СИСТЕМА ПРЯМОГО ИСПАРЕНИЯ И СПОСОБ ДЛЯ СИСТЕМ С ЦИКЛОМ РЕНКИНА НА ОРГАНИЧЕСКОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕ Российский патент 2015 года по МПК F01K25/08 

Варианты выполнения предмета настоящего изобретения в целом относятся к энергетическим установкам, а более конкретно, к системам с циклом Ренкина на органическом теплоносителе (ORC).

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В циклах Ренкина используется рабочая текучая среда в замкнутом цикле для сбора тепла от источника тепла или горячего резервуара путем генерации потока горячего газа, который расширяется по мере прохождения через турбину для выработки электроэнергии. Расширенный поток конденсируется в конденсаторе путем переноса тепла к холодному резервуару, а затем нагнетается до давления нагрева, чтобы завершить цикл. Энергетические установки, такие как газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания (основная система), создают горячие выхлопные газы, которые либо используются в последующем процессе производства энергии (дополнительная система), либо теряются в окружающую среду в виде рассеиваемого тепла. Например, выхлоп большого двигателя может быть использован в системах использования рассеиваемого тепла, применяемых для производства дополнительной энергии, что повышает полный к.п.д. установки. Традиционная энергетическая установка с генерацией энергии из рассеиваемого тепла представляет собой цикл Ренкина, как показано на Фиг.1.

Энергетическая установка 100 содержит теплообменник 2, также известный как испаритель, турбину 4, конденсатор 6 и насос 8. Проходя по этой замкнутой системе, начиная с теплообменника 2, внешний источник 10 тепла, например горячие топочные газы, нагревает теплообменник 2. Это приводит к тому, что получаемая под давлением жидкая среда 12 превращается в пар 14 под давлением, который поступает в турбину 4. Турбина 4 получает поток 14 пара под давлением и может генерировать энергию 16, когда пар под давлением расширяется. Расширенный поток 18 пара под низким давлением, выпущенный турбиной 4, поступает в конденсатор 6, который конденсирует расширенный поток 18 пара под низким давлением в поток 20 жидкости под низким давлением. Поток 20 жидкости под низким давлением затем поступает в насос 8, который как создает поток 22 жидкости при большем давлении, так и поддерживает поток в замкнутой системе. Затем поток 12 жидкости при большем давлении нагнетается в теплообменник 2, чтобы продолжить этот процесс.

Одна рабочая текучая среда, которая может быть использована в цикле Ренкина, представляет собой органическую рабочую текучую среду. Такая органическая рабочая текучая среда называется текучей средой в цикле Ренкина на органическом теплоносителе (ORC). Системы ORC используются при модернизации двигателей, а также для малых и средних газовых турбин, чтобы поглощать рассеиваемое тепло от горячего потока топочных газов. Это рассеиваемое тепло может использоваться в дополнительной энергетической установке для создания до 20% дополнительной энергии, сверх той энергии, которая создается двигателем, производящим только горячие топочные газы.

Традиционный испаритель 2, который часто используется для нагрева текучих сред в докритических условиях, описан ниже со ссылкой на Фиг.2. Первоначально текучая среда 204 ORC под давлением входит в теплообменник 202 в секцию 206 подогрева, которая обычно расположена ближе к холодному концу газового потока 218, внутри вытяжного канала 216. От секции 206 подогрева текучая среда ORC перемещается в секцию 208 испарения для испарения. Поскольку во время переходных процессов не вся текучая среда ORC может испариться, текучая среда ORC выходит из секции 208 испарения раздела и входит в разделительный барабан 210, который отделяет любую жидкость, которая не испарилась. Несколько перфораций 216, в этом примере четыре, показаны значком "X" 220. Затем пар снова входит в канал 216, чтобы войти в секцию 212 перегрева теплообменника 202 для перенагревания. Затем пар выходит в виде перегретого пара 214 ORC к расширительной ступени цикла ORC. На Фиг.2 показана упрощенная система нагрева ORC. Тем не менее, система ORC между секцией 208 испарения и секцией 212 перегрева содержит и другие элементы, традиционно размещаемые снаружи канала 216, которые не показаны.

Системы ORC часто работают ниже критического давления рабочей текучей среды. Когда текучая среда находится ниже критической точки, но выше своей тройной точки (точки, в которой текучая среда может сосуществовать в виде жидкости, пара и твердого вещества) вдоль кривой, соединяющей тройную точку и критическую точку на диаграмме давления от температуры, текучая среда может быть газом, жидкостью или претерпевать фазовый переход между этими двумя состояниями, например испаряться. При комбинации температуры и давления выше критической точки, т.е. когда как давление, так и температура имеют значения выше критической точки, текучая среда называется сверхкритической текучей средой. Графическое представление этих областей показано на Фиг.3 и будет описано ниже. Некоторые среды, в том числе текучие среды ORC, могут быть описаны с использованием диаграммы 300 зависимости давления (Р) от температуры (Т) для иллюстрации некоторых характеристик среды при различных давлениях и температурах. Точка А представляет собой тройную точку. Точка В представляет собой критическую точку, когда давление и температура имеют свои критические значения Рс и Тс, причем за пределами этой точки не существует четкого различия между жидкой и газообразной фазами, т.е. не существует фазового перехода. Кривая 302, соединяющая точки А и В, представляет собой точки с различными комбинациями температур и давлений, где среда может кипеть, причем газообразная фаза описывается областью 304 ниже кривой 302, а жидкая фаза описывается областью 306 выше кривой 302.

