再生器、再生方法和用於再生器的液體聚合物混合物的製作方法
2023-12-06 12:10:11 1
專利名稱：再生器、再生方法和用於再生器的液體聚合物混合物的製作方法
技術領域：
本發明涉及再生器、再生方法和用於再生器的液體聚合物混合物。更具體地，本發明涉及再生器、再生方法和用於再生器的液體聚合物混合物，其中液體聚合物與導熱固體材料基本保持接觸。
背景技術：
已知再生器可以冷卻在非高峰電力需求時段(非尖峰時段)期間獲得的壓縮空氣並在高峰電力需求時段(尖峰時段)期間在壓力下汽化該壓縮空氣。該壓縮空氣可用在燃氣輪機發電系統中。全文經此引用併入本文的Hitachi (Hidefumi Araki, Mitsugu Nakabaru 和 Kooichi Chino, Heat Transfer — Asian Research, 31 (4), 2002)描述在尖峰時段期間將高壓空氣送往燃氣輪機的燃燒器。這一循環涉及預冷卻的再生器。可通過液化天然氣的汽化實現預冷。在一些地區，可能無法獲得液化天然氣。此外，作為可燃氣體，液化天然氣涉及在儲存和運輸中，和更重要地，液化天然氣(可燃材料)與氧化氣體(例如空氣)的熱交換的安全顧慮。另外，Hitachi論述通過包括再生介質，如卵石或混凝土的延長冷卻。因此， 如果被冷卻的空氣的壓力與被加熱的空氣的壓力相同或類似，如Hitachi中公開的預冷再生器的運行會隨循環造成再生器升溫，因此這種方法是不可持續的。如果被加熱的空氣的壓力比被冷卻的空氣低得多，該方法變得相當低效。Hitachi描述了在混凝土塊中包含金屬管的再生器。這種再生器將高壓/低溫流與再生器的儲熱體(heat capacitor)(例如混凝土)隔離。但是，在再生器的工作壽命中會發生混凝土儲熱體與金屬管的剝離。通過混凝土塊與金屬管之間的接觸或由於由混凝土與金屬的極其不同的熱膨脹係數加強的膨脹和收縮而發生這種剝離。這種剝離產生間隙，其極大降低管外壁與混凝土之間的傳熱。需要能基本防止儲熱體材料與導熱固體材料剝離的再生器、再生方法和混合物。發明概述
本公開的一個方面包括用於周期性冷卻、儲存和加熱大氣氣體的再生器。該再生器包括容器、在該容器內的液體聚合物和排列與布置成將該液體聚合物與要在該容器內加熱、 冷卻或在該容器內加熱和冷卻的流體隔離的導熱固體材料。該液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與導熱固體材料保持接觸。本公開的另一方面包括用於周期性冷卻、儲存和加熱大氣氣體的再生方法。該方法包括在第一運行期中將第一料流送往再生器以冷卻形成冷卻流和在第二運行期中將第二料流送往再生器以加熱形成加熱流。該再生器包括容器、在該容器內的液體聚合物和排列與布置成將該液體聚合物與要在該容器內加熱、冷卻或在該容器內加熱和冷卻的流體隔離的導熱固體材料。該液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與導熱固體材料保持接觸。本公開的另一方面包括用於再生器的液體聚合物混合物。該液體聚合物混合物包括液體聚合物和選自卵石、砂礫及其組合的儲熱體材料。該液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與導熱固體材料保持接觸。本公開的一個優點包括相對於儲熱體與再生器管接觸，通過減輕或消除剝離和/ 或間隙形成(這降低傳熱)來延長再生器壽命。本公開的另一優點包括與單相儲熱體相比改進的傳熱。本公開的另一優點包括與在液體聚合物混合物中加入卵石和/或砂礫引起的材料成本降低相關的成本效率。本公開的另一優點包括由於所有或一部分液體聚合物混合物的相變溫度與加壓大氣氣體的熱容峰的溫度匹配而在多個運行溫度下改進該再生器的熱容匹配和因此效率。從聯繫舉例圖解本發明原理的附圖考慮的優選實施方案的下列更詳細描述中可以看出本發明的其它特徵和優點。本發明涉及以下方面
