ЦИКЛ РЕНКИНА, ОБЪЕДИНЕННЫЙ С АБСОРБЦИОННЫМ ХОЛОДИЛЬНИКОМ Российский патент 2016 года по МПК F01K27/00 

Описанные системы и технологии включают воплощения, которые относятся к получению энергии с использованием отходящего тепла. Более конкретно, изобретение относится к системам получения энергии, которые используют объединенный, работающий на диоксиде углерода (СO₂) цикл Ренкина с замкнутым контуром. Они включают также воплощения, которые относятся к циклу абсорбционного холодильника с замкнутым контуром, объединенному с циклом Ренкина. Данное изобретение включает также воплощения, которые относятся к использованию отходящего тепла для повышения эффективности систем получения энергии.

Известно, что СO₂ в качестве сверхкритической рабочей среды для циклов Ренкина имеет преимущества по сравнению с органическими средами. Эти преимущества включают высокую стабильность совместно с пониженной или сведенной к минимуму воспламеняемостью, а также приемлемые с точки зрения окружающей среды характеристики, например, в общем нетоксичные свойства. Однако с работающим на СO₂ циклом Ренкина для получения энергии могут возникать проблемы при эксплуатации, если температура окружающей среды приближается к критической температуре 30°С, особенно в летнее время. СO₂ широко не используют, поскольку его трудно сконденсировать на холодном конце цикла, в отличие от других сред. Это вызвано тем обстоятельством, что критическая температура СO₂ слишком высока для того, чтобы проводить конденсацию при теплых условиях окружающей среды, то есть при температуре примерно от 15°С до 25°С. Для охлаждения конденсатора ниже 30°С может потребоваться охлаждающая среда с температурой значительно ниже 30°С. Это свойство может быть важным, поскольку охлаждение ниже 30°С может облегчить конденсацию и последующее нагнетание СO₂ в жидком состоянии до высокого давления.

При обычных температурах окружающей среды (примерно от 20 до 25°С) может оказаться почти невозможным использовать воздух или воду для охлаждения СO₂ до температур ниже 30°С. Альтернативно, можно использовать холодильную систему для охлаждения конденсатора, и выпускать теплоту конденсации при температуре выше температуры окружающей среды. Можно применять физические холодильные системы со сжатием пара. При предполагаемых температурных условиях эти холодильные системы могут работать с относительно высокой эффективностью. Однако для охлаждения конденсатора может потребоваться холодильник, например водяной холодильник. Холодильник может требовать энергии порядка примерно от 10 кВт до 20 кВт на килограмм СO₂ в секунду для обеспечения необходимого охлаждения и конденсации. При большом массовом расходе СO₂ в цикле на единицу произведенной энергии, эта паразитная нагрузка может стать серьезным недостатком эксплуатации и потенциально может сделать систему в целом слишком неэффективной, чтобы она могла быть экономичной.

Чтобы внедрить в промышленное применение систему с циклом Ренкина для извлечения отходящего тепла, в которой используют конкретные преимущества СO₂, для работы при температуре окружающей среды выше 20°С необходима система охлаждения конденсатора. В отличие от других систем, эта система, при использовании абсорбционного цикла, не влияет в значительной степени на рабочие характеристики. Эта система способна обеспечить большее количество электричества в период времени, когда держится более высокая температура, который может совпадать с пиковыми потребностями, когда электричество можно продавать по повышенной цене.

Ввиду этих соображений, в технике существует потребность в разработке новых способов охлаждения и конденсации СO₂. Новые способы также должны быть экономичными при реализации и совместимыми с другими системами получения энергии.

Одно из воплощений изобретения обеспечивает систему получения энергии. Эта система включает работающий на диоксиде углерода цикл Ренкина для извлечения отходящего тепла, объединенный с циклом абсорбционного холодильника. Цикл Ренкина включает конденсатор и десорбер. Конденсатор цикла Ренкина действует как испаритель для цикла абсорбционного холодильника. Цикл Ренкина и цикл абсорбционного холодильника можно объединить в десорбере.

Другое воплощение изобретения относится к системе получения энергии. Система включает контур циркуляции первой рабочей среды цикла Ренкина, который содержит нагреватель, детандер, рекуператор, конденсатор первой рабочей среды, десорбер, насос для первой рабочей среды и первую рабочую среду, представляющую собой СO₂. Цикл Ренкина объединен с циклом абсорбционного холодильника, включающим контур циркуляции второй рабочей среды. Цикл абсорбционного холодильника содержит испаритель, абсорбер, насос для второй рабочей среды, десорбер, конденсатор для второй рабочей среды и вторую рабочую среду, представляющую собой хладагент. Цикл Ренкина и цикл абсорбционного холодильника объединены в десорбере. Конденсатор цикла Ренкина может функционировать как испаритель в цикле абсорбционного холодильника.

