УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАДЕЖНОГО ЗАПУСКА СИСТЕМ С ОРГАНИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ РЕНКИНА (ORC) Российский патент 2018 года по МПК F01K13/02 

Область техники

Изобретение относится к устройству с термодинамическим циклом, в частности, к устройству с органическим циклом Ренкина (Organic Rankine Cycle, ORC), содержащему: рабочую среду; испаритель для испарения рабочей среды; расширительную машину для выработки механической энергии при расширении испаренной рабочей среды; конденсатор для конденсации и возможного переохлаждения рабочей среды, в частности, рабочей среды, расширенной в расширительной машине; и насос для перекачивания сконденсированной рабочей среды к испарителю при работе устройства с термодинамическим циклом. Кроме того, изобретение относится к способу запуска такого устройства с термодинамическим циклом.

Уровень техники

Система с органическим циклом Ренкина состоит из следующих основных компонентов: питающего насоса, который транспортирует жидкую рабочую среду с большим повышением давления к испарителю, испарителя, в котором рабочая среда испаряется, расширительной машины, в которой находящийся под высоким давлением пар расширяется, и при этом вырабатывается механическая энергия, которая посредством генератора может преобразовываться в электрическую энергию, и конденсатора, в котором сжижается пар низкого давления из расширительной машины. Из конденсатора жидкая рабочая среда поступает через возможную накопительную емкость (питающую емкость) и всасывающий трубопровод обратно к питающему насосу системы.

В процессе запуска рабочая среда вначале должна по возможности в достаточном количестве находиться во всасывающем трубопроводе насоса, или также в питающей емкости, так чтобы в течение всего запуска насос имел в распоряжении достаточное количество текучей среды.

Вторым условием бесперебойной транспортировки рабочей среды через насос является достаточная высота подачи приложенной к насосу текучей среды (рабочей среды). Высота подачи (NPSH) является тем параметром, на который наряду с геодезической высотой подачи оказывает влияние также термодинамическое состояние рабочей среды, что будет пояснено ниже. Если переохлаждение (расстояние до точки кипения) текучей среды на входе насоса не является достаточно высоким, то может произойти кратковременное испарение текучей среды на входе насоса. Это явление может привести к повреждениям в насосе и к частичному или полному прекращению транспортируемого потока. При этом говорят о кавитации. Расстояние до давления кипения текучей среды на входе насоса обозначают как высоту подачи. Параметром ее оценки является значение допускаемого кавитационого запаса (Net Positive Suction Head, NPSH). При этом различают между требуемой, специфической для насоса (NPSHr), и приложенной (NPSHa) высотой подачи, при этом приложенное значение NPSHa зависит от нескольких специфичных для установки и эксплуатации параметров (температуры, давления вследствие геодезической высоты подачи, давления насыщения, парциального давления инертного газа, при этом парциальное давление инертного газа является дополнительным парциальным давлением не конденсирующегося газа, который дополнительно может находиться в циркуляционном контуре). Для надежной работы насоса приложенное значение NPSHa должно быть всегда выше требуемого значения NPSHr.

В частности, для циркуляционной системы с органическим циклом Ренкина кавитация представляет собой проблему. Здесь жидкий конденсат должен закачиваться с малым или даже отсутствующим расстоянием до точки кипения и, следовательно, малым приложенным значением NPSHa. Так как требуемое значение NPSHr установлено конструкцией насоса, то на него можно влиять лишь ограниченно, и с технологической точки зрения в каждый момент эксплуатации должно быть обеспечено, что приложенное значение NPSHa не опускается ниже требуемого значения.

В случае прекращения работы системы с ORC, например, вследствие неисправности/остановки источника тепла или вследствие аварийной остановки системы, может произойти неконтролируемое распределение рабочей среды в системе (например, в расширительной машине, горизонтальных трубах или карманах для жидкости), при этом рабочая среда не протекает к питающей емкости. Это может привести к тому, что в распоряжении будет иметься недостаточное количество рабочей среды для питающего насоса для всего процесса запуска. Процесс запуска включает в себя заполнение испарителя, испарение рабочей среды и создание при этом давления, запуск расширительной машины и начало конденсации и, таким образом, обратный поток рабочей среды к питающему насосу.

