專利名稱：封閉循環(huán)式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開主題的實施例主要涉及系統(tǒng)及方法，并且更具體地涉及用于提高封閉循環(huán)式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的效率的機(jī)構(gòu)及技術(shù)。
背景技術(shù)：
在過去數(shù)年間，使用燃?xì)廨啓C(jī)來向大部分的飛行器提供推力、發(fā)電等已變得普遍。 燃?xì)廨啓C(jī)以布雷頓循環(huán)進(jìn)行操作并具有工作流體(通常為空氣)。燃?xì)廨啓C(jī)可使用開放式或封閉式布雷頓循環(huán)。圖1示出了基于開放式布雷頓循環(huán)操作的系統(tǒng)10。在步驟1，在壓縮機(jī)12處提供新鮮空氣。在壓縮之后，在步驟2將空氣提供給內(nèi)部燃燒器14。同時，燃料 16噴射到燃燒室14中且在燃燒室14中點燃以便加熱壓縮空氣。在加熱之后，來自于燃燒室的高溫高壓氣體在步驟3提供給渦輪18。排出氣體使渦輪18的軸20旋轉(zhuǎn)以便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)能22。當(dāng)前具有較低溫度(500°C)和壓力的排出氣體在步驟4排放到大氣中。對于在這種開放循環(huán)中發(fā)生的熱力學(xué)過程，注意的是，等熵壓縮M發(fā)生在壓縮機(jī) 12中，恒壓加熱沈發(fā)生在燃燒室14中，等熵膨脹觀發(fā)生在渦輪18中，以及恒壓排熱30發(fā)生在排出氣體釋放至環(huán)境時。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到的是，熱力學(xué)過程對，26， 觀和30是理想過程，也即系統(tǒng)10的各種元件中的空氣不會完全地經(jīng)歷這些變換，而是經(jīng)歷大致接近理想變換的變換。然而，出于使現(xiàn)實生活系統(tǒng)特征化的目的，在本領(lǐng)域中接受使用僅近似真實變換的理想變換。封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為用以解決與開放式布雷頓循環(huán)相關(guān)的一些問題。圖2中示出了封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)40。該系統(tǒng)包括相同的壓縮機(jī)12和渦輪18，但燃燒室14由第一熱交換器42代替，且經(jīng)過系統(tǒng)40使用的介質(zhì)經(jīng)由第二熱交換器44再流通，也即未釋放到大氣中。以此方式，介質(zhì)沒有任何部分釋放到大氣中。然而，對于此類系統(tǒng)，需要提供熱源，使得熱量經(jīng)由第一熱交換器42傳遞至介質(zhì)，且該熱源可為原子能的、地?zé)岬摹⑻柲艿?、常?guī)的、電的，等等。然而，現(xiàn)有封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)并非十分高效。因此，期望的是將提供提高封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)效率的系統(tǒng)及方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個示例性實施例，存在一種布雷頓循環(huán)單元。該單元包括構(gòu)造成用以壓縮流動介質(zhì)的多級壓縮機(jī)；第一熱交換器，其流體地連接到多級壓縮機(jī)上且構(gòu)造成用以將來自于經(jīng)過第一熱交換器的工作介質(zhì)的熱量傳遞至壓縮的流動介質(zhì)；膨脹器，其流體地連接到第一熱交換器上且構(gòu)造成用以使加熱的壓縮流動介質(zhì)膨脹以便產(chǎn)生對膨脹器軸的旋轉(zhuǎn)； 以及第二熱交換器，其流體地連接在膨脹器與壓縮機(jī)之間且構(gòu)造成用以從膨脹的流動介質(zhì)中除去熱量。介質(zhì)流動穿過多級壓縮機(jī)、第一熱交換器、膨脹器和第二熱交換器的通路是封閉的。在多級壓縮機(jī)的第一級與第二級之間存在至少一個中間冷卻器機(jī)構(gòu)，其構(gòu)造成用以將第一級與第二級之間的流動介質(zhì)冷卻至預(yù)定溫度。
