СПОСОБ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ЦИКЛОМ РАНКИНА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F01K25/00 

Изобретение относится к энергетической установке, работающей по циклу Ранкина и использующей органическую среду, а также к способу применения такой установки.

Хорошо известны энергетические установки, работающие по циклу Ранкина и использующие органическую среду. В таких установках органическая среда испаряется в испарителе или бойлере, используя тепло от сгорания топлива, геотермального источника или промышленных процессов, а испарившаяся рабочая среда расширяется в трубогенераторе для вырабатывания энергии и образования отдавшей тепло рабочей среды, которая конденсируется в конденсаторе, охлаждаемом воздухом или водой, для получения жидкой рабочей среды, которая возвращается насосом к испарителю [1]
Рабочая среда выбирается таким образом, чтобы она имела надлежащие термодинамические свойства для выполнения цикла, такие как теплоемкость, стабильность при рабочих температурах и т.д. а также была совместима с металлами, используемыми в обычных турбинных установках. Кроме того, рабочая среда должна обладать хорошими смазочными свойствами, поскольку, как правило, турбина и подсоединенный к ней генератор находятся в герметично закрытом корпусе, внутри которого жидкая среда из конденсатора используется в качестве смазки.

Вообще говоря, рабочая среда будет представлять собой углеводород, например, пентан или гексан, либо их изомер, например, изопентан или изогексан. Также используются и другие хорошо известные химические вещества. Но в любом случае рабочая среда представляет собой коммерчески доступный, коммерчески чистый материал, который имеет хорошо определенные известные свойства, которые используются в конструкции оборудования энергетической установки. Иногда используются смеси углеводородных жидкостей, с тем чтобы реализовать преимущество специальных свойств смесей, которые описаны в патенте США N3842593, где специальная смесь углеводородов позволяет энергетической установке работать в условиях окружающей среды, которые не позволили бы использовать чистый материал.

Поскольку изготовитель энергетической установки, работающей по циклу Ранкина на органической среде, должен гарантировать, что она будет обеспечивать заданную выходную электронную мощность от источника, создающего заданное количество тепла за единицу времени, выбранная рабочая среда, либо смесь сред, должна иметь хорошо определенные физические свойства. То, что выбранная среда или среды будут иметь эти свойства, гарантируется применением коммерчески чистых сред, которые соответствуют международным стандартам. Эти среды легко доступны в большинстве частей света, однако в мире много мест, где приемлемые чистые среды чрезмерно дороги, либо когда их использование в условиях энергетической установки создают проблемы государственного регулирования из-за недостаточности исторического прецедента для их использования в таких условиях.

Некоторые органические среды, которые теоретически могут быть использованы в условиях энергетической установки, значительно менее дороги или более доступны, чем те, которые обычно используются в энергетических установках, но эти среды обычно представляют собой смеси, характеристики которых в отношении давления-объема-температуры неизвестны, либо широко изменяются от места к месту и по времени. Вследствие этого конструктор энергетической установки никогда не может быть уверен в том, что такие среды будут работать в энергетической установки теми же заданными способами, как и чистая жидкость, свойства которой установлены. Например, моторное топливо бензин представляет собой одну из наиболее распространенных в мире сред от наиболее развитых индустриальных стран до самых бедных стран третьего мира. В некоторых странах бензин более доступен, чем вода, при этом благосклонное отношение общественности к хранению и использованию бензина и правительственные постановления на этот счет четкого определены по сравнению с многим из того, что представляется непрофессионалам экзотическими органическими средами, которые предложены для энергетических установок, работающих по циклу 0ранкина. Однако использование бензина или другого углеводорода, содержащего большое количество фракций, не является наилучшим выбором для энергетической установки, работающей по циклу Ранкина на органической жидкости, из-за неопределенности термодинамических свойств конкретной партии бензина в определенном месте в мире в определенное время. Конструктор может и не знать заранее термодинамические свойства бензина, который будет подан к установке при запуске или позднее в качестве пополняющей рабочей среды, следовательно разрабатываемая им конструкция не может учесть возможные изменения, которые могут иметь место. Вследствие этого бензин конструктором отвергается.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать способ и средства для использования хорошо известных, легко доступных приемлемых коммерческих органических сред, таких как бензин, в энергетических установках, работающих по циклу Ранкина, независимо от возможных изменений термодинамических свойств от места к месту и по времени.