1.用於周期性冷卻、儲存和加熱大氣氣體的再生器，該再生器包括 容器；
在該容器內的液體聚合物；和
排列與布置成將該液體聚合物與要在該容器內加熱、冷卻或在該容器內加熱和冷卻的流體隔離的導熱固體材料；
其中該液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與該導熱固體材料保持接觸。2.根據方面[1]的再生器，其中該導熱固體材料是金屬。3.根據方面[1]的再生器，進一步包含儲熱體材料，該儲熱體材料與該液體聚合物接觸。4.根據方面[3]的再生器，其中該儲熱體材料選自巖石、砂礫及其組合。5.根據方面[1]的再生器，其中該導熱固體材料包括至少一個翅片管。6.根據方面[1]的再生器，其中該導熱固體材料包括至少一個翅片板。7.根據方面[1]的再生器，其中該液體聚合物是聚二甲基矽氧烷。8.根據方面[1]的再生器，其中該液體聚合物具有在68° F (20° C)下低於大約100釐泊的粘度。9.用於周期性冷卻、儲存和加熱大氣氣體的再生方法，該方法包括 在第一運行期中將第一料流送往再生器以冷卻形成冷卻流；
在第二運行期中將第二料流送往再生器以加熱形成加熱流；
其中該再生器包括
容器；
在該容器內的液體聚合物；和
排列與布置成將該液體聚合物與要在該容器內加熱、冷卻或在該容器內加熱和冷卻的流體隔離的導熱固體材料；
其中該液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與該導熱固體材料保持接觸。10.根據方面[9]的方法，其中該大氣氣流是空氣。11.根據方面[9]的方法，其中該導熱固體材料是金屬。
12.根據方面[9]的方法，其中該再生器進一步包含儲熱體材料，該儲熱體材料與該液體聚合物接觸。13.根據方面[12]的方法，其中該儲熱體材料選自巖石、砂礫及其組合。14.根據方面[9]的方法，其中該導熱固體材料包括至少一個翅片管。15.根據方面[9]的方法，其中該導熱固體材料包括至少一個翅片板。16.根據方面[9]的方法，其中該液體聚合物是聚二甲基矽氧烷。17.根據方面[9]的方法，其中該液體聚合物具有在68° F (20° C)下低於大約 100釐泊的粘度。18.用於再生器的液體聚合物混合物，該液體聚合物混合物包含 選自巖石、砂礫及其組合的儲熱體材料；和
液體聚合物；
其中該液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與該導熱固體材料保持接觸。19.根據方面[18]的液體聚合物混合物，其中該液體聚合物是聚二甲基矽氧烷。20.根據方面[18]的液體聚合物混合物，其中該液體聚合物具有在68° F (20° C)下低於大約100釐泊的粘度。附圖簡述
圖1顯示根據本公開的再生系統的一個示例性實施方案的示意圖。圖2顯示根據本公開的再生系統的一個示例性實施方案的示意圖。圖3顯示根據本公開的再生系統的一個示例性實施方案的示意圖。圖4顯示根據本公開的再生系統的一個示例性實施方案的示意圖。圖5顯示根據本公開的再生系統的一個示例性實施方案的示意圖。圖6顯示根據本公開的一個示例性實施方案的用於再生器的液體聚合物混合物的放大示意圖。發明詳述
