Система с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла (варианты) и способ утилизации отработанного тепла Российский патент 2017 года по МПК F01K25/10 F01K7/32 F02G5/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Варианты выполнения изобретения, описанные в этом документе, в целом относятся к способам и системам и, более конкретно, к способам использования систем с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Имеется широкий спектр промышленных и коммерческих процессов, которые генерируют отработанное тепло. Термин «отработанное тепло» относится к остаточному теплу, выделяемому первичными процессами, которое традиционно не используется в качестве источника энергии. Традиционные источники отработанного тепла в промышленной эксплуатации включают тепло от отопления помещений, котлов, двигателей и систем охлаждения. Утилизационные тепловые циклы используют отработанное тепло от источника тепла, например, выхлопные газы двигателя, и преобразуют эту тепловую энергию в электричество. Типичный органический цикл Ренкина (ORC), используемый в качестве утилизационного цикла, показан на Фиг. 1.

Фиг. 1 содержит нагреватель/котел 12, который получает отработанное тепло от источника тепла (например, выхлопные газы газовой турбины). Нагретая рабочая текучая среда проходит в турбину 14, где она преобразуется в механическую энергию для приведения в действие генератора 16. В результате затем рабочая текучая среда с пониженной температурой и давлением передается в конденсатор 18, где она превращается в жидкость, которая нагнетается с помощью насоса 20 назад в нагреватель/котел 12. В таких системах традиционной рабочей текучей средой является органическая текучая среда, такая как n-пентан. Такой цикл может принять отработанное тепло при температуре, которая несколько выше точки кипения органической рабочей текучей среды и, как правило, выпускает тепло в окружающий воздух или воду при температуре, которая несколько ниже точки кипения органической рабочей текучей среды.

Использование такого цикла описано, например, в заявке на патент США №2013/0112321 (Т. Дж. Хелд, 07.11.2011). Указанный утилизационный цикл реализован в системе, содержащей последовательно соединенные теплообменник для передачи тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде, детандер для расширения рабочей текучей среды и производства механической энергии, рекуператор, конденсатор для изменения состояния рабочей текучей среды и насос для нагнетания рабочей текучей среды обратно в рекуператор. При этом рекуператор проточно соединен с теплообменником, так что рабочая текучая среда следует по замкнутому контуру.

Одним из недостатков цикла ORC является то, что большинство органических рабочих текучих сред являются легковоспламеняющимися или опасными. Чтобы избежать любой утечки или непосредственного контакта органической текучей среды с источником тепла, необходимы дополнительные меры безопасности. Традиционно используется дополнительный промежуточный теплоноситель, такой как замкнутый контур на диатермическом масле между источником тепла и органической текучей средой. Это увеличивает стоимость и сложность системы и снижает КПД. Кроме того, КПД органического утилизационного цикла в значительной степени зависит от выбора органической текучей среды, которая позволяет использовать только определенный диапазон рабочих температур, в зависимости от ее химических характеристик. Большинство существующих систем ORC до сих пор работают при относительно низкой температуре рабочей текучей среды, из-за ограничений в химических характеристиках текучей среды. Для высокотемпературных приложений, таких как утилизация отработанного тепла из выхлопных газов двигателя, выбор рабочей текучей среды ограничен, поскольку возникают такие вопросы, как термическая стабильность и температура самовоспламенения рабочей текучей среды.

Было бы желательно иметь простую систему и способ, в которых бы эффективно осуществлялась утилизация отработанного тепла и преодолевались упомянутые выше недостатки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним вариантом выполнения предложена система с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла. Система с замкнутым циклом содержит теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде, детандер, проточно соединенный с выходным отверстием теплообменника и выполненный с возможностью расширения рабочей текучей среды и производства механической энергии, рекуператор, проточно соединенный с выходным отверстием детандера и выполненный с возможностью отвода тепла от рабочей текучей среды, и конденсаторный узел, проточно соединенный с выходным отверстием рекуператора и выполненный с возможностью конденсации рабочей текучей среды. Указанный конденсаторный узел содержит многоступенчатый компрессор, проточно соединенный с первым охлаждающим устройством и вторым охлаждающим устройством, при этом первое охлаждающее устройство расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора, второе охлаждающее устройство расположено ниже по потоку от упомянутого многоступенчатого компрессора. Кроме того, конденсаторный узел выполнен с возможностью изменения состояния рабочей текучей среды с переходом в сверхкритическое состояние. Система также содержит насос, проточно соединенный с выходным отверстием конденсаторного узла и выполненный с возможностью нагнетания сконденсированной рабочей текучей среды обратно в рекуператор. Рекуператор проточно соединен с теплообменником, так что рабочая текучая среда следует по замкнутому пути.