Настоящее изобретение касается работы энергетической установки, работающей по циклу Ранкина, такого типа, которая имеет испарительный элемент, реагирующий на входное тепло для испарения рабочей среды и образования испаренной рабочей среды, турбогенератор, реагирующий на испаренную рабочую жидкость для вырабатывания энергии и образования отдавшей тепло рабочей среды, конденсаторный элемент, реагирующий на отдавшую тепло рабочую среду для ее конденсации и образования конденсата, а также средства для возврата конденсата к испарителю. Рабочая среда находится в виде жидкости, имеющей большое количество фракций; настоящее изобретение обеспечивает дистилляцию по меньшей мере одной фракции упомянутой жидкости для создания дистиллированной среды. Это та дистиллированная среда, которая подается к энергетической установке в качестве рабочей среды.

Дистиллированная среда представляет собой жидкость, которая вводится в энергетическую установку и действует совместно с ней, причем по меньшей мере один элемент энергетической установки испарительный элемент или конденсаторный элемент, либо оба из них используется для дистилляции фракции из упомянутой жидкости для создания дистиллированной среды. В этом случае последняя упомянутая фракция удаляется из энергетической установки, работа которой после этого продолжается с использованием дистиллированной среды. В результате рабочая среда, предназначенная для устойчивой работы, представляет собой основную фракцию жидкости, термодинамические свойства которой хорошо известны и воспроизводимы.

Предпочтительно, чтобы рабочая жидкость представлена собой бензин. Удаление фракций с низкой точкой кипения посредством испарительного элемента, а также фракций с высокой точкой кипения посредством конденсаторного элемента приведет к получению среды, свойства которой хорошо известны. Как вариант, фракции с высокой точкой кипения могут быть удалены посредством испарительного элемента, а фракции с низкой точкой кипения могут быть удалены посредством конденсатора. Следовательно, даже если свойства жидкости перед началом работы, энергетической установки неизвестны, либо известны лишь в незначительной степени, после того как выполняются дистилляционные процессы с использованием испарительного элемента и конденсаторного элемента в качестве фракционных колонн, и после того как удалены фракции с большей и меньшей точками кипения, остающаяся рабочая среда будет действовать заданным способом, который позволяет энергетической установке вырабатывать требуемую энергию.

В модификации изобретения температура и давление в элементах контролируется, а количество упомянутых фракций в дистиллате регулируется согласно контролируемым температуре и давлению в упомянутых элементах, так что расход через энергетическую установку фактически удерживается постоянным.

Вариант осуществления настоящего изобретения показан посредством примера на прилагаемых чертежах, на которых:
На фиг. 1 представлена блок-схема выполненной согласно изобретению энергетической установки, работающей по циклу Ранкина на органической среде; на фиг. 2 схема способа согласно настоящему изобретению для сохранения установленной выходной мощности энергетической установки согласно фиг. 1 путем обеспечения регулировки расхода рабочей среды; на фиг. 3 схема другого способа согласно настоящему изобретению для сохранения установленной выходной мощности энергетической установки согласно фиг.1 путем обеспечения регулировки расхода рабочей среды.

Позицией 10 обозначена выполненная согласно настоящему изобретению энергетическая установка, работающая по циклу Ранкина на органической жидкости. Энергетическая установка 10 содержит испарительный элемент 12, воспринимающий тепло, образуемое горелкой 14, для испарения органической рабочей среды 16 и образованная испарившейся рабочей среды в выходном трубопроводе 18, подсоединенном посредством узла 19 к трубопроводу 20, который подсоединен к входной ступени турбины 21 турбогенератора. Испарившаяся рабочая среда расширяется в турбине 21 с образованием отдавшей тепло рабочей среды, которая подается к конденсаторному элементу 24, где происходит конденсация рабочей среды, отдавшей тепло. Конденсатор может иметь воздушное или водяное охлаждение, причем конденсат 25 в конденсаторе возвращается посредством насоса 26 к испарителю для завершения цикла с органической средой. Генератор 23, подсоединенный к турбине 21, при этом приводится в действие и расширение рабочей среды в турбине вырабатывает электричество.

Описанные выше компоненты и их работа в целом обычны, за исключением природы рабочей среды. До настоящего изобретения рабочая среда могла представлять собой чистую органическую среду, например, пентан или изопентан, имеющую определенные термодинамические свойства, которые позволяют конструктору спроектировать энергетическую установку, имеющую выбранную выходную мощность для данного подводимого тепла, которое будет обеспечивать выбранный расход пара через турбину. Согласно настоящему изобретению рабочая среда может представлять собой углеводород, имеющий большое количество фракций, например, бензин, чьи свойства и фактически чьи составляющие изменяются по времени и от места к месту из-за изменений различных фракций, имеющихся в бензине.