Еще одно воплощение изобретения относится к системе получения энергии. Система включает первый контур, содержащий работающий на диоксиде углерода рекуперационный цикл Ренкина для извлечения отходящего тепла с однократным расширением, объединенный со вторым контуром, включающим цикл абсорбционного холодильника. Первый контур включает рекуператор, предназначенный для приема потока жидкого СO₂ и получения нагретого потока жидкого СO₂, котел-утилизатор, предназначенный для приема нагретого потока жидкого СO₂ и получения потока парообразного СO₂, и первый детандер, предназначенный для приема потока парообразного СO₂ и получения потока расширенного СO₂. Рекуператор также предназначен для приема потока расширенного СO₂ и получения более холодного потока СO₂. Система включает также десорбер, предназначенный для приема более холодного потока СO₂ и получения еще более холодного потока СO₂. Холодильник предназначен для приема охлажденного потока СO₂ и получения еще более холодного потока СO₂, имеющего температуру примерно от 35°С до 55°С. Связанный с ним конденсатор СO₂ предназначен для приема охлажденного потока СO₂, который можно перекачать обратно в рекуператор с применением насоса для СO₂. Конденсатор объединен с испарителем цикла абсорбционного холодильника. Второй контур включает испаритель цикла абсорбционного холодильника, предназначенный для приема по существу жидкого хладагента и получения парообразного хладагента; абсорбер, предназначенный для приема парообразного хладагента и получения первого раствора хладагента в растворителе; при этом второй раствор хладагента в растворителе находится в абсорбере. Система включает также насос для хладагента, предназначенный для приема первого раствора и для повышения его давления, при этом также обеспечен десорбер для приема первого раствора при повышенном давлении и получения парообразного хладагента и второго раствора. Концентрация хладагента в первом растворе выше, чем концентрация хладагента во втором растворе. Связанный с этим конденсатор для хладагента предназначен для приема парообразного хладагента и получения жидкого хладагента, а устройство для понижения давления предназначено для приема жидкого хладагента и снижения его давления, для ввода его в испаритель. Испаритель контура абсорбционного холодильника обеспечивает возможность направлять парообразный хладагент обратно в абсорбер.

Дополнительное воплощение изобретения относится к другой системе получения энергии. Система включает первый контур, содержащий работающий на диоксиде углерода рекуперационный цикл Ренкина для извлечения отходящего тепла с двукратным расширением, объединенный со вторым контуром, включающим цикл абсорбционного холодильника. Первый контур включает котел-утилизатор, предназначенный для приема первой порции потока жидкого СO₂ и получения нагретой первой порции потока СO₂, первый детандер, предназначенный для приема нагретой первой порции потока СO₂ и получения расширенной первой порции потока СO₂; рекуператор, предназначенный для приема расширенной первой порции потока СO₂ и получения охлажденной первой порции потока СO₂, при этом рекуператор также предназначен для приема второй порции потока жидкого СO₂ и получения второй порции потока СO₂ с увеличенным теплосодержанием (то есть нагретой); второй детандер, предназначенный для приема второй порции потока СO₂ с увеличенным теплосодержанием и получения расширенной второй порции потока СO₂; десорбер, предназначенный для приема расширенной второй порции потока СO₂ и получения более холодной второй порции потока СO₂; охладитель, предназначенный для приема охлажденных первой и второй порций потока СO₂ и получения потока еще более холодного СO₂, имеющего температуру примерно от 35°С до 55°С, и конденсатор первой рабочей среды, предназначенный для приема потока охлажденного СO₂, объединенный с испарителем цикла абсорбционного холодильника. Испаритель способен производить поток жидкого СO₂, который можно перекачать обратно в качестве первой порции и второй порции потока СO₂, используя насос для СO₂. Второй контур включает испаритель цикла абсорбционного холодильника, предназначенный для приема по существу жидкого хладагента и получения парообразного хладагента; абсорбер, предназначенный для приема парообразного хладагента и получения первого раствора хладагента в растворителе; при этом второй раствор хладагента в растворителе находится в абсорбере; второй насос для рабочей среды, предназначенный для приема первого раствора хладагента в растворителе и получения первого раствора с повышенным давлением, причем десорбер также предназначен для приема первого раствора при повышенном давлении и получения парообразного хладагента и второго раствора; при этом концентрация хладагента в первом растворе выше, чем концентрация хладагента во втором растворе; конденсатор хладагента, предназначенный для приема парообразного хладагента и получения жидкого хладагента; устройство для снижения давления, предназначенное для приема жидкого хладагента и снижения его давления, для ввода в испаритель. Испаритель цикла абсорбционного холодильника обеспечивает возможность направлять парообразный хладагент обратно в абсорбер.

Другое воплощение изобретения относится к системе получения энергии, которая включает работающий на диоксиде углерода цикл Ренкина для извлечения отходящего тепла, объединенный с циклом абсорбционного холодильника. Система включает объединенные конденсатор цикла Ренкина и испаритель цикла холодильника.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества данного изобретения более понятны при рассмотрении последующего подробного описания со ссылкой на сопровождающие чертежи, где:

Фиг.1 представляет собой блок-схему стадий приведенного для иллюстрации способа охлаждения и конденсации СO₂;

Фиг.2 представляет собой блок-схему стадий другого приведенного для иллюстрации способа охлаждения и конденсации СO₂ и

Фиг.3 представляет собой блок-схему стадий еще одного приведенного для иллюстрации способа охлаждения и конденсации СO₂.

Выражение «примерно», применяемое в тексте описания и формулы изобретения, может быть использовано с любым количественным выражением, которое допустимо может изменяться, не приводя к изменению основной функции, к которой оно относится. Соответственно, величина, используемая с термином «примерно», не должна быть ограничена точным указанным значением. В некоторых случаях выражение «примерно» может относиться к точности прибора, применяемого для измерения указанной величины. Подобным образом, в сочетании с каким-либо термином можно использовать выражение «не содержащий», и это выражение может подразумевать незначительное количество, или следы, и в то же время следует считать, что отсутствует то, что определено модифицированным термином.

Как используют здесь, слова «может» или «может быть» указывают на возможность осуществления при наличии ряда обстоятельств; обладания указанным свойством, характеристикой или функцией. Эти слова могут также относиться к другому глаголу, выражая одну или более из способностей, возможностей или вероятностей, связанных с указанным глаголом. Соответственно, применение слов «может» или «может быть» указывает на то, что используемый с ними признак очевидно является приемлемым, возможным или применимым для указанной способности, функции или применения, в то же время принимая во внимание, что при некоторых обстоятельствах этот признак иногда может быть неприемлемым, невозможным или неприменимым. Например, при некоторых обстоятельствах можно предположить какое-либо событие или возможность, в то время как при других обстоятельствах данное событие или возможность не могут произойти - это различие охватывают слова «может» и «может быть».