Многоступенчатый компрессор выполнен с возможностью сжатия рабочей текучей среды, а первое охлаждающее устройство и второе охлаждающее устройство проточно соединены с многоступенчатым компрессором и выполнены с возможностью охлаждения рабочей текучей среды.

В упомянутой системе с замкнутым циклом первое охлаждающее устройство расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора и выполнено с возможностью охлаждения рабочей текучей среды для достижения заданной температуры, и второе охлаждающее устройство расположено ниже по потоку от многоступенчатого компрессора и выполнено с возможностью охлаждения и конденсации рабочей текучей среды.

Многоступенчатый компрессор может содержать по меньшей мере один промежуточный теплообменник, расположенный между соседними ступенями.

Изменение состояния рабочей текучей среды в сверхкритическое состояние происходит в многоступенчатом компрессоре, который может содержать зубчатое колесо и высокоскоростные шестерни.

В соответствии с другим вариантом выполнения предложен способ утилизации отработанного тепла в системе с замкнутым циклом, включающий перенос тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде, расширение нагретой рабочей текучей среды для производства механической энергии, охлаждение расширенной рабочей текучей среды, конденсацию охлажденной рабочей текучей среды для изменения фазового состояния рабочей текучей среды в жидкую фазу, нагнетание сконденсированной рабочей текучей среды и нагревание нагнетаемой рабочей текучей среды путем переноса тепла от расширенной рабочей текучей среды. При этом охлаждение расширенной рабочей текучей среды и конденсацию охлажденной рабочей текучей среды выполняют в конденсаторном узле, содержащем многоступенчатый компрессор, проточно соединенный с первым охлаждающим устройством и вторым охлаждающим устройством, при этом первое охлаждающее устройство расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора, второе охлаждающее устройство расположено ниже по потоку от упомянутого многоступенчатого компрессора, и конденсаторный узел выполнен с возможностью изменения состояния рабочей текучей среды с переходом в сверхкритическое состояние.

В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения предложена закритическая система с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла, содержащая теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде, детандер, проточно соединенный с выходным отверстием теплообменника и выполненный с возможностью расширения рабочей текучей среды и производства механической энергии, рекуператор, проточно соединенный с выходным отверстием детандера и выполненный с возможностью отвода тепла от рабочей текучей среды, узел охлаждения, проточно соединенный с выходным отверстием рекуператора и выполненный с возможностью охлаждения рабочей текучей среды, причем указанный узел охлаждения содержит первое охлаждающее устройство, многоступенчатый компрессор и второе охлаждающее устройство, при этом узел охлаждения выполнен с возможностью изменения состояния рабочей текучей среды с переходом в сверхкритическое состояние, и насос, проточно соединенный с выходным отверстием узла охлаждения и выполненный с возможностью нагнетания охлажденной рабочей текучей среды обратно в рекуператор. В указанной системе рекуператор проточно соединен с теплообменником, так что рабочая текучая среда следует по замкнутому пути, при этом первая часть кривой, определяющей закритический замкнутый цикл на фазовой диаграмме давление-энтальпия рабочей текучей среды, расположена выше критической точки рабочей текучей среды, вторая часть указанной кривой расположена ниже критической точки рабочей текучей среды и справа от парового купола рабочей текучей среды, и по меньшей мере одна точка указанной кривой имеет первую температуру, которая ниже второй температуры в критической точке рабочей текучей среды, причем в указанной по меньшей мере одной точке кривой рабочая текучая среда имеет плотную фазу, которая ведет себя по существу как жидкость, хотя может быть и газом.

В указанной закритической системе многоступенчатый компрессор выполнен с возможностью сжатия рабочей текучей среды, при этом первое охлаждающее устройство и второе охлаждающее устройство проточно соединены с многоступенчатым компрессором и выполнены с возможностью охлаждения рабочей текучей среды. Кроме того, первое охлаждающее устройство может быть расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора и выполнено с возможностью охлаждения рабочей текучей среды для достижения заданной температуры, а второе охлаждающее устройство может быть расположено ниже по потоку от многоступенчатого компрессора и выполнено с возможностью охлаждения рабочей текучей среды.