提供了再生器、再生方法和用於再生器的液體聚合物混合物，其中液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與導熱固體材料保持接觸。該再生器、再生方法和液體聚合物混合物涉及基本防止與導熱固體材料剝離和形成間隙的液體聚合物。實施方案可以通過減輕或消除儲熱體與再生器管的剝離來延長再生器的壽命，與單相儲熱體相比改進傳熱，包括與在液體聚合物混合物內加入卵石和/或砂礫引起的材料成本降低相關的成本效率，和/或可包括由於再生器內所有或一部分液體聚合物混合物的相變而在多個運行溫度下改進的傳熱。本文所用的術語「剝離」及其語法等同術語是指粘合損失(loss of adhesion),由此降低傳熱。再生器40可以是任何合適的再生系統的一部分和/或可以構造用於任何合適的再生系統。例如，如圖1的示意圖中所示，再生器40可以是用於反覆周期性冷卻、儲存和加熱大氣氣體的系統101的一部分。本文所用的術語「大氣氣體」是指主要含有氮氣、氬氣、氧氣或其組合的氣體。在一個實施方案中，該大氣氣體是氮氣、氬氣和氧氣的混合物。在一個實施方案中，氧氣含量可高於大約20. 95體積％。在一個實施方案中，氬氣含量可高於大約0.93體積％。本文所用的術語「再生器」是指作為周期性傳熱裝置運行的具有流動部件(flow features)和熱容的固定體，其在以第一運行模式運行時提供冷卻並在第二運行模式中提供加熱。本文所用的術語「不可燃」是指在空氣存在下不燃燒的材料。一般而言，料流在第一運行期(例如在電價通常較低時的非高峰需求期)和在第一運行模式期間以第一方向流經再生器的流動部件(例如流動通道)。在第一運行模式中，再生器從送入再生器的至少一部分料流中接收熱。這種傳熱將該料流冷卻至預定溫度以下以形成從該再生器中輸出的料流。在第二運行期(例如在電價通常較高時的高峰需求期)中， 相同再生器可以在第二運行模式中運行。在第二運行模式中，加壓的液化大氣氣流行經再生器，其向該加壓的液化大氣氣流供熱。第一運行期和第二運行期可以循環重複多次並可以反覆進行循環。第一運行期可以在較低能量需求期間，第二運行期可以在較高能量需求期間。當再生器在第一運行期和第二運行期中循環運行時，根據溫度分布提供該再生器傳遞或接收熱的能力。也就是說，該再生器具有在第一運行期中傳遞或接收熱和在第二運行期中提供熱的預定能力。在預定循環數後，該再生器在本公開的循環中的固定階段的溫度分布保持基本恆定。由於在固定階段的溫度分布基本恆定，再生器溫度基本不會隨運行期循環而提高。再生器可以與一個或多個附加再生器串聯布置，和/或再生器可以與一個或多個附加再生器並聯布置。在一個實施方案中，該布置可以通過將數個再生器床串聯來降低縱向傳熱(縱向傳熱是在流動方向上的傳熱)。在包括多個再生器時，理想地是針對預定參數 (例如壓力範圍、溫度範圍和/或流量範圍)的不同值配置不同的再生器。如圖1中所示，再生系統101和再生方法涉及將大氣氣流100加壓至預定壓力以上以形成超臨界大氣氣流108。該預定壓力可以約為大氣氣流100內的大氣氣體的臨界壓力。可以經空氣壓縮機10傳送大氣氣流100。可以通過空氣淨化器20除去雜質(例如水蒸汽、二氧化碳和/或其它雜質)。可以通過增壓壓縮機30實現進一步加壓。在一個實施方案中，增壓壓縮機30可以包括中間冷卻器(未顯示)和後冷卻器(未顯示)。在第一運行期中，布置第一冷卻流112和第二冷卻流122以輸送形成合併的冷卻流130。合併的冷卻流130在第二間接熱交換器60中用液化大氣氣體或另一外部低溫流 150進一步冷卻。第二間接熱交換器60構造成比第一間接熱交換器50低的溫度。液態空氣或另一外部低溫流150可以在預定壓力(例如略高於環境大氣壓)下提供。在冷卻後，合併的冷卻流130形成進一步冷卻流132。使該進一步冷卻流132膨脹形成液化大氣氣流134， 將其在較低壓力下儲存在大氣氣體儲罐80中(例如略高於環境大氣壓)。