用于產(chǎn)生有用功的系統(tǒng)、體積流體膨脹器和能量回收系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種體積膨脹器，其構(gòu)造為轉(zhuǎn)移工作流體和產(chǎn)生有用功，并包括殼體。該殼體包括構(gòu)造為接納相對高壓的工作流體的入口端和構(gòu)造為排出相對低壓的工作流體的出口端。該膨脹器還包括第一和第二扭轉(zhuǎn)嚙合轉(zhuǎn)子，其可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在殼體中并構(gòu)造為使相對高壓的工作流體膨脹成為相對低壓的工作流體。每個轉(zhuǎn)子具有多個葉片，當?shù)谝晦D(zhuǎn)子的一個葉片相對于入口端超前時，第二轉(zhuǎn)子的一個葉片相對于入口端拖后。該膨脹器還包括輸出軸，該輸出軸在工作流體膨脹時由相對高壓的工作流體驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。本實用新型還公開了一種在朗肯循環(huán)中使用膨脹器以產(chǎn)生功的系統(tǒng)。
【專利說明】用于產(chǎn)生有用功的系統(tǒng)、體積流體膨脹器和能量回收系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及利用燃燒發(fā)動機的廢熱的系統(tǒng)，特別是借助于體積流體膨脹器裝置使用有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle)來利用廢熱的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]朗肯循環(huán)是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機械功的發(fā)電循環(huán)。朗肯循環(huán)通常用于熱發(fā)動機中，并且通過使工作物質(zhì)從較高溫度狀態(tài)轉(zhuǎn)到較低溫度狀態(tài)來完成上述轉(zhuǎn)化。經(jīng)典的朗肯循環(huán)是基于蒸汽發(fā)動機的操作的基本熱力學(xué)過程。
[0003]在朗肯循環(huán)中，熱“源”產(chǎn)生熱能，該熱能使工作物質(zhì)達到較高溫度狀態(tài)。工作物質(zhì)在發(fā)動機的“工作體”中做功，同時將熱量傳遞到較冷的“散熱器(sink)”直到工作物質(zhì)達到較低的溫度狀態(tài)。在此過程中，通過利用工作物質(zhì)的特性，一些熱能被轉(zhuǎn)化為功。熱量在外面被供給到閉合回路中的工作物質(zhì)，其中，所述工作物質(zhì)是具有非零熱容的流體，其可以是氣體或液體，例如水。朗肯循環(huán)的效率通常被工作流體所限制。
[0004]朗肯循環(huán)通常采用單獨的子系統(tǒng)，如冷凝器、流體泵、諸如沸騰器的熱交換器、以及膨脹器式渦輪機。所述泵常常用于加壓從冷凝器中接收的作為液體而不是氣體的工作流體。通常，所有的能量在泵送工作流體通過完整循環(huán)的過程中損失，沸騰器中的工作流體的大部分汽化能也是如此。能量因此在循環(huán)中損失，主要因為在渦輪機中可以發(fā)生的冷凝被限制在約10%，以使渦輪葉片的侵蝕最小化，而汽化能被該循環(huán)拒絕通過冷凝器。另一方面，與在壓縮機內(nèi)壓縮作為氣體的流體相比，泵送作為液體的工作流體通過該循環(huán)需要輸送流體所需的能量的相對較小份額。
[0005]經(jīng)典的朗肯循環(huán)的一個變型是有機朗肯循環(huán)(0RC)，其命名是由于使用有機高分子質(zhì)量流體，并具有比水-汽相變更低的溫度下發(fā)生的液-汽相變或沸點。這樣，作為經(jīng)典的朗肯循環(huán)中的水和蒸汽的替代，在ORC中的工作流體可以是溶劑，例如正戊烷(n-pentane)或甲苯。ORC工作流體允許從較低溫度源的朗肯循環(huán)熱回收，如生物質(zhì)燃燒、工業(yè)廢熱、地?zé)?、太陽池等。低溫?zé)崛缓罂杀晦D(zhuǎn)化為有用功，該有用功繼而可被轉(zhuǎn)化為電力。
實用新型內(nèi)容
[0006]概括地說，本實用新型所要解決的一個技術(shù)問題是提高產(chǎn)生廢熱的車輛內(nèi)燃發(fā)動機的工作效率。更具體地說，本實用新型所提出的技術(shù)方案旨在提高與內(nèi)燃發(fā)動機一起使用的現(xiàn)有的廢熱回收系統(tǒng)的效率。
