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相關申請的交叉引用

本申請是于2014年10月21日提交的美國臨時專利申請序列號62/066,773以及于2015年9月18日提交的美國臨時專利申請序列號62/220,796的非臨時申請并且要求它們的優(yōu)先權，其公開內容通過引用整體并入本文。

背景技術：

本文中的示例性說明性技術涉及用于通常使用相變蘭金循環(huán)發(fā)動機管理熱發(fā)動機的系統(tǒng)、軟件和方法，更具體地，涉及熱俘獲、儲存和利用的管理。如本文中所討論的，術語蘭金循環(huán)是指一寬泛循環(huán)族，其中，工作流體以液體狀態(tài)加壓，或許是加壓至超臨界壓力或亞臨界壓力和/或可能使用諸如卡利納循環(huán)中的那些之類的流體混合物的循環(huán)系列加壓。

相關技術

俘獲和再利用廢熱的系統(tǒng)已經在本領域中廣泛描述。通常，這些系統(tǒng)涉及一系列工程權衡，以通過優(yōu)化從熱源到蘭金氏發(fā)動機的熱傳遞來優(yōu)化效率，該蘭金氏發(fā)動機將所傳遞的熱能轉化為機械能。典型地，這些權衡集中于熱交換器效率和工作流體特點。

熱交換器效率是熱交換器材料和熱交換器的設計的函數，而工作流體被優(yōu)化以將流體的熱俘獲和釋放特點與系統(tǒng)的工作溫度相匹配。

成本有效的能量儲存非常重要。電化學能源儲存具有優(yōu)勢，但往往具有成本、安全性和使用期的擔憂。泵諸如泵送水力和壓縮空氣能量儲存之類的機械能量系統(tǒng)現(xiàn)今提供絕大多數大型電力儲存能力，并且證明其長期可靠性和可接受的性能。

適當有效且成本有效的壓縮流體系統(tǒng)需要有效地儲存能量成本，并且具有在兩個方向上有效的熱力學過程：充電方向和放電方向。這個嘗試的常見方法針對過程的狀態(tài)與每個方向上的過程的每個步驟非常相似；也就是說，過程中每個點的壓力和溫度在充電過程和放電過程之間非常相似。

壓縮流體機械能儲存系統(tǒng)有兩大類：(1)作為泵送熱能儲存(ptes)系統(tǒng)的一部分的熱泵和(2)壓縮流體能量儲存(cfes)系統(tǒng)，其中，壓縮空氣能量儲存(caes)系統(tǒng)是該領域的廣泛探索的子集。這里的區(qū)別在于，流體可能不是空氣，并且它可能不總是氣體，它可能是超臨界流體，并且可能存在其中流體處于液相或液相和氣相的組合的過程的部分。

ptes系統(tǒng)通常將能量儲存在一些質量之間的熱能差。充電包括：增加具有溫度(或更嚴格的焓)差異的質量的數量或增加固定質量[相對于環(huán)境]的焓或兩者中的一些，并且放電正在取得該勢能并且將其轉化為機械功和/或電功。

在機械儲能系統(tǒng)中嘗試使用除空氣之外的流體的典型挑戰(zhàn)在于，通常需要儲存通常非常龐大的低壓流體，從而導致成本和現(xiàn)場包裝的挑戰(zhàn)。還有，如果流體是化學品，如制冷劑，則必須考慮材料的成本，以及系統(tǒng)泄漏的風險和成本。

本文中的技術應用于廢熱的俘獲和管理領域中以及管理和優(yōu)化由該熱量驅動的熱發(fā)動機。

技術實現(xiàn)要素：

按照本發(fā)明的一個方面，一種熱俘獲、儲存和交換布置包括至少一個熱交換和儲存(txes)陣列，該至少一個txes陣列中的每個txes陣列包括一個或多個txes元件，每個txes元件被配置成接收熱源流體和工作流體中的每個從其中穿過的流體流，其中一個或多個txes元件中的每個txes元件提供熱源流體和txes元件之間的熱能傳遞；以及歧管系統(tǒng)，其經由管道連接至一個或多個txes元件，以便將工作流體提供給一個或多個txes元件的輸入并且從一個或多個txes元件的輸出接收工作流體；以及至少一個熱發(fā)動機，其可與至少一個txes陣列一起操作，以從至少一個txes陣列提取熱量并且將熱量轉換成機械能，至少一個熱發(fā)動機中的每個熱發(fā)動機選擇性地連接至相應txes陣列的歧管系統(tǒng)以使工作流體通過相應txes陣列的一個或多個txes元件，使得在工作流體和一個或多個相應txes元件之間發(fā)生熱能傳遞。

按照本發(fā)明的另一方面，一種熱俘獲、儲存和交換布置包括至少一個模塊化熱交換和儲存(txes)陣列，該至少一個模塊化txes陣列中的每個模塊化txes陣列包括一個或多個txes元件，其各自包括基質材料襯底；一個或多個煙道管或通路，其形成在或位于基質材料襯底中以提供加熱后的源流體通過txes元件的流動，從熱源提供該加熱后的源流體；以及一個或多個工作流體管，其位于所述基質材料襯底中，與一個或多個煙道管或通路分開以提供工作流體通過txes元件的流動；一個或多個熱發(fā)動機，其可與至少一個txes陣列一起操作，以從至少一個txes陣列提取熱量并且將熱量轉換為機械能，一個或多個熱發(fā)動機將工作流體提供給至少一個模塊化txes陣列；以及閥門系統(tǒng)，其位于將熱源連接至至少一個模塊化txes陣列并且將一個或多個熱發(fā)動機連接至至少一個模塊化txes陣列的管道和導管中，閥門系統(tǒng)選擇性地控制加熱后的源流體向至少一個模塊化txes陣列及其一個或多個txes元件的流動，并且選擇性地控制工作流體向至少一個模塊化txes陣列及其一個或多個txes元件的流動。

按照本發(fā)明的又一方面，一種組裝熱俘獲、儲存和交換布置的方法，該方法包括：提供至少一個具有熱儲存和熱量交換能力的模塊化熱交換和儲存(txes)陣列，其中，提供至少一個模塊化txes陣列中的每個模塊化txes陣列包括：提供期望數目的模塊化txes元件；布置所需數目的模塊化txes元件以形成模塊化txes陣列；并且經由管道將所需數目的模塊化txes元件耦合至歧管系統(tǒng)，以提供在歧管系統(tǒng)和模塊化txes元件之間的工作流體傳遞；將至少一個模塊化txes陣列流體耦合至熱源以從其接收加熱后的源流體，其中來自加熱后的源流體的熱能儲存在至少一個模塊化txes陣列的一個或多個模塊化txes元件中；提供至少一個可與至少一個txes陣列一起操作的熱發(fā)動機，以經由工作流體從至少一個txes陣列提取熱量并且將熱量轉換為機械能；并且將至少一個熱發(fā)動機中的每個熱發(fā)動機流體連接至相應的模塊化txes陣列的歧管系統(tǒng)，以使工作流體通過其一個或多個模塊化txes元件，使得在工作流體和一個或多個相應的txes元件之間發(fā)生熱能傳遞。

附圖說明

從出于說明的目的而選擇的并且在附圖中示出的本發(fā)明及其實施例的詳細描述中，本發(fā)明的特征將最好地被理解。

圖1圖示了在現(xiàn)有廢熱排放布置中使用txes。

圖2圖示了本發(fā)明的示例性系統(tǒng)。

圖3圖示了系統(tǒng)所利用的基于計算機的過程控制器的部件。

圖4圖示了熱交換和能量儲存(txes)元件陣列內的示例性工作流體回路。

圖5a、圖5b和圖5c圖示了具有多個嵌入式煙道管和過程流體管的txes元件的各種配置。

圖6圖示了具有澆鑄煙道通道的示例扇形txes元件。

圖7圖示了扇形txes元件的布置。

圖8、圖9、圖10和圖11圖示了txes元件內的不同的螺旋形工作流體管布置。

圖12包括其各種狀態(tài)下的txes元件的示例加熱曲線。

具體實施方式

概述

本發(fā)明的系統(tǒng)和操作方法提供一種可配置的熱俘獲、儲存和交換系統(tǒng)，其可以在多種操作條件下以高性能水平的操作。該系統(tǒng)稱為txes，熱交換和能量儲存系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的熱交換和儲存系統(tǒng)不同，所描述的系統(tǒng)可以使用多種熱源、工作流體和壓力方案有效和可靠地操作，可以容易地組裝在模塊中，在其配置中具有靈活性，同時非常具有成本效益。它可以用于同時與多種不同組成或特點的流體流交換熱能。它可以用于同時與多種不同組成或特點的流體流交換熱能。

