УСТРОЙСТВО ПРЯМОГО ИСПАРЕНИЯ И СИСТЕМА РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2015 года по МПК F01K25/10 

ПРЕДПОСЫЛКИ

[0001] Изобретение в целом относится к системе рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина, и более конкретно, к устройству прямого испарителя и способу рекуперации энергии с использованием этого устройства.

[0002] Так называемое «отработанное тепло», порожденное человеческой деятельностью, представляет собой ценный и зачастую недостаточно используемый ресурс. Источники отработанного тепла включают горячие выхлопные газы сгорания различных типов, включая дымовые газы. Промышленные турбомашины, такие как турбины, часто создают большие объемы извлекаемого отработанного тепла в виде горячих газообразных потоков выхлопных газов.

[0003] Системы рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина используются в модернизации для малых и средних газовых турбин для улавливания отработанного тепла от горячих потоков газа в турбине и преобразования восстановленного тепла в требуемую выходную мощность. В органическом цикле Ренкина тепло передается органической текучей среде, как правило, называемой рабочей текучей средой, в замкнутом цикле. Рабочая текучая среда нагревается путем теплового контакта с отработанным теплом и испаряется, а затем расширяется посредством устройства извлечения работы, такого как турбина, причем во время указанного расширения кинетическая энергия передается от расширяющейся газообразной рабочей текучей среды к движущимся компонентам турбины. В результате этого генерируется механическая энергия так, что она может быть преобразована, например, в электрическую энергию. Газообразная рабочая текучая среда, передав часть своей энергии турбине, затем конденсируется в жидкое состояние и возвращается к стадиям нагрева в замкнутом контуре для повторного использования. Рабочей текучей средой, используемой в таких органических циклах Ренкина, как правило, являются углеводороды, которые являются жидкостью при температуре окружающей среды. При этом рабочая текучая среда подвержена деградации при высокой температуре. Например, при 500°С, что является типичной температурой газа из источника горячего газа, из потока выхлопных газов турбины, даже очень устойчивые углеводороды начинают деградировать. Что еще хуже, углеводородная рабочая текучая среда, полезная в системе рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина, может начать разлагаться при температурах намного ниже, чем 500°С.Таким образом, использование систем рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина для рекуперации отработанного тепла из системы газовой турбины, сталкивается с дилеммой, заключающейся в том, что температура выхлопных газов слишком высока, чтобы привести в прямой тепловой контакт рабочую текучую среду системы рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина.

[0004] Для того чтобы избежать вышеупомянутой проблемы, для передачи отработанного тепла от выхлопа в парогенераторе с органическим циклом Ренкина, как правило, используется промежуточная система тепловой текучей среды. В одном примере промежуточная система тепловой текучей среды представляет собой заполненный маслом змеевик, который слегка снижает температуру рабочей текучей среды в парогенераторе с органическим циклом Ренкина. Тем не менее, промежуточная система тепловой текучей среды может нести на себе значительную часть общей стоимости системы рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина. Кроме того, промежуточная система тепловой текучей среды как увеличивает сложность системы рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина, так и представляет собой дополнительный компонент, наличие которого снижает общую эффективность рекуперации тепловой энергии.

[0005] Таким образом, для решения одной или нескольких из вышеупомянутых проблем необходима усовершенствованная система с органическим циклом Ренкина.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В одном аспекте настоящее изобретение предлагает устройство прямого испарения для использования в системе рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина, содержащее: (а) корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для потока газообразного источника тепла, проходящий от входного отверстия к выходному отверстию, а также (б) теплообменную трубку, расположенную в проточном проходе для источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина и имеющую входное отверстие для рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды. Устройство прямого испарения выполнено с обеспечением теплового контакта по меньшей мере части газообразного источника тепла, находящегося в контакте по меньшей мере с частью теплообменной трубки, с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла.

[0007] В другом аспекте настоящее изобретение прелагает устройство прямого испарения для использования в системе рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина, содержащее: (а) корпус, содержащий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для потока газообразного источника тепла, проходящий от входного отверстия к выходному отверстию, а также (б) теплообменную трубку, расположенную в проточном проходе для источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина и имеющую входное отверстие для рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды. Входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла выполнены с обеспечением теплового контакта по меньшей мере части газообразного источника тепла, выходящего из выходного отверстия для газообразного источника тепла, с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла.

