ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МАШИНА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РАБОТОЙ Российский патент 2014 года по МПК F01K15/02 

Настоящее изобретение относится к термодинамической машине с циклической системой, в которой рабочий флюид, в частности низкокипящий рабочий флюид, циркулирует поочередно в газовой фазе и в жидкой фазе. В этом случае машина содержит теплообменник, расширительную машину, конденсатор и жидкостный насос. Изобретение относится также к способу управления работой такой термодинамической машиной, где в течение цикла осуществляют нагревание рабочего флюида, его расширение, конденсацию и подачу посредством насосов для жидкого рабочего флюида.

Под термодинамической машиной подразумевается, в частности, такая машина, которая работает в соответствии с термодинамическим циклическим процессом Ренкина. Циклический процесс Ренкина в данном случае характеризуется нагнетанием жидкой рабочей среды, испарением рабочей среды при высоком давлении, расширением газообразного рабочего флюида - выполнение механической работы - и конденсацией газового рабочего флюида при низком давлении. Например, современные традиционные паросиловые установки работают по циклическому процессу Ренкина. В паросиловых установках, нагреваемых от ископаемого топлива, температура вырабатываемого пара, как правило, выше 500°С при давлении свыше 200 бар. Конденсация расширенного пара происходит при температуре около 25°С и давлении около 30 мбар.

Термодинамическая машина, работающая по циклическому процессу Ренкина, а также способ управления работой этой машины, известны, например, из документа WO 2005/021936 А2. В этом случае рабочим флюидом служит вода.

Если для испарения рабочего флюида используются источники тепла, которые для теплоотвода имеют лишь относительно малую разность температур, то тогда КПД, который может быть достигнут при использовании воды в качестве рабочего флюида, более не является достаточным для экономичного режима работы. Однако такие источники тепла могут эксплуатироваться с помощью так называемых машин ORC, в которых вместо воды используется низкокипящий флюид, главным образом, органический. Термин «низкокипящий» подразумевает, что такой флюид закипает при более низких давлениях, чем вода, или имеет более высокое давление пара, чем вода. Машина ORC с использованием цикла Ренкина работает по так называемому органическому циклическому процессу Ренкина (ORC), то есть по существу с низкокипящим рабочим флюидом, отличным от воды, главным образом органическим флюидом. Известны такие рабочие флюиды для машин ORC как, например, углеводороды, ароматические углеводороды, фторированные углеводороды, углеродные соединения - особенно алканы, фторзамещенные простые эфиры, фторэтан - или даже синтезированные силиконовые масла.

С помощью машин ORC или установок ORC источники тепла, имеющиеся в геотермальных или работающих на солнечной энергии силовых установках можно экономично использовать, например, для генерирования энергии. К тому же, на момент создания настоящего изобретения посредством машин ORC существует возможность использования неиспользуемой отходящей теплоты выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания из отработавшего газа, охлаждающего тракта, выхлопного газа и т.д. для выполнения работы или выработки энергии.

При недостаточном давлении пара жидкости, которое обусловлено соответствующей температурой, эта жидкость испаряется. Недостаточное давление пара может иметь место в стоящих или подвижных жидкостях. Например, в случае движущейся жидкости может иметь место местное падение давления ниже требуемого вследствие резкого отклонения или ускорения потока, так что происходит местное испарение. Пузырьки пара, возникающие в результате этого в отдельных местах, снова конденсируются в точках с более высоким давлением и разрушаются. Весь процесс в целом называется кавитацией.

В термодинамической машине, относящейся к типу, упомянутому выше, кавитация, которая возникает в жидкой фазе рабочего флюида, составляет значительную проблему. Из-за малого размера пузырьков пара, их конденсация в действительности происходит очень быстро. В результате внезапного взрыва пузырьков пара в ходе процесса может образовываться микроструя. В том случае, если она направляется на близлежащую стенку, то тогда максимальные значения давления местами могут достигать 10000 бар. Кроме того, вследствие высоких давлений, в отдельных местах на пути прохождения рабочего флюида температура может превышать 1000°С, что может приводить к расплавлению материала стенки. Вредные воздействия, обусловленные нарушениями равномерности потока, могут продолжаться часами.