在實施例中，系統(tǒng)可以作為工業(yè)爐、發(fā)電廠或其它工業(yè)熱源的熱排放的一部分進行操作，以便俘獲廢熱并且將其回收用于其它用途，包括功率的產生。熱俘獲和傳遞的效率是從熱源(例如，廢氣)到工作流體的熱傳遞的函數，其中，使用諸如蘭金循環(huán)發(fā)動機之類的眾所周知的過程可以充分利用熱量。在來自熱源的所有熱量不能有效地傳遞到工作流體的情況下，或者熱源具有不足的剩余熱量以有效地將工作流體加熱到經濟上可行的溫度的情況下，喪失了效率或必須使用備選的俘獲和儲存機構。描述了一種模塊化俘獲、儲存和提取系統(tǒng)，其可以在寬的溫度范圍內從熱源俘獲熱量，然后使熱量可用于合適的工作流體。

一種方法是產生逆流熱布置，其中，txes元件被流入txes元件的“熱”端的熱流體(或氣體)加熱，從而將熱量傳遞到txes元件中，并且所耗盡的熱流體在“冷”端處離開txes元件。工作流體在相反方向上移動，從而在“冷”端處進入txes元件，吸收來自txes元件基質的熱能，并且在“熱”端處離開元件。這會使熱梯度變陡。熱梯度是大部分進入的熱量在相當短的線性距離內被提取并且傳遞到工作流體的區(qū)域。輸入(例如，“熱”)端維持在非常接近熱源的輸入溫度的溫度，并且“冷”端維持在接近輸入工作流體溫度。這種布置可以經由txes元件基質提供從熱源到工作流體的最佳熱傳遞。

txes陣列還可以用于并行流操作。例如，可以通過熱泵送的工作流體和廢熱流體并聯(lián)，或者可替代地，使用儲存在txes中的熱量并行地加熱兩種流體加熱t(yī)xes陣列。

對于總體過程效率，期望熱儲存介質能夠在可能波動的熱輸入水平的范圍內(例如，來自變化的質量流量、溫度和冷凝速率)以最小的熵損失將熱量遞送回到放電過程。傳統(tǒng)的逆流熱交換器立即將熱量從源流體傳遞到工作流體，因此僅當存在熱源并且工作流體正在流動時才有效，并且當熱通量實時地恒定匹配時最有效。因此，熱梯度是不穩(wěn)定的，并且在熱源或工作流體流的特點改變(例如，較熱或較冷的輸入或工作流體，改變的流動速率)時，立即改變。這導致了熱源與熱發(fā)動機匹配時的工程設計挑戰(zhàn)、以及啟停操作中的操作挑戰(zhàn)，這是蘭金式火力發(fā)電廠的主要挑戰(zhàn)之一。txes陣列和txes元件可以被配置成俘獲并且儲存通常在傳統(tǒng)熱交換器中未被俘獲的熱量(例如，如果工作流體不能吸收與輸入包含的熱量同樣多的熱量)。txes元件儲存來自輸入流體的多余的熱量，實際上是用熱能對txes元件充電。對txes元件充電將移動txes元件內溫度梯度的位置。通過控制熱源和工作流體流(例如，在過程控制下，添加到txes元件中的熱量和被排除到工作流體中的熱量可能會變化)，可以管理txes元件內溫度梯度的位置和形狀。

txes陣列在(多個)熱源的變化的溫度范圍操作(無論這些源是來自廢氣、諸如地熱或工業(yè)除熱中的液體熱源、或其它熱源、還是來自壓縮充電過程的壓縮流體)，以根據需要俘獲、儲存和排除熱量。txes陣列提供多級熱傳遞到溫度優(yōu)化的熱發(fā)動機系統(tǒng)。它還允許分開與熱源的熱交換速率和熱發(fā)動機所需的熱量。這種靈活性準許將熱能從熱源更有效地俘獲并且傳遞到一個或多個工作流體中。在該系統(tǒng)中，在第一示例實現(xiàn)方式中，放電過程基本上是蘭金循環(huán)，其中，流體以液態(tài)加壓(保持加壓能量相對較低)，然后將其加熱，然后汽化，然后過熱。然后將其膨脹以提取機械能，然后將其冷凝回液體，以便再次加壓。蒸發(fā)的潛熱是相當大的百分比的可以從系統(tǒng)中回收的熱輸入。溫度越高，凈功越高，而蒸發(fā)液體所需的潛熱就越高。

所描述的系統(tǒng)提供了在寬范圍的熱輸入范圍內的廢熱俘獲和儲存，并且提供了強度可變的熱源的平滑函數。從系統(tǒng)提取的熱量可能與輸入熱源中的熱量相比延時。

能夠將廢熱俘獲過程與電能儲存系統(tǒng)(在充電時使用用于源能量的電力的系統(tǒng))集成以創(chuàng)建混合底循環(huán)(bottomingcycle)和蓄電系統(tǒng)提供了優(yōu)異的效率。

任何熱交換器中的寶貴有利條件是每表面積的更好的成本。在壓力容器管中，管的壁厚由壓力、材料強度、安全系數和管的直徑來確定。每單位表面積的管的材料成本與壁厚成正比。因此，使用較小直徑的管可以實現(xiàn)每單位表面積更少的材料。實際挑戰(zhàn)是將更多的小管連接在一起的成本；對于具有更多材料成本的較大直徑管而言，歧管裝置對較少的勞動力和連接成本。使用通過如在一些實施例中使用的管的螺旋形成實現(xiàn)的非常長的管長度允許使用更少的離散管來獲得相同的表面積而不使用翅片或其它難于制造的特征。螺旋布置還允許將熱交換區(qū)域更均勻地分散到txes元件中。

當結合附圖閱讀下文的描述時，這些和其它方面和優(yōu)點將變得顯而易見。

示例性系統(tǒng)架構

圖1圖示了排氣系統(tǒng)中的txes陣列的示例實現(xiàn)方式。在操作中，排氣系統(tǒng)在將現(xiàn)在冷卻的廢氣排放到煙囪(120)中之前，通過一個或多個txes陣列(125a/b)傳送來自熱源的熱廢氣通過排氣筒(110)。注意，該示例中的筒和煙囪是用于基于廢氣的布置的說明。廢氣和冷凝物處理系統(tǒng)(未示出)也可以被整合到txes陣列中，或者作為必要時用于處理廢氣的預處理布置或后處理布置，以便去除諸如硫氧化物或氮氧化物之類的污染物?？梢蕴砑影ê瑹崃黧w的熱源(例如，具有與氣體輸入相對的液體、兩相或超臨界流體輸入的熱源)的或用于廢氣的進一步預處理或后處理的其它布置，而不背離本發(fā)明的范圍。

可以安裝txes陣列(125)，以使它們有助于在從廢氣到構成txes陣列的txes元件的熱傳遞期間形成的冷凝物的收集。一種方法是傾斜txes元件，以使冷凝物排出到收集點，在那里它被收集并且可以被進一步處理。注意，冷凝物通常仍然溫熱(例如，70℃)，并且可以通過附加的txes元件(在相同的txes陣列內或在一個或多個附加的txes陣列(多個)中)運行，這些txes元件被優(yōu)化以提取冷凝物中殘余的較低水平的熱量。

圖2圖示了用于從氣體輸入俘獲熱量的本發(fā)明的實現(xiàn)方式。該示例性實現(xiàn)方式包括燃燒熱源(200)、將熱廢氣從熱源傳遞到一個或多個熱儲存/交換器元件陣列(分別稱為txes陣列和txes元件)(例如125a，125b)的一個或多個排氣筒(一個筒被示為110，另一些為了清楚起見而被省略)。排氣筒可以裝配有一個或多個可選的過程控制器控制的排氣系統(tǒng)阻尼器(270a，270b)，其控制來自熱源的熱廢氣流向過程控制器指定的一個或多個txes陣列(125a，125b)，并且txes陣列被布置成使得熱氣體在被排出到煙囪(120)之前從熱源流動通過所選擇的txes陣列中的至少一個陣列。在廢氣的溫度可能變化的一些實現(xiàn)方式中，txes陣列可以串聯(lián)布置，使得第一txes陣列接收最熱的廢氣，而第二txes陣列接收較低溫度的廢氣。這準許通過將廢氣溫度與至少一個txes元件(和支撐功轉換熱發(fā)動機)相匹配來俘獲和再利用來自廢氣的附加熱能，該txes元件被優(yōu)化以俘獲、儲存和再利用廢氣的當前溫度下的熱能。