[0007]構(gòu)造為轉(zhuǎn)移工作流體并產(chǎn)生有用功的體積或容積式膨脹器包括一個殼體。該殼體包括構(gòu)造為接納相對高壓的工作流體的入口端，和構(gòu)造為排出相對低壓的工作流體的出口端。該膨脹器還包括第一和第二扭轉(zhuǎn)嚙合轉(zhuǎn)子，其可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在殼體中并且構(gòu)造為使相對高壓的工作流體膨脹為相對低壓的工作流體。每個轉(zhuǎn)子都具有多個葉片(lobe)，并且當?shù)谝晦D(zhuǎn)子的一個葉片相對于入口端超前時，第二轉(zhuǎn)子的一個葉片相對于該入口端拖后。膨脹器另外還包括輸出軸，其構(gòu)造為在相對高壓的工作流體進行膨脹時由該工作流體驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
[0008]本公開的另一個實施例針對一種用于經(jīng)由閉環(huán)的朗肯循環(huán)產(chǎn)生有用功的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)包括上述的體積膨脹器。
[0009]本公開的另一個實施例針對一種車輛,該車輛包括發(fā)電設(shè)備(power-plant)并采用上述系統(tǒng)以增加該發(fā)電設(shè)備所產(chǎn)生的電力。
[0010]具體地，本實用新型涉及一種用于經(jīng)由閉環(huán)朗肯循環(huán)產(chǎn)生有用功的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:構(gòu)造為冷凝工作流體的冷凝器；構(gòu)造為對工作流體加壓的流體泵；構(gòu)造為加熱工作流體的熱交換器；以及體積流體膨脹器，所述膨脹器構(gòu)造為接收來自熱交換器的工作流體，產(chǎn)生功，并將工作流體轉(zhuǎn)移到冷凝器，所述膨脹器包括:殼體，所述殼體具有構(gòu)造為接納相對高壓的工作流體的入口端，和構(gòu)造為排出相對低壓的工作流體的出口端；第一和第二扭轉(zhuǎn)嚙合轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在殼體中，并構(gòu)造為使相對高壓的工作流體膨脹成為相對低壓的工作流體，其中，每個轉(zhuǎn)子具有多個葉片；以及輸出軸，所述輸出軸操作性地連接到第一和第二轉(zhuǎn)子之一，并且在工作流體進行膨脹時被工作流體驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
[0011]優(yōu)選地，所述入口端包括相對于拖后葉片入射的入口角，當所述拖后葉片被旋轉(zhuǎn)并呈現(xiàn)于工作流體時，所述入口角基本平行于所述拖后葉片的表面平面。
[0012]本實用新型還涉及一種體積流體膨脹器，所述膨脹器構(gòu)造為轉(zhuǎn)移工作流體并產(chǎn)生有用功，所述膨脹器包括:殼體，所述殼體具有構(gòu)造為接納相對高壓的工作流體的入口端，和構(gòu)造為排出相對低壓的工作流體的出口端；第一和第二扭轉(zhuǎn)嚙合轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可轉(zhuǎn)動地設(shè)置在殼體中，并構(gòu)造為使相對高壓的工作流體膨脹成為相對低壓的工作流體，其中，每個轉(zhuǎn)子具有多個限定螺旋角的葉片；以及具有旋轉(zhuǎn)軸線的輸出軸，所述輸出軸構(gòu)造為在工作流體進行膨脹時由相對高壓的工作流體驅(qū)動旋轉(zhuǎn)；其中，所述螺旋角在大約25度和大約40度之間，并且入口角相對于輸出軸的旋轉(zhuǎn)軸線是傾斜的，并具有在所述螺旋角的大約15度以內(nèi)的值。
[0013]本實用新型另外涉及一種能量回收系統(tǒng)，包括:產(chǎn)生廢熱流的動力源，所述動力源具有動力輸入位置；構(gòu)造為將能量從廢熱流轉(zhuǎn)移到動力輸入位置的體積能量回收裝置，該體積能量回收裝置包括:具有入口端和出口端的殼體；與入口端和出口端流體連通的第一和第二扭轉(zhuǎn)嚙合轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在殼體內(nèi)，其中，第一扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的第一旋轉(zhuǎn)軸線平行于第二扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的第二旋轉(zhuǎn)軸線；輸出軸，所述輸出軸操作性地連接到第一和第二轉(zhuǎn)子之一并連接到動力源的動力輸入位置，所述輸出軸由來自廢熱流的功率驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
[0014]當結(jié)合附圖和所附的權(quán)利要求考慮時，從以下對用于實施所述實用新型的實施例和最佳模式的詳細說明中，本公開的上述特征和優(yōu)點以及其它的特征和優(yōu)點將是顯而易見的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是采用朗肯循環(huán)以產(chǎn)生有用功的系統(tǒng)的示意性圖示，該系統(tǒng)具有作為根據(jù)本公開原理的各個方面的示例的特征。