在一個實施方案中，通過膨脹閥70使該進一步冷卻流132膨脹。在如圖3中所示的另一實施方案中，通過稠密流體膨脹器370 (dense fluid expander)使該進一步冷卻流132膨脹。在另一實施方案中，該液化大氣氣體或另一外部低溫流150可以在間接熱交換器60中加熱，隨後在間接熱交換器50中加熱。另外或或者，可以使用其它合適的冷卻源。例如，可以為第一冷卻流112、第二冷卻流122、液態空氣或另一外部低溫流150、外部冷卻流130、進一步冷卻流132、液化大氣氣流 134、液態大氣氣流190和/或加壓液態大氣氣流194提供外部製冷。在一個實施方案中， 由不可燃來源向與再生器相關的一個或多個料流提供附加或替代性冷卻。在通過外部製冷源向該再生系統補充製冷的一個實施方案中，外部製冷允許冷卻至臨界溫度以下。來自外部來源的在比大氣氣體臨界溫度低的溫度下的補充製冷的這種供應能夠延長再生周期的運行。例如，包括在大氣氣體臨界溫度以下的外部製冷可以將運行可持續性延長數個月或數年的持續時間。在該方法中引入液氮、液態空氣和/或添加產生在比大氣氣體臨界溫度低的溫度下的製冷的低溫製冷器可以提供這種外部製冷。在一個實施方案中，使用不可燃材料進行該再生系統中的一部分或全部冷卻。例如，用於冷卻該製冷系統的流體都是不可燃的。本文所用的術語「不可燃流體」包括空氣、氬氣、氮氣、氧氣、氦氣、氙氣及其組合。圖2顯示根據本公開的另一實施方案的再生系統101的流程圖。如圖1中所示的實施方案中那樣，將超臨界大氣氣流108分成第一料流110和第二料流120。在此實施方案中，將超臨界大氣氣流202 (例如，冷卻至預定溫度的第二料流120的一部分)從間接熱交換器50內送往膨脹器210。將排氣流203 (其可以是雙相流)從間接熱交換器50送往相分離器230。相分離器230將蒸氣流204送往間接熱交換器50。間接熱交換器50將熱傳向蒸氣流204以形成加熱的大氣氣流205。該加熱的大氣氣流205是在提高的溫度(例如，大約環境溫度)和預定壓力(例如，高於大約90 psia)下。該加熱的大氣氣流205可以通過增壓壓縮機30吸入再循環，或用於其它用途，如進料至低溫空氣分離單元。除第一料流110和第二料流120外，可以將超臨界大氣氣流108分成第三料流 206，其可以小於第一料流110和第二料流120。將第三料流206送往第二膨脹器220。第二膨脹器220可以構造成比膨脹器210高的溫度，並可以在間接熱交換器50中的多個溫度下用吸熱基本平衡供熱。第二膨脹器220使第三料流206膨脹形成膨脹器排氣流(exhaust stream ) 208。將膨脹器排氣流208送往間接熱交換器50以在將其在間接熱交換器50內部分加熱後與蒸氣流204合併，由此在間接熱交換器50中進一步加熱後形成加熱的大氣氣流205。該加熱的大氣氣流205大致等於環境溫度或高於環境溫度。將該加熱的大氣氣流 205再循環至增壓壓縮機30的吸入口(suction)。可以在第一運行期中將第二料流120 (包括一部分超臨界大氣氣流108)送往間接熱交換器50。間接熱交換器50冷卻至少一部分第二料流120以形成第二冷卻流122。在一個實施方案中，由液態空氣或液氮流152提供冷卻(見圖1)。在另一些實施方案中，可以將間接熱交換器50換成任何合適的外部製冷源。間接熱交換器50和60可以冷卻超臨界大氣氣流108、第一料流110、第二料流 120、第一冷卻流112、合併的冷卻流130或其組合，以形成進一步冷卻流132。本文所用的術語「進一步冷卻」是指由再生器40以外的來源提供的冷卻。