計算機控制或手動控制的阻尼器(270a，270b)可以用于通過打開和關閉阻尼器來控制從熱源向一個或多個選定的txes陣列的輸入氣流。當系統(tǒng)在過程控制下操作時，諸如當廢氣溫度不斷變化并且需要熱交換和再利用過程的實時優(yōu)化時，過程控制計算機(240)控制排氣阻尼器(270a，270b)。手動阻尼器設置可以用于具有更恒定排氣溫度和壓力的系統(tǒng)?？商娲兀梢允褂脙煞N阻尼器控制技術的組合。

阻尼器可以用于隔離txes陣列與廢氣流。可能出于變化的原因而這樣做，例如，txes陣列已經達到所需的操作溫度并且可以在另一txes陣列中更有效地利用熱量，因為廢氣處于特定的txes陣列不能最佳地從廢氣中提取熱量的溫度下，或者采取txes陣列離線(例如，用于維護)。

在一些實施例中并且在一些操作條件期間，可以利用旁通排氣管來引導熱廢氣，使得系統(tǒng)不會俘獲熱量。旁通排氣管使用由附加的阻尼器/閥門(270b)控制。在一些實現(xiàn)方式中，在一個或多個txes陣列不能正常工作(例如，在熱提取子系統(tǒng)故障期間)的情況下，旁通排氣管阻尼器可以被配置成“故障打開”以提供排氣系統(tǒng)的安全操作。

排氣筒、煙囪和txes陣列優(yōu)選地裝有傳感器，例如，溫度傳感器和壓力傳感器，其測量排氣筒、煙囪和txes陣列、過程流體和各個txes元件(例如，230a，230b，231a，231b)的溫度和壓力。溫度傳感器和壓力傳感器中的每個都連接至過程控制器(使用傳感器適當的機構，典型地，是電氣的)，以便向過程控制器控制的算法提供輸入，該過程控制器控制的算法管理txes陣列內的熱提取、儲存和再利用。

(多個)txes元件進一步與一個或多個熱發(fā)動機子系統(tǒng)(例如，250a，250b)流體連接(利用工作流體管道260a，260b)，其中，每個熱發(fā)動機的工作流體通過txes陣列中的至少一個txes陣列的txes元件中的一個或多個的txes元件循環(huán)。txes元件可能是“熱的”或“冷的”。熱的txes元件是由輸入(諸如廢氣)加熱的，然后保留熱量并且將其傳遞到工作過程流體的txes。冷的txes元件是由輸入端冷卻的，保持熱量的減少并且從工作過程流體吸收熱量的元件。txes陣列可以包括僅僅熱的txes元件(在不同程度上)、僅僅冷的txes元件(在不同程度上)、或熱的txes元件和冷的txes元件的組合。

每個熱發(fā)動機的工作流體流動路徑可以不同(例如，不同的熱發(fā)動機工作流體可以流經不同的txes元件)。在更有限的實現(xiàn)方式中，可以使用手動控制的閥門預先配置和/或配置流動路徑的部分，或者可替代地，可以省略閥門，并且靜態(tài)地實現(xiàn)流體路徑的該部分。每個工作流體流動路徑使用過程控制器控制的值來配置，使得工作流體通過txes陣列的至少一個元件，其中，工作流體和txes元件之間發(fā)生熱傳遞(加熱或冷卻工作流體)。在一些操作模式中，加熱后的工作流體然后通過渦輪機和冷凝器循環(huán)，以將傳統(tǒng)的蘭金循環(huán)中的熱量轉換為軸功，或者加熱后的工作流體被引導到外部儲存罐(未示出)。在其它操作模式中，部分工作流體通過txes元件被引導，部分流體以其繞過txes元件的方式被引導，并且與在txes元件中加熱的流體重新組合，以便產生所得工作流體的特定溫度。因此，處理器控制的閥門將熱發(fā)動機流體引導路徑設置通過一個或多個txes陣列和/或txes元件。這準許通過控制工作流體通過選定txes元件(其溫度與特定熱發(fā)動機的有效操作范圍相對應)的流量來從txes元件中更有效地提取所儲存的熱量。這樣，所使用的熱發(fā)動機/過程流體和通過txes元件的熱量/流動路徑可以在它們的溫度改變時(在它們被加熱時并且在從其中提取熱量時)與txes元件動態(tài)匹配。

其它操作模式中，循環(huán)工作流體，其已經被先前加熱(諸如通過不同的txes元件，或來自外部工作流體儲存器)，并且用于將熱量傳遞到txes元件中用于熱量分配或預加熱t(yī)xes元件的目的(例如，當其暴露于較高的熱廢氣時，減少元件上的熱應力)。該加熱流可以與廢氣流反向流動，或者可以通過txes元件在與廢氣流(例如，平行流)相同的方向上進行?？梢蕴峁┗亓鏖y以使通過一個或多個txes元件的工作流體流的方向反轉。該值可以是所附接的熱發(fā)動機的一部分，或者可以集成到txes陣列中。

在一些實施例中，可以手動操作控制過程流體流的閥門中的至少一個閥門。這種布置特別適合于當txes陣列部署在從廢氣中提取的熱量的數量幾乎與從txes陣列提取的熱量的數量相匹配并且系統(tǒng)以熱平衡運行(熱量流入在任何特定時間點匹配熱流出)的布置中。

每個熱發(fā)動機子系統(tǒng)可以在不同的溫度范圍內操作，并且可以被優(yōu)化以使用相同或不同的過程流體在特定的溫度范圍內操作。設想了幾種類型的發(fā)動機子系統(tǒng)。

主要的發(fā)動機或熱泵過程類型是蘭金過程。這種類型的熱發(fā)動機通過對處于液相的工作流體加壓，其對應地具有低的加壓工作能量，但具有沸騰工作流體所需的高熱量輸入。這些系統(tǒng)通常具有相當高的工作壓力，并且熱添加過程需要適應這些工作流體壓力。常規(guī)的蘭金發(fā)動機流體熱系統(tǒng)最常使用熱交換器，其將高壓工作流體與流動的熱供應(通常是燃燒氣體)分開。蘭金加熱系統(tǒng)的關鍵設計特征是當處理相當高壓力的工作流體時的成本效益以及來自熱源的通常較低的對流熱傳遞速率。

注意，存在通常相似但具有例如超臨界流體壓力因此在系統(tǒng)的高壓部分中在技術上沒有相變的各種發(fā)動機循環(huán)。類似地，流體的混合物具有溫度變化的沸騰過程。如本文中所使用的，術語蘭金或類似蘭金是指其中在該過程的冷端存在相變的廣泛的熱發(fā)動機/熱泵類別以及是指其中在液相中發(fā)生加壓的發(fā)動機系統(tǒng)。另一主要的熱發(fā)動機或熱泵過程是完全在氣相中操作的brayton循環(huán)。由于流體的加壓在氣相中進行，所以需要大量的加壓工作，但是在該過程中缺少相變會降低每單位工作流體相對于蘭金過程所加入的熱量。例如，在冷熱儲存brayton系統(tǒng)中，工作流體氣體被壓縮，通過使氣體通過txes元件將過熱器移除到熱的txes元件中，從而允許冷的高壓氣體膨脹成冷態(tài)。然后，使用冷的txes元件對這種冷工作流體氣體進行加熱，從而驟冷txes元件(產生冷的txes元件)。在壓縮機拉動工作流體氣體通過冷的txes元件(驟冷工作流體并且加熱t(yī)xes元件)然后壓縮現(xiàn)在溫熱后的工作流體(產生高壓氣體)的過程中，充電過程反轉。溫熱后的工作流體通過熱的txes元件被引導以產生熱氣態(tài)工作流體。然后，將熱的工作流體膨脹回到其起始溫度附近，同時產生軸功。

txes元件超過基于容器的儲熱途徑(例如，巖槽)的主要益處在于，在基于容器的途徑中，壓力容器被纏繞在所有的熱質量上，而由于熱儲存介質在壓力容器外部，所以txes元件需要更少的用于加壓容積的結構材料。

txes設計(例如，能量儲存、熱選擇性和功率平滑)的廣泛優(yōu)點為多種熱循環(huán)發(fā)動機提供了價值。例如，在具有兩個蘭金發(fā)動機子系統(tǒng)的系統(tǒng)中，第一蘭金發(fā)動機子系統(tǒng)可以被配置成在介于環(huán)境溫度和150℃之間的溫度下更有效地操作，并且第二蘭金發(fā)動機子系統(tǒng)可以被配置成在高于150℃的溫度下最有效地操作。在一些實施例中，可以使用多個不同的工作流體，每個不同的工作流體作為單獨的蘭金發(fā)動機子系統(tǒng)的一部分。工作流體和熱發(fā)動機特點基于其操作特點(例如，蒸發(fā)熱、比熱與溫度和壓力、最大溫度極限、可用流動速率的關系)與熱源溫度的關系來進行選擇。這使得能夠在功率水平和熱源溫度范圍內實現(xiàn)范圍廣泛的最佳性能。