[0016]圖2是圖1所示系統(tǒng)所使用的膨脹器的示意性透視俯視圖。
[0017]圖3是圖2所示的膨脹器的示意性剖面?zhèn)纫晥D。
[0018]圖4是示出圖1所示系統(tǒng)所采用的朗肯循環(huán)的圖表。[0019]圖5是圖1所示系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)正被具有內(nèi)燃(IC)發(fā)動機的車輛用作車輛發(fā)電設(shè)備。
[0020]圖6是圖1所示系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)正被具有燃料電池的車輛用作車輛發(fā)電設(shè)備。
[0021]圖7是圖1所示系統(tǒng)中可使用的膨脹器的構(gòu)造的側(cè)視圖。
[0022]圖8是沿膨脹器的軸向中心線截取的圖7所示的膨脹器的剖視圖。
[0023]圖9是示出圖7所示的膨脹器的轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)的示意圖。
[0024]圖10是圖7所示的膨脹器的示意性剖面圖。
【具體實施方式】
[0025]參照附圖，其中在多個附圖中相同的附圖標記對應(yīng)于相同或類似的部件。圖1-10示出了一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，具有雙交錯扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的體積能量回收裝置20從來自否則將被浪費的動力源的廢熱流中提取能量，例如從來自內(nèi)燃發(fā)動機52的排氣流。如所構(gòu)造的，體積能量回收裝置20將所提取的能量經(jīng)由裝置20的輸出軸38返回到發(fā)動機52。在一個實施例中，利用齒輪減速器19在輸出軸38和發(fā)動機52的動力輸入位置(如發(fā)動機的驅(qū)動軸)之間轉(zhuǎn)移能量。因此，體積能量回收裝置20進行操作以增加發(fā)動機52的總體效率。
[0026]在一些實施例中，利用中間工作流體12-1在發(fā)動機廢氣和裝置20之間轉(zhuǎn)移能量。參照圖1，系統(tǒng)10被示意性示出，其中在朗肯循環(huán)中利用工作流體12-1。一般地，朗肯循環(huán)在閉環(huán)中使用工作物質(zhì)，通常為流體，以操作動力產(chǎn)生系統(tǒng)和用于將熱能轉(zhuǎn)化為機械功的熱發(fā)動機。在朗肯循環(huán)中，熱“源”產(chǎn)生熱能，該熱能使工作物質(zhì)到達升溫狀態(tài)。工作物質(zhì)在熱發(fā)動機的“工作體”中產(chǎn)生功，同時將熱能轉(zhuǎn)移到較冷的“散熱器”，直到工作物質(zhì)到達較低的溫度狀態(tài)。在此過程中，通過利用工作物質(zhì)的特性，一些熱能轉(zhuǎn)化為機械功。
[0027]如圖1中示意性示出的，系統(tǒng)10采用工作流體12作為用于閉環(huán)循環(huán)的工作物質(zhì)，同時利用朗肯循環(huán)產(chǎn)生機械功。該系統(tǒng)10包括構(gòu)造為壓縮或冷凝工作流體12的冷凝器14。系統(tǒng)10還包括流體泵16。泵16構(gòu)造為接收來自冷凝器14的工作流體12，并對經(jīng)冷凝的工作流體12加壓。系統(tǒng)10還包括熱交換器18。熱交換器18構(gòu)造為接收來自泵16的工作流體12，并使該工作流體沸騰。系統(tǒng)10另外還包括體積旋轉(zhuǎn)膨脹裝置或膨脹器20。膨脹器20構(gòu)造為接收來自熱交換器18的工作流體12，產(chǎn)生功，并通過將工作流體轉(zhuǎn)移回冷凝器14完成朗肯循環(huán)中的環(huán)。
[0028]體積能暈回收裝置-綜述
[0029]一般地，體積能量回收裝置20依靠工作流體12-1的動能和靜態(tài)壓力來旋轉(zhuǎn)輸出軸38。在裝置20被用于膨脹應(yīng)用的情況下(例如與朗肯循環(huán)一起)，經(jīng)由流體膨脹從工作流體中提取額外的能量。在這些情況下，裝置20可以被稱為膨脹器或膨脹裝置，如在下面段落中所稱謂的。然而，可以理解的是，裝置20并不限于工作流體在該裝置內(nèi)膨脹的應(yīng)用。