根據(jù)又一示例性實施例，存在一種布雷頓循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括封閉循環(huán)式布雷頓單元；構(gòu)造成用以將熱量提供給封閉循環(huán)式布雷頓單元的外源回路；以及構(gòu)造成用以從封閉循環(huán)式布雷頓單元除去熱量的冷卻回路。封閉循環(huán)式布雷頓單元包括構(gòu)造成用以將級間的流動介質(zhì)冷卻至預(yù)定溫度的多級壓縮機(jī)。根據(jù)再一示例性實施例，存在一種用于旋轉(zhuǎn)膨脹器軸的方法，該膨脹器為封閉循環(huán)式布雷頓系統(tǒng)的一部分。該方法包括利用多級壓縮機(jī)來壓縮流動介質(zhì)；利用位于多級壓縮機(jī)的第一級與第二級之間的至少一個中間冷卻器機(jī)構(gòu)將流動介質(zhì)冷卻至預(yù)定溫度；使壓縮的流動介質(zhì)流通至流體地連接到多級壓縮機(jī)上的第一熱交換器；將來自于經(jīng)過第一熱交換器的工作介質(zhì)的熱量傳遞至壓縮流動介質(zhì)；使加熱的流動介質(zhì)流通至流體地連接到第一熱交換器上的膨脹器；在膨脹器中使加熱的流動介質(zhì)膨脹以便旋轉(zhuǎn)膨脹器軸；使膨脹的流動介質(zhì)流通至流體地連接在膨脹器與多級壓縮機(jī)之間的第二熱交換器；在第二熱交換器中從膨脹流動介質(zhì)中除去熱量；以及使冷卻的流動介質(zhì)流通回到多級壓縮機(jī)。


并入說明書中并構(gòu)成其一部分的附圖示出了一個或多個實施例，且結(jié)合說明一起闡述了這些實施例。在附圖中圖1為開放循環(huán)式布雷頓循環(huán)單元的簡圖；圖2為封閉循環(huán)式布雷頓循環(huán)單元的簡圖；圖3為根據(jù)示例性實施例的封閉循環(huán)式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的簡圖；圖4為具有大齒輪(bull gear)的多級壓縮機(jī)的簡圖；圖5為根據(jù)示例性實施例的封閉循環(huán)式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的簡圖；圖6示出了對于經(jīng)過根據(jù)示例性實施例的封閉循環(huán)式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的流動介質(zhì)的壓力對焓的相空間；以及圖7為示出根據(jù)示例性實施例的用于產(chǎn)生能量的方法的流程圖。
具體實施例方式示例性實施例的以下描述參照了附圖。不同圖中的相同標(biāo)號表示相同或相似的元件。以下詳細(xì)描述并不限制本發(fā)明。代替的是，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。為了簡單起見，以下實施例參照具有一體式齒輪傳動壓縮機(jī)(稍后將闡述的技術(shù))和多級徑向或軸向膨脹器的系統(tǒng)的措辭和結(jié)構(gòu)來闡述。然而，下文將描述的實施例并不限于這些系統(tǒng)， 而是可應(yīng)用于在封閉循環(huán)中使用多級壓縮機(jī)和膨脹器的其它系統(tǒng)。整個說明書中所涉及的"一個實施例"或"實施例"意指結(jié)合實施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特點包括在所公開主題的至少一個實施例中。因此，出現(xiàn)在整個說明書中不同位置的短語"在一個實施例中"或"在實施例中"不必指的是同一實施例。此外，具體的特征、結(jié)構(gòu)或特點可以任何適合的方式結(jié)合到一個或多個實施例中。根據(jù)圖3中所示的示例性實施例，一種新型封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60可包括流體地連接到膨脹器64上的壓縮機(jī)62。壓縮機(jī)62可為多級壓縮機(jī)，而膨脹器64可為多級膨脹器。在一種應(yīng)用中，壓縮機(jī)62具有四級且使用SRL技術(shù)(稍后將闡述)，而膨脹器64為兩級徑向膨脹器。然而，也可使用其它類型的壓縮機(jī)和膨脹器。