可替代地，可以并聯(lián)提供共享常見操作參數的幾個熱發(fā)動機子系統(tǒng)，以增加系統(tǒng)的熱量提取和軸容量。這些系統(tǒng)可以互連或獨立地操作。

如此，可以獨立地配置每個熱發(fā)動機子系統(tǒng)的熱發(fā)動機過程、過程流體、操作壓力和渦輪機/冷凝器配置的選擇，并且與這些配置參數(過程流體臨界溫度、工作流、過程流體管流量和熱交換速率、泵的控制參數以及儲存容量等等)有關的信息被儲存在過程控制器中。

本發(fā)明的系統(tǒng)包括嵌入在txes元件(例如，上文的230a，230b)內和/或安裝到其上和/或安裝在過程發(fā)動機流體管道(260a，260b)上的過程控制器控制的溫度傳感器和壓力傳感器、以及過程控制器控制的阻尼器和/或閥(例如，270a，270b和txes陣列內部的閥門)，該閥有效地將工作流體流向/從一個或多個txes元件、泵、一個或多個熱發(fā)動機和一個或多個冷庫(未示出)引導。傳感器和閥門連接至過程控制器并且由其控制。

過程控制器還使用與其連接的每個txes元件和txes陣列的特點以及傳感器、閥門和管道互連信息進行編程。使用該信息以及當前txes元件溫度(在逐個元件的基礎上)和輸入溫度，過程控制器可以基于每個單獨的txes元件的當前溫度曲線來選擇最合適的熱發(fā)動機子系統(tǒng)用于從txes陣列中的每個txes元件提取熱量。選擇使用熱發(fā)動機子系統(tǒng)可能不是排他性的；各自被優(yōu)化用于使用不同溫度、壓力和/或工作流體進行操作的多個熱發(fā)動機可以連接至單個txes陣列。

在一些實施例中，使用多個txes陣列。該多個txes陣列使用管道和過程控制器控制的閥門和歧管流體連接，該岐管允許通過一個或多個txes元件(在每個txes陣列中)配置這些廢氣和過程流體的流動，用于管理儲存在每個txes元件中的熱量的數量。在示例中，借助于控制一個或多個排氣閥門/阻尼器以將熱廢氣引導到選定txes元件的過程控制器，廢氣優(yōu)先地被引導到需要附加加熱的txes元件中。在將熱源作為熱流體提供的情況下，熱流體通過控制一個或多個閥門和泵的過程控制器被引導到需要附加加熱的一個或多個txes元件中。

因此，過程控制計算機使用阻尼器、閥門、傳感器和熱發(fā)動機泵控制來對txes陣列(以及txes陣列的每個元件)進行加熱/熱提取，以便優(yōu)化可用的熱能的熱提取、儲存和使用。

應當注意，本發(fā)明的系統(tǒng)雖然被描繪為用于加熱后的廢氣，但是對于來自其中以本領域技術人員所理解的方式修改最少的熱液體或混合相源中的廢熱的熱提取/儲存而也可能起作用。主要區(qū)別在于液體特性與具有密度高得多的液體不同，因此每單位體積的熱量和較高的對流傳熱系數基于所選擇的流體而變化。對應地，管道通道可以具有不同的材料、尺寸和/或壁厚，以便支撐不同的流體、壓力和溫度。這些考慮可以將txes元件煙道和工作流體管的設計、以及隨后將具有不同熱特點的煙道和管的包裝到txes元件中作為因素考慮在內。

有趣的示例是其中蘭金蒸汽過程拒絕其熱量作為在蒸汽冷凝過程和環(huán)境溫度之間運行的蘭金氨工藝的熱添加的過程。一個txes元件設計可以具有優(yōu)化加熱蒸汽過程的廢氣的特征，并且可以優(yōu)化另一txes元件(和/或txes陣列(多個))用于冷凝作為熱源的蒸汽(熱量被傳遞到沸騰的和過熱的氨)。

本發(fā)明還可以用于儲存“冷”用于隨后使用的“冷”熱儲存器。在該變型中，充電過程通過傳遞來自先前加熱的txes元件的熱能來溫熱冷源流體。放電過程使工作流體驟冷，同時溫熱t(yī)xes元件。

一個示例性過程是使用txes布置作為液化天然氣(lng)再氣化裝置的一部分。在該示例性實施例中，lng通過txes陣列的煙道(或通過過程管)，從而冷卻(多個)txes元件并且溫熱lng直到其變?yōu)闅鈶B(tài)為止。氣態(tài)天然氣是該過程的輸出。類似蘭金的過程可以用來反轉過程。在這個示例中，蘭金發(fā)動機使用甲烷，其在液體狀態(tài)下被加壓，然后通過當溫熱甲烷時冷卻環(huán)境空氣的熱交換器進行沸騰并且過熱，并且該加壓氣體可以膨脹然后冷的低壓甲烷被儲存在txes元件中的“冷”冷凝。這提供了可以被加壓以繼續(xù)該過程的液體甲烷。

在另一備選實施方式中，熱氣體可以流過煙道，并且lng流過工作流體管以實現(xiàn)相同的效果，而不背離本發(fā)明的范圍。

注意，lng溫熱和過程流體熱流不需要與當前熱交換器一樣平衡，也不必同時發(fā)生(例如，熱流可以在時間上位移，諸如在lng的啟動/停止期間或過程流體流動期間)。例如，在不存在發(fā)電的情況下，可以連續(xù)氣化lng，或者通過使用txes元件的儲存容量，在沒有l(wèi)ng氣化的情況下，可以通過類似蘭金過程產生功率。txes元件提供必要的儲存容量，其支持熱交換過程的熱供應/需求不平衡和時間移位。

由txes系統(tǒng)支持的另一示例性過程是空氣液化?？諝庖夯ㄟ^將氣態(tài)大氣通過預先冷卻到適當溫度的一個或多個txes元件以液化所需元件將其轉化為液化空氣(或其組成部分，液化氧、氮等)。可以使用預先冷卻到不同溫度的不同txes元件，以便管理所生產的液化元件。從這些txes元件中提取熱量以及隨后的轉換工作是標準的類似蘭金過程完成。注意，通過可用于txes系統(tǒng)的可變過程流引導，txes元件可以在所有氣體(與單元件液化系統(tǒng)相反)的整個有用熱范圍內被加熱和冷卻，從而更有效地利用txes元件中的所有的熱量。

圖3圖示了系統(tǒng)的示例性過程控制器(300)。該過程控制器包括處理器(310)、易失性存儲器(320)和非易失性存儲器(325)(諸如ram、rom、prom、eeprom等)、連接至諸如連接至圖2的溫度傳感器和壓力傳感器之類的傳感器的傳感器輸入(330)、連接至閥門(例如，圖2的閥門270)的控制輸入/輸出(340)、與過程流體儲存器(例如，冷庫)相關聯(lián)的溫度傳感器和壓力傳感器、泵(未示出)、以及熱發(fā)動機部件(例如，渦輪機、冷凝器)和由處理器執(zhí)行以便從傳感器讀取值并且確定并隨后設置用于控制輸入/輸出的值以便實現(xiàn)本文中所描述的控制過程的控制程序(350)。其它傳感器可以連接至泵、渦輪機/冷凝器和其它操作設備以檢測操作條件和/或故障。

傳感器輸入和控制輸出中的每個電連接至系統(tǒng)的相應的傳感器/受控部件。在不背離本發(fā)明的精神的情況下，無線連接可以用于連接中的部分或全部連接。

在過程控制器的存儲器內儲存一個或多個控制程序。這些控制程序由過程控制器的(多個)處理器執(zhí)行并且實現(xiàn)本文中所描述的控制方法。

附加地，在過程控制器的一個或多個存儲器內儲存關于熱發(fā)動機的子系統(tǒng)、廢氣歧管布置、工作流體管道布置和每個txes陣列(包括單獨的txes元件信息)布置的配置信息以及部件和子系統(tǒng)中的每個的操作參數和控制參數。過程控制器使用該信息來解釋傳感器的輸入，并且響應于控制編程設置控制輸出。