[0030]膨脹裝置20具有帶流體入口 24和流體出口 26的殼體22，通過流體出口 26的工作流體12-1承受壓降以將能量轉(zhuǎn)移到輸出軸38。輸出軸38由同步連接的第一和第二交錯反向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子30、32所驅(qū)動，所述轉(zhuǎn)子設(shè)置在殼體22的腔體28內(nèi)。每個轉(zhuǎn)子30、32具有被扭曲的或沿轉(zhuǎn)子30、32的長度螺旋地設(shè)置的葉片。在轉(zhuǎn)子30、32旋轉(zhuǎn)時，葉片相對于殼體的內(nèi)側(cè)至少部分地密封工作流體12-1，從而工作流體12-1的膨脹在轉(zhuǎn)子葉片上賦予進一步的旋轉(zhuǎn)力。與一些當流體被密封時改變工作流體體積的膨脹裝置相反，由于工作流體12-1橫穿轉(zhuǎn)子30、32的長度，在葉片和裝置20的殼體22的內(nèi)側(cè)之間所限定的體積是恒定的。因此，膨脹裝置20可被稱為“體積裝置(volumetric device)”，因為被密封或部分密封的工作流體體積不改變。應(yīng)當指出，本領(lǐng)域技術(shù)人員在研究本公開后將會清楚的是，所描述的膨脹器20的幾何形狀和結(jié)構(gòu)不同于典型的羅茨式壓縮機的幾何形狀和結(jié)構(gòu)。
[0031]在圖2和圖3中詳細示出了膨脹器20。膨脹器20包括殼體22。如圖2所示，殼體22包括入口端24，該入口端24構(gòu)造為從熱交換器18 (圖1所示)接納相對高壓的工作流體12-1。殼體22還包括出口端26，該出口端26構(gòu)造為排出相對低壓的工作流體12_2到冷凝器14 (圖1所示)。參照圖8，入口端和出口端24、26可分別設(shè)置有連接器25、27，用于相對于其他系統(tǒng)部件提供流體緊密封，以確保工作流體12-1、12-2 (其可為乙醇)不會危險地泄漏到膨脹器20外部。
[0032]如圖3另外所示，每個轉(zhuǎn)子30、32對于轉(zhuǎn)子30具有四個葉片30-1、30-2、30_3和30-4，并且對于轉(zhuǎn)子32具有四個葉片32-1、32-2、32-3和32_4。盡管示出了每個轉(zhuǎn)子30和32的四個葉片，但是兩個轉(zhuǎn)子中的每一個都可以具有等于或大于2的任意數(shù)目的葉片，只要葉片的數(shù)目對于兩個轉(zhuǎn)子是相同的就可以。因此，當轉(zhuǎn)子30的一個葉片，如葉片30-1，相對于入口端24超前時，轉(zhuǎn)子32的葉片，如葉片30-2，相對于入口端24并因此相對于高壓工作流體12-1的流是拖后的。
[0033]如圖所示，第一和第二轉(zhuǎn)子30和32固定到各自的轉(zhuǎn)子軸上，第一轉(zhuǎn)子固定到輸出軸38上并且第二轉(zhuǎn)子固定到軸40上。每個轉(zhuǎn)子軸38、40分別安裝成圍繞軸線X1、X2在一組軸承(圖中未示出)上旋轉(zhuǎn)。應(yīng)當注意的是，軸線Xl和X2大致彼此平行。第一和第二轉(zhuǎn)子30和32交錯并連續(xù)地嚙合以便彼此一體旋轉(zhuǎn)。再次參照圖2，膨脹器20還包括嚙合的定時齒輪42和44，其中，定時齒輪42固定成與轉(zhuǎn)子30 —起旋轉(zhuǎn)，而定時齒輪44固定成與轉(zhuǎn)子32 —起旋轉(zhuǎn)。定時齒輪42、44構(gòu)造為保持轉(zhuǎn)子30、32的指定位置，并防止在膨脹器20的操作過程中轉(zhuǎn)子之間的接觸。
[0034]由于工作流體承受從相對高壓的工作流體12-1到相對低壓的工作流體12-2的膨脹，輸出軸38被工作流體12驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。如在圖2和圖3中可以另外看到的，輸出軸38延伸超出殼體22的邊界。因此，輸出軸38構(gòu)造為在工作流體12的膨脹期間(該膨脹在入口端24和出口端26之間的轉(zhuǎn)子腔體28內(nèi)發(fā)生)獲取由膨脹器20產(chǎn)生的功或功率，并將所述功作為輸出轉(zhuǎn)矩從膨脹器20轉(zhuǎn)移。盡管輸出軸38示出為操作性地連接到第一轉(zhuǎn)子30，但是在替代方案中，輸出軸38可以操作性地連接到第二轉(zhuǎn)子32。輸出軸38可以聯(lián)接到發(fā)動機52，使得來自廢氣的能量能夠被重新捕獲。如圖1所示，設(shè)置齒輪減速器19以便在發(fā)動機52和軸38的轉(zhuǎn)速之間提供更好的匹配。
[0035]膨脹器一幾何形狀