В насосе возникновение кавитации, к тому же, нежелательным образом уменьшает его производительность по флюиду. Поскольку пузырьки пара по своей плотности, как правило, сильно отличаются от жидкости, массовый расход подаваемого флюида уменьшается при заданном объемном расходе даже в случае малого массового процентного содержания пара в рабочем флюиде. В случае интенсивного накопления пара возможен даже срыв массового расхода. В том случае, если рабочая машина используется, например, в качестве насоса в установке ORC, существует возможность остановки всего циклического процесса. Как следствие недостаточной производительности насоса в конденсаторе возникает движение жидкого рабочего флюида в обратном направлении, приводящее к значительному ослаблению его действия. В результате этого рассеивание тепла прекращается. Систему в целом оставить в этом состоянии непросто. Необходимо подождать некоторое время, пока рабочий флюид не охладится сам собой. Кроме того, происходит срыв потока в испарителе, что также ведет к прекращению рассеивания тепла. В таком случае может произойти порча используемого рабочего флюида вследствие превышения его предела устойчивости.

Для машины, работающей по циклу Ренкина, возникающая проблема кавитации рассмотрена, например, в документе ЕР 1 624 269 А2. Здесь кавитация в рабочем флюиде, представленном водой, внутри конденсатора и также внутри следующего за ним насоса должна предотвращаться за счет предусмотренного в конденсаторе специального контроля давления и температуры. С этой целью в состав оборудования включены соответствующие датчики давления и температуры. В частности, в конденсаторе поддерживается заранее заданный уровень воды. Этому способствует наличие спускного клапана, обеспечивающего выпуск наружу воды или неконденсирующихся газов.

Следует также отметить, что значение постоянного уровня воды в конденсаторе для машины, работающей по циклу Ренкина, рассмотрено в документе US 7,131,290 В2. Рассмотрено, в частности, влияние переменного уровня воды на поверхности охлаждения в конденсаторе, которые вступают в действие. Если неконденсирующийся газ, такой как воздух, проникает в циклическую систему рабочего флюида вследствие неблагоприятного режима давления, который преобладает в конденсаторе, то тогда он скапливается главным образом в конденсаторе. Для того чтобы предотвратить возникающую из-за этого потерю охладительной способности, в документе US 7,131,290 В2 предлагается соответствующее разделительно-спускное устройство.

Из документа DE 10 2006 013 190 А1 известна комплексная машина для текучих сред, которая работает по циклическому процессу Клаузиуса-Ренкина. Машина имеет насос для приложения давления и для откачивания рабочего флюида в жидкой фазе и расширительное устройство, соединенное последовательно с насосом, предназначенное для создания движущего усилия за счет расширения рабочего флюида, который нагревается, чтобы стать рабочим флюидом в газовой фазе. В этом случае предусмотрена передача тепла от рабочего флюида на выпускной стороне расширительного устройства к рабочему флюиду на выпускной стороне насоса для перекачки флюида.

Из документа DE 36 41 122 А1 известен передвижной приводной агрегат для преобразования тепла, выполненный в виде термодинамической машины вышеупомянутого типа, которая работает по циклическому процессу Ренкина.

Из документа DE 7 225 314 U известна паросиловая установка, в которой в циклическом процессе Ренкина используется органическая рабочая среда.

Следует также отметить, что термодинамическая машина вышеупомянутого типа известна документа US 4,291,232. В этом случае в качестве рабочего флюида циркулирует раствор газа в жидкости, в частности водный раствор аммиака. Растворением газа в жидкости достигается снижение давления газа и жидкости. Разделением газа при повышении температуры достигается повышение давления.