Ниже описаны одно или более конкретных воплощений изобретения. В целях краткости описания этих воплощений, могут быть указаны не все признаки фактической реализации воплощения. Следует понимать, что при разработке любого конкретного воплощения, как и в любой технологической или проектно-конструкторской разработке, для достижения конкретных целей, которые стоят перед разработчиками, следует принять множество конкретных для этого воплощения решений, например, таких как соответствие ограничениям, связанным с системой или производством, которые могут изменяться от одного воплощения к другому. Более того, следует понимать, что такие опытно-конструкторские разработки могут быть сложными и затратными по времени, но тем не менее, это представляет собой обычную работу по проектированию, конструированию и производству для обычных специалистов, получающих преимущества от данного изобретения.

При представлении элементов различных воплощений данного изобретения предполагают, что указание элемента в единственном числе подразумевает наличие одного или более элементов. Предполагают, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» не являются исключительными и означают, что могут присутствовать дополнительные элементы, отличные от перечисленных. Кроме того, термины «первый», «второй» и т.п. в тексте данного описания не обозначают какого-либо порядка, количества или важности, а их используют, чтобы отличить один элемент от другого.

Все диапазоны, приведенные в описании, включают предельные значения, и предельные значения можно объединять друг с другом. Термины «первый», «второй» и т.п., как их используют здесь, не обозначают какого-либо порядка, количества или важности, а их используют, чтобы отличить один элемент от другого. Указание элемента в единственном числе предполагает как единственное, так и множественное число, если в тексте не указано иное, или если это не противоречит контексту.

Воплощения изобретения, описанные здесь, направлены на устранение отмеченных недостатков существующего уровня техники. Эти воплощения преимущественно обеспечивают усовершенствованную систему охлаждения и конденсации СO₂. Описанная здесь система охлаждения удовлетворяет вышеуказанные потребности путем использования цикла Ренкина, объединенного с циклом абсорбционного холодильника. Система включает конденсатор цикла Ренкина, объединенный с испарителем цикла холодильника. Данное изобретение описывает систему, основанную на абсорбционной холодильной технике, которая позволяет осуществлять охлаждение и конденсацию СO₂ в основном с использованием низкопотенциального отходящего тепла, получаемого из работающего на СO₂ цикла Ренкина после расширения. Применение описанной системы получения энергии позволяет свести к минимуму или даже исключить недостатки эксплуатации, связанные с работой при высоких температурах окружающей среды. Работающий на СO₂ цикл Ренкина при должной температуре может обеспечить достаточное количество тепла, чтобы его можно было без проблем объединить с соответствующим абсорбционным холодильником.

Одно из воплощений изобретения обеспечивает систему получения энергии. Система включает работающий на диоксиде углерода цикл Ренкина для извлечения отходящего тепла, объединенный с циклом абсорбционного холодильника. Цикл Ренкина включает конденсатор и десорбер. Конденсатор цикла Ренкина работает как испаритель цикла абсорбционного холодильника. Цикл Ренкина и цикл абсорбционного холодильника объединены в десорбере. Как используют здесь, термин «объединенный» относится к некоторым элементам системы получения энергии, которые являются объединенными или общими как для цикла Ренкина, так и для цикла абсорбционного холодильника. Как описано здесь, в обоих контурах используют общий десорбер. Одно и то же устройство или единица оборудования действует как конденсатор цикла Ренкина и как испаритель цикла абсорбционного холодильника. Другими словами, вторая рабочая среда, включающая хладагент цикла абсорбционного холодильника, испаряется за счет конденсации первой рабочей среды цикла Ренкина, в составе единого устройства.

Конденсатор представляет собой устройство или единицу оборудования, применяемую для конденсации вещества из газообразного состояния в жидкое состояние, обычно путем его охлаждения. Конденсатор цикла Ренкина, как описано здесь, применяют для конденсации первой рабочей среды, например диоксида углерода, до жидкого диоксида углерода. При этом полученное тепло, отданное диоксидом углерода, передается хладагенту, применяемому в конденсаторе для охлаждения диоксида углерода. Хладагент, применяемый в конденсаторе для охлаждения диоксида углерода, представляет собой рабочую среду цикла абсорбционного холодильника. Хладагент поглощает скрытую теплоту фазового перехода от диоксида углерода, который охлаждают в конденсаторе, и хладагент испаряется. Таким образом, как указано выше, конденсатор цикла Ренкина работает так же, как испаритель цикла абсорбционного холодильника.

Как используют здесь, «цикл Ренкина» представляет собой цикл, который превращает тепло в работу. Тепло подают извне в замкнутый контур, в котором обычно используют воду. Этот цикл генерирует большую часть электрической энергии, применяемой во всем мире. Обычно в цикле Ренкина происходят четыре процесса. На первой стадии рабочую среду накачивают от низкого давления до высокого давления. Среда на этой стадии является жидкостью, и насосу требуется малое количество подводимой энергии. На второй стадии жидкость высокого давления вводят в котел, где ее нагревают при постоянном давлении внешним источником тепла так, что она превращается в пар. На третьей стадии пар расширяют с помощью турбины, получая энергию. Это снижает температуру и давление пара. Затем, на четвертой стадии пар вводят в конденсатор, где его конденсируют при постоянном давлении, с получением насыщенной жидкости. Затем процесс начинается снова, с первой стадии.