Докритическая область ограничена точками на кривой 302, расположенными вдоль нижней 50% части кривой 302. Системы ORC обычно работают в докритической области с использованием теплообменника различных типов конструкций. Одним из таких теплообменников является теплообменник с пластинами и ребрами, который обычно считается компактным теплообменником. Тем не менее, компактные теплообменники обычно не используются в системе ORC для нагревания рабочей текучей среды, близкой к критической или сверхкритической области, поскольку относительно низкое давление паров, образующихся при кипении, создает непрактично большие перепады давления через узкие каналы в теплообменнике. По этой причине система из пластин и ребер используется в докритической области. Управление работой систем ORC в сверхкритической области может привести к повышению к.п.д. в энергетической установке. Тем не менее, теплообменники для такой области являются слишком дорогостоящими при изготовлении.

Соответственно, необходимы системы и способы для снижения стоимости и повышения к.п.д. с использованием систем ORC в энергетических установках.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, энергетическая установка с циклом Ренкина на органическом теплоносителе (ORC) содержит теплообменник, выполненный с возможностью установки полностью внутри канала и имеющий одно входное отверстие, которое проходит от внешней стороны выпускного канала до внутренней стороны выпускного канала, одно выходное отверстие, которое проходит от внутренней стороны канала до внешней стороны канала, и трубопровод, расположенный между указанными одним входным отверстием и одним выходным отверстием, причем трубопровод целиком расположен внутри канала. Теплообменник выполнен с возможностью получения текучей среды ORC через указанное одно входное отверстие в виде жидкости под давлением, большим или равным критическому давлению текучей среды ORC, для нагревания текучей среды ORC до температуры, большей или равной критической температуре текучей среды ORC, и выпуска текучей среды ORC через указанное одно выходное отверстие в виде сверхкритической текучей среды. Сверхкритическая текучая среда определяется как имеющая температуру выше критической температуры и давление выше критического давления.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения энергетическая установка с циклом Ренкина на органическом теплоносителе (ORC) содержит теплообменник, выполненный с возможностью установки внутри канала. Теплообменник выполнен с входным отверстием, которое проходит от внешней стороны канала до внутренней стороны канала и выполнено с возможностью получения текучей среды ORC, с выходным отверстием, которое проходит от внутренней стороны канала до внешней стороны канала и выполнено с возможностью выпуска текучей среды ORC, и с трубопроводом, соединяющим входное отверстие и выходное отверстие и выполненным с возможностью нагревания текучей среды ORC. Теплообменник выполнен с возможностью работы в околокритической области текучей среды ORC. Околокритическая область текучей среды ORC описывается верхней половиной кривой, соединяющей тройную точку и критическую точку текучей среды ORC, причем кривая ограничена значениями давления и температуры, которые определяют температуру кипения текучей среды ORC.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения способ осуществления теплообмена в энергетической установке, работающей с использованием текучей среды в цикле Ренкина на органическом теплоносителе (ORC), включает получение в теплообменнике тепла от источника, причем теплообменник выполнен с возможностью установки целиком внутри канала и имеет одно входное отверстие, трубопровод и одно выходное отверстие; получение указанной текучей среды ORC в виде жидкости под давлением, большим или равным критическому давлению текучей среды ORC, через указанное одно входное отверстие, которое проходит от внешней стороны канала к внутренней стороне канала; выпуск текучей среды ORC в сверхкритическом фазовом состоянии через указанное одно выходное отверстие, которое проходит от внутренней стороны канала к внешней стороне канала; а также пропускание текучей среды ORC через трубопровод между указанным одним входным отверстием и указанным одним выходным отверстием. Трубопровод целиком расположен внутри канала. Текучую среду ORC нагревают для изменения фазового состояния из жидкости под давлением в сверхкритическую текучую среду. Теплообменник выполнен с возможностью нагревания текучей среды ORC до температуры, большей или равной критической температуре текучей среды ORC, и выпуска текучей среды ORC через указанное одно выходное отверстие в виде сверхкритической текучей среды. Сверхкритическая текучая среда определяется как текучая среда, имеющая температуру, большую, чем критическая температура, и давление, большее, чем критическое давление.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения способ нагревания текучей среды в цикле Ренкина на органическом теплоносителе (ORC) в теплообменнике включает получение в теплообменнике тепла от источника, причем теплообменник выполнен с возможностью установки внутри канала и имеет входное отверстие, трубопровод и выходное отверстие; получение текучей среды ORC в виде жидкости под давлением через входное отверстие, которое проходит от внешней стороны канала к внутренней стороне канала; выпуск текучей среды ORC в околокритической области через выходное отверстие, которое проходит от внутренней стороны канала к внешней стороне канала; и пропускание текучей среды ORC по трубопроводу между входным отверстием и выходным отверстием, причем трубопровод расположен внутри канала. Текучую среду ORC нагревают, чтобы она изменила фазовое состояние из жидкости под давлением в среду в околокритической области. Околокритическая область текучей среды ORC описывается верхней половиной кривой, соединяющей тройную точку и критическую точку текучей среды ORC, причем кривая ограничена значениями давления и температуры, которые определяют температуру кипения текучей среды ORC.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи иллюстрируют иллюстративные варианты выполнения, на которых:

