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CN107075970A - 包括温度梯度控制的混凝土和热管热交换和能量储存(txes) - Google Patents

包括温度梯度控制的混凝土和热管热交换和能量储存(txes) Download PDF

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CN107075970A CN201580057374.XA CN201580057374A CN107075970A CN 107075970 A CN107075970 A CN 107075970A CN 201580057374 A CN201580057374 A CN 201580057374A CN 107075970 A CN107075970 A CN 107075970A
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Abstract

一种热俘获、储存和交换布置包括至少一个热交换和储存(TXES)阵列，其中每个TXES阵列包括一个或多个TXES元件，其接收热源流体和工作流体的流体流，TXES元件提供热源流体和TXES元件之间的热能传递。歧管系统向TXES元件的输入提供工作流体，并且从TXES元件的输出接收工作流体。使用可与TXES阵列一起操作的至少一个热发动机从TXES阵列提取热量并且将热量转换为机械能，其中热发动机选择性地连接至TXES阵列的歧管系统，以使工作流体通过TXES元件，使得在工作流体和TXES元件之间发生热能传递。

Description

包括温度梯度控制的混凝土和热管热交换和能量储存(TXES)
版权声明
本专利文献的公开内容的一部分可以包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何专利文献或专利公开的传真复制，如专利商标局专利文件或记录中所出现的一样，但以其它方式无论如何都保留所有的版权。以下通知应当适用于本文件：Copyright2015Bright Energy Systems，Inc.
相关申请的交叉引用
本申请是于2014年10月21日提交的美国临时专利申请序列号62/066,773以及于2015年9月18日提交的美国临时专利申请序列号62/220,796的非临时申请并且要求它们的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
技术领域
本文中的示例性说明性技术涉及用于通常使用相变兰金循环发动机管理热发动机的系统、软件和方法，更具体地，涉及热俘获、储存和利用的管理。如本文中所讨论的，术语兰金循环是指一宽泛循环族，其中，工作流体以液体状态加压，或许是加压至超临界压力或亚临界压力和/或可能使用诸如卡利纳循环中的那些之类的流体混合物的循环系列加压。
相关技术
俘获和再利用废热的系统已经在本领域中广泛描述。通常，这些系统涉及一系列工程权衡，以通过优化从热源到兰金氏发动机的热传递来优化效率，该兰金氏发动机将所传递的热能转化为机械能。典型地，这些权衡集中于热交换器效率和工作流体特点。
热交换器效率是热交换器材料和热交换器的设计的函数，而工作流体被优化以将流体的热俘获和释放特点与系统的工作温度相匹配。
成本有效的能量储存非常重要。电化学能源储存具有优势，但往往具有成本、安全性和使用期的担忧。泵诸如泵送水力和压缩空气能量储存之类的机械能量系统现今提供绝大多数大型电力储存能力，并且证明其长期可靠性和可接受的性能。
适当有效且成本有效的压缩流体系统需要有效地储存能量成本，并且具有在两个方向上有效的热力学过程：充电方向和放电方向。这个尝试的常见方法针对过程的状态与每个方向上的过程的每个步骤非常相似；也就是说，过程中每个点的压力和温度在充电过程和放电过程之间非常相似。
压缩流体机械能储存系统有两大类：(1)作为泵送热能储存(PTES)系统的一部分的热泵和(2)压缩流体能量储存(CFES)系统，其中，压缩空气能量储存(CAES)系统是该领域的广泛探索的子集。这里的区别在于，流体可能不是空气，并且它可能不总是气体，它可能是超临界流体，并且可能存在其中流体处于液相或液相和气相的组合的过程的部分。
PTES系统通常将能量储存在一些质量之间的热能差。充电包括：增加具有温度(或更严格的焓)差异的质量的数量或增加固定质量[相对于环境]的焓或两者中的一些，并且放电正在取得该势能并且将其转化为机械功和/或电功。
在机械储能系统中尝试使用除空气之外的流体的典型挑战在于，通常需要储存通常非常庞大的低压流体，从而导致成本和现场包装的挑战。还有，如果流体是化学品，如制冷剂，则必须考虑材料的成本，以及系统泄漏的风险和成本。
本文中的技术应用于废热的俘获和管理领域中以及管理和优化由该热量驱动的热发动机。
发明内容
按照本发明的一个方面，一种热俘获、储存和交换布置包括至少一个热交换和储存(TXES)阵列，该至少一个TXES阵列中的每个TXES阵列包括一个或多个TXES元件，每个TXES元件被配置成接收热源流体和工作流体中的每个从其中穿过的流体流，其中一个或多个TXES元件中的每个TXES元件提供热源流体和TXES元件之间的热能传递；以及歧管系统，其经由管道连接至一个或多个TXES元件，以便将工作流体提供给一个或多个TXES元件的输入并且从一个或多个TXES元件的输出接收工作流体；以及至少一个热发动机，其可与至少一个TXES阵列一起操作，以从至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换成机械能，至少一个热发动机中的每个热发动机选择性地连接至相应TXES阵列的歧管系统以使工作流体通过相应TXES阵列的一个或多个TXES元件，使得在工作流体和一个或多个相应TXES元件之间发生热能传递。
按照本发明的另一方面，一种热俘获、储存和交换布置包括至少一个模块化热交换和储存(TXES)阵列，该至少一个模块化TXES阵列中的每个模块化TXES阵列包括一个或多个TXES元件，其各自包括基质材料衬底；一个或多个烟道管或通路，其形成在或位于基质材料衬底中以提供加热后的源流体通过TXES元件的流动，从热源提供该加热后的源流体；以及一个或多个工作流体管，其位于所述基质材料衬底中，与一个或多个烟道管或通路分开以提供工作流体通过TXES元件的流动；一个或多个热发动机，其可与至少一个TXES阵列一起操作，以从至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换为机械能，一个或多个热发动机将工作流体提供给至少一个模块化TXES阵列；以及阀门系统，其位于将热源连接至至少一个模块化TXES阵列并且将一个或多个热发动机连接至至少一个模块化TXES阵列的管道和导管中，阀门系统选择性地控制加热后的源流体向至少一个模块化TXES阵列及其一个或多个TXES元件的流动，并且选择性地控制工作流体向至少一个模块化TXES阵列及其一个或多个TXES元件的流动。
按照本发明的又一方面，一种组装热俘获、储存和交换布置的方法，该方法包括：提供至少一个具有热储存和热量交换能力的模块化热交换和储存(TXES)阵列，其中，提供至少一个模块化TXES阵列中的每个模块化TXES阵列包括：提供期望数目的模块化TXES元件；布置所需数目的模块化TXES元件以形成模块化TXES阵列；并且经由管道将所需数目的模块化TXES元件耦合至歧管系统，以提供在歧管系统和模块化TXES元件之间的工作流体传递；将至少一个模块化TXES阵列流体耦合至热源以从其接收加热后的源流体，其中来自加热后的源流体的热能储存在至少一个模块化TXES阵列的一个或多个模块化TXES元件中；提供至少一个可与至少一个TXES阵列一起操作的热发动机，以经由工作流体从至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换为机械能；并且将至少一个热发动机中的每个热发动机流体连接至相应的模块化TXES阵列的歧管系统，以使工作流体通过其一个或多个模块化TXES元件，使得在工作流体和一个或多个相应的TXES元件之间发生热能传递。
附图说明
从出于说明的目的而选择的并且在附图中示出的本发明及其实施例的详细描述中，本发明的特征将最好地被理解。
图1图示了在现有废热排放布置中使用TXES。
图2图示了本发明的示例性系统。
图3图示了系统所利用的基于计算机的过程控制器的部件。
图4图示了热交换和能量储存(TXES)元件阵列内的示例性工作流体回路。