另外，過程控制器存儲器儲存當前操作信息，諸如系統(tǒng)中傳感器中的每個傳感器的當前溫度和壓力。

返回到圖2，每個txes陣列包括一個或多個txes元件(125a/b)、監(jiān)測傳感器(230a/b，231a/b)、閥門/阻尼器(270a/b)以及管道(260a/b)，該管道有效地在陣列輸入歧管、一個或多個txes元件和陣列輸出歧管之間提供流體流動。每個txes陣列連接至熱源排氣筒(110)，廢熱源被引導到排氣煙囪(120)或合適的通風口，以及經由至少一個工作流體管道(260a，圖4，430)和至少一個工作流體輸出管道(260b，圖4，450)提供用于從一個或多個熱發(fā)動機子系統(tǒng)提取txes元件中的俘獲和儲存的熱量的工作流體，該至少一個工作流體管道和至少一個工作流體輸出管道有效地將相應的工作流體分配和收集到txes陣列的各個txes元件，從txes陣列的各個txes元件分配和收集相應的工作流體并且分配和收集txes陣列的各個txes元件之間的相應的工作流體。可以提供多個工作流體管道，以便：(a)提供具有不同特點(諸如不同路徑長度和/或流動速率)的不同流體路徑，以及(b)連接至不同的熱發(fā)動機。提供連接至過程控制器并且由該過程控制器控制的附加的閥和阻尼器以配置工作流體和加熱后的廢氣向每個txes陣列(以及多個txes陣列配置中的txes陣列之間)的各個txes元件的流動，從這些txes元件的流動以及在這些元件之間的流動。

根據需要，本文中所描述的txes元件中的每個txes元件、閥、管道和歧管可以是絕緣的，以更好地維持txes元件的溫度和交換過程的效率?？梢愿鶕枰褂玫V棉、玻璃纖維或其它公知的絕緣材料。取決于用途，可以提供外部蓋以保護絕緣免受排氣流和/或天氣的影響。

圖4圖示了本發(fā)明的示例性txes陣列布置，其具有示例性輸入歧管(410)和計算機控制閥門(420，460，465，470，480)、工作流體管道(430)和四個txes元件(例如，440a/b/c/d)，其可以被配置成產生通過txes元件陣列的元件的所需流體路徑。在此，txes陣列包括四個元件，但是在創(chuàng)建txes元件陣列時，可以使用任何數目的txes元件。

在txes陣列中使用的txes元件中的每個txes元件可以具有相似或不同的熱交換和儲存特點。因此，txes陣列可以包括被配置成用于高溫操作的txes元件，以及被配置成在較低溫度下優(yōu)化熱傳遞的不同的txes元件?？商娲兀瑃xes陣列的所有元件可以具有相似的熱俘獲和傳遞特點。

歧管與txes元件的互連。

典型地，txes元件被形成為具有作為元件的一部分整體構造的煙道通道。在描述熱源氣體管(例如，煙道)的示例中，可以使用本文中所描述的無管的txes元件設計來利用本發(fā)明，或者可以使用常規(guī)設計的煙道管(例如，鋼管)來構造本發(fā)明。

取決于期望的txes元件的布置，單個歧管可以通過管連接在txes陣列的熱源輸入歧管和各個txes元件的煙道管之間。附加地，該管道可以讓過程控制器控制的阻尼器/閥門聯(lián)機以控制熱源氣體流向特定txes元件。在將熱源氣體從其中提取熱量之后，類似的布置用于處理廢熱源氣體。

第二種途徑是將管端(用于嵌入txes元件中的管)布置成一行，使得可以制造將多個管連接至公共歧管的具有周期性短柱的直管。這種布置對于txes元件(用于高流量操作條件)的并聯(lián)布置特別有效，其中，廢氣被同時分開并且引導到多個txes元件中。歧管的輸入可以由過程控制器控制的閥門/阻尼器控制，其將同時啟用/禁用連接至歧管的一個或多個txes元件的熱輸入。

將工作流體歧管短柱連接至txes元件可以以多種方式進行，但成本是個重要的考慮。因此，對接拼接軌道焊接可以是成本有效的，但是可能需要在管端和用于焊接的歧管短柱之間進行緊密度公差對準和長度匹配。

另一選項是套接特征，其中，歧管短柱和管端之間的管尺寸具有內徑尺寸和外徑尺寸，其允許一個管以適當的公差在另一管內部滑動以允許發(fā)汗(sweating)操作或釬焊操作以產生密封接頭。另一選項是壓配件?？商娲?，柔性或韌性的管道或軟管可以用于將歧管與txes元件嵌入的過程流體管和煙道配合。

可替代地，多個txes元件可以在共同的“增壓室”內并聯(lián)布置，使得流過增壓室的熱源氣體必須通過一個或多個txes元件。每個txes元件可以具有單獨的阻尼器(多個)來控制來自增壓室的熱量輸入。

如本文中所描述的，可配置工作流體(和廢氣/熱源)流在txes陣列的操作中提供了極大的靈活性。在一些實現(xiàn)方式中，管道/閥門中的一些管道/閥門可以(通過添加管道/閥門)來擴展以提供附加的流動可能性，或者可以被限制(通過用手動值和/或靜態(tài)管道代替過程控制器控制的值和備選的流管道)。提供圖4的示例布置作為說明txes陣列的靈活性的演示。在第一示例實施例中，演示平行的流體流，過程流體進入輸入歧管410，其中，該過程流體流過閥門420a，420b，420c和420d通過管道，并且進入txes元件440a，440b，440c和440d，其中，它被加熱然后通過閥門(475a，475b，475c，475d)流出并且進入輸出歧管(490)。所有其它閥門465，460，470，480都被關閉。在第二示例實施例中，演示串聯(lián)流體流，過程流體進入輸入歧管410，其中，該過程流體流過打開的閥門420a到txes元件440a。在txes元件440a中被加熱之后，過程流體流出，其中，該過程流體被封閉的閥門475a阻塞。流體流入閥門480a(其打開并且420d關閉)進入txes元件440d的輸入側，其中，該流體被加熱再多一些，然后經由打開閥門460d輸出到出口歧管490。在第三示例中，演示了其中當過程流體流在陣列中的txes元件之間流動時分流的備選流動路徑，過程流體進入輸入歧管410，其中，該過程流體流過打開閥門420a到txes元件440a。在txes元件440a中被加熱之后，過程流體流出，其中，該過程流體被封閉的閥門475a阻塞。流體流入閥門470a和480a(它們是打開的，420c和420d是關閉的)進入txes元件440c和440d的輸入側，然后經由打開閥門475c和475d傳出到出口歧管490，流動路徑的其它組合、串聯(lián)、并聯(lián)以及串聯(lián)和并聯(lián)的組合可以通過打開和關閉適當的閥門(420，460，465，470和480)來實現(xiàn)。

txes陣列設計的優(yōu)點是存在許多地方，即，通過過程控制器控制的閥門可以動態(tài)地更改熱源氣體和工作流體兩者的進入路徑和排放路徑，以便繞過txes陣列的各個元件。響應于其控制程序，確定何時繞過特定txes元件由過程控制器執(zhí)行，其使得部分地基于輸入熱源的溫度傳感器讀數和壓力傳感器讀數、txes元件的特點(例如，其流動路徑中的每個流動路徑中的熱交換系數)、txes元件的當前操作狀態(tài)(例如，其當前溫度和溫度曲線)以及熱發(fā)動機子系統(tǒng)的特點(諸如操作溫度、工作流體、操作壓力)、以及將來可能預期的各種操作模式做出決定。

存在通常高度耦合在一起的多種變量，其確定操作范圍，并且當操作條件變化時，這些變量可能影響txes的配置或txes的操作。類似蘭金過程的工作壓力范圍或比例確定了溫度范圍或比例。壓力還設定了改變流體質量所需的焓的數量的沸騰溫度(或更一般地，超臨界壓力)。通常，由流體吸收的熱量的很大一部分處于或接近沸騰溫度或準沸騰溫度。這是txes的行為的強大因素。因此，例如，改變工作流體的壓力改變工作流體吸收或遞送熱量到txes的溫度。