Рекуператор обычно представляет собой противоточный теплообменник для извлечения энергии, который служит для рекуперации или утилизации тепла из подобных потоков в замкнутом процессе, чтобы использовать его повторно. Рекуператоры применяют, например, в химической и перерабатывающих отраслях промышленности, в различных термодинамических циклах, включая циклы Ренкина с определенными средами, а также в абсорбционных холодильных циклах. Подходящие типы рекуператоров включают кожухотрубчатые теплообменники и пластинчатые теплообменники.

Десорбер применяют для удаления хладагента из раствора без термического разложения хладагента. Подходящие типы десорберов, которые можно использовать, включают кожухотрубчатые теплообменники и ребойлеры, которые можно присоединить к ректификационной колонне.

Конденсатор представляет собой теплообменное устройство или единицу оборудования, применяемую для конденсации пара в жидкость. В одном из воплощений применяемый конденсатор включает кожухотрубчатые теплообменники.

Холодильник представляет собой теплообменное устройство или единицу оборудования, применяемую для снижения температуры жидкости или пара. В одном из воплощений применяемым холодильником является охлаждаемый воздухом теплообменник с ребристыми трубами.

Специалисту понятно, что описанные здесь рекуператор, конденсатор, холодильник и десорбер, по отдельности или в совокупности, включают теплообменники.

Как используют здесь, фраза «по существу жидкий хладагент» обычно относится к двухфазной смеси, или к жидкому и парообразному хладагенту с относительно большой массовой долей жидкости. Например, массовая доля парообразного компонента может составлять примерно 20% масс., в расчете на общую массу.

Как видно из Фиг.1, обеспечена система 100 получения энергии, основанная на некоторых воплощениях данного изобретения. Система 100 включает первый цикл или «контур» 102. Первый контур 102 является примером работающего на диоксиде углерода цикла для извлечения отходящего тепла, при рекуперации с однократным расширением. Первый контур 102 объединен со вторым циклом или контуром 104. Второй контур 104 представляет собой цикл абсорбционного холодильника. Можно видеть, что первый контур 102 начинается от насоса 110. Поток 112 жидкого СO₂, обычно имеющий температуру примерно от 10°С до 30°С, перекачивают насосом 110 в рекуператор 114 промежуточной температуры, чтобы получить поток 116 жидкого СO₂ с увеличенным теплосодержанием, имеющий температуру примерно от 100°С до 200°С. Как используют здесь, термин «с увеличенным теплосодержанием» относится к потоку или жидкости, имеющей температуру выше, чем температура этого потока или жидкости при поступлении в конкретный элемент или на стадию системы.

Затем поток 116 жидкого СO₂ с увеличенным теплосодержанием пропускают через котел-утилизатор 118, с получением потока 120 парообразного СO₂, имеющего температуру примерно от 350°С до 500°С. В некоторых воплощениях котел-утилизатор может быть обеспечен внешним источником тепла, например теплом, получаемым в газовой турбине. В этом случае источник тепла может поступать в котел-утилизатор 118 при более высокой температуре (обозначено элементом 117), а затем может выходить из котла-утилизатора 118 при более низкой температуре (обозначено элементом 119). Поток 120 парообразного СO₂ затем проходит через детандер 122. В процессе расширения температуру и давление потока парообразного СO₂ понижают, с образованием потока 124 СO₂, обычно имеющего давление примерно от 6 до 10 МПа (от 60 до 100 бар) и температуру, обычно составляющую примерно от 250°С до 350°С.

Детандер 122 может быть соединен с генератором посредством вала (не показан на чертеже). Поток 124 более холодного СO₂ затем пропускают через рекуператор 114 промежуточной температуры. В рекуператоре поток 124 СO₂ дополнительно охлаждают с получением потока 126 охлажденного СO₂, обычно имеющего температуру примерно от 150°С до 250°С. Поток 112 жидкого СO₂ (закачиваемый в рекуператор 114) поглощает тепло из потока 124 СO₂ по мере прохождения через рекуператор 114. При этом температура потока 112 жидкого СO₂ возрастает с получением потока 116 СO₂ с увеличенным теплосодержанием, то есть потока СO₂, имеющего более высокую температуру, чем поток 112 СO₂.

Затем поток 126 СO₂ обычно пропускают через десорбер 128, с получением потока 130 более холодного СO₂, обычно имеющего температуру примерно от 70°С до 120°С. Поток 130 СO₂ затем можно пропустить через холодильник 132, с получением потока 134 еще более холодного СO₂. Поток 134 обычно (но не всегда) имеет температуру примерно от 35°С до 55°С. В некоторых примерах воплощения холодильник 132 можно обеспечить внешней охлаждающей средой, такой как вода или воздух окружающей среды. Охлаждающая среда поступает в холодильник 132 при более низкой температуре (обозначено элементом 131) и выходит из холодильника 132 при более высокой температуре (обозначено элементом 133). Затем поток 134 охлажденного СO₂ можно пропустить через конденсатор 136 с получением потока 138 жидкого СO₂, который затем можно перекачать (например, используя насос 110) обратно в рекуператор 114. Таким образом, первый контур 102 СO₂ цикла Ренкина замыкается.

Как упомянуто выше, цикл 104 абсорбционного холодильника объединен с первым контуром 102. Конденсатор 136 первого контура охлаждают с использованием потока 160 по существу жидкого хладагента (например, воды или аммиака). При этом поток 160 хладагента испаряется в конденсаторе 136, с получением потока 140 парообразного хладагента. Таким образом, в одном из примеров воплощения, конденсатор 136 первого контура 102 действует как испаритель 136 второго контура 104. Затем поток 140 парообразного хладагента можно направить в абсорбер 142.