图5a、图5b和图5c图示了具有多个嵌入式烟道管和过程流体管的TXES元件的各种配置。
图6图示了具有浇铸烟道通道的示例扇形TXES元件。
图7图示了扇形TXES元件的布置。
图8、图9、图10和图11图示了TXES元件内的不同的螺旋形工作流体管布置。
图12包括其各种状态下的TXES元件的示例加热曲线。
具体实施方式
概述
本发明的系统和操作方法提供一种可配置的热俘获、储存和交换系统，其可以在多种操作条件下以高性能水平的操作。该系统称为TXES，热交换和能量储存系统。与传统的热交换和储存系统不同，所描述的系统可以使用多种热源、工作流体和压力方案有效和可靠地操作，可以容易地组装在模块中，在其配置中具有灵活性，同时非常具有成本效益。它可以用于同时与多种不同组成或特点的流体流交换热能。它可以用于同时与多种不同组成或特点的流体流交换热能。
在实施例中，系统可以作为工业炉、发电厂或其它工业热源的热排放的一部分进行操作，以便俘获废热并且将其回收用于其它用途，包括功率的产生。热俘获和传递的效率是从热源(例如，废气)到工作流体的热传递的函数，其中，使用诸如兰金循环发动机之类的众所周知的过程可以充分利用热量。在来自热源的所有热量不能有效地传递到工作流体的情况下，或者热源具有不足的剩余热量以有效地将工作流体加热到经济上可行的温度的情况下，丧失了效率或必须使用备选的俘获和储存机构。描述了一种模块化俘获、储存和提取系统，其可以在宽的温度范围内从热源俘获热量，然后使热量可用于合适的工作流体。
一种方法是产生逆流热布置，其中，TXES元件被流入TXES元件的“热”端的热流体(或气体)加热，从而将热量传递到TXES元件中，并且所耗尽的热流体在“冷”端处离开TXES元件。工作流体在相反方向上移动，从而在“冷”端处进入TXES元件，吸收来自TXES元件基质的热能，并且在“热”端处离开元件。这会使热梯度变陡。热梯度是大部分进入的热量在相当短的线性距离内被提取并且传递到工作流体的区域。输入(例如，“热”)端维持在非常接近热源的输入温度的温度，并且“冷”端维持在接近输入工作流体温度。这种布置可以经由TXES元件基质提供从热源到工作流体的最佳热传递。
TXES阵列还可以用于并行流操作。例如，可以通过热泵送的工作流体和废热流体并联，或者可替代地，使用储存在TXES中的热量并行地加热两种流体加热TXES阵列。
对于总体过程效率，期望热储存介质能够在可能波动的热输入水平的范围内(例如，来自变化的质量流量、温度和冷凝速率)以最小的熵损失将热量递送回到放电过程。传统的逆流热交换器立即将热量从源流体传递到工作流体，因此仅当存在热源并且工作流体正在流动时才有效，并且当热通量实时地恒定匹配时最有效。因此，热梯度是不稳定的，并且在热源或工作流体流的特点改变(例如，较热或较冷的输入或工作流体，改变的流动速率)时，立即改变。这导致了热源与热发动机匹配时的工程设计挑战、以及启停操作中的操作挑战，这是兰金式火力发电厂的主要挑战之一。TXES阵列和TXES元件可以被配置成俘获并且储存通常在传统热交换器中未被俘获的热量(例如，如果工作流体不能吸收与输入包含的热量同样多的热量)。TXES元件储存来自输入流体的多余的热量，实际上是用热能对TXES元件充电。对TXES元件充电将移动TXES元件内温度梯度的位置。通过控制热源和工作流体流(例如，在过程控制下，添加到TXES元件中的热量和被排除到工作流体中的热量可能会变化)，可以管理TXES元件内温度梯度的位置和形状。
TXES阵列在(多个)热源的变化的温度范围操作(无论这些源是来自废气、诸如地热或工业除热中的液体热源、或其它热源、还是来自压缩充电过程的压缩流体)，以根据需要俘获、储存和排除热量。TXES阵列提供多级热传递到温度优化的热发动机系统。它还允许分开与热源的热交换速率和热发动机所需的热量。这种灵活性准许将热能从热源更有效地俘获并且传递到一个或多个工作流体中。在该系统中，在第一示例实现方式中，放电过程基本上是兰金循环，其中，流体以液态加压(保持加压能量相对较低)，然后将其加热，然后汽化，然后过热。然后将其膨胀以提取机械能，然后将其冷凝回液体，以便再次加压。蒸发的潜热是相当大的百分比的可以从系统中回收的热输入。温度越高，净功越高，而蒸发液体所需的潜热就越高。
所描述的系统提供了在宽范围的热输入范围内的废热俘获和储存，并且提供了强度可变的热源的平滑函数。从系统提取的热量可能与输入热源中的热量相比延时。
能够将废热俘获过程与电能储存系统(在充电时使用用于源能量的电力的系统)集成以创建混合底循环(bottoming cycle)和蓄电系统提供了优异的效率。
任何热交换器中的宝贵有利条件是每表面积的更好的成本。在压力容器管中，管的壁厚由压力、材料强度、安全系数和管的直径来确定。每单位表面积的管的材料成本与壁厚成正比。因此，使用较小直径的管可以实现每单位表面积更少的材料。实际挑战是将更多的小管连接在一起的成本；对于具有更多材料成本的较大直径管而言，歧管装置对较少的劳动力和连接成本。使用通过如在一些实施例中使用的管的螺旋形成实现的非常长的管长度允许使用更少的离散管来获得相同的表面积而不使用翅片或其它难于制造的特征。螺旋布置还允许将热交换区域更均匀地分散到TXES元件中。
当结合附图阅读下文的描述时，这些和其它方面和优点将变得显而易见。
示例性系统架构
图1图示了排气系统中的TXES阵列的示例实现方式。在操作中，排气系统在将现在冷却的废气排放到烟囱(120)中之前，通过一个或多个TXES阵列(125a/b)传送来自热源的热废气通过排气筒(110)。注意，该示例中的筒和烟囱是用于基于废气的布置的说明。废气和冷凝物处理系统(未示出)也可以被整合到TXES阵列中，或者作为必要时用于处理废气的预处理布置或后处理布置，以便去除诸如硫氧化物或氮氧化物之类的污染物。可以添加包括含热流体的热源(例如，具有与气体输入相对的液体、两相或超临界流体输入的热源)的或用于废气的进一步预处理或后处理的其它布置，而不背离本发明的范围。
可以安装TXES阵列(125)，以使它们有助于在从废气到构成TXES阵列的TXES元件的热传递期间形成的冷凝物的收集。一种方法是倾斜TXES元件，以使冷凝物排出到收集点，在那里它被收集并且可以被进一步处理。注意，冷凝物通常仍然温热(例如，70℃)，并且可以通过附加的TXES元件(在相同的TXES阵列内或在一个或多个附加的TXES阵列(多个)中)运行，这些TXES元件被优化以提取冷凝物中残余的较低水平的热量。
图2图示了用于从气体输入俘获热量的本发明的实现方式。该示例性实现方式包括燃烧热源(200)、将热废气从热源传递到一个或多个热储存/交换器元件阵列(分别称为TXES阵列和TXES元件)(例如125a，125b)的一个或多个排气筒(一个筒被示为110，另一些为了清楚起见而被省略)。排气筒可以装配有一个或多个可选的过程控制器控制的排气系统阻尼器(270a，270b)，其控制来自热源的热废气流向过程控制器指定的一个或多个TXES阵列(125a，125b)，并且TXES阵列被布置成使得热气体在被排出到烟囱(120)之前从热源流动通过所选择的TXES阵列中的至少一个阵列。在废气的温度可能变化的一些实现方式中，TXES阵列可以串联布置，使得第一TXES阵列接收最热的废气，而第二TXES阵列接收较低温度的废气。这准许通过将废气温度与至少一个TXES元件(和支撑功转换热发动机)相匹配来俘获和再利用来自废气的附加热能，该TXES元件被优化以俘获、储存和再利用废气的当前温度下的热能。
计算机控制或手动控制的阻尼器(270a，270b)可以用于通过打开和关闭阻尼器来控制从热源向一个或多个选定的TXES阵列的输入气流。当系统在过程控制下操作时，诸如当废气温度不断变化并且需要热交换和再利用过程的实时优化时，过程控制计算机(240)控制排气阻尼器(270a，270b)。手动阻尼器设置可以用于具有更恒定排气温度和压力的系统。可替代地，可以使用两种阻尼器控制技术的组合。
阻尼器可以用于隔离TXES阵列与废气流。可能出于变化的原因而这样做，例如，TXES阵列已经达到所需的操作温度并且可以在另一TXES阵列中更有效地利用热量，因为废气处于特定的TXES阵列不能最佳地从废气中提取热量的温度下，或者采取TXES阵列离线(例如，用于维护)。
在一些实施例中并且在一些操作条件期间，可以利用旁通排气管来引导热废气，使得系统不会俘获热量。旁通排气管使用由附加的阻尼器/阀门(270b)控制。在一些实现方式中，在一个或多个TXES阵列不能正常工作(例如，在热提取子系统故障期间)的情况下，旁通排气管阻尼器可以被配置成“故障打开”以提供排气系统的安全操作。