Многоступенчатый компрессор может содержать по меньшей мере один промежуточный теплообменник, расположенный между соседними ступенями. Изменение состояния рабочей текучей среды в сверхкритическое состояние происходит в многоступенчатом компрессоре, который при этом может содержать зубчатое колесо и высокоскоростные шестерни.

Предложенные системы с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла и способ утилизации отработанного тепла обеспечивают возможность утилизации тепла при относительно высоких температурах рабочей текучей среды и без использования дополнительного промежуточного теплоносителя, позволяя при этом упростить конструкцию указанной системы и снизить ее стоимость.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, которые включены в настоящее описание и составляют его часть, иллюстрируют один или несколько вариантов выполнения и, вместе с описанием, объясняют эти варианты выполнения. На чертежах:

Фиг. 1 представляет собой схему в целом известной системы с замкнутым органическим циклом Ренкина;

Фиг. 2 представляет собой схему системы с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг. 3 представляет собой схему типичного многоступенчатого компрессора со встроенным редуктором;

Фиг. 4 изображает фазовую диаграмму давления от энтальпии для рабочей текучей среды посредством системы с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг. 5 представляет собой схему системы с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла, проиллюстрированную с конкретными температурами и давлениями, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг. 6 представляет собой схему системы с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла с использованием холодильного узла, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг. 7 иллюстрирует механическое расположение элементов системы с замкнутым циклом утилизации отработанного тепла, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, и

Фиг. 8 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ утилизации отработанного тепла, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Последующее описание иллюстративных вариантов выполнения дано со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения. Для простоты последующие варианты выполнения обсуждаются применительно к терминологии и конструкции системы, содержащей многоступенчатый компрессор со встроенным редуктором, многоступенчатый радиальный (или осевой) детандер и насос. Тем не менее, варианты выполнения, которые будут обсуждаться далее, не ограничиваются этими системами, а могут быть применены к другим системам, в которых используются многоступенчатые компрессоры, насосы и детандеры в замкнутом цикле.

Ссылка в описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с каким-либо вариантом выполнения, включены в по меньшей мере один вариант выполнения раскрытого объекта изобретения. Таким образом, появление в различных местах описания фраз «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» не обязательно означает ссылку на один и тот же вариант выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.

В соответствии с обсуждаемым в этом документе вариантом выполнения, раскрыта система для утилизации отработанного тепла. Иллюстративная система для утилизации отработанного тепла использует источник тепла для обеспечения более высокого теплового КПД утилизации отработанного тепла для производства электроэнергии. Источник тепла может включать двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, геотермальные, солнечные, промышленные и бытовые источники тепла или аналогичные им.

На Фиг. 2 показана система 10 с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения. Система 10 содержит теплообменник 25, детандер 27, рекуператор 29, конденсаторный узел 31 и насос 39 в последовательном расположении по потоку, образующие замкнутый контур. Внешний источник 23 тепла находится в состоянии теплообмена с теплообменником 25. Рабочая текучая среда последовательно проходит через теплообменник 25, детандер 27, рекуператор 29, конденсаторный узел 31, снова в рекуператор 29 и обратно в теплообменник 25. Таким образом, рабочая текучая среда следует по замкнутому пути и не взаимодействует с внешней средой или любой другой текучей средой. Детандер 27 может представлять собой многоступенчатый детандер, а насос 39 может представлять собой многоступенчатый насос. Конденсаторный узел 31 содержит многоступенчатый компрессор 35, проточно соединенный с первым охлаждающим устройством 33 и вторым охлаждающим устройством 37. Первое охлаждающее устройство 33 расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора, а второе охлаждающее устройство 37 расположено ниже по потоку от многоступенчатого компрессора. В одном варианте выполнения охлаждающие устройства 33 и 37 могут представлять собой теплообменник типа ребристых труб или кожухотрубный теплообменник. В качестве охлаждающей среды такой теплообменник может использовать воздух или воду.

