СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО КОНТУРА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ КОНТУР Российский патент 2013 года по МПК F01K25/06 F01K13/02 

Изобретение относится к способу функционирования термодинамического контура согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, а также к термодинамическому контуру согласно родовому понятию пункта 7 формулы изобретения, подобный контур описан, например, в ЕР 1 613 841 В1.

Тепловые электростанции используют термодинамические круговые [циклические, замкнутые] процессы для преобразования тепла в механическую или электрическую энергию. Обычные тепловые электростанции вырабатывают тепло за счет сжигания топлива, прежде всего ископаемых энергоносителей: угля, нефти и газа. Циклические процессы при этом функционируют на основе классического цикла Ранкина с водой в качестве рабочей среды. Ее высокая точка кипения делает воду, во всяком случае, прежде всего при использовании тепловых источников с температурами от 100 до 200°С, например геотермических жидкостей или отходящего тепла из процессов горения, непривлекательной ввиду недостаточной экономичности.

Для тепловых источников с такой низкой температурой в последние годы разработаны самые разнообразные технологии, которые позволяют преобразовывать их тепло с хорошим КПД в механическую или электрическую энергию. Наряду с циклом Ранкина с органической рабочей средой (органический цикл Ранкина - ORC), прежде всего, так называемый цикл Калина (Kalina cycle) характеризуется заметно лучшими КПД по сравнению с классическим циклом Ранкина.

На основе цикла Калина разработаны различные контуры для различных применений. Эти контуры применяют в качестве рабочей среды вместо воды двухкомпонентную смесь (например, аммиак и воду), причем используется неизотермический процесс кипения и конденсации смеси, чтобы повысить КПД контура в сравнении с циклом Ранкина.

Подобный цикл Калина, в особенности подходящий для температур от 100 до 200°С, в частности от 100 до 140°С, известен из ЕР 1 613 841 В1. Другой подобный известный контур известен из ЕР 1 070 830 А1.

Из традиционных воздушно-паровых контуров уже известно, для запуска подобного контура, выработанный пар сначала нужно проводить мимо турбины до тех пор, пока в контуре не будет сформировано достаточное для работы турбины давление. Однако если этот принцип применяется в вышеупомянутом цикле Калина, то во время запуска контура это может привести к пульсациям давления в контуре, которые могут стать настолько большими, что должно осуществляться аварийное отключение контура.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание способа функционирования контура согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, при котором при запуске могут быть предотвращены подобные пульсации. Кроме того, задачей предложенного изобретения является создание контура, в частности, для выполнения соответствующего изобретению способа, с помощью которого могут быть предотвращены подобные пульсации.

Решение задачи, направленной на способ, является предметом пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом пунктов 2-6. Решение задачи, направленной на термодинамический контур, является предметом пункта 7 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом пунктов 8-12.

При этом изобретение исходит из знания того, что при запуске к первому теплообменнику подводится очень много энергии, когда разделенные сепаратором жидкая фаза и парообразная фаза сводятся вместе перед первым теплообменником. Это приводит к тому, что их полная энергия направляется в первый теплообменник и вследствие теплопередачи на его первичной стороне обуславливается сильное испарение жидкой рабочей среды. За счет этого происходят сильные изменения соотношений давления от входа в первый теплообменник до выхода из второго теплообменника, в частности, если давление рабочей среды на выходе из второго теплообменника или за сепаратором измеряется и используется в качестве регулирующей величины для контура. На основе изменяющихся соотношений давления и осуществляемых вместе с этим регулирующих воздействий могут вызываться процессы испарения, которые также могут неожиданным образом совпадать и тем самым формируют пульсации давления в контуре.

За счет направления отделенной парообразной фазы как мимо устройства создания разрежения, так и мимо первого теплообменника, предотвращается слишком высокий ввод тепла в первый теплообменник и тем самым слишком высокая теплопередача к жидкой рабочей среде. За счет этого можно предотвратить слишком сильное испарение жидкой рабочей среды в первом теплообменнике и тем самым надежным образом препятствовать пульсациям.