[0008] В еще одном аспекте настоящее изобретение предлагает систему рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина, содержащую: (i) устройство прямого испарения, содержащее: (а) корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для потока газообразного источника тепла, проходящий от входного отверстия к выходному отверстию, а также (б) теплообменную трубку, расположенную в проточном проходе для источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина и имеющую входное отверстие для рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды; (II) устройство извлечения работы, (III) конденсатор, и (IV) насос.Устройство прямого испарения выполнено с обеспечением теплового контакта по меньшей мере части газообразного источника тепла, находящегося в контакте по меньшей мере с частью теплообменной трубки, с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстия для газообразного источника тепла. Устройство прямого испарения, устройство извлечения работы, конденсатор и насос выполнены с возможностью работы в замкнутом цикле.

[0009] В еще одном аспекте настоящее изобретение предлагает способ рекуперации энергии, включающий: (а) введение газообразного источника тепла, имеющего температуру, в устройство прямого испарения, содержащее жидкую рабочую текучую среду; (б) передачу тепла от газообразного источника тепла с температурой Т1 к рабочей текучей среде для получения перегретой газообразной рабочей текучей среды и газообразного источника тепла с температурой Т2; (в) расширение перегретой газообразной рабочей текучей среды, имеющей температуру Т3, с помощью устройства извлечения работы для производства механической энергии и газообразной рабочей текучей среды, имеющей температуру Т4; (г) конденсацию газообразной рабочей текучей среды для получения жидкой рабочей текучей среды; а также (е) возвращение жидкой рабочей текучей среды в устройство прямого испарения; при этом этапы (а)-(е) осуществляют в замкнутом цикле. Устройство прямого испарения содержит (i) корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для потока газообразного источника тепла, проходящий от входного отверстия к выходному отверстию, а также (ii) теплообменную трубку, расположенную в проточном проходе для источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина и имеющую входное отверстие для рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды, при этом устройство прямого испарения выполнено с обеспечением теплового контакта по меньшей мере части газообразного источника тепла, находящегося в контакте по меньшей мере с частью теплообменной трубки, с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными при прочтении приведенного ниже подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые части на всех чертежах, на которых:

[0011] Фиг.1 представляет собой схематическое изображение устройства прямого испарения, выполненного в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

[0012] Фиг.2 представляет собой схематическое изображение устройства прямого испарения, выполненного в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

[0013] Фиг.3 представляет собой схематическое изображение устройства прямого испарения, выполненного в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0014] В последующем подробном описании и в следующей за ним формуле изобретения упоминается ряд терминов, значения которых должны быть определены следующим образом.

[0015] Формы в единственном числе включают в себя и множественные формы, если из контекста явно не следует иное.

[0016] Термины «дополнительный» или «дополнительно» означают, что далее описанные события или обстоятельства могут произойти или не произойти, и что описание включает в себя случаи, когда событие происходит, и случаи, когда это не так.

[0017] Также следует понимать, что такие термины, как «верхний», «нижний», «наружу», «внутрь» и аналогичные им представляют собой слова, приведенные для удобства изложения, и не должны рассматриваться как ограничивающие. Кроме того, когда говорят, что конкретный признак изобретения представляет собой или включает по меньшей мере один элемент из числа группы элементов и их комбинации, следует понимать, что эта функция может включать или состоять из любого числа элементов этой группы, либо по отдельности, либо в сочетании с любыми другими элементами этой группы.

[0018] Аппроксимирующий термин, используемый здесь во всем описании и формуле изобретения, может быть использован для изменения любого количественного представления, которое может быть позволительным образом изменено, не приводя к изменению основных функций, к которым оно относится. Соответственно, значение, измененное термином или терминами, такое как «приблизительно», не должно ограничиваться точным указанным значением. В некоторых случаях аппроксимирующий термин может соответствовать точности прибора для измерения значения. Аналогично, термин «свободный от» может быть использован в сочетании с любым термином и может включать несущественное количество, или следы вещества, тогда как все еще считается свободным от измененного термина.

[0019] Как уже отмечалось, в одном варианте выполнения настоящее изобретение обеспечивает устройство прямого испарения для использования в системе рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина, содержащее: (а) корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла, при этом в корпусе ограничен проточный проход для потока газообразного источника тепла, проходящий от входного отверстия к выходному отверстию, а также (б) теплообменную трубку, расположенную в проточном проходе для источника тепла, которая выполнена с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина; при этом теплообменная трубка содержит входное отверстие для рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды. Устройство прямого испарения выполнено так, что по меньшей мере часть газообразного источника тепла, которая контактирует с по меньшей мере частью теплообменной трубки, находится в тепловом контакте с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла.