排气筒、烟囱和TXES阵列优选地装有传感器，例如，温度传感器和压力传感器，其测量排气筒、烟囱和TXES阵列、过程流体和各个TXES元件(例如，230a，230b，231a，231b)的温度和压力。温度传感器和压力传感器中的每个都连接至过程控制器(使用传感器适当的机构，典型地，是电气的)，以便向过程控制器控制的算法提供输入，该过程控制器控制的算法管理TXES阵列内的热提取、储存和再利用。
(多个)TXES元件进一步与一个或多个热发动机子系统(例如，250a，250b)流体连接(利用工作流体管道260a，260b)，其中，每个热发动机的工作流体通过TXES阵列中的至少一个TXES阵列的TXES元件中的一个或多个的TXES元件循环。TXES元件可能是“热的”或“冷的”。热的TXES元件是由输入(诸如废气)加热的，然后保留热量并且将其传递到工作过程流体的TXES。冷的TXES元件是由输入端冷却的，保持热量的减少并且从工作过程流体吸收热量的元件。TXES阵列可以包括仅仅热的TXES元件(在不同程度上)、仅仅冷的TXES元件(在不同程度上)、或热的TXES元件和冷的TXES元件的组合。
每个热发动机的工作流体流动路径可以不同(例如，不同的热发动机工作流体可以流经不同的TXES元件)。在更有限的实现方式中，可以使用手动控制的阀门预先配置和/或配置流动路径的部分，或者可替代地，可以省略阀门，并且静态地实现流体路径的该部分。每个工作流体流动路径使用过程控制器控制的值来配置，使得工作流体通过TXES阵列的至少一个元件，其中，工作流体和TXES元件之间发生热传递(加热或冷却工作流体)。在一些操作模式中，加热后的工作流体然后通过涡轮机和冷凝器循环，以将传统的兰金循环中的热量转换为轴功，或者加热后的工作流体被引导到外部储存罐(未示出)。在其它操作模式中，部分工作流体通过TXES元件被引导，部分流体以其绕过TXES元件的方式被引导，并且与在TXES元件中加热的流体重新组合，以便产生所得工作流体的特定温度。因此，处理器控制的阀门将热发动机流体引导路径设置通过一个或多个TXES阵列和/或TXES元件。这准许通过控制工作流体通过选定TXES元件(其温度与特定热发动机的有效操作范围相对应)的流量来从TXES元件中更有效地提取所储存的热量。这样，所使用的热发动机/过程流体和通过TXES元件的热量/流动路径可以在它们的温度改变时(在它们被加热时并且在从其中提取热量时)与TXES元件动态匹配。
其它操作模式中，循环工作流体，其已经被先前加热(诸如通过不同的TXES元件，或来自外部工作流体储存器)，并且用于将热量传递到TXES元件中用于热量分配或预加热TXES元件的目的(例如，当其暴露于较高的热废气时，减少元件上的热应力)。该加热流可以与废气流反向流动，或者可以通过TXES元件在与废气流(例如，平行流)相同的方向上进行。可以提供回流阀以使通过一个或多个TXES元件的工作流体流的方向反转。该值可以是所附接的热发动机的一部分，或者可以集成到TXES阵列中。
在一些实施例中，可以手动操作控制过程流体流的阀门中的至少一个阀门。这种布置特别适合于当TXES阵列部署在从废气中提取的热量的数量几乎与从TXES阵列提取的热量的数量相匹配并且系统以热平衡运行(热量流入在任何特定时间点匹配热流出)的布置中。
每个热发动机子系统可以在不同的温度范围内操作，并且可以被优化以使用相同或不同的过程流体在特定的温度范围内操作。设想了几种类型的发动机子系统。
主要的发动机或热泵过程类型是兰金过程。这种类型的热发动机通过对处于液相的工作流体加压，其对应地具有低的加压工作能量，但具有沸腾工作流体所需的高热量输入。这些系统通常具有相当高的工作压力，并且热添加过程需要适应这些工作流体压力。常规的兰金发动机流体热系统最常使用热交换器，其将高压工作流体与流动的热供应(通常是燃烧气体)分开。兰金加热系统的关键设计特征是当处理相当高压力的工作流体时的成本效益以及来自热源的通常较低的对流热传递速率。
注意，存在通常相似但具有例如超临界流体压力因此在系统的高压部分中在技术上没有相变的各种发动机循环。类似地，流体的混合物具有温度变化的沸腾过程。如本文中所使用的，术语兰金或类似兰金是指其中在该过程的冷端存在相变的广泛的热发动机/热泵类别以及是指其中在液相中发生加压的发动机系统。另一主要的热发动机或热泵过程是完全在气相中操作的Brayton循环。由于流体的加压在气相中进行，所以需要大量的加压工作，但是在该过程中缺少相变会降低每单位工作流体相对于兰金过程所加入的热量。例如，在冷热储存Brayton系统中，工作流体气体被压缩，通过使气体通过TXES元件将过热器移除到热的TXES元件中，从而允许冷的高压气体膨胀成冷态。然后，使用冷的TXES元件对这种冷工作流体气体进行加热，从而骤冷TXES元件(产生冷的TXES元件)。在压缩机拉动工作流体气体通过冷的TXES元件(骤冷工作流体并且加热TXES元件)然后压缩现在温热后的工作流体(产生高压气体)的过程中，充电过程反转。温热后的工作流体通过热的TXES元件被引导以产生热气态工作流体。然后，将热的工作流体膨胀回到其起始温度附近，同时产生轴功。
TXES元件超过基于容器的储热途径(例如，岩槽)的主要益处在于，在基于容器的途径中，压力容器被缠绕在所有的热质量上，而由于热储存介质在压力容器外部，所以TXES元件需要更少的用于加压容积的结构材料。
TXES设计(例如，能量储存、热选择性和功率平滑)的广泛优点为多种热循环发动机提供了价值。例如，在具有两个兰金发动机子系统的系统中，第一兰金发动机子系统可以被配置成在介于环境温度和150℃之间的温度下更有效地操作，并且第二兰金发动机子系统可以被配置成在高于150℃的温度下最有效地操作。在一些实施例中，可以使用多个不同的工作流体，每个不同的工作流体作为单独的兰金发动机子系统的一部分。工作流体和热发动机特点基于其操作特点(例如，蒸发热、比热与温度和压力、最大温度极限、可用流动速率的关系)与热源温度的关系来进行选择。这使得能够在功率水平和热源温度范围内实现范围广泛的最佳性能。
可替代地，可以并联提供共享常见操作参数的几个热发动机子系统，以增加系统的热量提取和轴容量。这些系统可以互连或独立地操作。
如此，可以独立地配置每个热发动机子系统的热发动机过程、过程流体、操作压力和涡轮机/冷凝器配置的选择，并且与这些配置参数(过程流体临界温度、工作流、过程流体管流量和热交换速率、泵的控制参数以及储存容量等等)有关的信息被储存在过程控制器中。
本发明的系统包括嵌入在TXES元件(例如，上文的230a，230b)内和/或安装到其上和/或安装在过程发动机流体管道(260a，260b)上的过程控制器控制的温度传感器和压力传感器、以及过程控制器控制的阻尼器和/或阀(例如，270a，270b和TXES阵列内部的阀门)，该阀有效地将工作流体流向/从一个或多个TXES元件、泵、一个或多个热发动机和一个或多个冷库(未示出)引导。传感器和阀门连接至过程控制器并且由其控制。
过程控制器还使用与其连接的每个TXES元件和TXES阵列的特点以及传感器、阀门和管道互连信息进行编程。使用该信息以及当前TXES元件温度(在逐个元件的基础上)和输入温度，过程控制器可以基于每个单独的TXES元件的当前温度曲线来选择最合适的热发动机子系统用于从TXES阵列中的每个TXES元件提取热量。选择使用热发动机子系统可能不是排他性的；各自被优化用于使用不同温度、压力和/或工作流体进行操作的多个热发动机可以连接至单个TXES阵列。
在一些实施例中，使用多个TXES阵列。该多个TXES阵列使用管道和过程控制器控制的阀门和歧管流体连接，该岐管允许通过一个或多个TXES元件(在每个TXES阵列中)配置这些废气和过程流体的流动，用于管理储存在每个TXES元件中的热量的数量。在示例中，借助于控制一个或多个排气阀门/阻尼器以将热废气引导到选定TXES元件的过程控制器，废气优先地被引导到需要附加加热的TXES元件中。在将热源作为热流体提供的情况下，热流体通过控制一个或多个阀门和泵的过程控制器被引导到需要附加加热的一个或多个TXES元件中。
因此，过程控制计算机使用阻尼器、阀门、传感器和热发动机泵控制来对TXES阵列(以及TXES阵列的每个元件)进行加热/热提取，以便优化可用的热能的热提取、储存和使用。
应当注意，本发明的系统虽然被描绘为用于加热后的废气，但是对于来自其中以本领域技术人员所理解的方式修改最少的热液体或混合相源中的废热的热提取/储存而也可能起作用。主要区别在于液体特性与具有密度高得多的液体不同，因此每单位体积的热量和较高的对流传热系数基于所选择的流体而变化。对应地，管道通道可以具有不同的材料、尺寸和/或壁厚，以便支撑不同的流体、压力和温度。这些考虑可以将TXES元件烟道和工作流体管的设计、以及随后将具有不同热特点的烟道和管的包装到TXES元件中作为因素考虑在内。