Целью настоящего изобретения является создание такой термодинамической машины вышеупомянутого типа, в которой бы в максимально возможной степени предотвращалось возникновение кавитации в жидкости или в жидком рабочем флюиде. Кроме того, целью изобретения является раскрытие соответствующего способа управления работой такой термодинамической машины, где в максимально возможной степени устраняется кавитация в жидкости.

В отношении рассматриваемой машины поставленная цель достигается согласно изобретению за счет комбинации признаков пункта 1 формулы изобретения. Согласно этому для термодинамической машины вышеупомянутого типа предусмотрено приложение к жидкому рабочему флюиду в напоре жидкостного насоса парциального давления, которое повышает давление в системе, путем добавления неконденсирующегося вспомогательного газа.

Изобретение основывается, в данном случае, на том известном факте, что, в частности, в концепции машины ORC возможность возникновения кавитации в жидкой фазе недооценивается. Поэтому оказывается, что в общей концепции, например, не соблюдается высота напора, заданная для насоса. Такая высота напора, обусловленная столбом флюида на всасывающем патрубке, вызывает там необходимое повышение давления. Из-за конденсатора, расположенного выше по потоку, флюид, при отсутствии соблюдения высоты напора, особым образом подается к насосу при давлении насыщенного пара или давлении конденсации пара, если предполагается, что имеет место переохлаждение. Когда насос вводится в действие без соблюдения высоты напора, давление насыщенного пара может быть недостаточным в результате имеющейся как следствие мощности всасывания. Возникает кавитация.

Высота напора для насоса обычно задается так называемой величиной NPSH. В этом случае величина NPSH (надкавитационный напор на входе) подразумевает минимально необходимую высоту подачи свыше давления насыщенного пара. Другими словами, необходимая величина NPSH отражает мощность всасывания насоса. Величина NPSH задается в метрах. Для насоса, подходящего для данного случая, она обычно составляет несколько метров. Поэтому в случае несоблюдения величины NPSH в напоре насоса, в процессе работы возникают довольно значительные проблемы с кавитацией. Имеет место нежелательное образование пузырьков пара.

В связи с этим, даже при небольшой и компактной ORC насос должен быть смонтирован невыгодным образом на более низком уровне, чем установка, что ведет к нежелательному увеличению пространства для монтажа установки.

Другие варианты предупреждения возникновения кавитации в жидкой фазе рабочего флюида, как например переохлаждение рабочего флюида для понижения давления пара, являются дорогостоящими в связи дополнительными расходами. К тому же, возникает потребность в наличии дополнительной площади поверхности. Более того, требуется подвод большего количества энергии для нагревания переохлажденного рабочего флюида. В то же время, использование подкачивающего насоса для создания дополнительного давления на всасывающем патрубке является неэкономичным. Помимо этого, из-за наличия дополнительного насоса также требуется дополнительное пространство для монтажа оборудования.

В соответствии с изобретением найдено неочевидное решение проблемы образования кавитационных пустот в термодинамической машине за счет использования неконденсирующегося газа. В то время как до момента создания настоящего изобретения в машинах, работающих в соответствии с циклическим процессом Ренкина, неконденсирующийся газ, находящийся в цикле, дорогостоящими средствами удалялся из-за того, что он вызывал снижение КПД, настоящим изобретением предлагается его преднамеренное введение.

Изобретением в частности установлено, что в случае присутствия в цикле неконденсирующегося газа, его парциальное давление в газовой фазе добавляется к давлению конденсации. Получаемое в результате этого давление системы, которое повышается необходимым образом, прикладывается к жидкому рабочему флюиду главным образом в напоре жидкостного насоса. Недостатки, связанные с добавлением неконденсирующегося газа в цикл, такие, в частности, как повышение обратного давления для расширительной машины, компенсируются преимуществами, состоящими в устранении кавитации в случае использования низкокипящего рабочего флюида. В случае использования низкокипящего рабочего флюида, он конденсируется при более высоких давлениях, чем вода. Обычно он может быть конденсирован при комнатной температуре и давлении, превышающем атмосферное давление. Парциальное давление, которое обязательно создается с помощью вспомогательного газа, имеет меньшее и, в смысле концепции в целом, незначительное влияние на общий КПД.