[0020] Фиг.1 представляет собой схематическое изображение устройства 10 прямого испарения. Устройство 10 прямого испарения, показанное на Фиг.1, соединено с источником 14 тепла (не показан), который служит в качестве источника газообразного источника 16 тепла. Устройство прямого испарения содержит корпус 44, содержащий входное отверстие 36 для газообразного источника тепла и выходное отверстие 38 для газообразного источника тепла. В корпусе ограничен проточный проход для газообразного источника тепла, проходящий от указанного входного отверстия к указанному выходному отверстию. Теплообменная трубка 18 расположена в проточном проходе 46 для газообразного источника тепла. Проточный проход 46 для газообразного источника тепла, по существу, представляет собой всю внутреннюю часть устройства прямого испарения, ограниченную стенкой 48 корпуса и пространством внутри устройства прямого испарения, не занятым трубкой 18.

[0021] В одном варианте выполнения трубка 18 полностью расположена внутри проточного прохода 46. Используемый здесь термин «полностью расположена внутри проточного прохода для газообразного источника тепла» означает, что теплообменная трубка полностью расположена в корпусе устройства прямого испарения, так что во время работы рабочая текучая среда проходит через наружную стенку корпуса только два раза, - один раз, когда рабочая текучая среда поступает в устройство прямого испарения через входное отверстие 40 для рабочей текучей среды, и один раз, когда рабочая текучая среда выходит из устройства прямого испарения через выходное отверстие 42 для рабочей текучей среды. В варианте выполнения, показанном на Фиг.1, трубка 18 изображена закрепленной в корпусе 44 устройства прямого испарения посредством заделанных частей 50 трубки 18 в стенке 48 корпуса. Альтернативный, но эквивалентный способ выражения этого варианта выполнения заключается в том, что трубка 18 расположена полностью внутри корпуса 44 устройства 10, так что во время работы рабочая текучая среда 12 проходит через наружную стенку корпуса только два раза, - один раз когда рабочая текучая среда поступает в устройство прямого испарения через входное отверстие 40, и один раз когда рабочая текучая среда выходит из устройства прямого испарения через выходное отверстие 42. За исключением частей 50 теплообменной трубки, трубка 18 находится в проточном проходе 46.

[0022] Теплообменная трубка выполнена с возможностью вмещения рабочей текучей среды 12 в органическом цикле Ренкина. Как уже отмечалось, в варианте выполнения, изображенном на Фиг.1, устройство 10 соединено с источником тепла, который выполнен с возможностью обеспечения газообразным источником 16 тепла, который поступает в устройство прямого испарения через входное отверстие 36 и входит в контакт с теплообменной трубкой вдоль проточного прохода 46 для содействия теплообмену между рабочей текучей средой 12 и газообразным источником 16 таким образом, чтобы не перегреть рабочую текучую среду 12. Трубка 18 имеет входное отверстие 40 для рабочей текучей среды и выходное отверстие 42 для рабочей текучей среды. Рабочая текучая среда движется по проточному проходу для рабочей текучей среды, ограниченном трубкой 18. В одном варианте выполнения, во время работы, рабочая текучая среда входит и выходит из корпуса только два раза: один раз когда рабочая текучая среда поступает в устройство прямого испарения через входное отверстие 40, и один раз когда рабочая текучая среда выходит из устройства прямого испарения через выходное отверстие 42.

[0023] В варианте выполнения, изображенном на Фиг.1, части 50 теплообменной трубки, встроенные в стенку корпуса, находятся за пределами проточного прохода для газообразного источника тепла, но остаются полностью внутри корпуса 44 устройства 10 прямого испарения.

[0024] Теплообменная трубка ограничивает три области, первую область 20, смежную с выходным отверстием для газообразного источника тепла, вторую область 22 и третью область 24. В одном варианте выполнения вторая область расположена смежно с указанным входным отверстием для газообразного источника тепла, а третья область расположена, относительно проточного прохода для газообразного источника тепла, между первой областью и второй областью. В другом варианте выполнения третья область прилегает к указанному входному отверстию для газообразного источника тепла, а вторая область расположена, по отношению к проточному проходу для газообразного источника тепла, между первой областью и третьей областью. Область 20 названа «первой областью» для целей настоящего описания, поскольку она находится в непосредственном проточном сообщении с входным отверстием для рабочей текучей среды. Область 22 названа «второй областью» для целей настоящего описания, поскольку она находится в непосредственном проточном сообщении с первой областью 20. Область 24 называют «третьей областью» для целей настоящего описания, поскольку она находится в непосредственном проточном сообщении со второй областью 22. Используемый в настоящем документе термин «непосредственное проточное сообщение» означает, что отсутствует какая-либо промежуточная область между компонентами устройства прямого испарения. Таким образом, имеется непосредственное проточное сообщение между входным отверстием 40 и первой областью 20, непосредственное проточное сообщение между первой областью 20 и второй областью 22, непосредственное проточное сообщение между второй областью 22 и третьей областью 24, и непосредственное проточное сообщение между третьей областью 24 и выходным отверстием 42.