有趣的示例是其中兰金蒸汽过程拒绝其热量作为在蒸汽冷凝过程和环境温度之间运行的兰金氨工艺的热添加的过程。一个TXES元件设计可以具有优化加热蒸汽过程的废气的特征，并且可以优化另一TXES元件(和/或TXES阵列(多个))用于冷凝作为热源的蒸汽(热量被传递到沸腾的和过热的氨)。
本发明还可以用于储存“冷”用于随后使用的“冷”热储存器。在该变型中，充电过程通过传递来自先前加热的TXES元件的热能来温热冷源流体。放电过程使工作流体骤冷，同时温热TXES元件。
一个示例性过程是使用TXES布置作为液化天然气(LNG)再气化装置的一部分。在该示例性实施例中，LNG通过TXES阵列的烟道(或通过过程管)，从而冷却(多个)TXES元件并且温热LNG直到其变为气态为止。气态天然气是该过程的输出。类似兰金的过程可以用来反转过程。在这个示例中，兰金发动机使用甲烷，其在液体状态下被加压，然后通过当温热甲烷时冷却环境空气的热交换器进行沸腾并且过热，并且该加压气体可以膨胀然后冷的低压甲烷被储存在TXES元件中的“冷”冷凝。这提供了可以被加压以继续该过程的液体甲烷。
在另一备选实施方式中，热气体可以流过烟道，并且LNG流过工作流体管以实现相同的效果，而不背离本发明的范围。
注意，LNG温热和过程流体热流不需要与当前热交换器一样平衡，也不必同时发生(例如，热流可以在时间上位移，诸如在LNG的启动/停止期间或过程流体流动期间)。例如，在不存在发电的情况下，可以连续气化LNG，或者通过使用TXES元件的储存容量，在没有LNG气化的情况下，可以通过类似兰金过程产生功率。TXES元件提供必要的储存容量，其支持热交换过程的热供应/需求不平衡和时间移位。
由TXES系统支持的另一示例性过程是空气液化。空气液化通过将气态大气通过预先冷却到适当温度的一个或多个TXES元件以液化所需元件将其转化为液化空气(或其组成部分，液化氧、氮等)。可以使用预先冷却到不同温度的不同TXES元件，以便管理所生产的液化元件。从这些TXES元件中提取热量以及随后的转换工作是标准的类似兰金过程完成。注意，通过可用于TXES系统的可变过程流引导，TXES元件可以在所有气体(与单元件液化系统相反)的整个有用热范围内被加热和冷却，从而更有效地利用TXES元件中的所有的热量。
图3图示了系统的示例性过程控制器(300)。该过程控制器包括处理器(310)、易失性存储器(320)和非易失性存储器(325)(诸如RAM、ROM、PROM、EEPROM等)、连接至诸如连接至图2的温度传感器和压力传感器之类的传感器的传感器输入(330)、连接至阀门(例如，图2的阀门270)的控制输入/输出(340)、与过程流体储存器(例如，冷库)相关联的温度传感器和压力传感器、泵(未示出)、以及热发动机部件(例如，涡轮机、冷凝器)和由处理器执行以便从传感器读取值并且确定并随后设置用于控制输入/输出的值以便实现本文中所描述的控制过程的控制程序(350)。其它传感器可以连接至泵、涡轮机/冷凝器和其它操作设备以检测操作条件和/或故障。
传感器输入和控制输出中的每个电连接至系统的相应的传感器/受控部件。在不背离本发明的精神的情况下，无线连接可以用于连接中的部分或全部连接。
在过程控制器的存储器内储存一个或多个控制程序。这些控制程序由过程控制器的(多个)处理器执行并且实现本文中所描述的控制方法。
附加地，在过程控制器的一个或多个存储器内储存关于热发动机的子系统、废气歧管布置、工作流体管道布置和每个TXES阵列(包括单独的TXES元件信息)布置的配置信息以及部件和子系统中的每个的操作参数和控制参数。过程控制器使用该信息来解释传感器的输入，并且响应于控制编程设置控制输出。
另外，过程控制器存储器储存当前操作信息，诸如系统中传感器中的每个传感器的当前温度和压力。
返回到图2，每个TXES阵列包括一个或多个TXES元件(125a/b)、监测传感器(230a/b，231a/b)、阀门/阻尼器(270a/b)以及管道(260a/b)，该管道有效地在阵列输入歧管、一个或多个TXES元件和阵列输出歧管之间提供流体流动。每个TXES阵列连接至热源排气筒(110)，废热源被引导到排气烟囱(120)或合适的通风口，以及经由至少一个工作流体管道(260a，图4，430)和至少一个工作流体输出管道(260b，图4，450)提供用于从一个或多个热发动机子系统提取TXES元件中的俘获和储存的热量的工作流体，该至少一个工作流体管道和至少一个工作流体输出管道有效地将相应的工作流体分配和收集到TXES阵列的各个TXES元件，从TXES阵列的各个TXES元件分配和收集相应的工作流体并且分配和收集TXES阵列的各个TXES元件之间的相应的工作流体。可以提供多个工作流体管道，以便：(a)提供具有不同特点(诸如不同路径长度和/或流动速率)的不同流体路径，以及(b)连接至不同的热发动机。提供连接至过程控制器并且由该过程控制器控制的附加的阀和阻尼器以配置工作流体和加热后的废气向每个TXES阵列(以及多个TXES阵列配置中的TXES阵列之间)的各个TXES元件的流动，从这些TXES元件的流动以及在这些元件之间的流动。
根据需要，本文中所描述的TXES元件中的每个TXES元件、阀、管道和歧管可以是绝缘的，以更好地维持TXES元件的温度和交换过程的效率。可以根据需要使用矿棉、玻璃纤维或其它公知的绝缘材料。取决于用途，可以提供外部盖以保护绝缘免受排气流和/或天气的影响。
图4图示了本发明的示例性TXES阵列布置，其具有示例性输入歧管(410)和计算机控制阀门(420，460，465，470，480)、工作流体管道(430)和四个TXES元件(例如，440a/b/c/d)，其可以被配置成产生通过TXES元件阵列的元件的所需流体路径。在此，TXES阵列包括四个元件，但是在创建TXES元件阵列时，可以使用任何数目的TXES元件。
在TXES阵列中使用的TXES元件中的每个TXES元件可以具有相似或不同的热交换和储存特点。因此，TXES阵列可以包括被配置成用于高温操作的TXES元件，以及被配置成在较低温度下优化热传递的不同的TXES元件。可替代地，TXES阵列的所有元件可以具有相似的热俘获和传递特点。
歧管与TXES元件的互连。
典型地，TXES元件被形成为具有作为元件的一部分整体构造的烟道通道。在描述热源气体管(例如，烟道)的示例中，可以使用本文中所描述的无管的TXES元件设计来利用本发明，或者可以使用常规设计的烟道管(例如，钢管)来构造本发明。
取决于期望的TXES元件的布置，单个歧管可以通过管连接在TXES阵列的热源输入歧管和各个TXES元件的烟道管之间。附加地，该管道可以让过程控制器控制的阻尼器/阀门联机以控制热源气体流向特定TXES元件。在将热源气体从其中提取热量之后，类似的布置用于处理废热源气体。
第二种途径是将管端(用于嵌入TXES元件中的管)布置成一行，使得可以制造将多个管连接至公共歧管的具有周期性短柱的直管。这种布置对于TXES元件(用于高流量操作条件)的并联布置特别有效，其中，废气被同时分开并且引导到多个TXES元件中。歧管的输入可以由过程控制器控制的阀门/阻尼器控制，其将同时启用/禁用连接至歧管的一个或多个TXES元件的热输入。
将工作流体歧管短柱连接至TXES元件可以以多种方式进行，但成本是个重要的考虑。因此，对接拼接轨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间进行紧密度公差对准和长度匹配。
另一选项是套接特征，其中，歧管短柱和管端之间的管尺寸具有内径尺寸和外径尺寸，其允许一个管以适当的公差在另一管内部滑动以允许发汗(sweating)操作或钎焊操作以产生密封接头。另一选项是压配件。可替代地，柔性或韧性的管道或软管可以用于将歧管与TXES元件嵌入的过程流体管和烟道配合。
可替代地，多个TXES元件可以在共同的“增压室”内并联布置，使得流过增压室的热源气体必须通过一个或多个TXES元件。每个TXES元件可以具有单独的阻尼器(多个)来控制来自增压室的热量输入。