SRL或一體式齒輪傳動壓縮機(jī)(由意大利佛羅倫薩市的Nuovo Pignone S. p. Α.制造)在許多石化應(yīng)用中使用，用于低流量/高壓狀態(tài)或高流量/低壓狀態(tài)。圖4中所示的這類壓縮機(jī)具有大齒輪66和一到四個高速小齒輪68。如圖4中所示，一個或兩個葉輪70 可安裝在各個小齒輪軸上。中間冷卻機(jī)構(gòu)72可提供在級間以便在壓縮介質(zhì)從壓縮機(jī)的一級傳遞至壓縮機(jī)的另一級時以期望的方式冷卻該壓縮介質(zhì)?；氐綀D3，由壓縮機(jī)62壓縮的流動介質(zhì)沿系統(tǒng)60內(nèi)隨后的封閉通路行進(jìn)。來自于壓縮機(jī)62的流動介質(zhì)進(jìn)入回流換熱器(recuperator) 74、第一熱交換器76、膨脹器64、再是回流換熱器74、第二熱交換器78并回到壓縮機(jī)62。因此，流動介質(zhì)界定在該封閉通路中， 且不會污染或影響環(huán)境或其它流體。流動介質(zhì)可為CO2或具有高分子密度的其它流體。在一個示例性實施例中，系統(tǒng)60設(shè)計成使得(X)2不論在系統(tǒng)中的位置都保持在氣相，也即在系統(tǒng)60內(nèi)不發(fā)生相變。膨脹器64可連接到發(fā)電單元63上以便發(fā)電。如圖3中所示，膨脹器64、壓縮機(jī)62和發(fā)電單元63可共用同一軸65。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到的那樣，膨脹器64可連接到其它裝置(例如，泵)上，以便提供促動它們所需的能量。在圖3中示出了另外兩個回路且接下來進(jìn)行闡述。第一熱交換器76構(gòu)造成用以將來自外源回路80的熱量傳遞至布雷頓封閉回路60的流動介質(zhì)。在一個示例性實施例中， 外源回路80可包括壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)在入口 8 處吸收環(huán)境空氣而在出口 82b處輸出壓縮空氣。在將這種壓縮空氣提供給燃燒室84之前，壓縮空氣流經(jīng)熱交換器86以便對該壓縮空氣加熱。熱源為來自于燃燒室84的排出氣體。注意的是，來自于壓縮機(jī)82的壓縮空氣的通路86a和燃燒室84的通路86b不會相交，而是分布為以便在該兩者間進(jìn)行熱交換。加熱且壓縮的空氣然后提供至燃燒室84，而燃料在入口 8 處進(jìn)入燃燒室84。壓縮空氣通過燃料的燃燒來加熱?？諝?、燃料和排出氣體的熱混合物可進(jìn)入膨脹器87以便產(chǎn)生能量，或可直接地供給至第一熱交換器76以便將熱量傳遞至封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60 中的流動介質(zhì)。在除去氣體排氣的部分熱量之后，氣體排氣可進(jìn)入熱交換器86，以便在其于出口 86c處排至大氣之前對來自壓縮機(jī)82的壓縮空氣進(jìn)行加熱。排出氣體的溫度可為大約 150°C。第二熱交換器78構(gòu)造成用以將來自封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60中的流動介質(zhì)的熱量傳遞至冷卻回路90。冷卻回路90可包括工作介質(zhì)(例如，水)，該工作介質(zhì)經(jīng)由第二熱交換器78流通，以便從來自于膨脹器64的流動介質(zhì)中除去熱量。熱量提供至散熱器 (sink) 92，例如水塔?；亓鲹Q熱器74包括收納分別來自于壓縮機(jī)62和膨脹器64的流動介質(zhì)的至少兩個單獨的通路7 和74b?；亓鲹Q熱器74構(gòu)造成用以從來自于膨脹器的流動介質(zhì)中除去熱量且將這些熱量提供給來自于壓縮機(jī)62的流動介質(zhì)。圖5中示出了有關(guān)封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60的壓力和溫度的更為具體的實例。該圖顯示，壓縮機(jī)62將流動介質(zhì)的壓力從大約1巴(bar)升高至大約35bar，以及第一熱交換器76在流動介質(zhì)到達(dá)膨脹器64之前將其溫度升高至大約1200°C。該系統(tǒng)示出了高于現(xiàn)有系統(tǒng)的效率，因為流動介質(zhì)在壓縮機(jī)62的級間冷卻以及在外源回路80中的熱量抽出高達(dá) 150°C。在一種應(yīng)用中，圖5中所示系統(tǒng)的效率達(dá)到49%。