Второй раствор хладагента в растворителе (не показан на Фиг.1) обычно находится в абсорбере 142. (В некоторых воплощениях абсорбер доводят до более низкой температуры с помощью обычных охлаждающих сред, например воздуха или воды. Температуру абсорбера поддерживают на уровне, достаточном для того, чтобы поддерживать второй раствор в жидком состоянии.) Поток 140 парообразного хладагента обычно растворяют во втором растворе, с получением первого раствора 144 хладагента в растворителе, имеющего относительно низкое давление, например примерно от 0,01 до 1 МПа (от 0,1 до 10 бар), в зависимости от выбора конкретного хладагента. Температура первого раствора обычно составляет примерно от 20°С до 25°С и зависит, например, от давления первого раствора (давление можно регулировать таким образом, чтобы получить требуемую температуру для выбранного раствора). Тепло, поглощенное потоком 140 парообразного хладагента при растворении в растворителе в абсорбере 142, можно отводить в окружающую среду с помощью средств, применяемых для поддержания абсорбера при более низкой температуре, как это обсуждали выше.

Первый раствор 144 затем обычно пропускают через насос 146 для хладагента, с получением первого раствора 148 с повышенным давлением. Это давление составляет примерно от 1,1 до 2,0 МПа (от 11 до 20 бар). Затем первый раствор 148 можно направить в десорбер 128. Тепло из потока 126 СO₂ передается первому раствору 148, в десорбере. При этом поток 126 СO₂ выходит из десорбера 128 в виде потока 130 относительно более холодного СO₂. В этом процессе хладагент в первом растворе 148 испаряют и большей частью отделяют от растворителя, с получением второго раствора. Парообразный хладагент 154 затем можно направить из десорбера 128 в конденсатор 150 хладагента. Второй раствор хладагента в растворителе обычно остается в десорбере 128. (Второй раствор образуется, когда хладагент испаряют из первого раствора 148.)

Для переноса второго раствора из десорбера в абсорбер можно использовать дополнительный контур (иногда называемый «контур раствора», показанный на описанном ниже Фиг.3). Дополнительный контур может включать дополнительные теплообменники и клапаны для поддержания температуры и давления второго раствора в процессе его переноса из десорбера в абсорбер. Конденсатор 150 хладагента обеспечивает сконденсированный жидкий хладагент 156. В некоторых воплощениях конденсатор 150 хладагента может быть обеспечен внешним механизмом охлаждения, например, с использованием воды или атмосферного воздуха. Этот тип охлаждающего потока может поступать в конденсатор 150 хладагента при более низкой температуре 149 и выходить из конденсатора 150 хладагента при более высокой температуре 151. (Снова цифровые обозначения указывают потоки при различных уровнях температуры.)

Поток 156 жидкого хладагента затем можно пропустить через устройство 158 для снижения давления, в котором давление понижают, например, до примерно от 0,7 до 0,9 МПа (от 7 до 9 бар). Устройство 158 для снижения давления может представлять собой одно из различных устройств, например дроссельный клапан или детандер. При прохождении через устройство 158 для снижения давления поток 156 становится потоком 160 относительно холодного хладагента. Затем поток 160 хладагента используют для того, чтобы сконденсировать поток 134 СO₂, поступающий в испаритель 136, с получением потока 138 жидкого СO₂. При этом поток 160 хладагента испаряют в теплообменнике 136 с получением потока 140 парообразного хладагента. Затем поток 140 может снова проходить через абсорбер 142, с получением первого раствора 144, таким образом замыкая контур 104. Концентрация хладагента в первом растворе обычно выше, чем концентрация хладагента во втором растворе.

В некоторых воплощениях можно обеспечить дополнительные теплообменники, чтобы нагревать потоки СO₂ до необходимой температуры. Специалисту понятно, что теплообменники можно обеспечить в необходимых положениях во втором контуре, чтобы поддерживать тепловой баланс в контуре. В одном из воплощений дополнительный теплообменник можно обеспечить между конденсатором/испарителем 136 и абсорбером 142. Теплообменник, помещенный в этом положении, может служить для регулирования (т.е. повышения) температуры парообразного хладагента 140.

В одном из воплощений в системе используют тепло рабочей среды, оставшейся после расширения в детандере, для нагревания десорбера. Однако в воплощениях, в которых конфигурация цикла Ренкина не обеспечивает достаточное количество тепла, или в которых уровень температуры ниже необходимого уровня, можно также использовать дополнительные источники тепла. Пригодные дополнительные источники тепла включают, например, остаточное отходящее тепло, получаемое из котла для СO₂; или тепло, обеспечиваемое вспомогательным, работающим на топливе, котлом.

В некоторых воплощениях находящийся при высоком давлении пар хладагента и смесь 154 растворов, выходящую из десорбера, можно пропустить через ректификационную колонну, в которой большую часть оставшегося хладагента отделяют от раствора. Пар хладагента, выходящий из ректификационной колонны, затем можно пропустить через конденсатор 150 хладагента.

Хладагентом обычно является вода или аммиак. Если не указано иное, в случае аммиака обеспечивают давление (например, примерно от 0,7 до 0,9 МПа (от 7 до 9 бар)). (Следует понимать, что величины давления для других типов хладагентов, таких как вода, могут быть ниже.) Растворителем является либо вода (для аммиака), либо раствор бромида лития в воде.

Как видно на Фиг.2, обеспечена система 200 получения энергии на основе некоторых воплощений изобретения. Система 200 включает первый контур 202. Первый контур 202 представляет собой пример работающего на диоксиде углерода цикла рекуперации с двукратным расширением, для извлечения отходящего тепла. Первый контур 202 объединен со вторым контуром 204. Второй контур 204 представляет собой цикл абсорбционного холодильника. Первый контур 202 обычно начинается от насоса 210. Поток 212 жидкого СO₂, имеющий температуру примерно от 10 до 30°С, можно перекачивать посредством насоса 210 в котел-утилизатор 214. В некоторых воплощениях котел-утилизатор 214 можно снабдить внешним источником тепла, например теплом, получаемым в газовой турбине. Этот источник тепла поступает в котел-утилизатор 214 при более высокой температуре 217 и выходит из котла-утилизатора 214 при более низкой температуре 216 (как это указано цифровыми обозначениями).