В одном приложении многоступенчатый компрессор представляет собой компрессор со встроенным редуктором. Компрессоры со встроенным редуктором (например, SRL компрессоры, производимые компанией Nuovo Pignone S.p.A., Флоренция, Италия) используются в ряде приложений, связанных с нефтью и газом, либо в условиях низкого расхода/высокого давления, либо высокого расхода/низкого давления. Компрессор этого типа, который изображен на Фиг. 3, имеет зубчатое колесо 66 и от одного до четырех высокоскоростных шестерен 68. На каждом шестеренчатом валу может быть установлено одно или два рабочих колеса 70, как показано на Фиг. 3. Между ступенями может быть предусмотрен промежуточный теплообменник 72, предназначенный для охлаждения рабочей текучей среды, когда она проходит от одной ступени компрессора к другой ступени компрессора. В одном иллюстративном варианте выполнения промежуточный теплообменник 72 может представлять собой теплообменник типа ребристых труб или кожухотрубный теплообменник. Такой теплообменник в качестве охлаждающей среды может использовать воздух или воду.

Компрессоры со встроенным редуктором обеспечивают возможность осуществления промежуточного охлаждения за каждой ступенью, в результате чего уменьшается потребляемая мощность и увеличивается общее КПД. Кроме того, имеется возможность предусмотреть за каждой ступенью направляющие лопатки, увеличивая, тем самым, диапазон функциональности, по сравнению с традиционным многоступенчатым компрессором с одним валом.

Снова со ссылкой на Фиг. 2, первое охлаждающее устройство 33 расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора 35 и выполнено с возможностью охлаждения рабочей текучей среды. Первое охлаждающе устройство 33, изображенное на Фиг. 2, и промежуточный теплообменник 72, изображенный на Фиг. 3, выполнены с возможностью увеличения плотности рабочей текучей среды, что, следовательно, приводит к повышению КПД сжатия. Второе охлаждающее устройство 37 расположено ниже по потоку от многоступенчатого компрессора 35 и выполнено с возможностью охлаждения рабочей текучей среды для изменения фазового состояния рабочей текучей среды из газа в жидкость. В одном иллюстративном варианте выполнения охлаждающие устройства 33 и 37 могут представлять собой теплообменник типа ребристых труб или кожухотрубный теплообменник. В качестве охлаждающей среды такой теплообменник может использовать воздух или воду.

Рабочая текучая среда может представлять собой СО₂ или любую другую негорючую, нетоксичную, неагрессивную текучую среду, имеющую высокую молекулярную плотность и способность выдерживать высокие температуры (такую как азот или смесь СО₂ с другими инертными газами, такими как гелий). Система для утилизации отработанного тепла с замкнутым циклом в одном варианте выполнения настоящего изобретения является системой с закритическим циклом. Закритический цикл представляет собой термодинамический цикл, в котором рабочая текучая среда проходит как через докритическое, так и через сверхкритическое состояние. Сверхкритическое состояние относится к состоянию текучей среды, когда ее температура и давление имеют значения выше критической точки для этой среды. Критической точкой является самая высокая температура и давление, при которых текучая среда может существовать в равновесии в виде газа и жидкости. В своем сверхкритическом состоянии текучая среда проявляет свойства жидкости и газа. Состояние текучей среды ниже критической точки называется докритическим.

В одном иллюстративном варианте выполнения работа системы 10 может быть описана следующим образом: СО₂ в сверхкритическом состоянии поступает в теплообменник 25, где он получает тепло от внешнего источника 23 тепла. Нагретый CO₂ проходит к детандеру 27, где он охлаждается и приводит во вращение вал детандера 27 для производства механической энергии. В этой ступени давление СО₂ падает ниже критической точки и, таким образом, на выходе из детандера СО₂ находится в газовой фазе (докритическое состояние). Детандер 27 может быть подсоединен к энергоблоку для выработки электроэнергии. Детандер 27 также может быть подсоединен к другим устройствам (например, компрессору или насосу) для обеспечения необходимой энергии для их активации. Пар CO₂ проходит в рекуператор 29, где он охлаждается еще больше и проходит к конденсаторному узлу 31. В конденсаторном узле пар CO₂ охлаждается первым охлаждающим устройством 33, а затем проходит к многоступенчатому компрессору 35. Многоступенчатый компрессор 35 сжимает пар CO₂, циркулируя его ко второму охлаждающему устройству 37. Во время сжатия CO₂ снова переходит в сверхкритическое состояние. Между ступенями для охлаждения CO₂ при переходе от одной ступени компрессора к другой ступени компрессора может быть предусмотрен промежуточный теплообменник 72. Второе охлаждающее устройство 37 охлаждает СО₂, превращая его в жидкую фазу. Жидкий CO₂ передается к насосу 39. Жидкий CO₂ перекачивается и циркулирует с помощью насоса 39 к рекуператору 29. На выходе из насоса СО₂ снова входит в сверхкритическое состояние. СО₂ нагревается в рекуператоре 29, который использует тепло от расширенного CO₂. CO₂ в сверхкритическом состоянии циркулирует обратно в теплообменник 25, завершая замкнутый цикл.