例如，圖1顯示用外部低溫流 150 (其可以向間接熱交換器50和60提供製冷)冷卻合併的冷卻流130和第二料流120。 另外或或者，可以通過使高壓氣流(未顯示)膨脹來提供冷卻至大氣氣體臨界溫度以下的溫度。在一個實施方案中，可以通過冷卻超臨界大氣氣流108、第一料流110、第一冷卻流112 或其組合來提供聯機冷卻以形成合併的冷卻流130。具體而言，第一冷卻流112可以用外部製冷源冷卻以形成合併的冷卻流130。在此實施方案中，該外部製冷源可以是Merling製冷器、Gifford-McMahon製冷器、脈衝管制冷器、熱聲製冷器、磁製冷器、其組合或任何其它合適的製冷源。在第一運行期中，布置第一冷卻流112和第二冷卻流122以輸送形成合併的冷卻流130。合併的冷卻流130在第二間接熱交換器60中用液化大氣氣體或另一外部低溫流150或外部製冷源進一步冷卻(見圖3)。第二間接熱交換器60構造成比第一間接熱交換器 50低的溫度。液態空氣或另一外部低溫流150可以在預定壓力(例如略高於環境大氣壓) 下提供。在冷卻後，合併的冷卻流130形成進一步冷卻流132。使該進一步冷卻流132膨脹形成液化大氣氣流134，將其在較低壓力下儲存在儲罐80中(例如略高於環境大氣壓)。在一個實施方案中，通過膨脹閥70使該進一步冷卻流132膨脹。在另一實施方案中，可以通過稠密流體膨脹器使該進一步冷卻流132膨脹。在另一實施方案中，該液態空氣或另一外部低溫流150 (其可以是該方法中的外部製冷源)可以在間接熱交換器60加熱，隨後在間接熱交換器50中加熱。在第二運行期(如圖1-5的虛線/點線部分所示)中，從儲罐80輸送液態大氣氣流190並加壓(例如通過增壓裝置90)形成加壓液態大氣氣流194。將該加壓液態大氣氣流 194送往再生器40並加熱至大致環境溫度或高於環境溫度。在一個實施方案中，該液態空氣的壓力低於(例如，低大約5-50 psi)送入再生器40的大氣氣體的第一料流110。另外或或者，可以使用其它合適的冷卻源。例如，外部來源可以提供冷卻至大氣氣體臨界溫度以下的溫度的附加料流，它們可以與第一冷卻流112、第二冷卻流122、液態空氣或另一外部低溫流150、合併的冷卻流130、進一步冷卻流132、液化大氣氣流134、液態大氣氣流190和/或加壓液態大氣氣流194混合。另外，在一個實施方案中，可以將超臨界大氣氣流108分成第一料流110和第二料流120 (見圖1-5)。如下所述，也可以將超臨界大氣氣流108分成第三料流206 (見圖2)。 第三料流206的流量通常小於第一料流110和第二料流120的流量。在此實施方案中，將第二料流120的超臨界大氣氣流108從間接熱交換器50內送往膨脹器(未顯示)。膨脹器構造成比間接熱交換器50低的溫度。將排氣流(未顯示)(其可以是雙相流)從間接熱交換器50送往相分離器230。相分離器230構造成在比膨脹器210高的壓力下運行。相分離器 230將蒸氣流204送往間接熱交換器50。間接熱交換器50將熱傳向蒸氣流204以形成加熱的大氣氣流205。該加熱的大氣氣流205在提高的溫度(例如，大約環境溫度)和預定壓力(例如，高於大約90 psia)下。該加熱的大氣氣流205可以再循環至增壓壓縮機30的入口或用於其它用途，如進料至低溫空氣分離單元。參照圖2，將第三料流206送往第二膨脹器220。第二膨脹器220可以構造成比膨脹器210高的溫度，並可以在間接熱交換器50中的多個溫度下用吸熱基本平衡供熱。第二膨脹器220使第三料流206膨脹形成膨脹器排氣流208。將膨脹器排氣流208送往間接熱交換器50以在間接熱交換器50內與蒸氣流204合併，由此形成加熱的大氣氣流205。該加熱的大氣氣流205是大致等於環境溫度或高於環境溫度。