[0025] В одном варианте выполнения область 24 расположена между областью 22 и областью 20, поскольку газообразный источник 16 тепла, поступающий в устройство прямого испарения через входное отверстие 36, сначала входит в контакт с областью 22 трубки 18, и должен войти в контакт с областью 24 теплообменной трубки прежде, чем войдет в контакт с областью 20 теплообменной трубки. В одном варианте выполнения первая область 20 не находится в непосредственном проточном сообщении с указанной третьей областью 24. В одном варианте выполнения теплообменная трубка содержит большое количество изгибов в каждой из первой области, второй области и третьей области. В одном варианте выполнения трубка 18 выполнена в виде параллельных рядов каждой из первой, второй и третьей областей. В одном варианте выполнения каждая из первой, второй и третьей областей теплообменной трубки выполнена в виде по меньшей мере одного ряда.

[0026] Рабочая текучая среда в жидком состоянии поступает в первую область 20 устройства прямого испарения через входное отверстие 40, где она подогревается по мере ее перемещения в направлении области 22 теплообменной трубки. Таким образом, поток рабочей текучей среды 12 поступает во вторую область 22 из первой области 20 и испаряет рабочую текучую среду 12.

[0027] В одном варианте выполнения вторая область 22 выполнена таким образом, что газообразный источник 16 тепла от источника 14 тепла, поступающий в устройство прямого испарения через входное отверстие 36, входит в контакт с частью теплообменной трубки, составляющей область 22, при этом осуществляется теплообмен между газообразным источником 16 тепла и рабочей текучей средой, достаточный для испарения рабочей текучей среды. Различные рабочие характеристики, такие как скорость потока рабочей текучей среды в устройство прямого испарения и размер теплообменной трубки, могут использоваться для регулирования температуры рабочей текучей среды в различных областях теплообменной трубки, так чтобы можно было предотвратить перегрев и разложение рабочей текучей среде. В одном варианте выполнения температура испаренной рабочей текучей среды в выходной области 22 может поддерживаться в температурном диапазоне от 150°С до 300°С. В одном варианте выполнения температура испаренной рабочей текучей среды в выходной области 22 равна приблизительно 230°С.

[0028] Как уже отмечалось, газообразный источник 16 тепла поступает в устройство прямого испарения через входное отверстие 36 и является самым горячим в этом входном отверстии. В одном варианте выполнения газообразный источник тепла, поступающий в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла, находится при температуре в диапазоне от приблизительно 350°С до приблизительно 600°С. В альтернативном варианте выполнения газообразный источник тепла, поступающий в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла, находится при температуре в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 500°С. В еще одном варианте выполнения газообразный источник тепла, поступающий в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла, находится при температуре в диапазоне от приблизительно 450°С до приблизительно 500°С. В одном варианте выполнения газообразный источник тепла сперва входит в контакт с областью 24, также называемой областью перегрева, и затем охлаждается, по мере того, как тепло передается от газообразного источника тепла к части теплообменной трубки, составляющей область 24. В другом варианте выполнения газообразный источник тепла сперва входит в контакт с областью 22, иногда называемой областью испарения, и охлаждается, по мере того, как тепло передается от газообразного источника тепла к части теплообменной трубки, составляющей область 22.