В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения, на Фиг. 4 показана Р-Н фазовая диаграмма (Р обозначает давление, а Н обозначает энтальпию рабочей текучей среды в некоторой точке) для рабочей текучей среды (СО₂) системы 10 с замкнутым циклом. Как уже говорилось ранее, специалистам должно быть понятно, что термодинамические превращения, изображенные на Фиг. 4, являются идеализированными и предназначены для приближения реальных превращений, которые происходят в реальной системе 10. Тем не менее, эти идеальные превращения являются хорошим индикатором характеристик реальной системы.

В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения, на Фиг. 5 показаны различные точки Р-Н диаграммы, изображенной на Фиг. 4, в их физическом расположении в системе 50 с замкнутым циклом. Источник 23 отработанного тепла (например, выхлопные газы двигателя) можно рассматривать при температуре приблизительно 500°С. CO₂ в сверхкритическом состоянии поступает в теплообменник 25 при давлении приблизительно 200 бар и температуре, близкой к 135°С (показано точкой 9 на Фиг. 4). СО₂ нагревается в теплообменнике 25 и достигает температуры приблизительно 428°С. В таком виде CO₂ поступает в детандер 27 при температуре приблизительно 428°С и давлении приблизительно 200 бар (показано точкой 1 на Фиг. 4), в котором он расширяется, вращая вал детандера для производства механической энергии. В этом месте давление пара CO₂ падает приблизительно до 40 бар, тогда как температура снижается приблизительно до 245°С (показано точкой 2), переходя в докритическое состояние. Пар CO₂ затем передается в рекуператор 29, где его температура падает приблизительно до 60°С, а давление остается тем же самым (показано точкой 3). Пар CO₂ затем поступает в конденсаторный узел 31. Пар CO₂ охлаждается в первом охлаждающем устройстве 33, в результате чего его температура падает до 30°С (соответствуя точке 4). CO₂ входит в многоступенчатый компрессор 35 при температуре в 30°С и давлении в 40 бар, в котором он сжимается. Промежуточный теплообменник, расположенный между ступенями компрессора, еще больше охлаждает CO₂ во время сжатия для повышения КПД системы (показано точкой 5). На выходе из компрессора газообразный CO₂ сжимается до давления в 80 бар, а его температура повышается до 52°С (показано точкой 6), в результате чего он переходит в сверхкритическое состояние. Затем CO₂ передается ко второму охлаждающему устройству 37, где он охлаждается до температуры 30°С при постоянном давлении. В этом месте CO₂ превращается в жидкую фазу. CO₂ в жидкой фазе передается к насосу 39 при температуре приблизительно 30°С и давлении приблизительно 80 бар (показано точкой 7). CO₂ в жидкой фазе нагнетается насосом 39 для повышения давления приблизительно до 200 бар и температуры приблизительно до 50°С (показано точкой 8), переходя еще раз в сверхкритическое состояние. Затем CO₂ передается в рекуператор 29, где он нагревается и его температура повышается приблизительно до 135°С, а давление остается тем же самым (показано точкой 9). CO₂ в сверхкритическом состоянии затем передается обратно в теплообменник 23, завершая замкнутый цикл.