В частности, изобретение позволяет отбирать дополнительное количество вспомогательного газа, что дает возможность соответственно уменьшить высоту напора для насоса в смысле потребного пространства для монтажа. В то же время в этом случае следует принимать во внимание, что обратное давление, являющееся для расширительной машины помехой, остается на вполне приемлемом уровне.

Изобретение дает в этом отношении явное преимущество, состоящее в возможности конструирования компактной термодинамической машины для использования низкотемпературных источников теплоты. В этом случае отпадает необходимость в определении требуемого для монтажа оборудования пространства в зависимости от высоты напора насоса. Ввиду того, что введение неконденсирующегося вспомогательного газа, в большинстве случаев, может быть произведено однократно, когда осуществляется наполнение системы, возможно даже не потребуется принятие дополнительных конструктивных мер. При этом изобретение представляет возможность исключительно недорогостоящими средствами сделать термодинамическую машину более компактной. В связи с этим изобретение очень подходит для концепции небольших мобильных машин, которые используются, например, на автомобилях, для использования тепла двигателя, тепла охлаждающей среды и тепла выхлопных газов.

В предпочтительном примере осуществления изобретения парциальное давление, которое создается в результате добавления вспомогательного газа, достаточно высокое, вследствие чего во время работы жидкостного насоса давление насыщенного пара в его напоре не опускается ниже допустимого уровня. Как поясняется в описании изобретения ниже, это действительно так, с некоторыми упрощающими допущениями (отсутствие дополнительного переохлаждения жидкости), когда, например, создаваемое в результате парциальное давление соответствует, по меньшей мере, величине NPSH жидкостного насоса. Можно даже полностью отказаться от создания гидростатического напора насоса. В реальных условиях объем добавляемого вспомогательного газа должен быть дозирован так, чтобы получаемое в результате парциальное давление превышало давление всасывания или преобразованную величину NPSH.

Область распространения изобретения не ограничивается термодинамической машиной, которая работает в соответствии с циклическим процессом Ренкина. Изобретение распространяется также, например, на машину, которая не предусматривает испарение рабочего флюида выше по потоку от расширительной машины, но в которой осуществляется мгновенное испарение рабочего флюида в расширительной камере в результате постоянно увеличивающегося рабочего пространства. В частности, могут осуществляться непрерывные фазовые переходы.

Что касается машины ORC, то в ней в качестве рабочего флюида можно также использовать смеси различных рабочих сред с тем, чтобы таким образом достигнуть идеального режима работы машины, подходящего для заданных условий.

Как видно на фиг.2 в левой части чертежа, в известной термодинамической машине в конденсаторе устанавливается давление p_S насыщенного пара рабочего флюида, соответствующее заданной температуре. В том случае, если включается насос для откачивания жидкой фазы рабочего флюида, на всасывающем патрубке создается давление всасывания, соответствующее заданной величине NPSH. Давление p_S насыщенного пара уменьшается на это давление P_NPSH всасывания. Вследствие этого в насосе создается более низкое давление p_Е на входе, чем давление p_s насыщенного пара. Следовательно, происходит образование пузырьков пара и поэтому возникает кавитация.

Путем дополнительного введения неконденсирующегося вспомогательного газа (показано на фиг.2 в правой части чертежа) в насосе создается давление системы, равное сумме давления p_S насыщенного пара и парциального давления p_part вспомогательного газа. После включения насоса это давление системы снова уменьшается на величину давления P_NPSH всасывания, которое заранее задается величиной NPSH. Если парциальное давление p_part этого неконденсирующегося газа, которое возникает из-за введенного вспомогательного газа, больше, чем давление P_NPSH на всасывающем патрубке насоса, или, по меньшей мере, равно ему, то теперь, все же, давление р_Е на входе по меньшей мере равно давлению p_S насыщенного пара или выше его. Поэтому кавитация не допускается.