Поток 212 СO₂ нагревают, чтобы обеспечить поток 218 парообразного СO₂, который обычно имеет температуру примерно от 350°С до 500°С. Затем поток 218 парообразного СO₂ проходит через первый детандер 220 с получением потока 226 более холодного СO₂. Температуру и давление парообразного потока 218 СO₂ часто снижают в процессе расширения до давления примерно от 6 до 10 МПа (от 60 до 100 бар) и температуры примерно от 250 до 350°С, чтобы получить поток 226 более холодного СO₂. Первый детандер 220 можно соединить с генератором 224 посредством вала 222. Затем поток 226 более холодного СO₂ может проходить через рекуператор 228 промежуточной температуры. Поток 226 СO₂ дополнительно охлаждают при пропускании через рекуператор 228 с получением потока 230 еще более охлажденного СO₂, обычно имеющего температуру примерно от 50 до 100°С. Поток 230 охлажденного СO₂ затем можно пропустить через смесительное ответвление 232.

Параллельно прохождению первой порции потока 212 жидкого СO₂ (а иногда одновременно с ним), вторую порцию потока 234 жидкого СO₂ перекачивают посредством насоса 210 в рекуператор 228. Тепло из потока 226 СO₂, проходящего через рекуператор, переходит во вторую порцию потока 234 жидкого СO₂, с получением, в результате поставки тепла, потока 236 парообразного СO₂, имеющего температуру, которая обычно составляет примерно от 240 до 340°С. Затем поток 236 парообразного СO₂ можно пропустить через второй детандер 238. Детандер 238 обычно соединен с генератором 224 посредством части вала 240. Поток 242 более холодного СO₂ (т.е., более холодный, чем поток 236 парообразного СO₂), обычно имеющий температуру примерно от 150 до 200°С, выходит из второго детандера 238, а затем его пропускают через десорбер 244, с получением потока 246 относительно холодного СO₂. Поток 246 СO₂ может иметь температуру примерно от 70 до 120°С. Затем поток 246 СO₂ можно пропустить через смесительное ответвление 232. Два потока СO₂ (230 и 246) можно смешать в ответвлении 232, а затем пропустить через холодильник 248. В некоторых воплощениях холодильник 248 можно обеспечить внешним механизмом охлаждения, как это описано для других воплощение. В качестве примера, охлаждающая среда может поступать в холодильник 248 при более низкой температуре 250 и выходить из холодильника 248 при более высокой температуре 251. Поток 252 охлажденного СO₂, обычно имеющий температуру примерно от 30 до 55°С, может затем проходить через конденсатор 254, с получением потока 256 жидкого СO₂, который обычно имеет температуру примерно от 20 до 30°С, замыкая, таким образом, первый контур 202.

Система 204 абсорбционного холодильника объединена с первым контуром 202. Конденсатор 245 первого контура обычно охлаждают с использованием потока 278 по существу жидкого хладагента (например, воды или аммиака). При этом поток 278 хладагента обычно испаряют в конденсаторе 254 с получением потока 258 парообразного хладагента. Таким образом, в одном воплощений конденсатор 254 первого контура 202 функционирует как испаритель 254 второго контура 204.

Поток 258 парообразного хладагента можно пропустить в абсорбер 260. В абсорбере 260 обычно находится второй раствор хладагента в растворителе (не показан на чертеже). Поток 258 парообразного хладагента можно растворить во втором растворе с образованием первого раствора (262) хладагента в растворителе, имеющего давление примерно от 0,7 до 0,9 МПа (от 7 до 9 бар) и температуру примерно от 20 до 25°С. (Как описано для предшествующих воплощений, температура и давление могут изменяться для данной ситуации и данного хладагента, и обычно они не зависят друг от друга.) Тепло, поглощенное из потока 258 парообразного хладагента абсорбером 260, можно отводить в окружающую атмосферу, как это обсуждали выше в описании Фиг.1.

Затем первый раствор 262 можно пропустить через насос 264 для хладагента, чтобы повысить его давление. Затем первый раствор 266, имеющий более высокое давление, можно пропустить через десорбер 244. Тепло из потока 242 СO₂ переносят в первый раствор 266 в десорбере 244. В процессе этого поток 242 СO₂ можно затем преобразовать в поток 246 более холодного СO₂, который выходит из десорбера 244. В этом процессе хладагент в первом растворе 266 испаряют, и парообразный хладагент 272 проходит из десорбера 244 в конденсатор 268 хладагента. Второй раствор хладагента в растворителе (не показан на чертеже) остается в десорбере 244. (Второй раствор обычно образуется, когда хладагент испаряется из первого раствора 266.) Для перемещения второго раствора из десорбера к абсорберу можно использовать дополнительный контур, который обсуждают ниже в отношении Фиг.3. Дополнительный контур может включать дополнительные теплообменники и клапаны, чтобы поддерживать температуру и давление второго раствора хладагента при перемещении его из десорбера в абсорбер. Конденсатор 268 хладагента обеспечивает сконденсированный жидкий хладагент 274. В некоторых воплощениях конденсатор 268 хладагента можно снабдить внешним механизмом охлаждения, как это описано ранее. Таким образом, охлаждающая среда обычно может поступать в конденсатор 268 хладагента при более низкой температуре 269 и выходить из конденсатора 267 хладагента при более высокой температуре 270.