如本文中所描述的，可配置工作流体(和废气/热源)流在TXES阵列的操作中提供了极大的灵活性。在一些实现方式中，管道/阀门中的一些管道/阀门可以(通过添加管道/阀门)来扩展以提供附加的流动可能性，或者可以被限制(通过用手动值和/或静态管道代替过程控制器控制的值和备选的流管道)。提供图4的示例布置作为说明TXES阵列的灵活性的演示。在第一示例实施例中，演示平行的流体流，过程流体进入输入歧管410，其中，该过程流体流过阀门420a，420b，420c和420d通过管道，并且进入TXES元件440a，440b，440c和440d，其中，它被加热然后通过阀门(475a，475b，475c，475d)流出并且进入输出歧管(490)。所有其它阀门465，460，470，480都被关闭。在第二示例实施例中，演示串联流体流，过程流体进入输入歧管410，其中，该过程流体流过打开的阀门420a到TXES元件440a。在TXES元件440a中被加热之后，过程流体流出，其中，该过程流体被封闭的阀门475a阻塞。流体流入阀门480a(其打开并且420d关闭)进入TXES元件440d的输入侧，其中，该流体被加热再多一些，然后经由打开阀门460d输出到出口歧管490。在第三示例中，演示了其中当过程流体流在阵列中的TXES元件之间流动时分流的备选流动路径，过程流体进入输入歧管410，其中，该过程流体流过打开阀门420a到TXES元件440a。在TXES元件440a中被加热之后，过程流体流出，其中，该过程流体被封闭的阀门475a阻塞。流体流入阀门470a和480a(它们是打开的，420c和420d是关闭的)进入TXES元件440c和440d的输入侧，然后经由打开阀门475c和475d传出到出口歧管490，流动路径的其它组合、串联、并联以及串联和并联的组合可以通过打开和关闭适当的阀门(420，460，465，470和480)来实现。
TXES阵列设计的优点是存在许多地方，即，通过过程控制器控制的阀门可以动态地更改热源气体和工作流体两者的进入路径和排放路径，以便绕过TXES阵列的各个元件。响应于其控制程序，确定何时绕过特定TXES元件由过程控制器执行，其使得部分地基于输入热源的温度传感器读数和压力传感器读数、TXES元件的特点(例如，其流动路径中的每个流动路径中的热交换系数)、TXES元件的当前操作状态(例如，其当前温度和温度曲线)以及热发动机子系统的特点(诸如操作温度、工作流体、操作压力)、以及将来可能预期的各种操作模式做出决定。
存在通常高度耦合在一起的多种变量，其确定操作范围，并且当操作条件变化时，这些变量可能影响TXES的配置或TXES的操作。类似兰金过程的工作压力范围或比例确定了温度范围或比例。压力还设定了改变流体质量所需的焓的数量的沸腾温度(或更一般地，超临界压力)。通常，由流体吸收的热量的很大一部分处于或接近沸腾温度或准沸腾温度。这是TXES的行为的强大因素。因此，例如，改变工作流体的压力改变工作流体吸收或递送热量到TXES的温度。
峰值温度也是重要的，因为它确定了可用于膨胀或从压缩(例如，热泵)过程递送的最大焓。如所指出的，跨过压缩机或膨胀机可用的压力比确定了特定流体的温度改变。类似兰金热发动机的共同目标是使跨过机器(膨胀机)相对于总热量输入的焓交换最大化。在热泵中，共同目标是相反的，使在较高压力下递送的总热量的机器焓(压缩)最小化。在热泵/热发动机储能系统中，这些计数器考虑在理想情况下有所抵消。像大多数系统一样，实际考虑包括成本和现实世界的效率考虑。如其它地方所讨论的，对于TXES设计，存在与所储存的每单位能量的成本相关联的因素以及流体和储存介质之间可实现的最小温度差异。让系统变化温度、压力、流体和质量流量的流量控制系统提高TXES支持广泛多种可能系统的系统的价值。
图15是说明了不同流体有效操作的温度和压力的大量组合中的一些组合的表。存在还可以通过简单地改变要在过程中使用的不同化合物的相对数量来无限地变化特性的流体的混合物。
图15
许多热发动机系统与多级系统一起工作。在类似兰金系统中，另一有趣的技术是再加热循环，其一旦沸腾并且过热，在气相中膨胀然后再次加热，然后再次膨胀，加压流体。因为递送和提取总焓更多并且这需要更高的压力比，所以这些系统通常具有更高的压力。较高的压力通常会导致流体超临界，即，不再有沸腾过程发生的固定温度的地方。对于显热TXES和交换系统，避免了交换大量焓的固定温度是有用的。
由于对于发动机模式有两个加热过程，所以在那两个或多个或更多个加热过程相对于热供应的布置方面存在灵活性。由于再热过程(多个)不具有潜热吸收过程，因此倾向于处于较热的热供应段。另一技术是在TXES元件阵列中简单地运行具有普通或不同流体的两个或多个过程。与再热循环相反，每个过程中的压力可以独立定制，因此可以提供选择压力以帮助夹紧点热俘获挑战。
如上文所指出的，关键变量是沸腾点或准沸点，其随着作为两种流体(通常为废气或废热流和热俘获工作流体)之间的热交换器的TXES的压力而显着变化。这对于这些设计领域的技术人员来说是众所周知的，作为夹紧点分析。这是从废热流中最大限度地俘获热量的过程，但实际上找到经济实惠足够用于经济部署的整体系统。
由多个流动通道和模块化块提供的灵活性提供了来自更高效率操作的值的选择，从而当需要独立于热供应的递送时储存用于递送的能量，简单地使机器反向运行的能力并且通过工作加热回系统，降低由于其它地方讨论的具有成本效益的管道设计而导致的热俘获成本，在通过改变这些变量中的一个或多个变量在TXES中添加热量的温度或从其中提取热量的温度不同，从而导致TXES的成本效益改进。
以下附图描绘了具有围绕构造的创新特征的TXES元件的布置以及由此产生的性能。虽然图5至图12描述了各种实施例的实现细节，但TXES元件的一些一般方面单独和组合提供了益处。这些包括元件形状/配置、基质材料和工作流体管道配置。
每个TXES元件使用模块化设计构造，并且可以基于实现方式的要求而采取不同的形式和尺寸。取决于所需的热流特点，TXES元件可以具有各种尺寸范围。TXES元件设计用于快速、模块化构造和易于运输。包括若干个特征和设计元件以便于这一点。例如，TXES元件使用易于通过半拖车运输的长度，并且元件的质量对于起重机起重操作是容易的。TXES元件段需要足够的弯曲强度，以允许从铸造/制备中去除到卡车，然后从卡车上堆放，但是不需要附加的结构强度以便起作用。在一些情况下，加强钢(例如，钢筋)或钢张力构件用于增强TXES元件。这些元件用于提升和运输TXES元件，其设计负载否则会使TXES元件的混凝土处于张力状态。TXES元件的长度通常为2米至15米，横截面大致为正方形或直线，并且边长尺寸为0.2m至2.5m。尽管应用的尺寸可能会从大约100kg变化至18000kg，但是TXES元件的质量可能约为6000kg。
TXES元件的模块化设计允许铸造或以其它方式制备整个系统的分段，使得许多分段可以并联堆叠并且还被串联放置。串联布置允许输入热源和工作流体具有更长的路径长度，从而准许更多的热量从热源中提取，储存在一个或多个TXES元件中，然后将其提取到优化用于正在被提取的热量的具体特点的热发动机子系统的工作流体中。TXES阵列设计中的元件优化的一部分是创建具有不同定义特点的TXES元件。例如，可以用多个工作流体路径创建第一TXES元件，每个路径具有以50升/分钟的流动速率将工作流体的温度升高高达70℃的能力。可以创建具有以100升/分钟的流动速率将工作流体的温度升高高达300℃的能力的第二TXES元件。
类似地，可以构造TXES元件，其可以接受100℃、300℃、500℃或甚至1000℃的工作热输入，并且有效地俘获TXES元件内的热量。另外，TXES元件可以被构造成在不同的压力、流动速率和热源的特点下操作。在示例实施例中，第一TXES元件可以具有足以通过每分钟300立方英尺的热源气体的烟道通道，而第二TXES元件可以具有通过每分钟150立方英尺热源气体的烟道通道。第三示例TXES元件可以在3psi的压力下操作，而另一TXES元件可以被设计成准许热源气体的自由流动(例如，未加压)。
典型地，TXES元件包括结构元件、热储存介质(典型地，包括基质和填料)、一个或多个工作流体通路以及被称为烟道的一个或多个热源通路。结构强度可以通过诸如钢筋之类的明确的结构元件提供，或者可以与元件的其它部件(诸如基质本身)成一体。
铸造到TXES元件中以允许容易地提升和放置到卡车上或最终安装中的堆中的特征有助于在这些过程期间节省劳力。与TXES元件提升和处理相关联的另一有价值的特征是底部和侧面的浅凹口，其允许提升带用于提升和放置TXES元件，同时容易地移除并且不阻碍TXES元件的紧密堆叠(未示出)。
可替代地，提升点可以以其中提升负载的较高局部应力在足够的面积上扩展到TXES元件中以维持跨过TXES元件的可接受负载水平的方式铸造到TXES元件中。通常，铸造提升特征，以便不会突出在通常放置在正常堆叠平面上方的TXES元件的该正常堆叠平面上方。可替代地，提升附件使用可能突出在可移除的堆叠平面上方的特征，或者一般而言，将凹形特征放置在TXES元件的底部中，以允许提升突起特征不干扰紧密堆叠。