Фиг.1 изображает традиционный цикл Ренкина;

Фиг.2 показывает теплообменник, который использует органическую текучую среду, размещенную внутри вытяжного канала;

Фиг.3 показывает стандартную фазовую диаграмму;

Фиг.4 изображает прямоточный теплообменник, выполненный в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

Фиг.5 изображает прямоточный теплообменник для работы в докритической и околокритической областях, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

Фиг.6 изображает прямоточный теплообменник для работы в докритической и околокритической областях, в соответствии с другими иллюстративными вариантами выполнения;

Фиг.7 иллюстрирует цикл ORC для работы в околокритической области, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

Фиг.8 показывает вертикальный теплообменник, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

Фиг.9 показывает теплообменник с пластинами и ребрами, который используется при работе в докритической и околокритической областях, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

Фиг.10 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую этапы работы теплообменника в сверхкритической области, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения;

Фиг.11 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую этапы работы теплообменника в околокритической области, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В последующем подробном описании иллюстративных вариантов выполнения ссылки делаются на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на различных чертежах обозначают одни и те же или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно приведены в масштабе. Также, последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется формулой изобретения. Для простоты, последующее описание относится к теплообменнику, размещенному в канале, через который проходят топочные газы. Тем не менее, источник тепла может быть другим, например геотермальным водным источником, а теплообменник может быть и не размещен в канале.

Ссылки во всем описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означают, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом выполнения, появляется по меньшей мере в одном варианте выполнения раскрытого объекта изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах описания не обязательно обозначает ссылку на один и тот же вариант выполнения. Кроме того, признаки, конструкции и характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в один или несколько вариантов выполнения.

Как описано в разделе «Предпосылки Изобретения» и показано на Фиг.1, цикл Ренкина может быть использован в дополнительных энергетических установках для повторного использования части рассеиваемой энергии от горячих выхлопных газов основной энергетической установки. Основная установка производит большую часть энергии, но при этом также рассеивает энергию. Дополнительная установка может быть использована для поглощения части рассеянной энергии от основной установки. Система ORC может быть использована в этих энергетических установках, в зависимости от температуры системы и других особенностей энергетических установок. В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, системы ORC могут быть использованы для малых и средних газотурбинных энергетических установок, чтобы поглощать дополнительное тепло/энергию от горячих топочных газов. Примеры текучих сред ORC включают, но не ограничены этим, пентан, пропан, циклогексан, циклопентан, бутан, фторуглеводород, такой как R-245fa, кетон, такой как ацетон, или соединение ароматического ряда, такое как толуол или тиофен.

В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, прямоточный прямой теплообменник может использоваться для уменьшения размера, стоимости и повышения к.п.д., как показано на Фиг.4. В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, теплообменник 402 может иметь один вход 404, пересекающий вытяжной канал 406, и один выход 408, пересекающий вытяжной канал 406, причем никакие другие части теплообменника 402 не пересекают стенку вытяжного канала 406. Это является отличием от традиционного теплообменника, показанного на Фиг.1, в котором различные части теплообменника сообщаются через стенку вытяжного канала с другими элементами, расположенными снаружи вытяжного канала. Горячий выхлоп 410 может сначала вступать в контакт с теплообменником 402 возле выходного отверстия 408 для рабочей текучей среды, а холодный (или относительно холодный) выхлопной газ 412 может выходить из теплообменника 402 вблизи входного отверстия 404 для рабочей текучей среды. Этот иллюстративный теплообменник может быть использован с различными рабочими текучими средами в различных диапазонах давлений и температур. Кроме того, хотя на Фиг.1 в качестве источника тепла показан горячий выхлоп 410, в описанных в настоящем документе иллюстративных вариантах выполнения могут быть использованы другие источники тепла, такие как другие горячие газы и горячие жидкости, например геотермальный солевой раствор.