[0029] Газообразный источник 34 тепла, выходящий из теплообменных трубок, вступает в контакт с внутренней конструкцией 54 в выходном отверстии 38 для газообразного источника тепла. В одном варианте выполнения внутренняя конструкция находится рядом с выходным отверстием для газообразного источника тепла. Внутренняя конструкция направляет газообразный источник 34 тепла, выходящий из выходного отверстия для газообразного источника тепла, в обратный контур 60. Внутренняя конструкция может представлять собой перегородку, проточный канал или разделительную лопатку. В одном варианте выполнения внутренняя конструкция представляет собой перегородку, которая выполнена с возможностью регулировки для управления потоком газообразного источника тепла, выходящего из устройства прямого испарения. Отклоненный газообразный источник 56 тепла после вступления в контакт с внутренней конструкцией 54 входит в тепловой контакт с поступающим газом 16, прежде чем войти во входное отверстие 36 для газообразного источника тепла. Используемый в настоящем документе термин «тепловой контакт» относится либо к непосредственному смешиванию отклоненного газообразного источника тепла и поступающего газообразного источника тепла, либо к контакту отклоненного газообразного источника тепла и поступающего газообразного источника тепла через барьер. Барьер представляет собой теплопропускающий барьер, выполненный с возможностью передачи тепла от отклоненного газообразного источника тепла к поступающему газу источника тепла. В одном варианте выполнения теплопропускающий барьер представляет собой маслонаполненный теплообменный контур. В другом варианте выполнения теплопропускающий барьер представляет собой ряд трубчатых каналов или отсеков, разделенных плоскими пластинами, в каждом случае как с ребрами, так и без них. В одном варианте выполнения, изображенном на Фиг.1, отклоненный газообразный источник 56 тепла может входить в контакт с вентилятором 58 в обратном контуре 60. Обратный контур 60 соединяет выходное отверстие газообразного источника тепла с входным отверстием газообразного источника тепла. В одном варианте выполнения устройство прямого испарения выполнено таким образом, что между газообразным источником тепла в устройстве прямого испарения и газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения, имеется тепловой контакт. В другом варианте выполнения устройство прямого испарения выполнено таким образом, что между газообразным источником тепла, покидающим устройство прямого испарения, и газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения, имеется тепловой контакт. В одном варианте выполнения температура смеси газообразного источника тепла и отклоненного газообразного источника тепла находится в диапазоне между приблизительно 250°С и приблизительно 600°С. В другом варианте выполнения температура смеси газообразного источника тепла и отклоненного газообразного источника тепла находится в диапазоне между приблизительно 300°С и приблизительно 450°С. В еще одном варианте выполнения температура смеси газообразного источника тепла и отклоненного газообразного источника тепла находится в диапазоне между приблизительно 300°С и приблизительно 400°С.

[0030] Фиг.2 представляет собой схематическое изображение устройства 70 прямого испарения, выполненного в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения. Устройство 70 прямого испарения, изображенное на Фиг.2, может быть соединено с источником тепла, который служит источником для газообразного источника 16 тепла. Трубка 18 полностью расположена внутри проточного прохода 46 для газообразного источника тепла. Трубка 18 выполнена с возможностью вмещения рабочей текучей среды 12 в органическом цикле Ренкина, при этом рабочая текучая среда проходит по проточному проходу для рабочей текучей среды, ограниченном трубкой 18. Трубка 18 ограничивает три области: первую область 20 (область предварительного нагрева), расположенную смежно с выходным отверстием для газообразного источника тепла, вторую область 22 (зону испарения, не показана), расположенную смежно с указанным входным отверстием для газообразного источника тепла, и третью область 24 (область перегрева), расположенную между первой областью и второй областью.

[0031] Во время работы устройства прямого испарения, изображенного на Фиг.2, газообразный источник 16 тепла, поступающий в устройство прямого испарения, сначала сталкивается со второй областью (22). Тепло от газообразного источника 16 тепла передается рабочей текучей среде 12, находящейся во второй области, причем переданного тепла достаточно, чтобы испарить по меньшей мере часть рабочей текучей среды 12, находящейся во второй области. В одном варианте выполнения газообразный источник тепла с относительно более низкой температурой и теплосодержанием, чем газообразный источник тепла, поступающий в устройство прямого испарения, затем сталкивается с третьей областью 24, в которой рабочая текучая среда перегревается, а затем перегретая рабочая текучая среда выходит из устройства прямого испарения. В одном варианте выполнения газообразный источник тепла, после встречи со второй областью, контактирует с теплопропускающим барьером 72, содержащим маслонаполненный теплообменный контур. Циркуляция масла 76 в теплопропускающем барьере 72, составляющим маслонаполненный замкнутый контур, может быть осуществлена с помощью насоса или посредством подъемной силы. В одном варианте выполнения масло 76 в теплопропускающем барьере 72 может протекать параллельно проточному проходу для газообразного источника тепла. В другом варианте выполнения масло 76 в барьере 72 может иметь обратный поток к проточному проходу для газообразного источника тепла. Газообразный источник тепла после контакта с теплопропускающим барьером имеет температуру в диапазоне между приблизительно 300°С и приблизительно 400°С. В одном варианте выполнения отклоненный газ 56 источника тепла входит в тепловой контакт с газообразным источником тепла после контакта со второй областью 22 устройства прямого испарения.