Затем поток 274 жидкого хладагента можно пропустить через устройство 276 для снижения давления, где его давление снижают, обычно до примерно 0,7-0,9 МПа (7-9 бар), при температуре примерно от 15 до 20°С. При прохождении через устройство 276 для снижения давления поток преобразуют в поток 278 относительно холодной двухфазной смеси жидкого и парообразного хладагента. Затем поток 278 хладагента можно использовать для конденсации потока 252 СO₂, поступающего в конденсатор 254, с получением потока 256 жидкого СO₂. В ходе этого поток 278 хладагента испаряют в испарителе 254 с получением потока 258 парообразного хладагента. Из испарителя 254 можно направить парообразный хладагент обратно в абсорбер 260. Как упомянуто выше, концентрация хладагента в первом растворе хладагента обычно выше, чем концентрация хладагента во втором растворе хладагента (в расчете на количество присутствующего растворителя).

Как видно на Фиг.3, обеспечена система 300 получения энергии в соответствии с некоторыми воплощениями изобретения. Система 300 включает первый контур 102 и второй контур 104, как в общем описано выше по отношению к Фиг.1 (там, где это возможно, применены одинаковые цифровые обозначения). Система 300 может дополнительно включать дополнительный контур 306. Дополнительный контур 306, как описано выше, обеспечивает перенос второго раствора 362 из десорбера 128 в абсорбер 142. Дополнительный контур 306 может включать дополнительные теплообменники 364 и устройства 366 для снижения давления, чтобы поддерживать температуру и давление второго раствора 362 по мере его перемещения из десорбера 128 в абсорбер 142.

В одном из воплощений данное изобретение обеспечивает суммарный выигрыш по энергии для работающего на СO₂ цикла Ренкина порядка 10%, по сравнению с циклом без введенного абсорбционного холодильника, при одинаковых или идентичных условиях окружающей среды. Для более высоких температур окружающей среды этот выигрыш может увеличиваться, в то время как этот выигрыш может быть ниже при холодных температурах окружающей среды, когда конденсация возможна без применения абсорбционного холодильника. Эта система конденсации может обеспечить значительные преимущества для новых работающих на СO₂ циклов Ренкина для извлечения отходящего тепла и может позволить осуществлять работу с высокой эффективностью при температурах окружающей среды выше примерно 20°С.

Хотя данное изобретение было подробно описано в связи с рядом воплощений, оно не ограничено этими раскрытыми воплощениями. Данное изобретение можно модифицировать таким образом, чтобы оно включало любое количество изменений, переустройств, замен или эквивалентных компоновок, не описанных ранее, но соответствующих области защиты данного изобретения. Кроме того, хотя описаны различные воплощения данного изобретения, следует понимать, что аспекты данного изобретения могут включать только некоторые из описанных воплощений. Соответственно, не следует рассматривать данное изобретение, как ограниченное предшествующим описанием; оно ограничено только объемом прилагаемой формулы изобретения.

Список обозначений

100 система получения энергии

102 первый контур

104 второй контур

110 насос

112 поток жидкого СO₂

114 рекуператор промежуточной температуры

116 поток жидкого СO₂ с повышенным теплосодержанием

117 обозначающий элемент

118 котел-утилизатор

119 обозначающий элемент

120 поток парообразного СO₂

122 детандер

124 поток СO₂

126 поток СO₂

128 десорбер

130 поток СO₂

131 обозначающий элемент

132 холодильник

133 обозначающий элемент

136 конденсатор

138 поток жидкого СO₂

140 поток парообразного хладоагента

142 абсорбер

144 растворитель

146 насос для хладагента

148 раствор

150 конденсатор для хладагента

151 повышенная температура

154 смесь растворов

156 поток

158 устройство для снижения давления

160 поток хладагента

200 система получения энергии

202 первый контур

204 второй контур

210 насос

212 поток жидкого СO₂

214 котел-утилизатор

216 обозначенный элемент

217 температура

218 поток парообразного СO₂

220 первый детандер

222 вал

224 генератор

226 более холодный поток СO₂

228 рекуператор

230 более холодный поток СO₂

232 смешивающее соединение

234 поток жидкого СO₂

236 поток парообразного СO₂, полученный в результате передачи тепла

240 вал

242 поток более холодного СO₂

244 десорбер

246 поток холодного СO₂

248 холодильник

250 более низкая температура

251 более высокая температура

252 поток охлажденного СO₂

254 конденсатор

256 поток жидкого СO₂

258 поток парообразного хладагента

260 абсорбер

262 растворитель

264 насос для хладагента

266 первый раствор

268 конденсатор для хладагента

269 более низкая температура

270 более высокая температура

272 парообразный хладагент

274 сконденсированный жидкий хладагент

276 устройство для снижения давления

278 поток хладагента

300 система получения энергии

306 дополнительный контур

362 второй раствор

364 дополнительные теплообменники

366 устройства для снижения давления.

Изобретение относится к энергетике. Система получения энергии включает работающий на диоксиде углерода цикл Ренкина для извлечения тепла, объединенный с циклом абсорбционного холодильника. Цикл Ренкина включает конденсатор и десорбер. Конденсатор цикла Ренкина объединен с испарителем цикла абсорбционного холодильника. Цикл Ренкина и цикл абсорбционного холодильника объединены в десорбере. Изобретение позволяет повысить эффективность получения энергии. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система получения энергии, включающая:
контур циркуляции первой рабочей среды цикла Ренкина, включающий нагреватель, детандер, рекуператор, конденсатор для первой рабочей среды, десорбер, насос для первой рабочей среды и первую рабочую среду, содержащую СО₂, объединенный с
циклом абсорбционного холодильника, включающим контур циркуляции второй рабочей среды, который сам по себе включает испаритель, абсорбер, насос для второй рабочей среды, десорбер, конденсатор для второй рабочей среды и вторую рабочую среду, содержащую хладагент;
в которой цикл Ренкина и цикл абсорбционного холодильника объединены в десорбере и конденсатор цикла Ренкина функционирует как испаритель цикла абсорбционного холодильника.