Кроме того, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, текучая среда, представляющая собой источник тепла, например выхлопной газ или жидкость, такую как поток геотермального солевого раствора, может работать в противотоке, по отношению к потоку рабочей текучей среды ORC в трубках теплообменника 402. Кроме того, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, использование этого прямоточного теплообменника приводит к тому, что текучая среда ORC доводится до газообразного состояния (или состояния сверхкритической текучей среды) без того, чтобы текучая среда ORC выходила из канала 406, что является отличием от традиционной системы, изображенной на Фиг.1. По этой причине инновационный теплообменник этого иллюстративного варианта выполнения называется прямоточным теплообменником. В таком прямоточном теплообменнике для создания текучей среды ORC в сверхкритическом состоянии размеры теплообменника рассчитываются исходя из массового расхода и свойств конкретной проходящей через него текучей среды ORC, а также массового расхода и температуры среды, представляющей собой источник тепла, используемой в теплообменнике.

В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, теплообменник 402 может работать в сверхкритической области. В этом иллюстративном случае текучая среда ORC 414 поступает в теплообменник в виде жидкости или квазижидкости при температуре не выше критического давления (Рс) для типа используемой текучей среды ORC. Может потребоваться, чтобы давление рабочей текучей среды ORC при входе в теплообменник 402 было выше, чем критическое давление текучей среды ORC, для компенсации относительно небольшого снижения давления, которое может возникнуть в связи с, например, препятствиями потоку. Текучая среда ORC, по мере того как она проходит через трубки в теплообменнике 402, нагревается. Перед выходом из теплообменника 402 температура текучей среды ORC достигает критической температуры (Тс) текучей среды ORC или даже более высокой температуры. Таким образом, выходящая текучая среда 416 ORC представляет собой, в данном иллюстративном случае, сверхкритическую текучую среду ORC. В зависимости от используемой текучей среды ORC, критическая температура может быть приблизительно 240°С, критическое давление может быть приблизительно 45 бар.

В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, в качестве прямоточного теплообменника, показанного на Фиг.4, могут быть использованы различные другие типы теплообменников. Например, иллюстративные конструкции теплообменника могут включать, для применений сверхкритической ORC, но не ограничиваясь этим, пластинчатые теплообменники, теплообменники с пластинами и ребрами, кожухотрубчатые теплообменники, компактные теплообменники с ребристыми трубками и трубчатые теплообменники с непрерывными пластинчатыми ребрами. Поскольку эти типы теплообменников известны в данной области техники, их описание опущено в настоящем документе. Кроме того, этот иллюстративный процесс может быть расширен, чтобы выполняться последовательно или параллельно в соответствии с требуемым масштабом, производительностью и изменением температуры. Таким образом, между входным отверстием 404 и выходным отверстием 408 может быть предусмотрен более чем один канал.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения, прямоточные теплообменники могут быть использованы для применений ORC в докритической и околокритической областях, как показано на Фиг.5. Применение ORC в околокритической области может быть ограничено теми точками на кривой 302, показанной на Фиг.3, которые находятся в верхней 50% части кривой. Кроме того, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, околокритические точки могут также включать такие точки со значениями давлений и температур, которые расположены вокруг критической точки. Что касается Фиг.5, текучая среда 514 ORC под давлением поступает в теплообменник 502 через входное отверстие 510 (хотя каждое входное / выходное отверстие, соответствующее прохождению вытяжного канала трубкой насквозь, не показано) в секцию 504 предварительного нагрева теплообменника 502. Секция 504 предварительного нагрева расположена ближе к концу теплообменника 502, где более холодный выхлопной газ 520 покидает теплообменник 502. Предварительно нагретая жидкость затем перемещается к испарителю или секции 506 испарения для испарения. После испарения пар ORC в теплообменнике проходит к ступени 508 перегрева. В этом иллюстративном варианте выполнения секция 506 испарения расположена между секцией 504 предварительного нагрева и ступенью 508 перегрева теплообменника 502, причем секция 508 перегрева расположена ближе всего к точке входа горячего выхлопного газа 518. После перегрева перегретый пар 516 ORC выходит из выходного отверстия 512 теплообменника 502 и переходит к следующему этапу цикла генерации энергии, например расширению.

В соответствии с альтернативным иллюстративным вариантом выполнения, различные ступени теплообменника могут быть расположены в разных местах теплообменника 502, как показано на Фиг.6. В этом альтернативном иллюстративном варианте выполнения расположения секция 508 перегрева и секция 506 испарения поменяны местами. Это изменение приводит к тому, что секция испарения находится ближе к месту входа горячих выхлопных газов 518 в теплообменник 502. Кроме того, это изменение может изменить относительную точку 512 выхода из теплообменника 502 (и вытяжного канала (не показан)) перегретого пара 516 ORC, а также, в некоторых иллюстративных случаях, слегка снизить в противном случае чрезмерные температуры текучей среды при конкретных состояниях выхлопа и текучей среды ORC. Это изменение порядка расположения внутри теплообменника 502 может быть применено в системах ORC, работающих как в докритической, так и в околокритической области.