[0032] Фиг.3 представляет собой схематическое изображение устройства 80 прямого испарения, выполненного в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения. Тепло от газообразного источника 16 тепла передается рабочей текучей среде 12, находящейся во второй области, причем переданного тепла должно быть достаточно, чтобы испарить по меньшей мере часть рабочей текучей среды 12, находящейся во второй области. В одном варианте выполнения газообразный источник тепла с относительно более низкой температурой и теплосодержанием, чем газообразный источник тепла, поступающий в устройство прямого испарения, затем сталкивается со второй областью 22, где переданного тепла достаточно, чтобы испарить по меньшей мере часть рабочей текучей среды 12, находящейся во второй области. В одном варианте выполнения, как показано на Фиг.3 теплопропускающий барьер 72 размещен в проточном проходе для газообразного источника тепла после контакта со второй областью устройства прямого испарения и до контакта со второй областью 22 устройства прямого испарения. Таким образом, в процессе эксплуатации газообразный источник тепла до встречи со второй областью 22 входит в тепловой контакт с отклоненным газообразным 56 источника тепла через теплопропускающий барьер 72, в котором может произойти теплообмен. В одном варианте выполнения теплопропускающий барьер представляет собой маслонаполненный замкнутый контур.

[0033] Как уже отмечалось, рабочая текучая среда 12 в одном варианте выполнения может представлять собой углеводород. Неограничивающие примеры углеводородов включают циклопентан, н-пентан, метилциклобутан, изопентан, метилциклопентан- пропан, бутан, н-гексан и циклогексан. В другом варианте выполнения рабочая текучая среда может представлять собой смесь двух или большего количества углеводородов. В одном варианте выполнения рабочая текучая среда представляет собой бинарную текучую среду, такую как, например, смеси циклогексан-пропан, бутан-циклогексан, циклопентан-бутан или циклопентан-циклогексан. В еще одном варианте выполнения рабочая текучая среда представляет собой углеводород, выбранный из группы, состоящей из метилциклобутана, циклопентана, изопентана, циклогексана и метилциклопентана.

[0034] В различных вариантах выполнения изобретения источник тепла может представлять собой любой источник тепла, который может использоваться для получения потока газа, восприимчивого к введению в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла. В одном варианте выполнения источник тепла представляет собой газовую турбину, выхлоп из которой может быть использован в качестве газообразного источника тепла. Другие источники тепла включают выхлопные газы из жилых, коммерческих и промышленных источников тепла, таких как домашние сушильные устройства для одежды, кондиционеры, холодильные установки и газовые потоки, образующиеся при сгорании топлива, например дымовых газов. В одном варианте выполнения в качестве источника тепла используется геотермальное тепло.

[0035] В одном варианте выполнения предложен способ рекуперации энергии. Способ включает (а) введение газообразного источника тепла, имеющего температуру, в устройство прямого испарения, содержащее жидкую рабочую текучую среду; (б) перенос тепла от газообразного источника тепла, имеющего температуру Т1, к рабочей текучей среде для получения перегретой газообразной рабочей текучей среды и газообразного источника тепла с температурой Т2; (в) расширение перегретой газообразной рабочей текучей среде, имеющей температуру Т3, с помощью устройства извлечения работы для производства механической энергии и газообразной рабочей текучей среды, имеющей температуру Т4; (г) конденсацию газообразной рабочей текучей среды для получения жидкой рабочей текучей среды; а также (е) возвращение жидкой рабочей текучей среды в устройство прямого испарения. В одном варианте выполнения газообразный источник тепла имеет температуру Т1 в диапазоне от приблизительно 350°С до приблизительно 600°С. В другом варианте выполнения газообразный источник тепла имеет температуру Т1 в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 550°С. В одном варианте выполнения газообразный источник тепла имеет температуру Т2 в диапазоне от приблизительно 70°С до приблизительно 200°С. В другом варианте выполнения перегретая газообразная рабочая текучая среда имеет температуру Т3 в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 300°С. В одном варианте выполнения рабочая текучая среда в первой области находится при температуре в диапазоне от приблизительно 0°С до приблизительно 150°С. В другом варианте выполнения рабочая текучая среда во второй области находится при температуре в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 300°С. В еще одном варианте выполнения рабочая текучая среда в третьей области находится при температуре в диапазоне от приблизительно 150°С до приблизительно 300°С.