Для того, чтобы использовать углеводород, например, бензин, применяются пополняющий резервуар 30, этот резервуар заполняется достаточным количеством углеводородной жидкости для обеспечения загрузки энергетической установки рабочей среды при пуске. С этой целью между резервуаром 30 и насосом 26 введен клапан 5. Поэтому для загрузки энергетической установки рабочей средой в начале запуска, когда в испарителе или еще где-то в установке отсутствует рабочая среда, клапан 5 открывается и насос 26 приводится в действие для втягивания в испаритель 12, который находится в холодном состоянии, количество жидкости достаточное для полной загрузки установки.

Затем для подвода тепла к испарителю открывается клапан 6. Находящиеся в жидкости испарителя фракции с низкой точкой кипения закипают первыми путем сохранения, если это предпочтительно, температуры в испарителе на более низком уровне, чем проектируемый уровень, до тех пор, пока не испаряется все фракции с более низкой точкой кипения. В течение этого времени клапан 1 открыт и большая часть фракций с более низкой точкой кипения подается по трубопроводу в резервуар-сборник 32. Дополнительный клапан /не показан/ может блокировать вход этих фракций в турбину.

Для обнаружения испарения фракций с пониженной точкой кипения и для возможности контроля за таким испарением в испарителе могут быть установлены датчики температуры и давления, обозначенные позицией 33. Когда температура и давление, регистрируемые датчиком 33, достигают уровня, который указывает, что фракции с пониженной точкой кипения удаления из жидкости в испарителе, клапан 1 закрывается и пары, которые после этого образуются, подаются по трубопроводу к конденсатору 24 посредством открытия клапан 7.

Пар, который поступает в конденсатор, имеет температуру и давление, которые почти равны температуре и давлению пара, покидающего испаритель. Конденсатор 24 осуществляет конденсацию испарившейся рабочей среды с переходом ее в жидкое состояние. Первая часть жидкости, которая конденсируется, будет представлять собой фракции с повышенной температурой кипения, причем они подводятся к резервуару-сборнику 34 через открытый клапан 3. Для управления температурой и давлением датчиками, обозначенными позицией 35, может быть установлен отсечной клапан 3. В этот момент установка может быть приведена в действие. То-есть клапаны 1, 2, 3, 4, 5, и 7 закрыты и рабочая среда, которая проходит в цикле через испаритель, турбину и конденсатор, представляет собой фракции со средней точкой кипения из первоначального углеводорода в дополнительном резервуаре 30.

Для того, чтобы установка работала эффективно и обеспечивала требуемую мощность, температура и давление в испарителе и конденсаторе могут регулироваться для создания требуемой скорости потока. Эти параметры воспринимаются в местах 33 и 35 и их полученные значения подаются в блок управления 36, который может представлять собой компьютер, управляемый с целью контроля различных клапанов в системе. Жидкость от резервуаров-сборников 32 и 34 посредством клапанов подается в систему, так что она работает для регулирования температуры и давления с целью оптимизации электрической мощности, развиваемой энергетической установкой. Такие операции могут осуществляться в течение летних или зимних условиях, например, изменяется температура окружающей среды, что изменяет охлаждающую температуру охлаждающей среды конденсатора, такой как вода или воздух. Эти операции подобны операциям, осуществляемым в патенте США N 3842593, существо которого введено сюда посредством ссылки на него. Следовательно, если, например, летом, когда температура окружающей среды возрастает, при повышении температурой охлаждающей среды конденсатора в систему могут быть введены фракции с повышенной температурой кипения. С другой стороны, например, зимой, когда температура окружающей среды понижается, что вызывает понижение температуры охлаждающей среды конденсатора, в систему могут быть введены фракции с пониженной температурой кипения.

Как вариант или дополнительно к указанному может быть применено устройство, показанное на фиг. 2. В этом случае впускная ступень турбины обеспечивается большим количеством отдельных групп сопел 51, 52, 53, запииываемых от испарителя через индивидуально контролируемая клапаны a, b, c. Эти клапаны управляются блоком управления 36, так что величина подачи к турбине регулируется таким образом, чтобы оптимизировать выходную мощность установки.