每个TXES元件的基质材料是储存从废气或热工作流体中提取的热量的材料。基质填充传热通道和工作流体管道之间的空隙，其改善了材料的导电性和强度。
优选的基质材料是在粘合材料(诸如波特兰水泥)中包含一种或多种类型的骨料的混凝土或混凝土状基质。应当指出，不需要高的基质强度，因此优选产生更高的储热能力(通常以强度降低为代价)的基质材料的改变。
常规的波特兰水泥基混凝土混合物可以用于一些TXES元件，经受特殊的固化过程，以便完全干燥基质，以便防止当TXES元件被加热时的开裂。波特兰水泥基混凝土混合物可能需要以防腐蚀形式或通过加衬排气烟道防护一些排气流(诸如富硫燃烧气体)的酸性作用。
可以使用高温水泥，其中，TXES元件经受基本加热或继续加热/冷却循环。高温水泥和常规水泥的混合物也是可能的。地质聚合物或具有如粉煤灰之类的火山灰特性的其它材料可以增强或代替如波特兰水泥之类的其它粘合剂成分。
在水泥中使用的骨料部分地由于骨料尺寸而选择，因为一些TXES元件过程流体管道和烟道配置限制了可以使用的骨料的尺寸。实验已经演示，可以使用的最佳最大骨料尺寸是任何嵌入式盘绕过程流体管道(见下文)的线圈间距离的一半，以便使基质内的任何空隙最小化。结合骨料，可以将传导增强添加剂加入到基质混合物中。这些添加剂可以包括：金属屑(与混凝土兼容的金属，如钢而不是铝、如铁丝网之类的网状形式的金属丝，其最佳性能可以大致垂直于TXES的轴向温度梯度、和/或碳或石墨颗粒、纤维或细丝定向。
将相变材料集成到TXES元件中有几种途径：1.使用用于热输入流体和过程工作流体的管，并且将管浸入充满相变材料的容器中。2，具有包含相变材料的TXES元件的段(例如，相变材料被混凝土和/或其它包含特征围合的位置，例如，嵌入在基质中的容器)。以这种方式，相变材料可以位于工作流体相变发生的过程中(通常更接近逆流过程的较冷端)。
铸造烟道通道作为每个TXES元件的一部分，嵌入作为TXES元件的一部分(例如，烟道管)或者作为TXES元件的形状的一部分(例如，烟道通道)。烟道管可以由足以承受热输入的任何管道材料构成，例如，钢、不锈钢、陶瓷、塑料或由其它特种金属制成的管。烟道通道的形状的横截面(例如，圆形、椭圆形)或路径(例如，直、螺旋形)可以更改，以便在烟道和TXES元件材料之间实现期望的热传递。
在热供应处于低压的应用中，对于构造烟道特征具有更大的灵活性。钢是常见的低成本材料，其与混凝土基质材料兼容。注意，烟道钢通道的形状不必是圆形的，因为它对其具有很小的压力，并且其它形状可以比其它更好地包装到TXES元件横截面中，或者增加整个TXES元件的每单位长度或工作流体管的每长度的表面积的比例。
在TXES元件铸造期间，牺牲材料可以用于在TXES元件中形成管和通道。牺牲材料的功能是通过本领域技术人员已知的过程在铸造过程期间在基质中产生空腔。
此外，通过用涂层涂覆基本形状特征，可以将耐腐蚀性添加到任何这些通道材料中。对于将被去除的模板，优选将涂层放置在模板的外侧，使得涂层保持附着在混凝土上。可能有益的涂层的示例包括具有较高耐酸性或较低孔隙率的特殊混凝土混合物(例如，基于地质聚合物的混凝土)、具有足够耐温性的热塑性薄膜、硅酮薄层或硅石陶瓷。抵抗材料将面向通道中的流体。这种内衬材料可以预先制成并且放入元件的铸造模板中，特别是当内衬在铸造过程期间具有足够的强度以保持合适的形状时。或者，如果内衬组件需要支撑，则牺牲或可移除的支撑件可以用于适当地保持铸造期间的形状。这些耐腐蚀或较少孔的涂层可以以若干种方式应用于模板特征：喷涂、浸铸、注浆成型等等。
图5a、图5b和图5c图示了具有铸造到热源流体(除了工作流体管之外)的TXES元件中的烟道管的TXES元件的实施例，其中，热量传递到管壁或者从流体传递到管壁，其中，储热基质然后将热量传导离开管或者传导到管。图5a图示了包括基质(510)、多个烟道管(520)和嵌入在基质中的多个螺旋形工作流体管(530)的示例性TXES元件布置。图5b图示了具有集成提升附件的变型六角形TXES元件(端视图)。图5c图示了具有基质、多个烟道管和具有集成提升附件的多个交错螺旋形工作管的矩形TXES元件(端视图)，该集成提升附件的特征在于可移除提升环。可以包括其它形式的提升点，而不背离本发明的精神。一个优化考虑是烟道管和工作流体管之间的距离以及基质材料相对于那些对流通道如何均匀地分散。还有，烟道管和螺旋形工作流体管的数目和布置可以在不背离本发明的性质的情况下变化。
在第二示例性实施例中，可以形成TXES元件，使得热供应与热储存基质直接接触。描述了两种这样的布置；在不背离本发明的范围的情况下，可以利用许多其它可能的配置。图6图示了当TXES元件形成有扇形或者通常具有大致规则边，(例如，正交或六边形)壁的TXES元件中的其它外部特征的一个示例性实施例。在图6中，TXES元件布置包括基质(600)、四个铸造扇形烟道通道(610)和四个螺旋形工作流体管(620)。为了清楚起见，未示出其它特征，诸如集成提升点。扇形和螺旋形工作流体管的数目和布置可以在不背离本发明的性质的情况下变化。
该设计中的有趣特征中的一些有趣特征包括使角落成扇形，其可以具有至少两个益处。这些是用于废气传热通道的可能通道，并且还去除了离线圈最远的混凝土中的一些混凝土。混凝土到线圈的更均匀的距离帮助使在热力学上不太理想的混凝土温差(相对于工作流体)的增加最小化。如图7所示，“规则”侧允许堆叠TXES元件，而扇形提供来自热源的加热后的流体(废气、护套冷却剂或均匀油)的通道，以在TXES阵列中的TXES元件的堆中传递这些特征。图7图示了堆叠在3×3布置中的9个扇形铸造TXES元件(710，具有扇形720和螺旋形工作流体管740)，并且图示了由扇形模板形成的排气通道(730)。
嵌入在TXES元件的基质中的过程流体管的使用在用于加压工作流体的压力容器处起作用，并且附加地，形成传热表面。螺旋性或盘旋形线圈延长了流动路径长度，并且增加了每个TXES元件传递的热量数量。本文中，螺旋形用于意味着包括螺旋形、盘旋形或相关几何线圈的任何线圈布置。管道的直径以及螺旋形线圈的直径、其间距(例如，每米的线圈)以及管道在每个TXES元件内的长度可以变化以产生针对特定工作流体、操作压力、操作温度范围和传热系数TXES基质而被优化的过程工作流体管道。如下文所描述的，可以使用多个工作流体管。螺旋形结构管具有以下效果：
1.将工作流体的表面积增加到热质量(管本身的表面，其基于工作流体管的直径而变化)。
2.增加可能发生热传递的路径长度。因为工作流体过程的目标是在机械充电过程期间将几乎所有的热量从流体中排出，或者将流体蒸发然后过热高达接近储存材料的热端的全部温度，因此储热材料和工作流体之间的温差是期望的。然而，工作流体和固体储存材料之间的温差很小导致低的传热速率，因此需要较长的距离和更多的表面积来实现到或从工作流体的完全传热。
3.更长的可用长度意味着传热通量(W/m2)可以更低，并且由于工作流体和储存材料(例如，混凝土)之间的更高的温度差，所以这使系统效率损失最小化。有利地，较低的热通量意味着储热材料的较低的温度梯度。
4.当考虑到当TXES加热或冷却时，热转换过程在TXES内部物理移动的因素时，增加热传递函数的总长度。因此，因为大部分的高质量储热处于热传递区的热侧上的储存装置的热端中，所以传热区的长度相对于总体可用长度相对较短是期望的。
5.使可用于热储存的更多的TXES元件基质暴露。
当计算TXES元件内的流体路径的热传递系数时，可以考虑这些因素中的每个因素。热传递系数是描述在TSEX元件基质和工作流体之间传递热量的路径的整体能力的度量。热传递系数及其在确定最佳流体路径长度方面的用途如下文所描述的。
TXES阵列中灵活定义的工作流体路径和源流体路径准许以不同的热传递系数选择(和创建)流体路径。基于TXES元件中的当前温度和温度梯度、工作流体、其温度和压力、以及通道的特点(长度、直径(例如，传递面积)、材料)，通过TXES元件的每个通道具有定义的热传递系数。在TXES元件部署在TXES阵列之前，可以计算和/或测量作为TXES元件中每个通道的工作流体特点的函数的热传递系数，并且这些系数可以储存在过程控制器的存储器中。注意，热传递系数与所涉及的绝对温度和压力无关。它提供了其中当工作流体通过TXES元件时添加到(减去)工作流体的热量的数量的度量。