Предпочтительным образом, при охлаждаемом потоке рабочей среды жидкая фаза и парообразная фаза отделяются одна от другой и затем снова объединяются. За счет этого рабочая среда перед ее подачей в третий теплообменник гомогенизируется, и тем самым КПД контура улучшается.

Соответствующий изобретению контур характеризуется обводным трубопроводом, который ответвляется от трубопровода между сепаратором и устройством создания разрежения и после первого теплообменника входит в трубопровод между первым теплообменником и третьим теплообменником.

Преимущества и соображения, упомянутые для способа, соответствующего изобретению, также справедливы и для контура, соответствующего изобретению.

Предпочтительным образом, для гомогенизации рабочей среды перед ее подачей к третьему теплообменнику и тем самым для улучшения КПД контура, в трубопровод между первым теплообменником и третьим теплообменником между входом обводного трубопровода и третьим теплообменником включен дополнительный сепаратор для разделения жидкой фазы от парообразной фазы и смеситель для смешивания разделенной дополнительным сепаратором жидкой и парообразной фазы.

Согласно варианту выполнения изобретения в качестве рабочего средства применяется многокомпонентная смесь. В случае многокомпонентной смеси речь идет предпочтительно о двухкомпонентной смеси, в частности смеси аммиака с водой. На основе неизотермического испарения и конденсации такой смеси может, в частности, достигаться особенно высокий КПД контура.

Особенно экологически чистое получение энергии достигается за счет применения геотермической жидкости, в частности термальных вод, из геотермального источника в качестве источника тепла. Но в качестве источника тепла также могут применяться отработавшие газы (дымовые газы) газо- и/или паротурбинных установок или тепло, вырабатываемое в промышленных производственных процессах (например, при производстве стали).

Высокий КПД контура может при этом достигаться и в том случае, если источник тепла имеет температуру от 100°С до 200°С, в частности от 100°С до 140°С.

Изобретение и другие предпочтительные варианты выполнения изобретения согласно признакам зависимых пунктов далее поясняются на примере выполнения со ссылками на фиг.1, на которой показан соответствующий изобретению термодинамический контур в упрощенном схематичном представлении.

Показанный на чертеже термодинамический контур 1 содержит первый теплообменник (подогреватель) W1, второй теплообменник (испаритель) W2 и третий теплообменник (конденсатор) W3.

Второй теплообменник W2 на первичной стороне находится в контакте с внешним источником тепла, в показанном примере выполнения он на первичной стороне обтекается горячей термальной водой 20 не изображенного более подробно геотермального источника, и на вторичной стороне соединен как с первым теплообменником W1, так и с сепаратором 4. Сепаратор 4 служит для отделения парообразной фазы от жидкой фазы частично испаренной рабочей среды. Выход со стороны пара сепаратора 4 связан с турбиной 2 в качестве устройства создания разрежения. Турбина 2 со стороны выхода соединена с объединителем в форме смесителя 5. Смеситель 5 дополнительно соединен с выходом жидкости сепаратора 4. Со стороны выхода смеситель 5 соединен с вторичной стороной первого теплообменника W1. Последний на вторичной стороне вновь через трубопровод 30 соединен с первичной стороной третьего теплообменника W3 (конденсатора), обтекаемого с вторичной стороны охлаждающей водой 25.

Обводной трубопровод 31 служит для обхода турбины 2 и первого теплообменника W1 для парообразной фазы, отделенной в сепараторе 4. Обводной трубопровод 31 ответвляется от трубопровода 32 между сепаратором 4 и турбиной 2 и входит после первого теплообменника W1 в трубопровод 30 между первым теплообменником W1 и третьим теплообменником W3. Вентили 33, 34 служат для управления и/или регулирования подачи парообразной фазы 10 в обводной трубопровод 31 или в турбину 2.