В соответствии с другими иллюстративными вариантами выполнения, различные типы теплообменников могут реализовывать прямоточную конструкцию для систем ORC, работающих в докритической и в околокритической области, как показано на Фиг.4-6. Например, иллюстративные типы теплообменников могут включать, но не ограничиваются этим, пластинчатые теплообменники, вертикальные трубчатые теплообменники (как показано на Фиг.8), теплообменники с пластинами и ребрами (как показано на Фиг.9), кожухотрубчатые теплообменники и компактные теплообменники с ребристыми трубками. Кроме того, прямоточная конструкция теплообменника позволяет уменьшить стоимость (и требования к площади), связанную с теплообменником, путем удаления различных традиционных промежуточных ступеней, например сепаратора между секциями испарения и перегрева, других ступеней накопления и т.д. Кроме того, снижение стоимости может быть реализовано путем потенциального уменьшения технического обслуживания и простоев системы, за счет уменьшения элементов при использовании этого иллюстративного прямоточного теплообменника. В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, этот иллюстративный процесс может быть расширен и выполняться последовательно или параллельно, в соответствии с требуемым масштабом и производительностью.

Как описано выше, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, прямоточный теплообменник может быть использован в системах ORC, работающих в докритической и околокритической области. Системы ORC, работающие в околокритической области, обеспечивают некоторое увеличение к.п.д., достигаемое системами ORC, работающими в сверхкритической области, одновременно используя, по желанию, физические элементы менее дорогостоящих систем, работающих в докритической области. Системы ORC, работающие в околокритической области, выполнены с возможностью работы в диапазоне комбинации температуры и давления, находящемся в верхних 10%, или верхних 20%, или верхних 50% кривой 302 (см. Фиг.3), соединяющей тройную точку с критической точкой для текучей среды ORC, а также в точках, описываемых зависимостью давления от температуры, давление в которых меньше, чем критическое давление. Кривая 302 задает точку кипения / конденсации текучей среды ORC при различных комбинациях давления / температуры. Таким образом, системы ORC, работающие в околокритической области, выполнены так, что в ступенях предварительного нагрева и испарения они работают так, что давление Р среды меньше, чем Рс, а температура Т среды меньше, чем Тс. Однако, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, в некоторых случаях давление может быть выше критической точки. После испарения, например во время перегрева, Т может стать больше Тс, создавая перегретый пар, до тех пор пока Р остается меньше, чем Рс. В соответствии с альтернативными иллюстративными вариантами выполнения, системы ORC, работающие в околокритической области, могут также работать, используя традиционные теплообменники с трубками, которые входят и выходят из вытяжного канала два раза или более двух раз, например, трубка выходит для передачи текучей среды в сепаратор, а затем доставляет чистый пар обратно в канал.

В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, текучая среда ORC, например, циклопентан или изопентан, может быть использована в энергетических установках ORC, работающих в околокритической области, как это описано в отношении энергетической установки 700, изображенной на Фиг.7. В этом иллюстративном варианте выполнения критическая точка текучей среды ORC определяется давлением приблизительно 45 бар при температуре 240°С. Начиная с насоса 702 в энергетической установке 700 с замкнутым циклом, текучая среда ORC поступает в виде жидкости при относительно низком давлении и температуре, например при 1 бар и 50°С, и сжимается до давления по меньшей мере 40 бар (в сравнении: стандартная система ORC, работающая в докритической области, будет работать на стороне высокого давления при давлении приблизительно 20 бар). Эта сжатая текучая среда ORC проходит через рекуператор 704 и нагревается до приблизительно 110°С прежде, чем она поступит в секцию 708 предварительного нагрева теплообменника 706. Теплообменник получает, например, выхлопной газ при температуре 500°С, который нагревает различные ступени теплообменника 706. Эти ступени могут содержать секцию 708 предварительного нагрева и испаритель / секцию 710 перегрева. В качестве альтернативы, могут быть использованы другие типы теплообменников, например прямоточный теплообменник, изображенный на Фиг.5 и 6. После нагрева текучей среды ORC выхлопной газ выходит из теплообменника 706, например, при температуре 120°С.

Как описано выше, находящаяся под давлением текучая среда ORC входит в секцию 708 предварительного нагрева и затем перемещается к испарителю / секции 710 перегрева. Когда текучая среда ORC достигает теплообменника при давлении около критического давления, но ниже него, она испаряется (и, возможно, перегревается) при температуре, близкой к критической температуре, после чего текучая среда ORC выходит из теплообменника в виде пара высокого давления или перегретого пара высокого давления, например, при 40 бар и 250°С и перемещается к турбине 712 для генерации энергии и расширения. Пар ORC выходит из турбины 712 при более низком давлении, чем пар ORC, который поступил в турбину 712, затем пар проходит через рекуператор 704, который охлаждает этот пар. Пар ORC затем поступает в конденсатор 714, конденсируется в жидкую фазу и перемещается обратно к насосу 702 в виде жидкости низкого давления.

Несмотря на то что на Фиг.7 показаны различные температуры и давления, могут иметься некоторые отклонения от этих чисто иллюстративных значений, которые существенно не изменяют способности системы работать с требуемыми характеристиками. Кроме того, тип выхлопного генератора может изменять температуру выхлопа во входном отверстии, которая может быть скомпенсирована, например, увеличением длины трубок, используемых в теплообменнике 708. Кроме того, для различных текучих сред ORC и/или для работы в различных точках в околокритической области могут быть использованы различные комбинации температуры и давления.