峰值溫度也是重要的，因為它確定了可用于膨脹或從壓縮(例如，熱泵)過程遞送的最大焓。如所指出的，跨過壓縮機或膨脹機可用的壓力比確定了特定流體的溫度改變。類似蘭金熱發(fā)動機的共同目標是使跨過機器(膨脹機)相對于總熱量輸入的焓交換最大化。在熱泵中，共同目標是相反的，使在較高壓力下遞送的總熱量的機器焓(壓縮)最小化。在熱泵/熱發(fā)動機儲能系統(tǒng)中，這些計數器考慮在理想情況下有所抵消。像大多數系統(tǒng)一樣，實際考慮包括成本和現(xiàn)實世界的效率考慮。如其它地方所討論的，對于txes設計，存在與所儲存的每單位能量的成本相關聯(lián)的因素以及流體和儲存介質之間可實現(xiàn)的最小溫度差異。讓系統(tǒng)變化溫度、壓力、流體和質量流量的流量控制系統(tǒng)提高txes支持廣泛多種可能系統(tǒng)的系統(tǒng)的價值。

圖15是說明了不同流體有效操作的溫度和壓力的大量組合中的一些組合的表。存在還可以通過簡單地改變要在過程中使用的不同化合物的相對數量來無限地變化特性的流體的混合物。

圖15

許多熱發(fā)動機系統(tǒng)與多級系統(tǒng)一起工作。在類似蘭金系統(tǒng)中，另一有趣的技術是再加熱循環(huán)，其一旦沸騰并且過熱，在氣相中膨脹然后再次加熱，然后再次膨脹，加壓流體。因為遞送和提取總焓更多并且這需要更高的壓力比，所以這些系統(tǒng)通常具有更高的壓力。較高的壓力通常會導致流體超臨界，即，不再有沸騰過程發(fā)生的固定溫度的地方。對于顯熱t(yī)xes和交換系統(tǒng)，避免了交換大量焓的固定溫度是有用的。

由于對于發(fā)動機模式有兩個加熱過程，所以在那兩個或多個或更多個加熱過程相對于熱供應的布置方面存在靈活性。由于再熱過程(多個)不具有潛熱吸收過程，因此傾向于處于較熱的熱供應段。另一技術是在txes元件陣列中簡單地運行具有普通或不同流體的兩個或多個過程。與再熱循環(huán)相反，每個過程中的壓力可以獨立定制，因此可以提供選擇壓力以幫助夾緊點熱俘獲挑戰(zhàn)。

如上文所指出的，關鍵變量是沸騰點或準沸點，其隨著作為兩種流體(通常為廢氣或廢熱流和熱俘獲工作流體)之間的熱交換器的txes的壓力而顯著變化。這對于這些設計領域的技術人員來說是眾所周知的，作為夾緊點分析。這是從廢熱流中最大限度地俘獲熱量的過程，但實際上找到經濟實惠足夠用于經濟部署的整體系統(tǒng)。

由多個流動通道和模塊化塊提供的靈活性提供了來自更高效率操作的值的選擇，從而當需要獨立于熱供應的遞送時儲存用于遞送的能量，簡單地使機器反向運行的能力并且通過工作加熱回系統(tǒng)，降低由于其它地方討論的具有成本效益的管道設計而導致的熱俘獲成本，在通過改變這些變量中的一個或多個變量在txes中添加熱量的溫度或從其中提取熱量的溫度不同，從而導致txes的成本效益改進。

以下附圖描繪了具有圍繞構造的創(chuàng)新特征的txes元件的布置以及由此產生的性能。雖然圖5至圖12描述了各種實施例的實現(xiàn)細節(jié)，但txes元件的一些一般方面單獨和組合提供了益處。這些包括元件形狀/配置、基質材料和工作流體管道配置。

每個txes元件使用模塊化設計構造，并且可以基于實現(xiàn)方式的要求而采取不同的形式和尺寸。取決于所需的熱流特點，txes元件可以具有各種尺寸范圍。txes元件設計用于快速、模塊化構造和易于運輸。包括若干個特征和設計元件以便于這一點。例如，txes元件使用易于通過半拖車運輸的長度，并且元件的質量對于起重機起重操作是容易的。txes元件段需要足夠的彎曲強度，以允許從鑄造/制備中去除到卡車，然后從卡車上堆放，但是不需要附加的結構強度以便起作用。在一些情況下，加強鋼(例如，鋼筋)或鋼張力構件用于增強txes元件。這些元件用于提升和運輸txes元件，其設計負載否則會使txes元件的混凝土處于張力狀態(tài)。txes元件的長度通常為2米至15米，橫截面大致為正方形或直線，并且邊長尺寸為0.2m至2.5m。盡管應用的尺寸可能會從大約100kg變化至18000kg，但是txes元件的質量可能約為6000kg。

txes元件的模塊化設計允許鑄造或以其它方式制備整個系統(tǒng)的分段，使得許多分段可以并聯(lián)堆疊并且還被串聯(lián)放置。串聯(lián)布置允許輸入熱源和工作流體具有更長的路徑長度，從而準許更多的熱量從熱源中提取，儲存在一個或多個txes元件中，然后將其提取到優(yōu)化用于正在被提取的熱量的具體特點的熱發(fā)動機子系統(tǒng)的工作流體中。txes陣列設計中的元件優(yōu)化的一部分是創(chuàng)建具有不同定義特點的txes元件。例如，可以用多個工作流體路徑創(chuàng)建第一txes元件，每個路徑具有以50升/分鐘的流動速率將工作流體的溫度升高高達70℃的能力?？梢詣?chuàng)建具有以100升/分鐘的流動速率將工作流體的溫度升高高達300℃的能力的第二txes元件。

類似地，可以構造txes元件，其可以接受100℃、300℃、500℃或甚至1000℃的工作熱輸入，并且有效地俘獲txes元件內的熱量。另外，txes元件可以被構造成在不同的壓力、流動速率和熱源的特點下操作。在示例實施例中，第一txes元件可以具有足以通過每分鐘300立方英尺的熱源氣體的煙道通道，而第二txes元件可以具有通過每分鐘150立方英尺熱源氣體的煙道通道。第三示例txes元件可以在3psi的壓力下操作，而另一txes元件可以被設計成準許熱源氣體的自由流動(例如，未加壓)。

典型地，txes元件包括結構元件、熱儲存介質(典型地，包括基質和填料)、一個或多個工作流體通路以及被稱為煙道的一個或多個熱源通路。結構強度可以通過諸如鋼筋之類的明確的結構元件提供，或者可以與元件的其它部件(諸如基質本身)成一體。

鑄造到txes元件中以允許容易地提升和放置到卡車上或最終安裝中的堆中的特征有助于在這些過程期間節(jié)省勞力。與txes元件提升和處理相關聯(lián)的另一有價值的特征是底部和側面的淺凹口，其允許提升帶用于提升和放置txes元件，同時容易地移除并且不阻礙txes元件的緊密堆疊(未示出)。

可替代地，提升點可以以其中提升負載的較高局部應力在足夠的面積上擴展到txes元件中以維持跨過txes元件的可接受負載水平的方式鑄造到txes元件中。通常，鑄造提升特征，以便不會突出在通常放置在正常堆疊平面上方的txes元件的該正常堆疊平面上方?？商娲兀嵘郊褂每赡芡怀鲈诳梢瞥亩询B平面上方的特征，或者一般而言，將凹形特征放置在txes元件的底部中，以允許提升突起特征不干擾緊密堆疊。

每個txes元件的基質材料是儲存從廢氣或熱工作流體中提取的熱量的材料?；|填充傳熱通道和工作流體管道之間的空隙，其改善了材料的導電性和強度。

優(yōu)選的基質材料是在粘合材料(諸如波特蘭水泥)中包含一種或多種類型的骨料的混凝土或混凝土狀基質。應當指出，不需要高的基質強度，因此優(yōu)選產生更高的儲熱能力(通常以強度降低為代價)的基質材料的改變。

常規(guī)的波特蘭水泥基混凝土混合物可以用于一些txes元件，經受特殊的固化過程，以便完全干燥基質，以便防止當txes元件被加熱時的開裂。波特蘭水泥基混凝土混合物可能需要以防腐蝕形式或通過加襯排氣煙道防護一些排氣流(諸如富硫燃燒氣體)的酸性作用。