В трубопроводе 30 между первым теплообменником W1 и третьим теплообменником W3 между вводом 35 обводного трубопровода 31 и третьим теплообменником W3 включен дополнительный сепаратор 40 для отделения жидкой фазы от парообразной фазы и дополнительный смеситель 41 для смешивания отделенной сепаратором 40 жидкой фазы с отделенной парообразной фазой.

Третий теплообменник (конденсатор) W3 на своем выходе первичной стороны, в необходимом случае через не изображенный подробно бак конденсата, через насос 3 соединен с первичной стороной первого теплообменника W1. Первичная сторона первого теплообменника W1 вновь соединена с вторичной стороной уже упомянутого второго теплообменника W2.

В качестве рабочей среды в контуре 1 применяется двухкомпонентная смесь из воды и аммиака, которая, таким образом, имеет неизотермическое испарение и конденсацию.

При нормальном режиме работы контура 1 рабочая среда после третьего теплообменника (конденсатора) W3 имеется в жидком состоянии как жидкий поток 13 рабочей среды. С помощью насоса жидкий поток 13 рабочей среды накачивается на повышенное давление и формирует нагруженный давлением жидкий поток 14 рабочей среды. При этом, естественно, также возможно, что жидкий поток 13 рабочей среды после третьего теплообменника (конденсатора) W3 подводится сначала к баку конденсата, там накапливается промежуточным образом и оттуда с помощью насоса 3 откачивается и приводится на повышенное давление.

Нагруженный давлением жидкий поток 14 рабочей среды подается к первичной стороне первого теплообменника W1 и нагревается и даже частично испаряется за счет частичной конденсации проводимого с вторичной стороны через первый теплообменник W1 разреженного потока 12 рабочей среды, так что на первичной стороне после первого теплообменника W1 имеется первый частично испаренный поток 15 рабочей среды, а с вторичной стороны - частично сконденсированный разреженный поток 12а рабочей среды. Доля пара в первом частично испаренном потоке 15 рабочей среды составляет, например, 15%.

Первый частично испаренный поток 15 рабочей среды затем подводится к вторичной стороне второго теплообменника W2.

На первичной стороне второй теплообменник W2 обтекается горячей термальной водой 20, которая выходит из второго теплообменника W2 как охлажденная термальная вода 22. Во втором теплообменнике W2 первый частично испаренный поток 15 рабочей среды за счет теплопередачи от горячей термальной воды 20 и тем самым охлаждения термальной воды 20 еще больше испаряется и вырабатывает второй по меньшей мере частично испаренный поток 18 рабочей среды. Второй частично испаренный поток 18 рабочей среды подается в сепаратор 4, в котором парообразная фаза 10 отделяется от жидкой фазы 19. Парообразная фаза 10 затем в турбине 2 расширяется, и ее энергия преобразуется в полезную форму, например, посредством не изображенного на чертеже генератора, в ток, и образует разреженную парообразную фазу 11. Для этого клапан 34 отпирается, а клапан 33 запирается.

В смесителе 5 разреженная парообразная фаза 11 и отделенная в сепараторе 4 жидкая фаза 19 вновь объединяются и образуют разреженный поток 12 рабочей среды.

Разреженный поток 12 рабочей среды в первом теплообменнике W1 частично конденсируется и формирует частично конденсированный разреженный поток 12а рабочей среды. Частично конденсированный разреженный поток 12а рабочей среды затем конденсируется в третьем теплообменнике (конденсаторе) W3 с помощью (подаваемого) потока 25 охлаждающей воды и формирует жидкий поток 13 рабочей среды. Тепло, передаваемое за счет конденсации разреженного потока 12а рабочей среды к потоку 25 охлаждающей воды, отводится посредством отводимого потока 26 охлаждающей воды.

В варианте контура 1, в первом теплообменнике W1 на первичной стороне, вместо уже частичного испарения рабочей среды, может также осуществляться только нагревание рабочей среды. По меньшей мере частичное испарение рабочей среды может тогда полностью осуществляться во втором теплообменнике W2.