例如，可以确定包括通过针对特定工作流体、流动速率以及温度(如由工作流体通路中的传感器确定的)的TXES元件的直管的第一通道以及TXES元件内的已知温度和温度梯度布置(如由TXES元件中的温度传感器确定的)以具有1的热传递系数，而半径为6英寸的第一螺旋形线圈和4英寸的线圈之间的间距可以具有热传递系数为100，而半径为12英寸的第二螺旋形线圈和4英寸的线圈之间的间距可以具有热传递系数为200。因此，通过这些流体通道中的每个流体通道的第一工作流体将获取传递到(或离开)TXES元件的特定热配置的工作流体的1单位、100单位、或200单位的能量。对于TXES元件的不同热配置，相同的工作流体条件可以在流过TXES元件中的特定通道时获取0.5单位、50单位或100单位的能量。相同TXES元件条件下的不同工作流体的热传递系数可以分别针对三个通路为2，50和100。再次，该信息可以被编码并且储存在过程控制器的存储器中。
当流体路径通过多于一个TXES阵列和/或TXES元件时，总传热系数是流体所行进的TXES元件/通道系数的相应系数的总和。
图8图示了嵌入在TXES元件中的类似尺寸和螺距螺旋形过程流体管的同轴布置。两个螺旋形过程管(810，820)围绕公共轴线(830)布置，其中螺旋线圈缠结在一起，以便提供与加热后的TXES元件基质(890)相等的接触区域。注意，为了清楚起见，图中省略了TXES元件中的烟道管。嵌入式温度传感器和压力传感器(860，870，880)用于检测TXES元件的温度(以及任选的一个或多个螺旋过程流体管中的工作流体的压力)。还图示了集成提升元件(840，850)。
图9图示了围绕公共轴线(930)布置的嵌入在TXES元件中的不同尺寸和螺距螺旋形过程流体管(910，920)的第二同轴布置。注意，为了清楚起见，图中省略了TXES元件中的烟道管。还示出了嵌入式传感器(960，970，980)和集成提升点(940，950)。嵌套过程流体管线圈，从而提供具有更大表面积和管长度的第一管，以及具有较小表面积和管长度的第二管。因此，这些管提供了TXES元件和管中的过程流体之间不同数量的热交换，并且可能各自具有不同的热传递系数。因此，可以取决于TEXS元件的温度和所期望的过程流体加热的数量使用具有长流体路径(并且因此更多的热交换和更高的热传递系数)或不同的管中的更短的流体路径的管(并且因此较少的热交换和较低的传热系数)通过TXES元件选择过程流体流。在其它用途中，如果TXES元件是热的，则可以选择具有第一工作流体的一个管用于使用，而当使用多个流体热发动机过程时，如果TXES元件较冷，则可以选择第二管，以便控制从TXES元件提取的热量数量。可替代地，不同的工作流体可以通过不同的管进行引导，从而进一步增强了储存在TXES元件中的热量的管理。
图10图示了嵌入在具有共线但是不同轴(1030/1035)的TXES元件(1090)中的类似尺寸和螺距螺旋形过程流体管(1010，1020)的共线(即，螺旋形过程管的轴线是平行的)布置。注意，为了清楚起见，图中省略了TXES元件中的烟道管。还示出了集成传感器(1060，1070，1080)和提升附件(1040，1050)。每个工作流体管螺旋的线圈缠结在一起以便提供与基质材料的大接触面积。还要注意，在该实施例中，螺旋不在相同的轴线上，其具有展开暴露于基质的线圈区域(例如，在左到右的方向上相对于同轴对准多一点)的效果。与更同心模式相对，将线圈水平展开是使线性模式中的均匀传热表面积的策略。角部处，优选避免了相对远离常规螺旋管的那些段，因为那些相对远的段的热延迟或滞后可能降低性能。如图8和图9所示的同心模式可以修剪掉角部(未示出)，或者图5b中的设计创建了使每个TXES元件的角部的数目最小化的重复图案。
图11图示了嵌入TXES元件(1190)中的螺旋形过程流体管(1110，1120)的非重叠的共线布置。注意，为了清楚起见，图中省略了TXES元件中的烟道管。还示出了集成传感器(1160，1170，1180)和提升附件(1140，1150)。过程流体管可以具有不同的尺寸和线圈螺距，以便为每个管路提供不同数量的热传递。
上述示例中的每个示例说明了具有两个螺旋工作流体管元件的TXES元件，其具有变化的管特点和线圈特点。存在于TXES元件中的螺旋形工作流体管的数目、轴偏移量和线圈交错数量可以在不背离本发明的范围和意图的情况下变化，而需注意在管的数目增加时，必须减小TXES元件的骨料尺寸，以便使铸造期间TXES元件基质中的空隙最小化。
通常，在工作流体管的核心处、热供应通道和可能的其它特征(如扇形或凹口)处将存在可以重复但通常铸造到许多这些共同子集图案的组件中的共同图案。当将许多相似特征聚集成更大的铸件时，常常发生成本节约或其它价值，包括当将许多特征铸造在一起时，每特征的劳动力减少，从而在制造过程期间以及在项目现场安装期间减少了处理组件的时间；当浇铸元件较厚时，提升操作的段更坚硬，从而减少了内部加强件，允许相对于现场组装，在更为受控和更便宜的工厂操作中完成TXES元件外部的更多的歧管装置，使更多的加压流体管道与成型工具对准，而当堆叠单独的TXES元件时的变化更高。
如上文所提及的，系统优选以逆流操作，其中，热源流体在一个方向上流动，从而加热从“热”端开始并且在“冷”端离开的TXES元件，并且工作流体在相反(或逆流)方向上流动，从而在冷端处进入并且在“热”端处退出。在充电期间(例如，向TXES元件添加热能)，这具有增加(多个)TXES元件内的温度梯度的斜率的作用。作为主要发生热传递的TXES元件的部分的热梯度区也随着热充电数量的改变而在TXES元件内线性移动。在TXES元件温度曲线在充电状态和放电状态之间移动时，逆流沿着TXES元件通过使温度梯度陡峭来提高系统的效率和成本效益。图12图示了在热充电的各种阶段中的TXES元件的充电状态的三个图形示例。
过程控制器监测进入热源、(多个)工作流体和包括TXES阵列的每个TXES元件的温度和压力，并且调整流体路径和流量以优化在充电期间所保留的，在充电状态下储存的，并且在放电期间被拒绝到工作流体中热量。
当与TXES元件的模块化设计和系统的过程控制的流量管理相结合时，TXES阵列的益处是可以通过系统优化热和工作流体流，以便俘获、储存和使用从输入热流中提取的最大数量的热量。当系统附接至水泥厂、发电厂或工业废热回收过程的输出时，可以使用相同的机构(可以调整所使用的TXES元件用于热和工作流体)。
本领域技术人员还将认识到，虽然上面已经根据优选实施例描述了本发明，但是并不限于此。上文所描述的发明的各种特征和方面可以单独使用或共同使用。进一步地，尽管本发明已经在其在特定环境中的实现方式以及针对特定应用的上下文中进行了描述，但是本领域技术人员将认识到，其实用性不限于此，并且本发明可以有利地用于其所期望的任何数目个环境和实现方式。因而，下文所阐述的权利要求应当鉴于本文中所公开的本发明的全部宽度和精神来解释。

Claims (24)

1.一种热俘获、储存和交换布置，包括：
至少一个热交换和储存(TXES)阵列，所述至少一个TXES阵列中的每个TXES阵列包括：
一个或多个TXES元件，每个TXES元件被配置成接收热源流体和工作流体中的每个从其中通过的流体流，其中，所述一个或多个TXES元件中的每个TXES元件提供所述热源流体和所述TXES元件之间的热能传递；以及
歧管系统，其经由管道连接至所述一个或多个TXES元件，以便向所述一个或多个TXES元件的输入提供所述工作流体并且从所述一个或多个TXES元件的输出接收所述工作流体；以及
至少一个热发动机，其与所述至少一个TXES阵列能够一起操作以从所述至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换成机械能，所述至少一个热发动机中的每个热发动机选择性地连接至相应TXES阵列的歧管系统以使所述工作流体通过相应TXES阵列的一个或多个TXES元件，使得在所述工作流体和一个或多个相应的TXES元件之间发生热能传递。
2.根据权利要求1所述的布置，还包括过程控制器，所述过程控制器被配置成：
选择性地控制所述热源流体向所述至少一个TXES阵列中的每个TEXS阵列和向每个相应TXES阵列的一个或多个TXES元件的流动；以及
选择性地控制每个相应热发动机的工作流体向所述至少一个TXES阵列中的每个TEXS阵列和每个相应TXES阵列的一个或多个TXES元件的流动。
3.根据权利要求2所述的布置，其中，所述至少一个TXES阵列中的每个TEXS阵列还包括阀门系统，所述阀门系统包括在连接所述歧管系统和所述一个或多个TXES元件的管道中，以控制所述工作流体通过所述TXES阵列的一个或多个TXES元件的质量流动，其中所述过程控制器被配置成控制所述阀门系统的操作，以选择性地控制所述工作流体通过所述TXES阵列的一个或多个TXES元件的质量流动。