Для требуемого перепада давлений Δр между давлением системы и давлением насыщенного пара, обеспечиваемого за счет вспомогательного газа, он, по меньшей мере, равен P_NPSH, при этом необходимое количество x_i вещества вспомогательного газа рассчитывается по формуле

$$x_i=\frac{\Delta p}{\Delta p+p_s}$$

Для реальной системы количество x_i вещества вспомогательного газа в этом случае дозируется так, что даже при неблагоприятных условиях, а именно при пониженных температурах конденсации и, по этой причине, пониженных давлениях насыщенного пара, вспомогательный газ присутствует в достаточном количестве. К тому же, следует учитывать, что часть вспомогательного газа переходит в раствор и поэтому более не может быть использована для создания перепада давлений. При выполнении дозирования добавленного количества вещества вспомогательного газа, принимаются во внимание также различные эксплуатационные фазы машины (частичная нагрузка, полная нагрузка).

В предпочтительном варианте осуществления машины согласно вышеуказанным вариантам осуществления изобретения высота конструкции может быть соответственно уменьшена на фактическую высоту напора насоса, которая меньше, чем необходимая высота напора, которая учитывает величину NPSH и, если возможно, переохлаждение жидкостного рабочего флюида. В результате дополнительного переохлаждения жидкости необходимая высота напора меньше из-за пониженного давления пара. Возможное дальнейшее уменьшение высоты напора обусловлено парциальным давлением введенного вспомогательного газа. В этом случае, для сохранения некоторых резервов, можно также поддерживать небольшую высоту напора несмотря на соответствующую подачу вспомогательного газа. Уменьшение высоты напора компенсируется, в связи с этим, соответствующим количеством вещества вспомогательного газа.

Точка введения вспомогательного газа может быть предусмотрена, в большинстве случаев, в любой точке циклической системы машины. Точка введения может быть рассчитана в этом случае на однократное или же многократное введение вспомогательного газа. В предпочтительном варианте осуществления точка введения вспомогательного газа предусмотрена между расширительной машиной и жидкостным насосом. Таким образом, вспомогательный газ доступен непосредственно в требуемой точке в цикле. Вспомогательный газ вводится в жидкую фазу на холодной стороне циклического процесса. В частности, вспомогательный газ может быть также легко удален оттуда, поскольку он может накапливаться в конденсаторе. С этой целью, например, машина может работать в «непрогретом состоянии», в результате чего вспомогательный газ медленно поступает в конденсатор. Для добавления вспомогательного газа можно использовать, например, компрессор. В другом варианте возможно подсоединение цилиндра, находящегося под давлением. Добавление вспомогательного газа на горячей стороне циклического процесса связано с дополнительными расходами.

Неконденсирующийся вспомогательный газ представляет собой газ такого типа, который не конденсируется в условиях, преобладающих или являющихся заданными в цикле термодинамической машины. В качестве такого вспомогательного газа подходят, например, инертные благородные газы или азот. Возможно также использование подходящих органических газов.

Неконденсирующийся вспомогательный газ перемещается, в некоторой степени, рабочим флюидом в цикле термодинамической машины. В машинах, работающих по циклическому процессу Ренкина с использованием рабочего флюида в виде воды, для конденсатора обычно предусмотрены так называемые кожухотрубные теплообменники. В этом случае через внутреннее пространство труб протекает охлаждающая жидкость.

Газовый рабочий флюид проходит вдоль труб с наружной стороны, конденсируется на их поверхностях и стекает каплями как конденсат или жидкая фаза.