將該加熱的大氣氣流205再循環至增壓壓縮機30的入口。在該實施方案中，用稠密流體膨脹器270使第一冷卻流112膨脹和用節流閥240 使第二冷卻流122膨脹。將第一冷卻流112、第二冷卻流122和來自間接熱交換器50的排氣流203合併並送往相分離器230以形成合併的冷卻流(例如，液流232)。液流232從相分離器230中輸出，通過節流閥260進一步膨脹並送往第二相分離器250。第二相分離器250 在比第一相分離器230低的壓力下運行。第二相分離器250形成富氮蒸氣流234，將其送往間接熱交換器50。在間接熱交換器50中，富氮蒸氣流234從第二料流120中接收熱並形成第二富氮蒸氣流236。排出第二富氮蒸氣流236或送往進一步工藝。來自第二相分離器250的液體形成液化大氣氣流134並送往液態大氣氣體儲罐80。參照圖3，在另一實施方案中，將再生器-加熱的大氣氣流196 (包括大氣氣體)從再生器40送往間接熱交換器310以形成加熱流396。該間接熱交換器將熱從燃氣輪機(未顯示)的排氣流302傳遞至再生器加熱的大氣氣體加熱流196。該燃氣輪機可用於在第二運行期(高峰運行)中發電。將加熱流396送往膨脹器320以形成膨脹流398並產生電力。 在一個實施方案中，系統101的運行包括輸送大致具有表1中所列的組成的料流。表 權利要求
1.用於周期性冷卻、儲存和加熱大氣氣體的再生器，該再生器包括 容器；在該容器內的液體聚合物；和排列與布置成將該液體聚合物與要在該容器內加熱、冷卻或在該容器內加熱和冷卻的流體隔離的導熱固體材料；其中該液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與該導熱固體材料保持接觸。
2.權利要求1的再生器，其中該導熱固體材料是金屬。
3.權利要求1的再生器，進一步包含儲熱體材料，該儲熱體材料與該液體聚合物接觸。
4.權利要求3的再生器，其中該儲熱體材料選自巖石、砂礫及其組合。
5.權利要求1的再生器，其中該導熱固體材料包括至少一個翅片管或翅片板。
6.權利要求1的再生器，其中該液體聚合物是聚二甲基矽氧烷。
7.權利要求1的再生器，其中該液體聚合物具有在68°F (20° C)下低於大約100 釐泊的粘度。
8.用於周期性冷卻、儲存和加熱大氣氣體的再生方法，該方法包括 在第一運行期中將第一料流送往再生器以冷卻形成冷卻流；在第二運行期中將第二料流送往再生器以加熱形成加熱流；其中該再生器包括容器；在該容器內的液體聚合物；和排列與布置成將該液體聚合物與要在該容器內加熱、冷卻或在該容器內加熱和冷卻的流體隔離的導熱固體材料；其中該液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與該導熱固體材料保持接觸。
9.權利要求8的方法，其中該大氣氣流是空氣。
10.用於再生器的液體聚合物混合物，該液體聚合物混合物包含 選自巖石、砂礫及其組合的儲熱體材料；和液體聚合物；其中該液體聚合物在再生方法的第一運行期和第二運行期中與該導熱固體材料保持接觸。
全文摘要
公開了用於周期性冷卻、儲存和加熱大氣氣體的再生器、再生方法和液體聚合物混合物。該再生器、再生方法和液體聚合物混合物涉及在再生方法的第一運行期和第二運行期中與導熱固體材料保持接觸的液體聚合物。
文檔編號F02C7/143GK102330604SQ20111016403
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月17日 優先權日2010年6月17日
發明者維羅 R., K. 拉賈拉曼 S., 徐建國, 波金 申請人:氣體產品與化學公司