Со ссылкой снова на Р-Н диаграмму, показанную на Фиг. 4, куполообразная кривая показывает кривую равновесия пар-жидкость (как правило, называемую «паровым куполом») для CO₂. Критическая точка для CO₂ находится на пике купола. Область ниже этого купола указывает на значения давления и энтальпия, при которых газ и жидкость могут сосуществовать в равновесии. Область над паровым куполом указывает на сверхкритическое состояние CO₂, тогда как область с правой стороны от купола ниже критической области указывает на газообразное состояние CO₂. Как видно на диаграмме, термодинамический цикл, в соответствии с настоящим изобретением, частично находится над паровым куполом (сверхкритическое состояние), а частично находится под паровым куполом (докритическое состояние). Следует отметить, что точки 1, 6, 8 и 9, изображенные на Фиг. 4, указывают на сверхкритическое состояние CO₂, тогда как точки 2, 3, 4 и 5 соответствуют газообразному состоянию CO₂. Точка 7 близка к критической точке, при которой температура CO₂ чуть ниже критической температуры. В этой точке CO₂ достигает плотной фазы, которая ведет себя по существу как жидкость, хотя он может быть и газом. Таким образом, на этом этапе для сжатия CO₂ желательно использовать насос.

Инновационные варианты выполнения, такие как работа системы с замкнутым циклом, используя CO₂ в качестве рабочей текучей среды, с промежуточным охлаждением между ступенями многоступенчатого компрессора и с CO₂ в сверхкритическом состоянии в части замкнутого цикла, помогают повысить КПД всего цикла. В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, все эти варианты выполнения могут быть объединены.

На Фиг. 6 показана система 80 для утилизации отработанного тепла с замкнутым циклом, выполненная в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения. Система 80 содержит внешний источник 23 тепла, находящийся в состоянии теплообмена с теплообменником 25. Рабочая текучая среда проходит через теплообменник 25, детандер 27, рекуператор 29, холодильную установку 45, насос 39, и снова через рекуператор 29, и возвращается в теплообменник 25 для завершения замкнутого цикла. Холодильная установка 45 выполнена с возможностью конденсации рабочей текучей среды, что приводит к фазовому изменению из газа в жидкость. Холодильная установка может представлять собой автономную охлаждающую промышленную установку на основе аммиака с электрическим приводом. Такие коммерческие холодильные установки легко доступны на рынке (например, охлаждающая промышленная установка, производимая компанией York International). Работа системы 80 такая же, что и системы 10, показанной на Фиг. 2, с той лишь разницей, что конденсаторный узел 31 заменен на холодильную установку 45. Соответствующее изменение термодинамического цикла на Р-Н диаграмме Фиг. 4 показано пунктирной линией. Точка 4а на Фиг. 4 показывает начало фазы нагнетания, когда холодильная установка 45 используется как конденсатор. Использование холодильной установки требуется в условиях очень горячей окружающей среды, когда может быть проблематичным достичь конденсации с использованием устройства охлаждения в сочетании с многоступенчатым компрессором, как описано в системе 10 предыдущего варианта выполнения.

На Фиг. 7 показано механическое расположение элементов системы с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла, выполненной в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения. Детандер 27, многоступенчатый компрессор 35 и насос 39 соединены через систему со встроенным редуктором. Все элементы турбины расположены по обе стороны от центральной коробки передач, как показано. Это приводит к компактному расположению, уменьшая общую площадь, занимаемую системой со встроенным редуктором.

Далее, способ утилизации отработанного тепла с использованием системы с замкнутым циклом представлен на Фиг. 8. Способ включает этап 112 переноса отработанного тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде, этап 114 расширения нагретой рабочей текучей среды для производства механической энергии, этап 116 охлаждения расширенной рабочей текучей среды, этап 118 конденсации охлажденной рабочей текучей среды для превращения рабочей текучей среды в жидкую фазу, этап 120 нагнетания сконденсированной рабочей текучей среды, и этап 122 нагрева нагнетаемой рабочей текучей среды путем переноса тепла от расширенной рабочей текучей среды. Этап 118 конденсации рабочей текучей среды включает охлаждение рабочей текучей среды до заданной температуры, сжатие рабочей текучей среды и еще большее охлаждение рабочей текучей среды для ее конденсации.

Раскрытые иллюстративные варианты выполнения обеспечивают систему с замкнутым циклом и способ утилизации отработанного тепла. Следует иметь в виду, что это описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, иллюстративные варианты выполнения предназначены для включения альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые включены в сущность и объем изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, в подробное описание иллюстративных вариантов выполнения включены многочисленные конкретные подробности, в целях обеспечения полного понимания заявленного изобретения. Тем не менее, специалистам должно быть понятно, что различные варианты выполнения могут быть осуществлены без таких конкретных подробностей.