В таком конденсаторе в зависимости от его ориентации существует возможность накапливания неконденсирующегося вспомогательного газа, оказывающего, однако, неблагоприятное воздействие. В этом случае вспомогательный газ остается в виде изолирующего слоя вокруг труб, в результате чего снижается КПД конденсатора. Неконденсирующийся вспомогательный газ может быть выведен из использования только путем экстракции против направления потока конденсата или посредством диффузии.

Для того чтобы устранить этот недостаток, когда осуществляется дополнительное введение неконденсирующегося вспомогательного газа, конденсатор, предпочтительно, сконструирован в расчете на унос вспомогательного газа в направлении потока конденсата или жидкого рабочего флюида. Такой конденсатор выполнен, например, как конденсатор с воздушным охлаждением или образован теплообменными элементами пластинчатого типа. В случае конденсатора с воздушным охлаждением газовый рабочий флюид проходит потоком через внутреннее пространство труб, которые с наружной стороны подвергаются воздействию окружающего потока, например, воздуха, но могут также подвергаться воздействию и другой охлаждающей среды. В этом случае вспомогательный газ нагнетается через трубы в направлении потока, по меньшей мере, частично, вслед за газовым рабочим флюидом. Это относится также к конденсаторам, которые образованы с помощью пластинчатых теплообменных элементов. Также и в этом случае поток газового рабочего флюида проходит через промежутки между теплообменными элементами пластинчатого типа, и часть вспомогательного газа тоже забирается из конденсатора. Благодаря этому уменьшается нежелательное влияние образования изолирующего слоя, который предусмотрен для кожухотрубного теплообменника.

Кроме того, в напорном резервуаре, предпочтительно, расположен датчик для выявления концентрации вспомогательного газа. С помощью этого датчика, размещенного в занимаемом газом пространстве над собравшейся жидкостью рабочего флюида, можно, например, измерять количество вещества вспомогательного газа, присутствующего в циклической системе, и выдавать предупреждающий сигнал в случае, если заранее заданное предельное значение не достигнуто или превышено. В соответствии с предупредительным сигналом, может производиться дополнительное введение или отведение вспомогательного газа.

Как упомянуто выше, рассматриваемая термодинамическая машина пригодна, в частности, для мобильной установки в автомобиле, в которой теплообменник термически связан с источником отходящей теплоты автомобиля. Такой источник отходящей теплоты представляют собой, например, хладагент, другая рабочая среда, такая как масло, собственно блок цилиндров или же выхлопной газ.

Расширительная машина, которая подсоединена к соответствующему генератору для выработки энергии, предпочтительно, выполнена как машина с объемным вытеснением. Такой машиной с объемным вытеснением является, например, расширительная машина винтового или поршневого типа или же расширительная машина со спиральной камерой. Возможно также использование машины с лопастными элементами.

Цель изобретения достигается способом, комбинация существенных признаков которого представлена в пункте 9 формулы изобретения. Согласно этой комбинации признаков, способ управления работой термодинамической машины предусматривает приложение к жидкому рабочему флюиду в напоре насоса парциального давления, которое повышает давление системы, путем дополнительного введения неконденсирующегося вспомогательного газа.

Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения, относящихся к способу. Отсюда логически соответственно вытекают преимущества, имеющие отношение к машине.

Ниже приведено описание вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором:

фиг.1 - схематическое изображение машины ORC с приложенным в напоре насоса парциальным давлением вспомогательного газа;

фиг.2 - схематическое представление различных режимов давления.

На фиг.1 схематически показана машина ORC 1, подходящая для применения, в частности, в качестве мобильной установки, предназначенной для использования отходящей теплоты двигателей внутреннего сгорания. Машина ORC 1 содержит в этом случае - в циклической системе 2 - испаритель, выполненный в виде теплообменника 3, расширительную машину 5, конденсатор 6 и жидкостный насос 8. Изображенная машина ORC 1 работает в соответствии с циклическим процессом Ренкина, где работа совершается на расширительной машине 5, приводящей в действие генератор 9. Генератор 9 предназначен, в частности, для подачи вырабатываемой энергии к собственной электрической системе автомобиля или подключен к ней. В качестве рабочего флюида 10 используется углеводород, который имеет значительно более высокое давление пара, чем вода. Рабочий флюид 10 находится в замкнутом цикле.