В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, как описано выше, в системах ORC, работающих в околокритической области, могут быть использованы различные конструкции теплообменника. Например, может быть использован теплообменник 802 с вертикальным трубным пучком, как показано на Фиг.8. Теплообменник 802 с вертикальным трубным пучком может быть установлен внутри вытяжного канала 804. Теплообменник 802 с вертикальным трубным пучком содержит вертикально ориентированные трубные пучки, в которых испаряется рабочая текучая среда ORC, с установленной сверху емкостью, которая равномерно перераспределяет не кипящую жидкость между трубками.

В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, энергетическая установка с циклом Ренкина на органическом теплоносителе (ORC) в теплообменнике содержит: входное отверстие, которое проходит от внешней стороны вытяжного канала к внутренней стороне вытяжного канала; выходное отверстие, которое проходит от внутренней стороны вытяжного канала к внешней стороне вытяжного канала; и трубопровод, проточно и непосредственно соединяющий входное отверстие и выходное отверстие и выполненный с возможностью либо (i) получать текучую среду ORC при давлении выше критического давления текучей среды ORC и повышать температуру текучей среды ORC выше критической температуры текучей среды ORC, когда текучая среда ORC находится внутри теплообменника, либо (ii) получать текучую среду ORC и повышать температуру текучей среды ORC до докритического значения перед выпуском текучей среды ORC из теплообменника. Кроме того, длина трубопровода, или трубок, используемых для соединения входного отверстия и выходного отверстия, может иметь рассчитанную длину. Необходимые данные для расчета этой длины могут включать, но не ограничиваться этим, различные параметры, такие как температуру отработанного тепла, выбранную текучую среду ORC, диаметр трубок, тип используемого теплообменника, физические ограничения пространства, давление на входе текучей среды, расход текучей среды, рабочий диапазон, например докритический, околокритический или сверхкритический, и тому подобное.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения, теплообмен в энергетической установке с использованием текучей среды ORC может включать получение в теплообменнике тепла от источника, причем теплообменник выполнен как относительно недорогой компактный противоточный или перекрестноточный теплообменник, такой как пластинчатый теплообменник или теплообменник 902 с пластинами и ребрами, как показано на Фиг.9. Как показано на Фиг.9, иллюстративный теплообменник 902 с пластинами и ребрами содержит пластинчатые секции 904 и секцию 906 ребер, при этом направление потока текучей среды показано стрелкой 908. Кроме того, могут быть использованы боковые стержни, а также ряд секций из пластин и ребер. Тем не менее, в иллюстративных вариантах выполнения, описанных в настоящем документе, могут быть использованы различные виды теплообменников 902 с пластинами и ребрами.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения, теплообменник 902 получает текучую среду ORC в виде находящейся под давлением текучей среды, давление которой больше или равно критическому давлению текучей среды ORC, в одном входном отверстии, выпуская текучую среду ORC в сверхкритической фазе из выходного отверстия на другом конце трубопровода теплообменника. В качестве альтернативы, теплообменник 902 может получать и выпускать текучую среду ORC при околокритическом давлении. В соответствующем другом трубопроводе, например вытяжном канале, поток теплоносителя проходит от входного отверстия к соответствующему противоположному выходному отверстию в виде жидкого или газообразного теплоносителя, из которого тепло передается через стенку другого трубопровода текучей среде ORC, охлаждая тем самым теплоноситель. В этих иллюстративных вариантах выполнения, когда нагрев происходит в околокритической или сверхкритической области, объем, занимаемый паром, имеющим в настоящее время относительно высокое давление, приводит к намного меньшему перепаду давления через суженные проходы компактных теплообменников, пластинчатого типа или типа с пластинами и ребрами, что делает пластинчатые теплообменники или теплообменники с пластинами и ребрами успешно применяемыми для этих конкретных областей.

Используя описанные выше иллюстративные системы, выполненные в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, способ теплообмена показан на блок-схеме, изображенной на Фиг.10. Первоначально способ осуществления теплообмена в энергетической установке, использующей текучую среду в цикле Ренкина на органическом теплоносителе (ORC), включает: получение, на этапе 1002, в теплообменнике тепла от источника, причем теплообменник выполнен с возможностью установки полностью внутри вытяжного канала, имеет одно входное отверстие, трубопровод и одно выходное отверстие; получение текучей среды ORC, на этапе 1004, в виде находящейся под давлением жидкости при давлении, большем или равном критическому давлению текучей среды ORC в указанном одном входном отверстии, которое проходит от внешней стороны вытяжного канал до внутренней стороны вытяжного канала; выпуск текучей среды ORC, на этапе 1006, в сверхкритической фазе, в указанное одно выходное отверстие, которое проходит от внутренней стороны вытяжного канала до внешней стороны вытяжного канала; и пропускание текучей среды ORC, на этапе 1008, по трубопроводу между указанным одним входным отверстием и указанным одним выходным отверстием, одновременно нагревая текучую среду ORC для изменения фазового состояния из находящейся под давлением жидкости в сверхкритическую фазу. Теплообменник выполнен с возможностью нагревания текучей среды ORC до температуры, большей или равной критической температуре текучей среды ORC, и для выпуска текучей среды ORC через одно выходное отверстие в виде сверхкритической текучей среды, причем сверхкритическая текучая среда определяется температурой, большей, чем критическая температура, и давлением, большим, чем критическое давление.