Несмотря на то, что признаки и элементы настоящих иллюстративных вариантов выполнения описаны в этих вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент может использоваться отдельно без других признаков и элементов вариантов выполнения, или в различных комбинациях с другими признаками и элементами, описанными в этом документе, или без них. Настоящее использует примеры объекта изобретения, раскрытого, чтобы дать возможность любому специалисту осуществить изобретение на практике, в том числе создавать и использовать любые устройства или системы и выполнять любые включенные способы. Патентоспособный объем объекта изобретения определяется формулой изобретения, и может включать другие примеры, которые будут очевидны специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры попадают в объем формулы изобретения.

Система с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла содержит теплообменник, детандер, рекуператор, конденсаторный узел и насос. Теплообменник выполнен с возможностью передачи тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде. Детандер проточно соединен с выходным отверстием теплообменника и выполнен с возможностью расширения рабочей текучей среды и производства механической энергии. Рекуператор проточно соединен с выходным отверстием детандера и выполнен с возможностью отвода тепла от рабочей текучей среды. Конденсаторный узел проточно соединен с выходным отверстием рекуператора и выполнен с возможностью конденсации рабочей текучей среды. Указанный конденсаторный узел содержит многоступенчатый компрессор, проточно соединенный с первым охлаждающим устройством и вторым охлаждающим устройством. Первое охлаждающее устройство расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора. Второе охлаждающее устройство расположено ниже по потоку от упомянутого многоступенчатого компрессора. Конденсаторный узел выполнен с возможностью изменения состояния рабочей текучей среды с переходом в сверхкритическое состояние. Насос проточно соединен с выходным отверстием конденсаторного узла и выполнен с возможностью нагнетания сконденсированной рабочей текучей среды обратно в рекуператор. Рекуператор проточно соединен с теплообменником, так что рабочая текучая среда следует по замкнутому пути. Заявленная система утилизации тепла может работать с относительно большим отношением давлений цикла утилизации, благодаря чему появляется возможность использования охлаждающих сред с более низкими температурами и повышается энергетическая эффективность цикла утилизации тепла как вследствие более эффективного теплообмена, так и вследствие сокращения потребления энергии насосом. Таким образом, предложенная система позволяет уменьшить удельную стоимость утилизированного тепла благодаря повышению термодинамической эффективности цикла утилизации тепла. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла, содержащая:

теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде,

детандер, проточно соединенный с выходным отверстием теплообменника и выполненный с возможностью расширения рабочей текучей среды и производства механической энергии,

рекуператор, проточно соединенный с выходным отверстием детандера и выполненный с возможностью отвода тепла от рабочей текучей среды,

конденсаторный узел, проточно соединенный с выходным отверстием рекуператора и выполненный с возможностью конденсации рабочей текучей среды, причем указанный конденсаторный узел содержит многоступенчатый компрессор, проточно соединенный с первым охлаждающим устройством и вторым охлаждающим устройством, при этом первое охлаждающее устройство расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора, второе охлаждающее устройство расположено ниже по потоку от упомянутого многоступенчатого компрессора, и конденсаторный узел выполнен с возможностью изменения состояния рабочей текучей среды с переходом в сверхкритическое состояние, и

насос, проточно соединенный с выходным отверстием конденсаторного узла и выполненный с возможностью нагнетания сконденсированной рабочей текучей среды обратно в рекуператор,

при этом рекуператор проточно соединен с теплообменником, так что рабочая текучая среда следует по замкнутому пути.

2. Система по п. 1, в которой многоступенчатый компрессор выполнен с возможностью сжатия рабочей текучей среды, и первое охлаждающее устройство и второе охлаждающее устройство проточно соединены с многоступенчатым компрессором и выполнены с возможностью охлаждения рабочей текучей среды.

3. Система по п. 1, в которой первое охлаждающее устройство расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора и выполнено с возможностью охлаждения рабочей текучей среды для достижения заданной температуры, и второе охлаждающее устройство расположено ниже по потоку от многоступенчатого компрессора и выполнено с возможностью охлаждения и конденсации рабочей текучей среды.