4.根据权利要求1所述的布置，其中，所述一个或多个TXES元件中的每个TEXS元件包括：
基质材料衬底；
一个或多个烟道管或通路，其形成在或位于所述基质材料衬底中并且被配置成在其中容纳加热后的源流体；以及
一个或多个工作流体管，其位于所述基质材料衬底中，与所述一个或多个烟道管或通路分开，所述一个或多个工作流体管被配置成从热发动机接收工作流体；
其中，在所述加热后的源流体和所述工作流体之间经由所述基质材料衬底发生热能传递。
5.根据权利要求4所述的布置，其中，所述基质材料衬底包括水泥粘合剂和骨料的混合物以及粘合剂和相变材料的混合物中的一种。
6.根据权利要求5所述的布置，其中，所述工作流体管中的一个或多个工作流体管包括设置在基质材料中的螺旋形管。
7.根据权利要求4所述的布置，其中，所述一个或多个工作流体管包括至少第一螺旋形工作流体管和第二螺旋形工作流体管，其中所述第一螺旋形工作流体管和所述第二螺旋形工作流体管以相互缠绕布置、嵌套布置、共线和非同轴布置、或共线和非重叠布置中的一个进行布置。
8.根据权利要求4所述的布置，其中，所述基质材料衬底形成为块状元件，其中在所述块状元件的每个角部处形成扇形；以及
其中，相应TXES阵列中的多个相邻TXES元件的块状元件的扇形共同形成通路，以在其中接收所述加热后的源流体。
9.根据权利要求1所述的布置，其中，所述至少一个TXES阵列包括多个TXES阵列，并且所述至少一个热发动机包括多个热发动机，所述多个热发动机包括第一热发动机和第二热发动机。
10.根据权利要求9所述的布置，其中，所述第一热发动机具有与所述第二热发动机不同的特点，所述不同特点包括发动机过程、最大压力操作极限和可用流量中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的布置，其中，所述第一热发动机的工作流体与所述第二热发动机的工作流体不同。
12.根据权利要求1所述的布置，其中，所述至少一个热发动机能够进一步可操作为热泵，以经由所述工作流体向所述至少一个TXES阵列提供热能。
13.一种热俘获、储存和交换布置，包括：
至少一个模块化热交换和储存(TXES)阵列，所述至少一个模块化TXES阵列中的每个模块化TXES阵列包括一个或多个TXES元件，每个TXES元件包括：
基质材料衬底；
一个或多个烟道管或通路，其形成在或位于所述基质材料衬底中以提供加热后的源流体通过所述TXES元件的流动，从热源提供所述加热后的源流体；以及
一个或多个工作流体管，其位于所述基质材料衬底中，与所述一个或多个烟道管或通路分开，以提供工作流体通过所述TXES元件的流动；
一个或多个热发动机，其能够与至少一个TXES阵列一起操作，以从至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换为机械能，所述一个或多个热发动机向所述至少一个模块化TXES阵列提供工作流体；以及
阀门系统，其位于管道和导管中，所述管道和导管将所述热源连接至所述至少一个模块化TXES阵列并且将所述一个或多个热发动机连接至所述至少一个模块化TXES阵列，所述阀门系统选择性地控制所述加热后的源流体向所述至少一个模块化TXES阵列及其一个或多个TXES元件的流动，并且选择性地控制所述工作流体向所述至少一个模块化TXES阵列及其一个或多个TXES元件的流动。
14.根据权利要求13所述的布置，还包括过程控制器，所述过程控制器被配置成控制所述阀门系统的操作以选择性地控制所述加热后的源流体向所述至少一个模块化TXES阵列的流动，并且控制所述工作流体向所述至少一个模块化TXES阵列及其一个或多个TXES元件的流动。
15.根据权利要求13所述的布置，其中，所述至少一个模块化TXES阵列包括多个模块化TXES阵列，所述多个模块化TXES阵列包括至少第一模块化TXES阵列和第二模块化TXES阵列，所述第一模块化TXES阵列和所述第二模块化TXES阵列被串联布置，使得所述第一模块化TXES阵列在第一温度下接收所述加热后的源流体，并且所述第二模块化TXES阵列在第二温度下接收所述加热后的源流体。
16.根据权利要求15所述的布置，其中，所述一个或多个热发动机包括第一热发动机和第二热发动机，所述第一热发动机和所述第二热发动机具有不同的操作特点或其中的不同工作流体。
17.根据权利要求16所述的布置，其中，所述第一热发动机流体地连接至所述第一模块化TXES阵列以向其提供工作流体，并且所述第二热发动机流体连接至所述第二模块化TXES阵列以向其提供工作流体，其中所述第一热发动机具有适合与在所述第一温度下接收加热后的源流体的所述第一模块化TXES阵列一起使用的操作特点或工作流体，以及所述第二热发动机具有适合与在所述第二温度下接收加热后的源流体的所述第二模块化TXES阵列一起使用的操作特点或工作流体。
18.根据权利要求13所述的布置，其中，所述一个或多个烟道管或通路以及相应TXES元件中的一个或多个工作流体管被布置成使得所述加热后的源流体通过所述TEXS元件从热端流到其冷端，并且当焓被添加到所述工作流体时，所述工作流体通过所述TEXS元件从冷端流到热端，或者当所述工作流体放弃焓时，所述工作流体从热端流到冷端。
19.根据权利要求13所述的布置，其中，相应TXES元件中的一个或多个工作流体管中的每个工作流体管包括螺旋形管。
20.一种组装热俘获、储存和交换布置的方法，所述方法包括：
提供具有热储存和热交换能力的至少一个模块化热交换和储存(TXES)阵列，其中，提供所述至少一个模块化TXES阵列中的每个模块化TXES阵列包括：
提供所需数目的模块化TXES元件；
布置所需数目的模块化TXES元件以形成所述模块化TXES阵列；以及
经由管道将所需数目的模块化TXES元件耦合至歧管系统，以在所述歧管系统和所述模块化TXES元件之间提供工作流体的传递；
将所述至少一个模块化TXES阵列流体耦合至热源以从其接收加热后的源流体，其中来自所述加热后的源流体的热能储存在所述至少一个模块化TXES阵列的一个或多个模块化TXES元件中；
提供至少一个能够与所述至少一个TXES阵列一起操作的热发动机，以经由工作流体从所述至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换为机械能；以及
将所述至少一个热发动机中的每个热发动机流体地连接至相应模块化TXES阵列的歧管系统，以使工作流体通过其一个或多个模块化TXES元件，使得在工作流体和一个或多个相应TXES元件之间发生热能传递。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：将阀门系统并入到将所述热源连接至所述至少一个模块化TXES阵列并且将所述至少一个热发动机连接至所述至少一个模块化TXES阵列的管道和导管中，所述阀门系统选择性地控制所述加热后的源流体向所述至少一个模块化TXES阵列及其一个或多个TXES元件的流动，并且选择性地控制所述工作流体向所述至少一个模块化TXES阵列及其一个或多个TXES元件的流动。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，控制将所述至少一个热发动机连接至所述至少一个模块化TXES阵列的所述管道中的所述阀门系统，以使所述至少一个TXES阵列的TXES元件以逆流方式操作，其中所述加热后的源流体通过相应TXES元件的流动处于与所述工作流体通过相应TXES元件的流动大致相反的方向上。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括：将多个阀门并入所述管道中，所述管道将期望数目的模块化TXES元件耦合至所述歧管系统，所述多个阀门选择性地控制所述工作流体流经串联和并联流动路径中的模块化TXES元件中的一个或多个模块化TXES元件。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，提供所需数目的模块化TXES元件中的每个模块化TXES元件还包括：通过以下方式构造TXES元件：
由基质材料形成元件本体，所述基质材料包括水泥粘合剂和骨料的混合物以及粘合剂和相变材料的混合物中的一种；
在所述元件本体中提供一个或多个烟道管或通路以提供所述加热后的源流体通过TXES元件的流动；以及
在所述元件本体中提供与所述一个或多个烟道管或通路分开的一个或多个工作流体管，以提供所述工作流体通过TXES元件的流动。
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