Жидкий рабочий флюид 10, подаваемый жидкостным насосом 8, испаряется в испарителе 3 при высоком давлении. В расширительной машине 5, выполненной в виде машины с 10 объемным вытеснением, газовый рабочий флюид 10 расширяется, выполняя работу. Расширенный газовый рабочий флюид 10 конденсируется в конденсаторе 6 при низком давлении. Давление насыщенного пара, которое устанавливается в конденсаторе 6, составляет около 1,2 бар. Конденсат или жидкий рабочий флюид 10 собирается в напорном резервуаре 11 до того, как будет повторно подаваться посредством насоса 8 для испарения.

Для охлаждения конденсатора 6 предусмотрен отвод 14 20 отходящего тепла. Это может быть, например, циркулирующий воздух автомобиля, в котором конденсационная теплота рабочего флюида подается в циркулирующий воздух, например, для обогрева салона автомобиля. Конденсатор 6 выполнен в виде конденсатора с воздушным охлаждением, в котором подлежащий охлаждению рабочий флюид 10 проходит вдоль внутреннего пространства труб, которые подвергаются воздействию окружающего потока.

Для испарения рабочего флюида 10, который подается насосом 8, в испаритель 3 подводится теплота через посредство подвода 16 отходящей теплоты. С этой целью теплота от выхлопного газа автомобиля подводится в испаритель 3 посредством соответствующего теплообмена.

В другом варианте теплота может поступать из охлаждающего тракта двигателя внутреннего сгорания. Отходящая теплота двигателя внутреннего сгорания и вырабатывающегося выхлопного газа могут быть также совместно поданы через соответствующую третью среду в испаритель 3.

Между расширительной машиной 5 и жидкостным насосом 8 на конденсаторе 6 предусмотрено получение точки введения 18 для введения в цикл машины ORC 1 неконденсирующегося вспомогательного газа 20. Введение определенного количества x_i вещества вспомогательного газа 20 в цикл машины ORC, может осуществляться за один раз или же неоднократно. Количество x_i вещества в этом случае дозируется так, что в напоре насоса 8 парциальное давление вспомогательного газа 20 и давление насыщенного пара рабочего флюида 10 (получаемое в результате конденсации в конденсаторе б) в сумме составляют давление системы таким образом, что после включения насоса давление насыщенного пара рабочего флюида не становится ниже допустимого. В результате этого также исключается возможность создания недостаточного давления насыщенного пара в местах отклонения потока рабочего флюида в жидкой фазе. Количество вещества x_i дозируется, в частности, таким образом, что получаемое в результате парциальное давление вспомогательного газа выше, чем давление всасывания, соответствующее величине NPSH. В связи с этим, исключается возникновение кавитации в напоре и, особенно, на всасывающем патрубке жидкостного насоса 8. Ввиду того, что в процессе работы давление насыщенного пара рабочего флюида 10 не становится ниже допустимого, там не образуются пузырьки пара.

Высота напора 21 (показано на чертеже схематически), определенно, понижена всего лишь на несколько десятков сантиметров относительно величины NPSH жидкостного насоса 8. В напорном резервуаре 11 расположен датчик 22 для измерения концентрации вспомогательного газа 20.

Перечень обозначений

1 - машина ORC;

2 - циклическая система;

3 - теплообменник;

5 - расширительная машина;

6 - конденсатор;

8 - жидкостный насос;

9 - генератор;

10 - рабочий флюид;

11 - напорный резервуар;

14 - отвод отходящей теплоты;

16 - подвод отходящей теплоты;

18 - точка введения;

20 - вспомогательный газ;

21 - высота напора;

22 - датчик.