4. Система по п. 1, в которой многоступенчатый компрессор содержит по меньшей мере один промежуточный теплообменник, расположенный между соседними ступенями.

5. Система по п. 1, в которой изменение состояния рабочей текучей среды в сверхкритическое состояние происходит в многоступенчатом компрессоре, содержащем зубчатое колесо и высокоскоростные шестерни.

6. Способ утилизации отработанного тепла в системе с замкнутым циклом, включающий:

перенос тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде,

расширение нагретой рабочей текучей среды для производства механической энергии,

охлаждение расширенной рабочей текучей среды,

конденсацию охлажденной рабочей текучей среды для изменения фазового состояния рабочей текучей среды в жидкую фазу,

нагнетание сконденсированной рабочей текучей среды и

нагревание нагнетаемой рабочей текучей среды путем переноса тепла от расширенной рабочей текучей среды,

причем охлаждение расширенной рабочей текучей среды и конденсацию охлажденной рабочей текучей среды выполняют в конденсаторном узле, содержащем многоступенчатый компрессор, проточно соединенный с первым охлаждающим устройством и вторым охлаждающим устройством, при этом первое охлаждающее устройство расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора, второе охлаждающее устройство расположено ниже по потоку от упомянутого многоступенчатого компрессора, и конденсаторный узел выполнен с возможностью изменения состояния рабочей текучей среды с переходом в сверхкритическое состояние.

7. Способ по п. 6, в котором на этапе конденсации рабочей текучей среды дополнительно:

охлаждают рабочую текучую среду до заданной температуры,

сжимают рабочую текучую среду и

дополнительно охлаждают рабочую текучую среду для ее конденсации.

8. Закритическая система с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла, содержащая:

теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде,

детандер, проточно соединенный с выходным отверстием теплообменника и выполненный с возможностью расширения рабочей текучей среды и производства механической энергии,

рекуператор, проточно соединенный с выходным отверстием детандера и выполненный с возможностью отвода тепла от рабочей текучей среды,

узел охлаждения, проточно соединенный с выходным отверстием рекуператора и выполненный с возможностью охлаждения рабочей текучей среды, причем указанный узел охлаждения содержит первое охлаждающее устройство, многоступенчатый компрессор и второе охлаждающее устройство, при этом узел охлаждения выполнен с возможностью изменения состояния рабочей текучей среды с переходом в сверхкритическое состояние, и

насос, проточно соединенный с выходным отверстием узла охлаждения и выполненный с возможностью нагнетания охлажденной рабочей текучей среды обратно в рекуператор,

причем рекуператор проточно соединен с теплообменником, так что рабочая текучая среда следует по замкнутому пути,

при этом первая часть кривой, определяющей закритический замкнутый цикл на фазовой диаграмме давление-энтальпия рабочей текучей среды, расположена выше критической точки рабочей текучей среды,

вторая часть указанной кривой расположена ниже критической точки рабочей текучей среды и справа от парового купола рабочей текучей среды, и

по меньшей мере одна точка указанной кривой имеет первую температуру, которая ниже второй температуры в критической точке рабочей текучей среды, причем в указанной по меньшей мере одной точке кривой рабочая текучая среда имеет плотную фазу, которая ведет себя по существу как жидкость, хотя может быть и газом.

9. Система по п. 8, в которой многоступенчатый компрессор выполнен с возможностью сжатия рабочей текучей среды, и первое охлаждающее устройство и второе охлаждающее устройство проточно соединены с многоступенчатым компрессором и выполнены с возможностью охлаждения рабочей текучей среды.

10. Система по п. 8, в которой первое охлаждающее устройство расположено выше по потоку от многоступенчатого компрессора и выполнено с возможностью охлаждения рабочей текучей среды для достижения заданной температуры, и второе охлаждающее устройство расположено ниже по потоку от многоступенчатого компрессора и выполнено с возможностью охлаждения рабочей текучей среды.

11. Система по п. 8, в которой многоступенчатый компрессор содержит по меньшей мере один промежуточный теплообменник, расположенный между соседними ступенями.

12. Система по п. 8, в которой изменение состояния рабочей текучей среды в сверхкритическое состояние происходит в многоступенчатом компрессоре, содержащем зубчатое колесо и высокоскоростные шестерни.