Используя описанные выше иллюстративные системы, выполненные в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, способ нагревания текучей среды ORC изображен на блок-схеме, показанной на Фиг.11. Способ нагревания текучей среды в цикле Ренкина на органическом теплоносителе (ORC) в теплообменнике включает: получение, на этапе 1102, в теплообменнике, тепла от источника, причем теплообменник выполнен с возможностью размещения внутри канала и имеет входное отверстие, трубопровод и выходное отверстие; получение, на этапе 1104, текучей среды ORC в виде находящейся под давлением жидкости, во входном отверстии, которое проходит от внешней стороны канала до внутренней стороны канала; выпуск, на этапе 1106, текучей среды ORC в околокритической области в выходное отверстие, которое проходит от внутренней стороны канала до внешней стороны канала; и передачу, на этапе 1108, текучей среды ORC по трубопроводу между входным отверстием и выходным отверстием. Текучую среду ORC нагревают для изменения фазового состояния из находящейся под давлением жидкости в околокритическую область, причем околокритическая область текучей среды ORC описывается верхней половиной кривой, соединяющей тройную точку и критическую точку для текучей среды ORC. Докритическая область текучей среды ORC описывается нижней частью кривой, а кривая определяется значениями давления и температуры, которые определяют температуры кипения для текучей среды ORC.

Описанные выше иллюстративные варианты выполнения предназначены во всех отношениях для иллюстрации, а не для ограничения изобретения. Таким образом, настоящее изобретение может иметь много модификаций в детальной реализации, которые могут быть получены специалистом в этой области техники из приведенного в настоящем документе описания. Все эти варианты и модификации считаются находящимися в объеме и удовлетворяющими сущности настоящего изобретения, как определено в последующей формуле изобретения. Ни один элемент, действие или инструкция, используемые в описании данной заявки, не следует рассматривать как критические или существенные для изобретения, если только это не указано явным образом. Кроме того, как используется в настоящем документе, использование единственного числа также предусматривает включение одного или нескольких элементов.

Это описание использует примеры раскрытого объекта изобретения, чтобы позволить любому специалисту осуществлять изобретение на практике, в том числе создавать и использовать любые устройства или системы и выполнять любые указанные способы. Объем охраны изобретения определяется формулой и может включать другие примеры, которые очевидны для специалистов. Предполагается, что такие другие примеры также находятся в пределах объема изобретения.

Изобретение относится к системам и способам, использующим текучую среду в цикле Ренкина на органическом теплоносителе (ORC) в энергетических установках. Энергетическая установка с циклом Ренкина на органическом теплоносителе (ORC) содержит теплообменник, выполненный с возможностью установки полностью внутри канала и имеющий одно входное отверстие, которое проходит от внешней стороны канала до внутренней стороны канала, одно выходное отверстие, которое проходит от внутренней стороны канала до внешней стороны канала, и трубопровод, соединяющий указанное одно входное отверстие с указанным одним выходным отверстием, причем трубопровод полностью расположен внутри канала. Изобретение позволяет снизить стоимость и повысить к.п.д. в энергетических установках. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Энергетическая установка с циклом Ренкина на органическом теплоносителе (ORC), содержащая:
теплообменник, выполненный с возможностью установки полностью внутри канала и имеющий:
одно входное отверстие, проходящее от внешней стороны указанного канала до его внутренней стороны,
одно выходное отверстие, проходящее от указанной внутренней стороны указанного канала до его указанной внешней стороны, и
трубопровод, расположенный между указанным одним входным отверстием и указанным одним выходным отверстием, причем указанный трубопровод целиком расположен внутри указанного канала,
при этом теплообменник выполнен с возможностью получения текучей среды ORC в указанное одно входное отверстие в виде находящейся под давлением жидкости при давлении, большем или равном критическому давлению указанной текучей среды ORC, нагревания указанной текучей среды ORC до температуры, большей или равной критической температуре указанной текучей среды ORC, без выхода текучей среды ORC из канала, и выпуска указанной текучей среды ORC через указанное одно выходное отверстие в виде сверхкритической текучей среды,
при этом указанная сверхкритическая текучая среда определяется указанной температурой, большей, чем указанная критическая температура, и указанным давлением, большим, чем указанное критическое давление.

2. Установка по п. 1, в которой указанные критическое давление и критическая температура текучей среды ORC определяют точку, в которой текучая среда ORC становится сверхкритической.

3. Установка по п. 1, в которой текучая среда ORC выбрана из группы, состоящей из пентана, пропана, циклогексана, бутана, фторуглеводорода, кетона, соединения ароматического ряда или их комбинации.