可以使用高溫水泥，其中，txes元件經受基本加熱或繼續(xù)加熱/冷卻循環(huán)。高溫水泥和常規(guī)水泥的混合物也是可能的。地質聚合物或具有如粉煤灰之類的火山灰特性的其它材料可以增強或代替如波特蘭水泥之類的其它粘合劑成分。

在水泥中使用的骨料部分地由于骨料尺寸而選擇，因為一些txes元件過程流體管道和煙道配置限制了可以使用的骨料的尺寸。實驗已經演示，可以使用的最佳最大骨料尺寸是任何嵌入式盤繞過程流體管道(見下文)的線圈間距離的一半，以便使基質內的任何空隙最小化。結合骨料，可以將傳導增強添加劑加入到基質混合物中。這些添加劑可以包括：金屬屑(與混凝土兼容的金屬，如鋼而不是鋁、如鐵絲網之類的網狀形式的金屬絲，其最佳性能可以大致垂直于txes的軸向溫度梯度、和/或碳或石墨顆粒、纖維或細絲定向。

將相變材料集成到txes元件中有幾種途徑：1.使用用于熱輸入流體和過程工作流體的管，并且將管浸入充滿相變材料的容器中。2，具有包含相變材料的txes元件的段(例如，相變材料被混凝土和/或其它包含特征圍合的位置，例如，嵌入在基質中的容器)。以這種方式，相變材料可以位于工作流體相變發(fā)生的過程中(通常更接近逆流過程的較冷端)。

鑄造煙道通道作為每個txes元件的一部分，嵌入作為txes元件的一部分(例如，煙道管)或者作為txes元件的形狀的一部分(例如，煙道通道)。煙道管可以由足以承受熱輸入的任何管道材料構成，例如，鋼、不銹鋼、陶瓷、塑料或由其它特種金屬制成的管。煙道通道的形狀的橫截面(例如，圓形、橢圓形)或路徑(例如，直、螺旋形)可以更改，以便在煙道和txes元件材料之間實現(xiàn)期望的熱傳遞。

在熱供應處于低壓的應用中，對于構造煙道特征具有更大的靈活性。鋼是常見的低成本材料，其與混凝土基質材料兼容。注意，煙道鋼通道的形狀不必是圓形的，因為它對其具有很小的壓力，并且其它形狀可以比其它更好地包裝到txes元件橫截面中，或者增加整個txes元件的每單位長度或工作流體管的每長度的表面積的比例。

在txes元件鑄造期間，犧牲材料可以用于在txes元件中形成管和通道。犧牲材料的功能是通過本領域技術人員已知的過程在鑄造過程期間在基質中產生空腔。

此外，通過用涂層涂覆基本形狀特征，可以將耐腐蝕性添加到任何這些通道材料中。對于將被去除的模板，優(yōu)選將涂層放置在模板的外側，使得涂層保持附著在混凝土上?？赡苡幸娴耐繉拥氖纠ň哂休^高耐酸性或較低孔隙率的特殊混凝土混合物(例如，基于地質聚合物的混凝土)、具有足夠耐溫性的熱塑性薄膜、硅酮薄層或硅石陶瓷。抵抗材料將面向通道中的流體。這種內襯材料可以預先制成并且放入元件的鑄造模板中，特別是當內襯在鑄造過程期間具有足夠的強度以保持合適的形狀時?；蛘撸绻麅纫r組件需要支撐，則犧牲或可移除的支撐件可以用于適當地保持鑄造期間的形狀。這些耐腐蝕或較少孔的涂層可以以若干種方式應用于模板特征：噴涂、浸鑄、注漿成型等等。

圖5a、圖5b和圖5c圖示了具有鑄造到熱源流體(除了工作流體管之外)的txes元件中的煙道管的txes元件的實施例，其中，熱量傳遞到管壁或者從流體傳遞到管壁，其中，儲熱基質然后將熱量傳導離開管或者傳導到管。圖5a圖示了包括基質(510)、多個煙道管(520)和嵌入在基質中的多個螺旋形工作流體管(530)的示例性txes元件布置。圖5b圖示了具有集成提升附件的變型六角形txes元件(端視圖)。圖5c圖示了具有基質、多個煙道管和具有集成提升附件的多個交錯螺旋形工作管的矩形txes元件(端視圖)，該集成提升附件的特征在于可移除提升環(huán)?？梢园ㄆ渌问降奶嵘c，而不背離本發(fā)明的精神。一個優(yōu)化考慮是煙道管和工作流體管之間的距離以及基質材料相對于那些對流通道如何均勻地分散。還有，煙道管和螺旋形工作流體管的數目和布置可以在不背離本發(fā)明的性質的情況下變化。

在第二示例性實施例中，可以形成txes元件，使得熱供應與熱儲存基質直接接觸。描述了兩種這樣的布置；在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以利用許多其它可能的配置。圖6圖示了當txes元件形成有扇形或者通常具有大致規(guī)則邊，(例如，正交或六邊形)壁的txes元件中的其它外部特征的一個示例性實施例。在圖6中，txes元件布置包括基質(600)、四個鑄造扇形煙道通道(610)和四個螺旋形工作流體管(620)。為了清楚起見，未示出其它特征，諸如集成提升點。扇形和螺旋形工作流體管的數目和布置可以在不背離本發(fā)明的性質的情況下變化。

該設計中的有趣特征中的一些有趣特征包括使角落成扇形，其可以具有至少兩個益處。這些是用于廢氣傳熱通道的可能通道，并且還去除了離線圈最遠的混凝土中的一些混凝土?；炷恋骄€圈的更均勻的距離幫助使在熱力學上不太理想的混凝土溫差(相對于工作流體)的增加最小化。如圖7所示，“規(guī)則”側允許堆疊txes元件，而扇形提供來自熱源的加熱后的流體(廢氣、護套冷卻劑或均勻油)的通道，以在txes陣列中的txes元件的堆中傳遞這些特征。圖7圖示了堆疊在3×3布置中的9個扇形鑄造txes元件(710，具有扇形720和螺旋形工作流體管740)，并且圖示了由扇形模板形成的排氣通道(730)。

嵌入在txes元件的基質中的過程流體管的使用在用于加壓工作流體的壓力容器處起作用，并且附加地，形成傳熱表面。螺旋性或盤旋形線圈延長了流動路徑長度，并且增加了每個txes元件傳遞的熱量數量。本文中，螺旋形用于意味著包括螺旋形、盤旋形或相關幾何線圈的任何線圈布置。管道的直徑以及螺旋形線圈的直徑、其間距(例如，每米的線圈)以及管道在每個txes元件內的長度可以變化以產生針對特定工作流體、操作壓力、操作溫度范圍和傳熱系數txes基質而被優(yōu)化的過程工作流體管道。如下文所描述的，可以使用多個工作流體管。螺旋形結構管具有以下效果：

1.將工作流體的表面積增加到熱質量(管本身的表面，其基于工作流體管的直徑而變化)。

2.增加可能發(fā)生熱傳遞的路徑長度。因為工作流體過程的目標是在機械充電過程期間將幾乎所有的熱量從流體中排出，或者將流體蒸發(fā)然后過熱高達接近儲存材料的熱端的全部溫度，因此儲熱材料和工作流體之間的溫差是期望的。然而，工作流體和固體儲存材料之間的溫差很小導致低的傳熱速率，因此需要較長的距離和更多的表面積來實現(xiàn)到或從工作流體的完全傳熱。

3.更長的可用長度意味著傳熱通量(w/m2)可以更低，并且由于工作流體和儲存材料(例如，混凝土)之間的更高的溫度差，所以這使系統(tǒng)效率損失最小化。有利地，較低的熱通量意味著儲熱材料的較低的溫度梯度。

4.當考慮到當txes加熱或冷卻時，熱轉換過程在txes內部物理移動的因素時，增加熱傳遞函數的總長度。因此，因為大部分的高質量儲熱處于熱傳遞區(qū)的熱側上的儲存裝置的熱端中，所以傳熱區(qū)的長度相對于總體可用長度相對較短是期望的。

5.使可用于熱儲存的更多的txes元件基質暴露。

當計算txes元件內的流體路徑的熱傳遞系數時，可以考慮這些因素中的每個因素。熱傳遞系數是描述在tsex元件基質和工作流體之間傳遞熱量的路徑的整體能力的度量。熱傳遞系數及其在確定最佳流體路徑長度方面的用途如下文所描述的。

txes陣列中靈活定義的工作流體路徑和源流體路徑準許以不同的熱傳遞系數選擇(和創(chuàng)建)流體路徑?；趖xes元件中的當前溫度和溫度梯度、工作流體、其溫度和壓力、以及通道的特點(長度、直徑(例如，傳遞面積)、材料)，通過txes元件的每個通道具有定義的熱傳遞系數。在txes元件部署在txes陣列之前，可以計算和/或測量作為txes元件中每個通道的工作流體特點的函數的熱傳遞系數，并且這些系數可以儲存在過程控制器的存儲器中。注意，熱傳遞系數與所涉及的絕對溫度和壓力無關。它提供了其中當工作流體通過txes元件時添加到(減去)工作流體的熱量的數量的度量。