[0036]在膨脹器20的幾何形狀的一個方面中，每個轉(zhuǎn)子葉片30-1至30-4以及32_1至32-4都具有凸角的幾何形狀，其中，第一和第二轉(zhuǎn)子30和32中的每一個的扭曲沿著它們基本匹配的長度34是恒定的。如圖9示意性示出的，凸角幾何形狀的一個參數(shù)是螺旋角HA。根據(jù)定義，應(yīng)理解的是，下文中對轉(zhuǎn)子葉片的“螺旋角”的稱謂是指在轉(zhuǎn)子30和32的節(jié)圓直徑H)(或節(jié)距圓)處的螺旋角。術(shù)語“節(jié)圓直徑(pitch diameter)”及其識別對齒輪和轉(zhuǎn)子領(lǐng)域的技術(shù)人員來說非常了解，本文將不再進一步討論。如本文所用的，螺旋角HA可計算如下:螺旋角(HA)= (180/.p1.*arctan (PD/導(dǎo)程)),其中:PD=轉(zhuǎn)子葉片的節(jié)圓直徑，導(dǎo)程(Lead)=葉片完成360度扭曲所需的葉片長度。應(yīng)當注意的是，導(dǎo)程是葉片30、32各自的扭曲角和長度L1、L2的函數(shù)。扭曲角對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說已知為葉片的角位移，以度衡量，其在從轉(zhuǎn)子后端向轉(zhuǎn)子前端沿葉片長度“行進”時發(fā)生。如圖所示，扭曲角約為120度，但是扭曲角的角度可以更少或更多，例如160度。
[0037]在膨脹器幾何形狀的另一個方面中，如圖2可示意性地看出的，以及在圖7所示的實施例中，入口端24包括入口角24-1。在一個實施例中，入口角24-1被定義為入口端24的內(nèi)表面24a (例如，如圖8所示的前側(cè)內(nèi)表面)的常規(guī)角或平均角。在一個實施例中，入口角24-1被定義為入口端24的一般中心線的角度，例如圖2所示出的。在一個實施例中，入口角24-1被定義為進入轉(zhuǎn)子30、32的工作流體12-1由于與前側(cè)內(nèi)表面24a接觸而總體產(chǎn)生的方向，如圖2和圖8可看出的。如圖所示，入口角24-1既不垂直于也不平行于轉(zhuǎn)子30,32的旋轉(zhuǎn)軸線X1、X2。因此，入口端24的前側(cè)內(nèi)表面24a使工作流體12_1的主要部分在相對于轉(zhuǎn)子30、32的旋轉(zhuǎn)軸線X1、X2成傾斜角的方向上被成形，從而大致平行于入口角24-1。
[0038]此外，如圖2和圖8所示，入口端24可以成形為使得工作流體12-1被弓丨向轉(zhuǎn)子30、32的第一軸向端部30a、30b，以及從側(cè)向被引向轉(zhuǎn)子葉片的前導(dǎo)和拖后表面(在以下討論)。然而，可以理解的是，入口角24-1可以大致平行或大致垂直于軸線Xl、X2，盡管對于某些轉(zhuǎn)子構(gòu)造可能預(yù)期產(chǎn)生效率損失。此外，應(yīng)當注意的是，入口端24可以成形為朝向入口開口24b變窄，如圖2和圖8所示。參照圖10，可以看出，入口端24具有略小于轉(zhuǎn)子30、32的組合直徑距離的寬度W。組合轉(zhuǎn)子直徑等于軸線Xl和X2之間的距離加上從中心線軸線Xl或X2到相應(yīng)葉片的末端的距離的兩倍。在一些實施例中，寬度W等于或大于組合轉(zhuǎn)子直徑。
[0039]在膨脹器幾何形狀的另一個方面中，如圖2中示意性地看出的，以及在圖7所示的實施例中，出口端26包括出口角26-1。在一個實施例中，出口角26-1被定義為出口端26的內(nèi)表面26a的常規(guī)角或平均角，例如圖8所示。在一個實施例中，出口角26-1被定義為出口端26的一般中心線的角度，例如圖2所示。在一個實施例中，出口角26-1被定義為離開轉(zhuǎn)子30、32的工作流體12-2由于與內(nèi)表面26a接觸而總體產(chǎn)生的方向，如圖2和圖8可看出的。如圖所示，出口角26-1既不垂直于也不平行于轉(zhuǎn)子30、32的旋轉(zhuǎn)軸線X1、X2。因此，出口端26的內(nèi)表面26a以傾斜角從轉(zhuǎn)子30、32接納離開的工作流體12_2，該傾斜角能減小出口端26處的背壓。在一個實施例中，入口角24-1和出口角26-1大致相等或平行，如圖2所示。在一個實施例中，入口角24-1和出口角26-1相對于彼此傾斜?？梢岳斫獾氖?，出口角26-1可以大致垂直于軸線X1、X2，盡管對于某些轉(zhuǎn)子構(gòu)造可能預(yù)期產(chǎn)生效率損失。還應(yīng)當注意的是，出口角26-1可以垂直于軸線X1、X2。如所構(gòu)造的，出口端26-1的取向和尺寸確定為使得離開的工作流體12-2能夠盡可能容易地排出每個轉(zhuǎn)子腔體28，以便盡可能多地降低背壓。
[0040]通過協(xié)調(diào)入口角24-1的幾何形狀和轉(zhuǎn)子30、32的幾何形狀，可以優(yōu)化膨脹器20的效率。例如，轉(zhuǎn)子30、32的螺旋角HA以及入口角24-1能夠以互補方式配置在一起。由于入口端24引導(dǎo)工作流體12-1到每個轉(zhuǎn)子30、32的前導(dǎo)表面和拖后表面兩者，因此工作流體12-1在膨脹器20上執(zhí)行正功和負功二者。