В другом варианте контура 1, в контуре 1 между первым теплообменником W1 и вторым теплообменником W2 может включаться дополнительный четвертый теплообменник для передачи тепла отделенной в сепараторе 4 жидкой фазы 19 к нагретому или уже частично испаренному второму потоку 15 рабочей среды перед его подачей на второй теплообменник W2.

Для запуска контура сначала посредством запирания клапана 34 перекрывается подача парообразной фазы 10 к турбине 2. Вместо этого, клапан 33 отпирается, и отделенная посредством сепаратора 4 парообразная фаза 10 через обводной трубопровод 31 направляется мимо турбины 2 и первого теплообменника W1. Отделенная посредством сепаратора 4 парообразная фаза 10 подается - как в нормальном режиме работы контура 1 - через смеситель 5 к первому теплообменнику W1 и в нем за счет теплопередачи к жидкому потоку 14 рабочей среды охлаждается. После первого теплообменника W1 охлажденная отделенная жидкая фаза и отделенная парообразная фаза 10 объединяются в охлажденный поток рабочей среды.

Перед подачей объединенных фаз на третий теплообменник W3, для гомогенизации охлажденного потока рабочей среды, в сепараторе 40 жидкая фаза и парообразная фаза охлажденного потока рабочей среды отделяются одна от другой и затем посредством смесителя 41 объединяются вместе.

За счет направления парообразной фазы мимо первого теплообменника W1 при запуске контура предотвращается слишком высокая теплопередача к жидкому потоку рабочей среды на первичной стороне первого теплообменника W1, и тем самым нежелательно высокое и приводящее к пульсациям давления в контуре испарение жидкого потока 14 рабочей среды в первом теплообменнике W1.

Изобретение было описано выше на основе предпочтительных примеров выполнения, однако в общем случае не может рассматриваться как ограниченное этими примерами выполнения. Напротив, существует возможность множества вариаций и модификаций изобретения или этих примеров выполнения. Например, в контур могут включаться дополнительные клапаны.

Термодинамический контур содержит три теплообменника (W1, W2, W3), сепаратор (4), турбину (2), объединитель (5) и обводной трубопровод (31). Первый теплообменник (W1) для выработки первого нагретого или частично испаренного потока (15) рабочей среды путем теплопередачи от разреженного потока (12) рабочей среды. Второй теплообменник (W2) для выработки второго потока (18) рабочей среды посредством частичного испарения или дополнительного испарения первого потока (15) рабочей среды теплом, которое передается от внешнего источника (20) тепла. Третий теплообменник (W3) для полной конденсации разреженного потока (12а) рабочей среды. Сепаратор (4) для отделения жидкой фазы (19) от парообразной фазы (10) второго потока (18) рабочей среды. Турбина (2) для разрежения парообразной фазы (10), преобразования ее энергии в полезную форму и выработки разреженной парообразной фазы (11). Объединитель (5) для выработки разреженного потока (12) рабочей среды путем объединения жидкой фазы (19) и разреженной парообразной фазы (11). Обводной трубопровод (31) для обхода парообразной фазой (10) турбины (2) и первого теплообменника (W1). Трубопровод (31) ответвляется от трубопровода (32) между сепаратором (4) и турбиной (2) и входит в трубопровод (30) между первым теплообменником (W1) и третьим теплообменником (W3). Предотвращаются опасные пульсации давления в контуре во время запуска. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ функционирования термодинамического контура, который включает в себя но меньшей мере следующие компоненты:
- первый теплообменник (W1) для выработки первого нагретого или частично испаренного потока (15) рабочей среды за счет нагрева или частичного испарения жидкого потока (14) рабочей среды путем теплопередачи от разреженного потока (12) рабочей среды;
- второй теплообменник (W2) для выработки второго по меньшей мере частично испаренного потока (18) рабочей среды посредством по меньшей мере частичного испарения или дополнительного испарения первого потока (15) рабочей среды теплом, которое передается от внешнего источника (20) тепла;
- третий теплообменник (W3) для полной конденсации разреженного потока (12 или 12а) рабочей среды;
- сепаратор (4) для отделения жидкой фазы (19) от парообразной фазы (10) второго потока (18) рабочей среды;
- устройство (2) создания разрежения, в частности турбина, для разрежения парообразной фазы (10), преобразования ее энергии в полезную форму и выработки разреженной парообразной фазы (11);
- объединитель (5) для выработки разреженного потока (12) рабочей среды путем объединения жидкой фазы и разреженной парообразной фазы;
отличающийся тем, что для запуска контура
- отделенная посредством сепаратора (4) парообразная фаза (10) направляется мимо устройства (2) создания разрежения и первого теплообменника (W1),
- отделенная посредством сепаратора (4) жидкая фаза (19) через объединитель (5) подается на первый теплообменник (W1) и в нем за счет теплопередачи к жидкому потоку (14) рабочей среды охлаждается, и
- после первого теплообменника (W1) охлажденная отделенная жидкая фаза и отделенная парообразная фаза (10) объединяются в охлажденный поток рабочей среды.