Изобретение относится к энергетике. Термодинамическая машина содержит циклическую систему, в которой рабочий флюид, в частности низкокипящий рабочий флюид, циркулирует поочередно в газовой фазе и в жидкой фазе, теплообменник, расширительную машину, конденсатор и жидкостный насос. Согласно изобретению в поточной линии жидкостного насоса парциальное давление, повышающее давление системы, прикладывается к жидкому рабочему флюиду за счет добавления неконденсирующегося вспомогательного газа. Изобретение позволяет предотвратить кавитацию в жидком рабочем флюиде. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термодинамическая машина (1) с циклической системой (2), в которой рабочий флюид (10) с особенно низкой температурой кипения циркулирует поочередно в газовой фазе и в жидкой фазе, с теплообменником (3), с расширительной машиной (5), с конденсатором (6) и с жидкостным насосом (8), отличающаяся тем, что к жидкому рабочему флюиду (10), находящемуся в напоре жидкостного насоса (8), за счет добавления неконденсирующегося вспомогательного газа (20) приложено парциальное давление, которое повышает давление системы.

2. Термодинамическая машина (1) по п.1, отличающаяся тем, что парциальное давление, создаваемое в результате добавления вспомогательного газа (20), является достаточно высоким, настолько, что в процессе работы жидкостного насоса (8) давление насыщенного пара не становится ниже нижнего значения в напоре.

3. Термодинамическая машина (1) по п.1 или 2, отличающаяся тем, что фактическая высота напора (21) жидкостного насоса (8) понижена по сравнению с необходимой высотой напора, которая учитывает величину NPHS и, возможно, переохлаждение жидкого рабочего флюида (10).

4. Термодинамическая машина (1) по п.1 или 2, отличающаяся тем, что между расширительной машиной (5) и жидкостным насосом (8) предусмотрена точка введения (18), предназначенная для введения вспомогательного газа (20).

5. Термодинамическая машина (1) по п.1 или 2, отличающаяся тем, что для уноса вспомогательного газа (20) в направлении потока рабочего флюида (10) конденсатор (6) выполнен, в частности, в виде конденсатора с воздушным охлаждением или образован пластинчатыми теплообменными элементами.

6. Термодинамическая машина (1) по п.1 или 2, отличающаяся тем, что расширительная машина (5) представляет собой машину с объемным вытеснением.

7. Термодинамическая машина (1) по п.1. или 2, отличающаяся тем, что в напорном резервуаре (11) с жидким рабочим флюидом (10) расположен датчик (22) для выявления концентрации вспомогательного газа.

8. Применение термодинамической машины (1) по одному из предыдущих пунктов в качестве мобильной установки для автомобиля, где теплообменник (3) термически связан с источником (16) отходящей теплоты автомобиля.

9. Способ управления работой термодинамической машины (1), где в циклической системе (2) рабочий флюид (10) с особенно низкой температурой кипения циркулирует поочередно в газовой фазе и в жидкой фазе, и где рабочий флюид (10) нагревают, расширяют, конденсируют и подают путем перекачивания жидкости, отличающийся тем, что к жидкому рабочему флюиду (10) в напоре насоса путем добавления неконденсирующегося вспомогательного газа (20) прикладывают парциальное давление, которое повышает давление системы.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что вспомогательный газ (20) вводят в таком объеме, что создаваемое в результате парциальное давление является достаточно высоким для того, чтобы во время подачи жидкого рабочего флюида (10) оно не было ниже давления насыщенного пара в напоре насоса.

11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что вспомогательный газ (20) добавляют к расширенному газовому рабочему флюиду (10).

12. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что во время конденсирования рабочего флюида (10) вспомогательный газ (20) транспортируют далее, главным образом, в направлении потока.

13. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что рабочий флюид (10) расширяют в машине с объемным вытеснением.

14. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что отходящую теплоту (16) автомобиля используют для нагревания и/или испарения рабочего флюида (10).