4. Установка по п. 1, в которой указанная текучая среда ORC нагревается до температуры, большей или равной указанной критической температуре текучей среды ORC внутри указанного трубопровода, не выходя из указанного вытяжного канала.

5. Установка по п. 1, в которой указанный теплообменник представляет собой либо пластинчатый теплообменник, либо теплообменник с пластинами и ребрами.

6. Энергетическая установка с циклом Ренкина на органическом теплоносителе (ORC), содержащая:
теплообменник, выполненный с возможностью установки внутри канала и имеющий:
входное отверстие, проходящее от внешней стороны указанного канала до внутренней стороны указанного канала и предназначенное для получения текучей среды ORC,
выходное отверстие, проходящее от указанной внутренней стороны указанного канала до указанной внешней стороны указанного канала и предназначенное для выпуска текучей среды ORC, и
трубопровод, соединяющий указанное входное отверстие и указанное выходное отверстие и предназначенный для нагревания указанной текучей среды ORC до температуры, большей или равной критической температуре указанной текучей среды ORC, без выхода текучей среды ORC из канала,
при этом теплообменник выполнен с возможностью работы в околокритической области указанной текучей среды ORC, и
указанная околокритическая область текучей среды ORC описывается верхней половиной кривой, соединяющей тройную точку и критическую точку текучей среды ORC, а указанная кривая определяется значениями давления и температуры, которые определяют точки кипения текучей среды ORC.

7. Установка по п. 6, в которой указанный теплообменник дополнительно содержит:
секцию предварительного нагрева, соединенную с указанным входным отверстием и расположенную ближе к более холодному концу указанного канала;
секцию испарения, соединенную с секцией предварительного нагрева и расположенную ближе к более теплому концу указанного канала, причем секция испарения выполнена с возможностью испарения находящейся под давлением жидкости, и
секцию перегрева, соединенную с секцией испарения и соединенную с указанным выходным отверстием, причем указанная секция перегрева расположена между секцией предварительного нагрева и секцией испарения и выполнена с возможностью перегрева пара, поступающего из секции испарения.

8. Установка по п. 6, в которой указанная околокритическая область текучей среды ORC описывается верхними двадцатью процентами указанной кривой, соединяющей указанную тройную точку и указанную критическую точку текучей среды ORC.

9. Способ осуществления теплообмена в энергетической установке, использующей текучую среду в цикле Ренкина на органическом теплоносителе (ORC), включающий:
получение в теплообменнике тепла от источника, причем теплообменник выполнен с возможностью установки полностью внутри канала и имеет одно входное отверстие, трубопровод и одно выходное отверстие,
получение указанной текучей среды ORC в виде находящейся под давлением жидкости при давлении, большем или равном критическому давлению текучей среды ORC, в указанное одно входное отверстие, которое проходит от внешней стороны указанного канала до его внутренней стороны,
выпуск указанной текучей среды ORC в сверхкритической фазе в указанное одно выходное отверстие, которое проходит от внутренней стороны указанного канала до его внешней стороны, и
пропускание указанной текучей среды ORC по указанному трубопроводу между указанными одним входным отверстием и одним выходным отверстием, причем указанный трубопровод полностью расположен внутри указанного канала, одновременно нагревая указанную текучую среду ORC для изменения фазового состояния из указанной находящейся под давлением жидкости в указанную сверхкритическую текучую среду, без выхода текучей среды ORC из канала,
при этом теплообменник выполнен с возможностью нагревания указанной текучей среды ORC до температуры, большей или равной критической температуре указанной текучей среды ORC, и выпуска указанной текучей среды ORC через указанное одно выходное отверстие в виде сверхкритической текучей среды, и
указанная сверхкритическая текучая среда определяется указанной температурой, большей, чем указанная критическая температура, и указанным давлением, большим, чем указанное критическое давление.

10. Способ нагревания текучей среды в цикле Ренкина на органическом теплоносителе (ORC) в теплообменнике, включающий:
получение в теплообменнике тепла от источника, причем указанный теплообменник выполнен с возможностью установки внутри канала и имеет входное отверстие, трубопровод и выходное отверстие,
получение указанной текучей среды ORC в виде находящейся под давлением жидкости в указанное входное отверстие, которое проходит от внешней стороны указанного канала до его внутренней стороны,
выпуск указанной текучей среды ORC в околокритической области в указанное выходное отверстие, которое проходит от указанной внутренней стороны указанного канала до его внешней стороны, и
пропускание указанной текучей среды ORC по указанному трубопроводу между указанными входным и выходным отверстиями, одновременно нагревая указанную текучую среду ORC для изменения фазового состояния из указанной находящейся под давлением жидкости в указанную околокритическую область, без выхода текучей среды ORC из канала,
причем указанная околокритическая область текучей среды ORC описывается верхней половиной кривой, соединяющей тройную точку и критическую точку для указанной текучей среды ORC,
при этом указанная кривая определяется значениями давления и температуры, которые определяют температуры кипения для указанной текучей среды ORC.