例如，可以確定包括通過針對特定工作流體、流動速率以及溫度(如由工作流體通路中的傳感器確定的)的txes元件的直管的第一通道以及txes元件內的已知溫度和溫度梯度布置(如由txes元件中的溫度傳感器確定的)以具有1的熱傳遞系數，而半徑為6英寸的第一螺旋形線圈和4英寸的線圈之間的間距可以具有熱傳遞系數為100，而半徑為12英寸的第二螺旋形線圈和4英寸的線圈之間的間距可以具有熱傳遞系數為200。因此，通過這些流體通道中的每個流體通道的第一工作流體將獲取傳遞到(或離開)txes元件的特定熱配置的工作流體的1單位、100單位、或200單位的能量。對于txes元件的不同熱配置，相同的工作流體條件可以在流過txes元件中的特定通道時獲取0.5單位、50單位或100單位的能量。相同txes元件條件下的不同工作流體的熱傳遞系數可以分別針對三個通路為2，50和100。再次，該信息可以被編碼并且儲存在過程控制器的存儲器中。

當流體路徑通過多于一個txes陣列和/或txes元件時，總傳熱系數是流體所行進的txes元件/通道系數的相應系數的總和。

圖8圖示了嵌入在txes元件中的類似尺寸和螺距螺旋形過程流體管的同軸布置。兩個螺旋形過程管(810，820)圍繞公共軸線(830)布置，其中螺旋線圈纏結在一起，以便提供與加熱后的txes元件基質(890)相等的接觸區(qū)域。注意，為了清楚起見，圖中省略了txes元件中的煙道管。嵌入式溫度傳感器和壓力傳感器(860，870，880)用于檢測txes元件的溫度(以及任選的一個或多個螺旋過程流體管中的工作流體的壓力)。還圖示了集成提升元件(840，850)。

圖9圖示了圍繞公共軸線(930)布置的嵌入在txes元件中的不同尺寸和螺距螺旋形過程流體管(910，920)的第二同軸布置。注意，為了清楚起見，圖中省略了txes元件中的煙道管。還示出了嵌入式傳感器(960，970，980)和集成提升點(940，950)。嵌套過程流體管線圈，從而提供具有更大表面積和管長度的第一管，以及具有較小表面積和管長度的第二管。因此，這些管提供了txes元件和管中的過程流體之間不同數量的熱交換，并且可能各自具有不同的熱傳遞系數。因此，可以取決于texs元件的溫度和所期望的過程流體加熱的數量使用具有長流體路徑(并且因此更多的熱交換和更高的熱傳遞系數)或不同的管中的更短的流體路徑的管(并且因此較少的熱交換和較低的傳熱系數)通過txes元件選擇過程流體流。在其它用途中，如果txes元件是熱的，則可以選擇具有第一工作流體的一個管用于使用，而當使用多個流體熱發(fā)動機過程時，如果txes元件較冷，則可以選擇第二管，以便控制從txes元件提取的熱量數量?？商娲兀煌墓ぷ髁黧w可以通過不同的管進行引導，從而進一步增強了儲存在txes元件中的熱量的管理。

圖10圖示了嵌入在具有共線但是不同軸(1030/1035)的txes元件(1090)中的類似尺寸和螺距螺旋形過程流體管(1010，1020)的共線(即，螺旋形過程管的軸線是平行的)布置。注意，為了清楚起見，圖中省略了txes元件中的煙道管。還示出了集成傳感器(1060，1070，1080)和提升附件(1040，1050)。每個工作流體管螺旋的線圈纏結在一起以便提供與基質材料的大接觸面積。還要注意，在該實施例中，螺旋不在相同的軸線上，其具有展開暴露于基質的線圈區(qū)域(例如，在左到右的方向上相對于同軸對準多一點)的效果。與更同心模式相對，將線圈水平展開是使線性模式中的均勻傳熱表面積的策略。角部處，優(yōu)選避免了相對遠離常規(guī)螺旋管的那些段，因為那些相對遠的段的熱延遲或滯后可能降低性能。如圖8和圖9所示的同心模式可以修剪掉角部(未示出)，或者圖5b中的設計創(chuàng)建了使每個txes元件的角部的數目最小化的重復圖案。

圖11圖示了嵌入txes元件(1190)中的螺旋形過程流體管(1110，1120)的非重疊的共線布置。注意，為了清楚起見，圖中省略了txes元件中的煙道管。還示出了集成傳感器(1160，1170，1180)和提升附件(1140，1150)。過程流體管可以具有不同的尺寸和線圈螺距，以便為每個管路提供不同數量的熱傳遞。

上述示例中的每個示例說明了具有兩個螺旋工作流體管元件的txes元件，其具有變化的管特點和線圈特點。存在于txes元件中的螺旋形工作流體管的數目、軸偏移量和線圈交錯數量可以在不背離本發(fā)明的范圍和意圖的情況下變化，而需注意在管的數目增加時，必須減小txes元件的骨料尺寸，以便使鑄造期間txes元件基質中的空隙最小化。

通常，在工作流體管的核心處、熱供應通道和可能的其它特征(如扇形或凹口)處將存在可以重復但通常鑄造到許多這些共同子集圖案的組件中的共同圖案。當將許多相似特征聚集成更大的鑄件時，常常發(fā)生成本節(jié)約或其它價值，包括當將許多特征鑄造在一起時，每特征的勞動力減少，從而在制造過程期間以及在項目現(xiàn)場安裝期間減少了處理組件的時間；當澆鑄元件較厚時，提升操作的段更堅硬，從而減少了內部加強件，允許相對于現(xiàn)場組裝，在更為受控和更便宜的工廠操作中完成txes元件外部的更多的歧管裝置，使更多的加壓流體管道與成型工具對準，而當堆疊單獨的txes元件時的變化更高。

如上文所提及的，系統(tǒng)優(yōu)選以逆流操作，其中，熱源流體在一個方向上流動，從而加熱從“熱”端開始并且在“冷”端離開的txes元件，并且工作流體在相反(或逆流)方向上流動，從而在冷端處進入并且在“熱”端處退出。在充電期間(例如，向txes元件添加熱能)，這具有增加(多個)txes元件內的溫度梯度的斜率的作用。作為主要發(fā)生熱傳遞的txes元件的部分的熱梯度區(qū)也隨著熱充電數量的改變而在txes元件內線性移動。在txes元件溫度曲線在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)之間移動時，逆流沿著txes元件通過使溫度梯度陡峭來提高系統(tǒng)的效率和成本效益。圖12圖示了在熱充電的各種階段中的txes元件的充電狀態(tài)的三個圖形示例。

過程控制器監(jiān)測進入熱源、(多個)工作流體和包括txes陣列的每個txes元件的溫度和壓力，并且調整流體路徑和流量以優(yōu)化在充電期間所保留的，在充電狀態(tài)下儲存的，并且在放電期間被拒絕到工作流體中熱量。

當與txes元件的模塊化設計和系統(tǒng)的過程控制的流量管理相結合時，txes陣列的益處是可以通過系統(tǒng)優(yōu)化熱和工作流體流，以便俘獲、儲存和使用從輸入熱流中提取的最大數量的熱量。當系統(tǒng)附接至水泥廠、發(fā)電廠或工業(yè)廢熱回收過程的輸出時，可以使用相同的機構(可以調整所使用的txes元件用于熱和工作流體)。

本領域技術人員還將認識到，雖然上面已經根據優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是并不限于此。上文所描述的發(fā)明的各種特征和方面可以單獨使用或共同使用。進一步地，盡管本發(fā)明已經在其在特定環(huán)境中的實現(xiàn)方式以及針對特定應用的上下文中進行了描述，但是本領域技術人員將認識到，其實用性不限于此，并且本發(fā)明可以有利地用于其所期望的任何數目個環(huán)境和實現(xiàn)方式。因而，下文所闡述的權利要求應當鑒于本文中所公開的本發(fā)明的全部寬度和精神來解釋。