2. Способ по п.1, в котором жидкая фаза и парообразная фаза охлажденного потока рабочей среды отделяются одна от другой, а затем вновь объединяются.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором в качестве рабочей среды применяется многокомпонентная смесь.

4. Способ по п.3, в котором в качестве многокомпонентной смеси применяется смесь аммиака и воды.

5. Способ по п.1, в котором в качестве внешнего источника тепла (20) применяется геотермическая жидкость, в частности термальные воды.

6. Способ по п.1, в котором источник (20) тепла имеет температуру от 100°С до 200°С, в частности от 100°С до 140°С.

7. Термодинамический контур, в частности, для выполнения способа по любому из предыдущих пунктов, содержащий по меньшей мере
- первый теплообменник (W1) для выработки первого нагретого или частично испаренного потока (15) рабочей среды за счет нагрева или частичного испарения жидкого потока (14) рабочей среды путем теплопередачи от разреженного потока (12) рабочей среды;
- второй теплообменник (W2) для выработки второго по меньшей мере частично испаренного потока (18) рабочей среды посредством по меньшей мере частичного испарения или дополнительного испарения первого потока (15) рабочей среды теплом, которое передается от внешнего источника (20) тепла;
- третий теплообменник (W3) для полной конденсации разреженною потока (12а) рабочей среды;
- сепаратор (4) для отделения жидкой фазы (19) от парообразной фазы (10) второго потока (18) рабочей среды;
- устройство (2) создания разрежения, в частности турбина, для разрежения парообразной фазы (10), преобразования ее энергии в полезную форму и выработки разреженной парообразной фазы (11);
- объединитель (5) для выработки разреженного потока (12) рабочей среды путем объединения жидкой фазы (19) и разреженной парообразной фазы (11);
отличающийся тем, что содержит обводной трубопровод (31) для обхода устройства (2) создания разрежения и первого теплообменника (W1), который ответвляется от трубопровода (32) между сепаратором (4) и устройством (2) создания разрежения и входит в трубопровод (30) между первым теплообменником (W1) и третьим теплообменником (W3).

8. Термодинамический контур по п.7, в котором в трубопровод (30) между первым теплообменником (W1) и третьим теплообменником (W3) между входом (35) обводного трубопровода (31) и третьим теплообменником (W3) включен дополнительный сепаратор (40) для отделения жидкой фазы от парообразной фазы и смеситель (41) для смешивания разделенных дополнительным сепаратором (40) жидкой и парообразной фазы.

9. Термодинамический контур по п.7 или 8, в котором рабочая среда состоит из многокомпонентной смеси.

10. Термодинамический контур по п.9, в котором многокомпонентная смесь представляет собой двухкомнонентную смесь, в частности смесь аммиака и воды.

11. Термодинамический контур по п.7, в котором внешним источником тепла (20) является геотермическая жидкость, в частности термальные воды.

12. Термодинамический контур по п.7, в котором внешний источник (20) тепла имеет температуру от 100°С до 200°С, в частности от 100°С до 140°С.