵氣蝕，還防止腐蝕。
42.如權(quán)利要求28所述的功率生成系統(tǒng)，其中減熱器緊接著位于所述熱引擎的下游從而將多余熱量卸放給環(huán)境。
43.如權(quán)利要求38所述的功率生成系統(tǒng)，還包括水冷冷凝器換熱器，所述水冷冷凝換熱器緊接著位于僅在所述系統(tǒng)操作的啟動(dòng)和調(diào)節(jié)階段使用的子冷卻器換熱器的下游。
44.如權(quán)利要求42所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述熱引擎回路包括位于所述減熱器下游和循環(huán)泵上游的子冷卻器。
45.如權(quán)利要求44所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述子冷卻器是制冷型的。
46.如權(quán)利要求44所述的功率生成系統(tǒng)，其中所述子冷卻器氣冷型的。
全文摘要
功率生成系統(tǒng)包括熱源回路、熱力引擎回路、和熱回收回路。熱可以是來(lái)自蒸汽渦輪、工業(yè)處理或制冷或空調(diào)系統(tǒng)、太陽(yáng)能集熱器或地?zé)嵩吹膹U熱。熱源回路還可包括熱量存儲(chǔ)介質(zhì)，以允許即使在熱源間斷時(shí)也能持續(xù)工作。來(lái)自熱源回路的熱被引入到熱回收回路或渦輪回路中。在渦輪回路中，工作流體蒸發(fā)、注入渦輪、再利用、液化和回收。該功率生成系統(tǒng)還包括熱回收回路，熱回收回路具有從渦輪回路獲取熱量的流體。熱回收回路的流體然后升高到更高的溫度并設(shè)置為與渦輪回路的工作流體處于熱交換關(guān)系。功率發(fā)生系統(tǒng)能夠使用大致為150華氏度或更低的低溫廢熱。渦輪包括安裝在旋轉(zhuǎn)部件上的一個(gè)或多個(gè)葉片。渦輪還包括一個(gè)或多個(gè)噴嘴，這些噴嘴能以非常小的角度和非常高的速度將氣態(tài)工作流體引入到葉片的表面上。葉片的上游表面和下游表面之間的壓差和高速熱氣流的方向變化產(chǎn)生影響旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)的合力。
文檔編號(hào)F01D5/30GK102869855SQ201080064036
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月18日
發(fā)明者羅伯特·F·沃特斯特里沛, 加里·P·霍夫曼, 理查德·L·威洛比 申請(qǐng)人:熱力技術(shù)有限責(zé)任公司