[0036] В одном варианте выполнения в настоящем изобретении предложена система рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина. Эта система содержит систему с органическим циклом Ренкина, содержащую устройство прямого испарения, выполненное в соответствии с Фиг.1. Устройство прямого испарения может быть соединено с источником тепла, например выхлопным модулем системы генерации тепла (например, двигателем). Устройство прямого испарения получает тепло от газообразного источника тепла или выхлопного газа, создаваемого источником тепла, и производит пар рабочей текучей среды. В одном варианте выполнения пар рабочей текучей среды может передаваться через расширитель (например, расширитель осевого типа, расширитель импульсного типа, высокотемпературный винтовой расширитель и т.п.) для приведения в действие устройства извлечения работы, например, генераторной установки. В одном варианте выполнения устройство извлечения работы представляет собой турбину. В одном варианте выполнения турбина выполнена с возможностью производства электрической энергии. В одном варианте выполнения система рекуперации энергии может содержать обходной канал турбины. После прохождения через расширитель, пар первой рабочей текучей среды при относительно низком давлении и низкой температуре может быть передан через рекуператор, который может функционировать в качестве теплообменного узла. Пар рабочей текучей среды конденсируется в жидкость с помощью конденсатора, после чего указанная жидкость перекачивается с помощью насоса в устройство прямого испарения. Устройство прямого испарения, устройство извлечения работы, конденсатор и насос выполнены с возможностью работы в замкнутом контуре. Цикл может повторяться.

[0037] В этом описании используются примеры для раскрытия изобретения, в том числе лучший режим, а также оно позволяет любому специалисту осуществлять изобретение на практике, в том числе создавать и использовать любые устройства или системы и выполнять любые включенные способы. Объем охраны изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые очевидны для специалистов. Такие другие примеры находятся в пределах объема изобретения, если они имеют структурные элементы, которые не отличаются от буквального языка формулы изобретения или если они содержат эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от буквального языка формулы изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Устройство прямого испарения для использования в системе рекуперации энергии в органическом цикле Ренкина содержит корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для газообразного источника тепла от входного отверстия к выходному отверстию; и теплообменную трубку, расположенную в проточном проходе для газообразного источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина и имеющую входное отверстие для - рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды. Устройство прямого испарения выполнено с обеспечением теплового контакта по меньшей мере части газообразного источника тепла, находящегося в контакте по меньшей мере с частью теплообменной трубки, с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования тепла. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство прямого испарения для использования в системе рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина (ORC), содержащее:
(а) корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для газообразного источника тепла от входного отверстия к выходному отверстию, и
(б) теплообменную трубку, расположенную в указанном проточном проходе для газообразного источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды органического цикла Ренкина и имеющую входное отверстие для рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды,
при этом устройство прямого испарения выполнено с обеспечением теплового контакта по меньшей мере части газообразного источника тепла, находящегося в контакте по меньшей мере с частью теплообменной трубки, с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла.

2. Устройство по п.1, выполненное с обеспечением теплового контакта между газообразным источником тепла, выходящим из устройства прямого испарения, и газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения.

3. Устройство по п.1, выполненное с обеспечением теплового контакта между газообразным источником тепла, находящимся внутри устройства прямого испарения, и газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения.

4. Устройство по п.1, дополнительно содержащее перегородку и обратный контур, соединяющий выходное отверстие для газообразного источника тепла с входным отверстием для газообразного источника тепла.

5. Устройство по п.4, в котором перегородка выполнена с возможностью регулирования для управления потоком газообразного источника тепла, выходящего из устройства прямого испарения, и который проходит по обратному контуру и вводится в тепловой контакт с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения.

6. Устройство прямого испарения для использования в системе рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина, содержащее:
(а) корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для газообразного источника тепла от входного отверстия к выходному отверстию, и
(б) теплообменную трубку, расположенную в указанном проточном проходе для газообразного источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина и имеющую входное отверстие для рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды,
при этом входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла выполнены с обеспечением теплового контакта по меньшей мере части газообразного источника тепла, выходящего из выходного отверстия для газообразного источника тепла, с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла.

7. Устройство по п.6, в котором теплообменная трубка образует три области: первую область, расположенную смежно с выходным отверстием для газообразного источника тепла, вторую область, расположенную смежно с входным отверстием для газообразного источника тепла, и третью область, расположенную между первой областью и второй областью, при этом входное отверстие для рабочей текучей среды находится в непосредственном проточном сообщении с первой областью, выходное отверстие для рабочей текучей среды находится в непосредственном проточном сообщении с третьей областью, и первая область не находится в непосредственном проточном сообщении с третьей областью.