[0041]為便于說明，圖3示出葉片30-1、30-4、32-1和32_2均通過入口端的開口 24b暴露于工作流體12-1。每個葉片具有前導(dǎo)表面和拖后表面，這兩個表面都在相關(guān)轉(zhuǎn)子的不同旋轉(zhuǎn)點處暴露于工作流體。前導(dǎo)表面是轉(zhuǎn)子在方向Rl、R2上旋轉(zhuǎn)時葉片的最朝前的一側(cè)，而拖后表面是與前導(dǎo)表面相對的葉片一側(cè)。例如，轉(zhuǎn)子30在方向Rl上旋轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致側(cè)面30-la為葉片30-1的前導(dǎo)表面，而側(cè)面30-lb為拖后表面。當轉(zhuǎn)子32在與方向Rl相反的方向R2上旋轉(zhuǎn)時，前導(dǎo)和拖后表面成鏡像，使得側(cè)面32-2a是葉片32_2的前導(dǎo)表面，而側(cè)面32-2b是拖后表面。
[0042]概括地說，工作流體12-1在葉片的拖后表面通過入口端的開口 24b時撞擊在葉片的拖后表面上，并且在每個轉(zhuǎn)子30、32上執(zhí)行正功。通過使用術(shù)語“正功(positivework)”，它是指工作流體12-1引起轉(zhuǎn)子在所需的方向上轉(zhuǎn)動:對于轉(zhuǎn)子30為方向R1，并且對于轉(zhuǎn)子32為方向R2。如圖所示，工作流體12-1將進行操作以將正功施加到轉(zhuǎn)子32-2的拖后表面32-2b上，例如，在表面部分47上。工作流體12-1也將正功施加到轉(zhuǎn)子30_1的拖后表面30-4b上，例如表面部分46上。然而，當葉片的前導(dǎo)表面通過入口端的開口 24b時，工作流體12-1也撞擊葉片的前導(dǎo)表面，例如表面30-1和32-1，因此導(dǎo)致在每個轉(zhuǎn)子30、32上執(zhí)行負功。通過使用術(shù)語“負功(negative work)”,它是指工作流體12_1引起轉(zhuǎn)子在與所需方向Rl、R2相反方向上的旋轉(zhuǎn)。
[0043]因此，期望將轉(zhuǎn)子30、32成形和定向以及將入口端24成形和定向為使得盡可能多的工作流體12-1撞擊葉片的拖后表面，并且盡可能少的工作流體12-1撞擊前導(dǎo)葉片，以便能夠由膨脹器20執(zhí)行最高的凈正功。
[0044]用于優(yōu)化膨脹器20的效率和凈正功的一種有利的構(gòu)造是大約35度的轉(zhuǎn)子葉片螺旋角HA和大約30度的入口角24-1。這種構(gòu)造起作用以使葉片上的拖后表面的撞擊區(qū)域最大化，同時使葉片的前導(dǎo)表面的撞擊區(qū)域最小化。在一個實施例中，螺旋角在大約25度和大約40度之間。在一個實施例中，入口角24-1設(shè)定為在螺旋角HA的(正或負)15度之內(nèi)。在一個實施例中，螺旋角在大約25度和大約40度之間。在一個實施例中，入口角24-1設(shè)定為在螺旋角HA的(正或負)10度之內(nèi)。在一個實施例中，螺旋角在大約25度和大約40度之間。在一個實施例中，入口角24-1設(shè)定為在螺旋角HA的(正或負)5度之內(nèi)。在一個實施例中，入口角24-1設(shè)定為在螺旋角HA的(正或負)15 %之內(nèi)，而在一個實施例中，入口角24-1在螺旋角的10%之內(nèi)。
[0045]朗肯循環(huán)操作
[0046]圖4示出了描述代表性的朗肯循環(huán)的圖表48，該朗肯循環(huán)可適用于如參考圖1描述的系統(tǒng)10。圖表48描繪了朗肯循環(huán)的不同階段，其示出相對于熵“S”標示的攝氏溫度，其中，熵被定義為能量(以千焦耳計)除以開爾文溫度并進一步除以千克質(zhì)量(kilogram ofmass) (kJ/kg*K)。圖4所示的朗肯循環(huán)具體地為閉環(huán)的有機朗肯循環(huán)(0RC)，其可以使用有機高分子量工作流體，該工作流體具有在比經(jīng)典朗肯循環(huán)的水-汽相變更低的溫度下發(fā)生的液-汽相變或沸點。因此，在系統(tǒng)10中，工作流體12可以是溶劑，例如乙醇、正戊烷或甲苯。
[0047]在圖4的圖表48中，術(shù)語“Q”表示流向或來自系統(tǒng)10的熱流，并且通常表示為單位時間的能量。術(shù)語“W”表示由系統(tǒng)10消耗的或提供給系統(tǒng)10的機械功率，并且也通常表示為單位時間的能量。由圖4另外可以看出，ORC中有四個不同的過程或階段48-1、48-2、48-3和48-4。在階段48-1期間，濕蒸汽形式的工作流體12進入并通過冷凝器14，在其中工作流體在恒定溫度下被冷凝以變成飽和液體。在階段48-1之后，工作流體12在階段48-2期間由泵16從低壓泵送到高壓。在階段48-2期間，工作流體12處于液體狀態(tài)。
[0048]工作流體從階段48-2被轉(zhuǎn)移到階段48-3。在階段48_3期間，加壓的工作流體12進入并通過熱交換器18，在該處工作流體在恒定壓力下被外部熱源加熱以變成兩相流體，即，液體與蒸汽一起。工作流體12從階段48-3被轉(zhuǎn)移到階段48-4。在階段48_4期間，兩相流體形式的工作流體12膨脹通過膨脹器20，產(chǎn)生有用功或功率。通過膨脹器20的部分蒸發(fā)的工作流體12的膨脹減小了兩相流體的溫度和壓力，使得可能出現(xiàn)兩相工作流體12的一些額外的冷凝。在階段48-4之后，工作流體12返回到在階段48-1的冷凝器14，在該點處循環(huán)隨后完成并通常將重新啟動。