在示例性實施例中，圖6示出了用于封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60的流動介質(zhì)(CO2) 的P-H圖表(P表示壓力，而H表示某一點處流動介質(zhì)的焓)。如前文所述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到的是，圖6中所示的熱力學(xué)變換是理想的，且意指近似于發(fā)生在真實系統(tǒng) 60中的真實變換。然而，這些理想變換是真實系統(tǒng)特性的良好表征。各點在圖6中示出且它們對應(yīng)于封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60中的物理位置，如稍后將描述的那樣。考慮到的是，CO2在100處以某一溫度(接近15°C)和壓力(Ibar)進(jìn)入壓縮機(jī)62。(X)2在第一級(假定壓縮機(jī)具有四級)期間從Ibar壓縮至大約4bar，使得(X)2達(dá)到點102。在該點處，壓縮CO2的溫度可達(dá)到大約700CM 100°C的值。CO2在點100和102之間的壓縮是等熵的。一旦(X)2離開第一級且在進(jìn)入第二級之前，壓縮(X)2在步驟105中冷卻至預(yù)定溫度，例如大約25°C。注意的是，第一冷卻步驟105以大致恒定的壓力發(fā)生在點102 與104之間。接下來，CO2進(jìn)入壓縮機(jī)的第二級，在該處，其壓力進(jìn)一步增大至例如在到達(dá)點 106時的大約8bar。在點106處，(X)2的溫度也增大至大約70°C至100°C。自此，CO2經(jīng)歷在點106與108之間發(fā)生的第二冷卻步驟107。CO2的溫度再次降低至大約預(yù)定溫度。描述在壓縮機(jī)62中壓縮(X)2的過程可在壓力對焓所限定的相空間中描述為具有拉鋸(see-saw) 形狀。CO2在點108與110之間進(jìn)一步壓縮至大約17bar的壓力，且在點112與114之間壓縮至大約34bar的最終壓力。在第三級與第四級之間，CO2在步驟111期間在點110與 112之間再次冷卻，以便使(X)2的溫度變?yōu)轭A(yù)定溫度。注意的是，預(yù)定溫度可取決于所使用的介質(zhì)、介質(zhì)的最終壓力以及系統(tǒng)的其它參數(shù)。一旦在點114處，壓縮的CO2離開壓縮機(jī)62(圖3中)并進(jìn)入回流換熱器74。發(fā)生在回流換熱器74內(nèi)的熱力學(xué)過程115由點114和116界定，且在該過程期間(X)2在保持大致恒定壓力的同時升高其溫度。更多熱量沿通過點116和118所界定的通路117加至CO2, 這對應(yīng)于在第一熱交換器76內(nèi)對流動介質(zhì)加熱。注意的是，由第一熱交換器76所提供的熱量在燃燒室84中產(chǎn)生。然后，CO2進(jìn)入膨脹器64且對應(yīng)的熱力學(xué)過程由點118和120界定，并且這種膨脹是等熵膨脹。注意的是，流動介質(zhì)在點118處的溫度可為大約1200°C，而在點120處的溫度可為大約600°C。為了在點120處進(jìn)一步降低流動介質(zhì)的溫度和進(jìn)一步獲取能量，流動介質(zhì)將進(jìn)入回流換熱器74，這對應(yīng)于由點120和122界定的回流換熱過程121。該過程121以大致恒定的壓力(接近大氣壓力)發(fā)生。對于該過程的溫降為大約500°C。然而，其它的值也可實現(xiàn)。CO2通過使其流通經(jīng)過第二熱交換器78而從點122進(jìn)一步冷卻至點100 (冷卻步驟12 。在該冷卻過程期間，(X)2的溫度和壓力可達(dá)到環(huán)境溫度和壓力，且新的循環(huán)可通過將(X)2送回至壓縮機(jī)而開始。中間冷卻步驟105，107和111 (這些步驟可更多或更少地執(zhí)行)有助于改善整個循環(huán)的效率。新型實施例的其它特征，例如運行封閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)、將(X)2用作流動介質(zhì)以及使ω2以氣相經(jīng)過系統(tǒng)，也有助于改善整個循環(huán)的效率。根據(jù)示例性實施例，所有這四個特征都可予以結(jié)合。然而，實現(xiàn)改善效率的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)并不需要所有特征。