8. Устройство по п.6, в котором теплообменная трубка полностью расположена в проточном проходе для газообразного источника тепла.

9. Устройство по п.6, в котором теплообменная трубка образует три области: первую область, расположенную смежно с выходным отверстием для газообразного источника тепла, вторую область, расположенную между первой областью и третьей областью, которая расположена смежно с входным отверстием для газообразного источника тепла, при этом входное отверстие для рабочей текучей среды находится в непосредственном проточном сообщении с первой областью, а выходное отверстие для рабочей текучей среды находится в непосредственном проточном сообщении с третьей областью.

10. Устройство по п.6, выполненное с обеспечением указанного теплового контакта через барьер.

11. Устройство по п.10, в котором барьер является теплопропускающим.

12. Устройство по п.7, дополнительно содержащее перегородку и обратный контур, соединяющий выходное отверстие для газообразного источника тепла с входным отверстием для газообразного источника тепла.

13. Устройство по п.12, в котором перегородка выполнена с возможностью регулирования для управления потоком газообразного источника тепла, выходящего из устройства прямого испарения, который проходит через обратный контур и вводится в тепловой контакт с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения.

14. Система рекуперации энергии с органическим циклом Ренкина, содержащая:
(i) устройство прямого испарения, содержащее:
(а) корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для газообразного источника тепла от входного отверстия к выходному отверстию, и
(б) теплообменную трубку, расположенную в указанном проточном проходе для газообразного источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина и имеющую входное отверстие для рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды,
при этом устройство прямого испарения выполнено с обеспечением теплового контакта по меньшей мере части газообразного источника тепла, находящегося в контакте по меньшей мере с частью теплообменной трубки, с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла,
(ii) устройство извлечения работы,
(iii) конденсатор и
(iv) насос,
при этом устройство прямого испарения, устройство извлечения работы, конденсатор и насос выполнены с возможностью работы в замкнутом контуре.

15. Система по п.14, в которой устройство извлечения работы содержит турбину.

16. Система по п.15, в которой указанная турбина выполнена с возможностью производства электрической энергии.

17. Способ рекуперации энергии, включающий:
(а) введение газообразного источника тепла, имеющего температуру, в устройство прямого испарения, содержащее жидкую рабочую текучую среду,
(б) перенос тепла от газообразного источника тепла с температурой Т1 к рабочей текучей среде для получения перегретой газообразной рабочей текучей среды и газообразного источника тепла с температурой Т2,
(в) расширение перегретой газообразной рабочей текучей среды, имеющей температуру Т3, с помощью устройства извлечения работы для производства механической энергии и газообразной рабочей текучей среды, имеющей температуру Т4,
(г) конденсацию газообразной рабочей текучей среды для получения жидкой рабочей текучей среды и
(д) возвращение жидкой рабочей текучей среды в устройство прямого испарения,
причем этапы (а)-(д) выполняют в замкнутом контуре; и
при этом устройство прямого испарения содержит:
(i) корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для газообразного источника тепла от входного отверстия к выходному отверстию, и
(ii) теплообменную трубку, расположенную в указанном проточном проходе для газообразного источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина и имеющую входное отверстие для рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды,
при этом устройство прямого испарения выполнено с обеспечением теплового контакта по меньшей мере части газообразного источника тепла, находящегося в контакте по меньшей мере с частью теплообменной трубки, с газообразным источником тепла, поступающим в устройство прямого испарения через входное отверстие для газообразного источника тепла.

18. Способ по п.17, в котором рабочая текучая среда представляет собой углеводород.

19. Способ по п.18, в котором рабочую текучую среду выбирают из группы, состоящей из метилциклопентана, метилциклобутана, циклопентана, изопентана и циклогексана.

20. Способ по п.17, в котором температура газообразного источника тепла, поступающего в устройство прямого испарения, имеет значение в диапазоне от приблизительно 350°С до приблизительно 600°С.

21. Способ по п.17, в котором газообразный источник тепла представляет собой воздух.

22. Способ по п.17, в котором газообразный источник тепла представляет собой топочный газ.

23. Способ по п.17, в котором газообразный источник тепла имеет температуру Т2 в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 250°С.

24. Способ по п.17, в котором тепловой контакт выполняют путем непосредственного смешивания.