[0049]通常，朗肯循環(huán)采用構(gòu)造為使工作流體在階段48-4期間膨脹的渦輪機。在這種情況下，實際的朗肯循環(huán)另外需要過熱沸騰器以使工作流體進入過熱范圍，以便從中除去或蒸發(fā)所有的液體。這種額外的過熱過程通常是需要的，以便存留在工作流體中的任何液體將不會積聚在渦輪機處從而導(dǎo)致渦輪機葉片的腐蝕、點蝕和最終損壞。如圖所示，圖4的ORC的特征在于，沒有這種過熱沸騰器和從工作流體中蒸發(fā)所有液體所需的附帶過熱過程。由于膨脹器20構(gòu)造為雙交錯轉(zhuǎn)子裝置的事實，上述的省略是允許的，所述雙交錯轉(zhuǎn)子裝置不會受到在工作流體12中存在液體的不利影響。此外，膨脹器20受益于這種液體的存在，這主要是因為，通過密封第一和第二轉(zhuǎn)子30、32之間以及轉(zhuǎn)子和殼體22之間的間隙，殘留的液體趨向于提高膨脹器的操作效率。因此，當系統(tǒng)10中的膨脹器20產(chǎn)生有用功時，膨脹器內(nèi)的工作流體12呈現(xiàn)兩相，即，液-汽，使得ORC的轉(zhuǎn)化效率提高。然而，可以理解的是，回收裝置20可以用于涉及過熱氣體的配置中。
[0050]此外，可以在系統(tǒng)10中使用尺寸較小的膨脹器，以達到所需的功輸出。效率將決不會在63%的卡諾效率以上，因為這是最大的卡諾效率eff=l-TC0ld/Th0t。工作流體可能是乙醇，其具有在開始分解之前的最高溫度350°C。膨脹器的效率將小于渦輪機的峰值效率，但是在較大的流量范圍上，效率島(efficiency islands)顯著大于渦輪膨脹器，因此循環(huán)的總體效率較大。
[0051]如圖5所示，系統(tǒng)10可以用在具有內(nèi)燃(IC)發(fā)動機52的車輛50中作為車輛發(fā)電設(shè)備。如圖所不，該內(nèi)燃發(fā)動機52包括排氣系統(tǒng)54。排氣系統(tǒng)54可以進一步包括廢氣再循環(huán)(EGR)特征結(jié)構(gòu)。根據(jù)本公開，排氣系統(tǒng)54的EGR可以作為系統(tǒng)10的朗肯循環(huán)的熱交換器18操作。此外，如圖6所示，系統(tǒng)10可用于包括燃料電池58例如固體氧化物燃料電池的車輛56，其構(gòu)造為作為車輛發(fā)電設(shè)備運行。圖5和圖6所示的每個車輛都可通過皮帶輪或齒輪傳動系19直接地連接做功能量(work energy)，或者可以包括負載存儲裝置60，使得膨脹器20所產(chǎn)生的功可以積累在負載存儲裝置60中以用于隨后根據(jù)需要釋放。還要注意的是，負載存儲裝置60可以為蓄能器，其中，回收裝置20提供軸功率到泵或本領(lǐng)域中已知的其他類型的裝置。
[0052]以上詳細說明和附圖支持本實用新型并且是對本實用新型的描述，但是本實用新型的范圍僅由權(quán)利要求限定。雖然已經(jīng)詳細描述了用于實施本實用新型的一些最佳模式和其他的實施例，但是存在用于實施所附權(quán)利要求限定的本實用新型的各種替代設(shè)計和實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于經(jīng)由閉環(huán)朗肯循環(huán)產(chǎn)生有用功的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 構(gòu)造為冷凝工作流體的冷凝器； 構(gòu)造為對工作流體加壓的流體泵； 構(gòu)造為加熱工作流體的熱交換器；以及 體積流體膨脹器，所述膨脹器構(gòu)造為接收來自熱交換器的工作流體，產(chǎn)生功，并將工作流體轉(zhuǎn)移到冷凝器，所述膨脹器包括: 殼體，所述殼體具有構(gòu)造為接納相對高壓的工作流體的入口端，和構(gòu)造為排出相對低壓的工作流體的出口端； 第一和第二扭轉(zhuǎn)嚙合轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在殼體中，并構(gòu)造為使相對高壓的工作流體膨脹成為相對低壓的工作流體，其中，每個轉(zhuǎn)子具有多個葉片；以及 輸出軸，所述輸出軸操作性地連接到第一和第二轉(zhuǎn)子之一，并且在工作流體進行膨脹時被工作流體驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的系統(tǒng)，其特征在于，沒有過熱沸騰器，所述過熱沸騰器用于使工作流體進入過熱范圍，并且從工作流體中蒸發(fā)所有的液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括負載存儲裝置，其中，由膨脹器產(chǎn)生的機械功被積累在負載存儲裝置中以用于隨后在需要時釋放。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述入口端包括相對于拖后葉片入射的入口角，當所述拖后葉片被旋轉(zhuǎn)并呈現(xiàn)于工作流體時，所述入口角基本平行于所述拖后葉片的表面平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹器包括第一和第二嚙合定時齒輪，所述齒輪相對于第一和第二嚙合轉(zhuǎn)子被分別固定，并且構(gòu)造為防止轉(zhuǎn)子之間的接觸。