Кроме того, может быть использовано устройство, показанное на фиг. 3. Здесь входная ступень 22B турбины выполнена с группой сопел 51B, запитываемых паром, создаваемым испарителем 12. Пар выходящий из ступени 22B, проходит через группу сопел 51C к дополнительной степени 22C турбины. Пар, который входит из последней упомянутой ступени, течет к ступени 22 через группу сопел 51. Углы выхода у группы сопел 51B, 51C и 51 могут регулироваться, при этом углы устанавливаются регулирующими устройствами соответственно 36B, 36C и 36 для управления падением давления, а следовательно скоростью массового расхода в различных ступенях.

Хотя в качестве источника тепла для энергетической установки показана обычная горелка для сжигания топлива, совместно с настоящим изобретением могут быть использованы другие виды тепловых источников, например, геотермальные среды.

Преимущества и улучшенные результаты, обеспечиваемые способом и устройством согласно настоящему изобретению, очевидны из приведенного выше описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения. Без отклонения от объема и существа изобретения могут быть выполнены его различные изменения и модификации, описанные в прилагаемой формуле изобретения.

Использование: в энергетических установках, работающих по циклу Ранкина и использующих органическую среду. Сущность изобретения: энергетическая установка, работающая по циклу Ранкина, имеет испарительный элемент, реагирующий на вводимое тепло для испарения рабочей среды и образования испарившейся рабочей среды, турбогенератор, реагирующий на испаренную рабочую среду для вырабатывания энергии и образования рабочей среды, отдавшей тепло, конденсаторный элемент, реагирующий на рабочую среду, отдавшую тепло, для ее конденсации и образования конденсата, а также соответствующий трубопровод для возврата конденсата к испарителю. Рабочая среда находится в виде жидкости, имеющей большее количество фракций по меньшей мере одна фракция дистиллируется из упомянутой жидкости для образования дистиллированной среды, которую подают к энергетической установке в качестве рабочей среды. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы энергетической установки с циклом Ранкина, включающий испарение рабочего тела в испарителе установки под воздействием подведенного к последнему тепла, выработку энергии посредством турбогенератора, испаренного рабочего тела с получением объединенного теплом рабочего тела, конденсацию последнего в конденсаторе и возврат полученного конденсата в испаритель посредством трубопровода с насосом, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют композиционную жидкость, включающую высоко- и низкокипящие фракции и по меньшей мере одну фракцию отделяют от композиционной жидкости и сохраняют, а оставшуюся часть композиционной жидкости используют в турбогенераторе для выработки энергии. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве композиционной жидкости используют бензин. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно контролируют температуру и давление в испарителе и конденсаторе, при этом поддержание постоянным объемного расхода рабочего тела через турбогенератор ведут пополнением рабочего тела соответствующей фракции из первого или второго резервуара для хранения в зависимости от значения вышеуказанных контролируемых параметров. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно контролируют температуру и давление в испарителе и конденсаторе, при этом используют турбогенератор с регулируемыми параметрами, а поддержание постоянным объемного расхода рабочего тела через турбогенератор ведут изменением регулируемых параметров последнего. 5. Энергетическая установка, работающая по циклу Ранкина, содержащая испаритель с подводом тепла для испарения рабочего тела, подсоединенный к нему турбогенератор для выработки энергии и обедненного теплом рабочего тела, конденсатор для получения конденсата из последнего, подключенный к выходу турбогенератора, а также трубопровод с насосом, подсоединенный к конденсатору и испарителю для подачи полученного конденсата в испаритель, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным резервуаром с композиционной жидкостью, включающей высоко- и низкокипящие фракции, двумя резервуарами для хранения соответственно высоко- и низкокипящих фракций, а также трубопроводами с запорно-регулирующими органами, при этом исполнительный резервуар посредством одного из дополнительных трубопроводов подсоединен своим выходом к трубопроводу, соединяющему конденсатор с испарителем, до установленного в нем насоса, а резервуары для хранения высоко- и низкокипящих фракций посредством дополнительных трубопроводов с запорно-регулирующими органами подсоединены соответственно к конденсатору и испарителю. 6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что она содержит средства контроля температуры и давления, установленные в испарителе и конденсаторе и подключенные к запорно-регулирующим органам дополнительных трубопроводов, соединяющих резервуары для хранения высоко- и низкокипящих фракций с конденсатором и испарителем, для создания рабочего тела, соответствующего поддержанию выходной мощности турбогенератора в зависимости от контролируемой температуры. 7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела применен углеводород. 8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела применен бензин.