2. Система по п. 1, в которой контур циркуляции первой рабочей среды цикла Ренкина дополнительно включает холодильник.

3. Система по п. 1, в которой цикл абсорбционного холодильника дополнительно включает по меньшей мере один теплообменник.

4. Система по п. 1, в которой цикл абсорбционного холодильника дополнительно включает дополнительный контур для рабочей среды, для перемещения раствора хладагента в растворителе между десорбером и абсорбером.

5. Система получения энергии, включающая:
первый контур, включающий работающий на диоксиде углерода рекуперационный цикл Ренкина для извлечения отходящего тепла с однократным расширением, объединенный со вторым контуром, включающим цикл абсорбционного холодильника,
в которой первый контур включает:
рекуператор, предназначенный для приема потока жидкого СО₂ и получения потока жидкого СО₂ с повышенным теплосодержанием;
котел-утилизатор, предназначенный для приема потока жидкого СО₂ с повышенным теплосодержанием и получения потока парообразного СО₂;
первый детандер, предназначенный для приема потока парообразного СО₂ и получения потока расширенного СО₂;
где рекуператор предназначен также для приема потока расширенного СО₂ и получения потока более холодного СО₂;
десорбер, предназначенный для приема потока более холодного СО₂ и для дополнительного снижения его температуры;
холодильник, предназначенный для приема потока охлажденного СО₂ и получения потока еще более холодного СО₂, имеющего температуру примерно от 35 до 55°C, и
конденсатор СО₂, предназначенный для приема потока охлажденного СО₂ и получения потока жидкого СО₂, который можно перекачать обратно в рекуператор с использованием насоса для СО₂, при этом конденсатор объединен с испарителем цикла абсорбционного холодильника;
где второй контур включает:
испаритель цикла абсорбционного холодильника, предназначенный для приема по существу жидкого хладагента и получения парообразного хладагента;
абсорбер, предназначенный для приема парообразного хладагента и получения первого раствора хладагента в растворителе, при этом второй раствор хладагента в растворителе находится в абсорбере;
насос для хладагента, предназначенный для приема первого раствора и повышения его давления;
где десорбер предназначен также для приема первого раствора, имеющего повышенное давление, и получения парообразного хладагента и второго раствора; при этом концентрация хладагента в первом растворе выше, чем концентрация хладагента во втором растворе;
конденсатор хладагента, предназначенный для приема парообразного хладагента и получения жидкого хладагента, и
устройство для снижения давления, предназначенное для приема жидкого хладагента и снижения его давления для обеспечения возможности подачи его в испаритель, и
испаритель цикла абсорбционного холодильника обеспечивает возможность направлять парообразный хладагент обратно в абсорбер.

6. Система по п. 5, в которой цикл абсорбционного холодильника дополнительно содержит теплообменник, предназначенный для приема парообразного хладагента из испарителя и обеспечения парообразного хладагента с повышенным теплосодержанием для абсорбера.

7. Система получения энергии, включающая:
первый контур, включающий работающий на диоксиде углерода рекуперационный цикл Ренкина для извлечения отходящего тепла с двукратным расширением, объединенный со вторым контуром, включающим цикл абсорбционного холодильника,
в которой первый контур включает:
котел-утилизатор, предназначенный для приема первой порции потока жидкого СО₂ и получения нагретой первой порции потока СО₂;
первый детандер, предназначенный для приема нагретой первой порции потока СО₂ и получения расширенной первой порции потока СО₂;
рекуператор, предназначенный для приема расширенной первой порции потока СО₂ и получения более холодной первой порции потока СО₂; при этом рекуператор предназначен также для приема второй порции потока жидкого СО₂ и получения второй порции потока СО₂ с повышенным теплосодержанием;
второй детандер, предназначенный для приема второй порции потока СО₂ с повышенным теплосодержанием и получения расширенной второй порции потока CO₂;
десорбер, предназначенный для приема расширенной второй порции потока СО₂ и получения более холодной второй порции потока СО₂;
холодильник, предназначенный для приема охлажденной первой порции потока CO₂ и охлажденной второй порции потока CO₂ и получения потока еще более холодного СО₂, имеющего температуру примерно от 35 до 55°C;
конденсатор первой рабочей среды, предназначенный для приема охлажденного потока СО₂, объединенный с испарителем цикла абсорбционного холодильника и способный производить поток жидкого СО₂, который можно перекачать обратно в качестве первой порции и второй порции потока жидкого СО₂, используя насос для CO₂;
в которой второй контур включает:
испаритель цикла абсорбционного холодильника, предназначенный для приема по существу жидкого хладагента и получения парообразного хладагента;
абсорбер, предназначенный для приема парообразного хладагента и получения первого раствора хладагента в растворителе, при этом второй раствор хладагента в растворителе содержится в абсорбере;
насос для второй рабочей среды, предназначенный для приема первого раствора и повышения его давления;
где десорбер предназначен также для приема первого раствора с повышенным давлением и получения парообразного хладагента и второго раствора, при этом концентрация хладагента в первом растворе выше, чем концентрация хладагента во втором растворе;
конденсатор хладагента, предназначенный для приема парообразного хладагента и получения жидкого хладагента;
устройство для снижения давления, предназначенное для приема жидкого хладагента и снижения его давления для обеспечения возможности подачи его в испаритель, и
испаритель цикла абсорбционного холодильника обеспечивает возможность направлять парообразный хладагент обратно в абсорбер.

8. Система по п. 7, в которой трубопровод или контейнер улавливает тепло CO₂, оставшееся после расширения, и обеспечивает возможность передачи этого тепла в десорбер.