6.一種體積流體膨脹器，所述膨脹器構(gòu)造為轉(zhuǎn)移工作流體并產(chǎn)生有用功，所述膨脹器包括: 殼體，所述殼體具有構(gòu)造為接納相對高壓的工作流體的入口端，和構(gòu)造為排出相對低壓的工作流體的出口端； 第一和第二扭轉(zhuǎn)嚙合轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可轉(zhuǎn)動地設(shè)置在殼體中，并構(gòu)造為使相對高壓的工作流體膨脹成為相對低壓的工作流體，其中，每個轉(zhuǎn)子具有多個限定螺旋角的葉片；以及具有旋轉(zhuǎn)軸線的輸出軸，所述輸出軸構(gòu)造為在工作流體進行膨脹時由相對高壓的工作流體驅(qū)動旋轉(zhuǎn)； 其中，所述螺旋角在大約25度和大約40度之間，并且入口角相對于輸出軸的旋轉(zhuǎn)軸線是傾斜的，并具有在所述螺旋角的大約15度以內(nèi)的值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流體膨脹器，其特征在于，所述入口角大約為30度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流體膨脹器，其特征在于，所述螺旋角大約為35度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流體膨脹器，其特征在于，每個轉(zhuǎn)子具有大約120度的扭曲角。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流體膨脹器，其特征在于，所述出口端包括相對于轉(zhuǎn)子的縱向軸線傾斜的出口角。
11.一種能量回收系統(tǒng)，包括: 產(chǎn)生廢熱流的動力源，所述動力源具有動力輸入位置；構(gòu)造為將能量從廢熱流轉(zhuǎn)移到動力輸入位置的體積能量回收裝置，該體積能量回收裝置包括: 具有入口端和出口端的殼體； 與入口端和出口端流體連通的第一和第二扭轉(zhuǎn)嚙合轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在殼體內(nèi)，其中，第一扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的第一旋轉(zhuǎn)軸線平行于第二扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的第二旋轉(zhuǎn)軸線； 輸出軸，所述輸出軸操作性地連接到第一和第二轉(zhuǎn)子之一并連接到動力源的動力輸入位置，所述輸出軸由來自廢熱流的功率驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的能量回收系統(tǒng)，其特征在于，所述廢熱流與工作流體流體連通，其中，所述工作流體經(jīng)由入口端和出口端與體積能量回收裝置流體連通。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的能量回收系統(tǒng)，其特征在于，所述工作流體是有機流體。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的能量回收系統(tǒng)，其特征在于，所述動力源是內(nèi)燃發(fā)動機，并且所述廢熱流是發(fā)動機的排氣流。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的能量回收系統(tǒng)，其特征在于，所述動力輸入位置是負載存儲裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的能量回收系統(tǒng)，其特征在于，所述負載存儲裝置是燃料電池。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的能量回收系統(tǒng)，其特征在于，所述動力輸入位置是發(fā)動機輸出軸。
【文檔編號】F02G5/02GK203547984SQ201320188451
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月29日
【發(fā)明者】W·N·埃博根 申請人:伊頓公司