如果圖3中所示的系統(tǒng)結(jié)合外部燃燒室84 (例如，熔爐)使用，則該設(shè)備的優(yōu)點在于可自由使用低等級的燃料來用于燃燒。另外，圖3中所示的系統(tǒng)為綠色產(chǎn)品，因為來自燃燒室84的排出氣體以低于現(xiàn)有技術(shù)(大約500°C )的較低溫度(大約150°C )排放到大氣中。該特征部分地由于熱交換器86而實現(xiàn)。接下來，參照圖7描述了一種基于封閉循環(huán)式(X)2布雷頓系統(tǒng)產(chǎn)生能量的方法。該方法包括步驟700，也即利用多級壓縮機(jī)壓縮流動介質(zhì)；步驟702，也即利用位于多級壓縮機(jī)的第一級與第二級之間的至少一個中間冷卻器機(jī)構(gòu)將流動介質(zhì)冷卻至預(yù)定溫度；步驟 704，也即使壓縮流動介質(zhì)流通至流體地連接到多級壓縮機(jī)上的第一熱交換器；步驟706， 也即將來自于經(jīng)過第一熱交換器的工作介質(zhì)的熱量傳遞至壓縮流動介質(zhì)；步驟708，也即使加熱的流動介質(zhì)流通至流體地連接到第一熱交換器上的膨脹器；步驟710，也即在膨脹器中使加熱的流動介質(zhì)膨脹以便旋轉(zhuǎn)膨脹器軸；步驟712，也即使膨脹的流動介質(zhì)流通至流體地連接在膨脹器與多級壓縮機(jī)之間的第二熱交換器；步驟714，也即在第二熱交換器中從膨脹流動介質(zhì)中除去熱量；以及步驟716，也即使冷卻的流動介質(zhì)流通回到多級壓縮機(jī)。所公開的示例性實施例提供了用于提高封閉循環(huán)式布雷頓系統(tǒng)效率的系統(tǒng)和方法。應(yīng)當(dāng)理解的是，此描述并非意圖限制本發(fā)明。相反，示例性實施例旨在涵蓋歸入如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍中的備選方案、變型和等同布置。此外，在示例性實施例的詳細(xì)描述中闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對所主張發(fā)明的充分理解。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解到，可在沒有此類具體細(xì)節(jié)的情況下實施各種實施例。盡管本示例性實施例的特征和元件在實施例中描述為特定的組合，但也可在不具有該實施例的其它特征和元件的情況下單獨地使用各特征或元件，或在具有或不具有本文所公開的其它特征和元件的情況下以各種組合來使用各特征或元件。本書面說明使用了所公開主題的實例來使本領(lǐng)域的任何普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍局黝}，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本主題可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所構(gòu)思出的其它實例。這些其它實例認(rèn)為落在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種布雷頓循環(huán)單元(60)，所述單元包括多級壓縮機(jī)(62)，所述多級壓縮機(jī)(6 構(gòu)造成用以壓縮流動介質(zhì)；第一熱交換器(76)，所述第一熱交換器(76)流體地連接到所述多級壓縮機(jī)(6 上且構(gòu)造成用以將來自于經(jīng)過所述第一熱交換器(76)的工作介質(zhì)的熱量傳遞至壓縮的流動介質(zhì)；膨脹器(64)，所述膨脹器(64)流體地連接到所述第一熱交換器(76)上且構(gòu)造成用以使加熱的壓縮流動介質(zhì)膨脹以便產(chǎn)生對所述膨脹器(76)的軸的旋轉(zhuǎn)；以及第二熱交換器(78)，所述第二熱交換器(78)流體地連接在所述膨脹器(64)與所述壓縮機(jī)(62)之間且構(gòu)造成用以從膨脹的流動介質(zhì)除去熱量，其中，所述流動介質(zhì)經(jīng)過所述多級壓縮機(jī)(62)、所述第一熱交換器(76)、所述膨脹器 (64)和所述第二熱交換器(78)的通路為封閉的，以及其中，至少一個中間冷卻器機(jī)構(gòu)(72)存在于所述多級壓縮機(jī)(62)的第一級與第二級之間，所述中間冷卻器機(jī)構(gòu)m構(gòu)造成用以將所述第一級與所述第二級之間的流動介質(zhì)冷卻至預(yù)定溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述多級壓縮機(jī)(62)具有四級以及位于各對相鄰級之間的三個中間冷卻器機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述單元還包括回流換熱器(74)，所述回流換熱器(74)具有將所述多級壓縮機(jī)(6 流體地連接至所述第一熱交換器(76)上的第一通路(74a)和將所述膨脹器(64)流體地連接至所述第二熱交換器(78)上的第二通路(74b)，且構(gòu)造成用以將來自所述膨脹的流動介質(zhì)的熱量傳遞至所述壓縮的流動介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述單元還包括外源回路(80)，其包括壓縮機(jī)(82)，所述壓縮機(jī)(8 構(gòu)造成用以壓縮空氣且將所述空氣提供給外部燃燒室 (84)，所述外部燃燒室(84)構(gòu)造成用以接收所述空氣和燃料并燃燒混合物，且將排出氣體提供給經(jīng)過所述第一熱交換器(76)的通路，以及熱交換器(86)，所述熱交換器(86)構(gòu)造成用以冷卻來自于所述第一熱交換器(76)的排出氣體，其中，所述第一熱交換器(76)分隔為使得所述空氣、所述燃料和所述排出氣體與所述流動介質(zhì)隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述流動介質(zhì)為二氧化碳。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單元，其特征在于，所述二氧化碳貫穿所述多級壓縮機(jī)(62)、 所述第一熱交換器(76)、所述膨脹器(64)和所述第二熱交換器(78)都為氣相。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述流動介質(zhì)在經(jīng)由所述多級壓縮機(jī) (62)壓縮、在所述第一熱交換器(76)中加熱、在所述膨脹器(64)中膨脹以及在所述第二熱膨脹器(78)中冷卻時都為氣相。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述至少一個中間冷卻器機(jī)構(gòu)(72)構(gòu)造成以大致恒定的壓力和降低的焓來冷卻所述流動介質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述流動介質(zhì)為二氧化碳，所述二氧化碳為氣相且經(jīng)過所述多級壓縮機(jī)(6 、所述第一熱交換器(76)、所述膨脹器(64)和所述第二熱交換器(78)都保持為氣相，所述多級壓縮機(jī)(6 具有四級和帶四個小齒輪的大齒輪，各個小齒輪均促動對于一個所述級的葉輪，以及所述膨脹器(64)為兩級膨脹器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，經(jīng)由所述多級壓縮機(jī)(6 的壓縮過程當(dāng)在壓力對焓的狀態(tài)空間中繪制時具有拉鋸形狀。
11.一種布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 封閉循環(huán)式布雷頓單元(60)；外源回路(80)，所述外源回路(80)構(gòu)造成用以將熱量提供給所述封閉循環(huán)式布雷頓單元(60)；以及冷卻回路(90)，所述冷卻回路(90)構(gòu)造成用以從所述封閉循環(huán)式布雷頓單元(60)除去熱量，其中，所述封閉循環(huán)式布雷頓單元(60)包括構(gòu)造成用以將所述級之間的流動介質(zhì)冷卻至預(yù)定溫度的多級壓縮機(jī)(62)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述封閉循環(huán)式布雷頓單元(60)還包括第一熱交換器(76)，所述第一熱交換器(76)流體地連接到所述多級壓縮機(jī)(6 上且構(gòu)造成用以將來自于經(jīng)過所述第一熱交換器(76)的工作介質(zhì)的熱量傳遞至壓縮的流動介質(zhì)；膨脹器(64)，所述膨脹器(64)流體地連接到所述第一熱交換器(76)上且構(gòu)造成用以使加熱的壓縮流動介質(zhì)膨脹以產(chǎn)生對所述膨脹器(76)的軸的旋轉(zhuǎn)；以及第二熱交換器(78)，所述第二熱交換器(78)流體地連接在所述膨脹器(64)與所述壓縮機(jī)(62)之間且構(gòu)造成用以從膨脹的流動介質(zhì)除去熱量，其中，所述流動介質(zhì)經(jīng)過所述多級壓縮機(jī)(62)、所述第一熱交換器(76)、所述膨脹器 (64)和所述第二熱交換器(78)的通路為封閉的，以及其中，至少一個中間冷卻器機(jī)構(gòu)(72)存在于所述多級壓縮機(jī)(62)的第一級與第二級之間，所述中間冷卻器機(jī)構(gòu)m構(gòu)造成用以將所述第一級與所述第二級之間的流動介質(zhì)冷卻至預(yù)定溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多級壓縮機(jī)(62)具有四級以及位于各對相鄰級之間的三個中間冷卻器機(jī)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括回流換熱器(74)，所述回流換熱器(74)具有將所述多級壓縮機(jī)(6 流體地連接至所述第一熱交換器(76)上的第一通路(74a)和將所述膨脹器(64)流體地連接至所述第二熱交換器(78)上的第二通路(74b)，且構(gòu)造成用以將來自所述膨脹的流動介質(zhì)的熱量傳遞至所述壓縮的流動介質(zhì)；壓縮機(jī)(82)，所述壓縮機(jī)(8 構(gòu)造成用以壓縮空氣且將所述空氣提供給外部燃燒室 (84)，所述外部燃燒室(84)構(gòu)造成用以接收所述空氣和燃料并燃燒混合物，且將排出氣體提供給經(jīng)過所述第一熱交換器(76)的通路；以及熱交換器(86)，所述熱交換器(86)構(gòu)造成用以冷卻來自于所述第一熱交換器(76)的排出氣體，其中，所述第一熱交換器(76)分隔成使得所述空氣、所述燃料和所述排出氣體與所述流動介質(zhì)隔離。
15. 一種用于旋轉(zhuǎn)膨脹器(64)的軸的方法，所述膨脹器(64)為封閉循環(huán)式布雷頓系統(tǒng) (60)的一部分，所述方法包括利用多級壓縮機(jī)(6 壓縮流動介質(zhì)；利用位于所述多級壓縮機(jī)(62)的第一級與第二級之間的至少一個中間冷卻器機(jī)構(gòu) (72)將所述流動介質(zhì)冷卻至預(yù)定溫度；使壓縮的流動介質(zhì)流通至流體地連接到所述多級壓縮機(jī)(6 上的第一熱交換器 (76)；將來自于經(jīng)過所述第一熱交換器(76)的工作介質(zhì)的熱量傳遞至所述壓縮的流動介質(zhì)；使加熱的流動介質(zhì)流通至流體地連接到所述第一熱交換器(76)上的膨脹器(64)； 使所述加熱的流動介質(zhì)在所述膨脹器(64)中膨脹以使所述膨脹器(64)的軸旋轉(zhuǎn)； 使膨脹的流動介質(zhì)流通至流體地連接在所述膨脹器(64)與所述多級壓縮機(jī)(6 之間的第二熱交換器(78)上；在所述第二熱交換器(78)中從所述膨脹的流動介質(zhì)除去熱量；以及使冷卻的流動介質(zhì)流通回到所述多級壓縮機(jī)(62)。
全文摘要
本發(fā)明涉及封閉循環(huán)式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)及方法。具體而言，提供了效率得到改善的用于產(chǎn)生能量的方法和單元。布雷頓循環(huán)單元包括構(gòu)造成用以壓縮流動介質(zhì)的多級壓縮機(jī)；第一熱交換器，其流體地連接到多級壓縮機(jī)上且構(gòu)造成用以使來自于經(jīng)過第一熱交換器的工作介質(zhì)的熱量傳遞至壓縮的流動介質(zhì)；膨脹器，其流體地連接到第一熱交換器上且構(gòu)造成用以使加熱的壓縮流動介質(zhì)膨脹以產(chǎn)生對膨脹器軸的旋轉(zhuǎn)；以及第二熱交換器，其流體地連接在膨脹器與壓縮機(jī)之間且構(gòu)造成用以從膨脹的流動介質(zhì)中除去熱量。經(jīng)過單元的流動介質(zhì)通路是封閉的。位于多級壓縮機(jī)的第一級與第二級之間的至少一個中間冷卻器機(jī)構(gòu)構(gòu)造成用以將流動介質(zhì)冷卻至預(yù)定溫度。
文檔編號F02C1/10GK102374026SQ20111023810
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者B·科薩馬納, P·迪迪 申請人:諾沃皮尼奧內(nèi)有限公司