Неблагоприятное распределение рабочей среды и связанный с этим затрудненный или даже невозможный запуск является известной проблемой, вследствие чего на уровне техники имеются различные предложения. В ЕР 2613025 A1 (System and methods for cold startup of rankine cycle devices) предложено упорядоченное распределение рабочей среды посредством ударного открывания клапана и «промывки» элементов установки композицией жидкой рабочей среды. Для этого, однако, в качестве дополнительных клапанов требуется один или несколько клапанов. В ЕР 2345797 А2 (Fluid feedback pump to improve cold start performance of organic rankine cycle plants) рабочую среду при помощи дополнительных насосов закачивают в соответствующих местах системы. Здесь также необходимы дополнительные компоненты в форме насосов, чтобы гарантировать надежный запуск системы.

Из уровня техники также известно, что паровые трубопроводы должны быть проложены с постоянным понижением к конденсатору / питающей емкости. Это означает, что испаритель должен быть размещен в наивысшей точке, и в состоянии покоя конденсат стекает через конденсатор в направлении питающей емкости. Однако при компактной конструкции ORC-систем это является трудоемким или даже не реализуемым, в частности, если должна поддерживаться максимальная монтажная высота. Даже если испаритель размещен на максимальной высоте, что имеет следствием автоматическое собирание рабочей среды в конденсаторе / питающей емкости, проблема состояний системы с недостаточной приложенной высотой подачи NPSHa, как описано выше, не устраняется.

Однако оба приведенных решения уровня техники не позволяют решить следующую проблему. При запуске системы с ОРС может произойти ситуация, при которой питающий насос, и, при необходимости, также его подводящий трубопровод, имеют более высокую температуру, чем всасываемая рабочая среда из конденсатора или непосредственно конденсирующаяся в конденсаторе рабочая среда. Конденсатор, который служит в циркуляционном контуре в качестве теплоотвода, может в состоянии покоя являться самым холодным местом системы, например, при наружной установке внешнего конденсатора на воздухе при низких температурах окружающего воздуха и находящемся в корпусе машины/здании насосе, температура которого устанавливается до температуры, более высокой по сравнению с наружной температурой. Вследствие имеющихся в конденсаторе больших площадей теплопередачи или вследствие времени пребывания текучей среды в конденсаторе насос, даже при одинаковых температурах окружающей среды насоса и конденсатора, может быть периодически нагрет сильнее, чем конденсатор. Таким образом, имеет место повышение температуры от конденсатора к питающему насосу, и оно уменьшает приложенную высоту подачи на впуске насоса (NPSHa). Как следствие, насос кавитирует, и рабочая среда не транспортируется. Это препятствует запуску системы и может привести к повреждениям в насосе. Даже после температурного выравнивания питающего насоса, подводящего трубопровода и конденсатора, особенно при компактно сконструированных системах без больших разностей по высоте и небольшой геодезической высоте подачи, приложенная при этом высота подачи NPSHa будет меньше, чем требуемая высота подачи NPSHr, что в свою очередь приводит к кавитации.

Проблема кавитации в установках с ORC известна и может быть решена согласно раскрытию в DE 102009953360 В3, например, путем добавления инертного газа в накопительную емкость / конденсатор.

Резюмируя вышесказанное, в качестве мотивации для создания настоящего изобретения можно рассматривать следующее. Для надежного запуска системы с ORC должно иметься в наличии достаточное количество рабочей среды с достаточной высотой подачи на питающем насосе системы. В циркуляционном контуре ORC в состоянии покоя или при неудовлетворительно контролируемом прекращении работы системы может возникнуть неудовлетворительное распределение жидкой рабочей среды, что препятствует запуску вследствие отсутствия текучей среды перед питающим насосом. Кроме того, может установиться неудовлетворительное распределение температуры в циркуляционном контуре рабочей среды, например, рабочая среда в приемной области питающего насоса может быть теплее, чем в самом холодном месте в системе. Вследствие малой высоты подачи, приложенной в этом состоянии к насосу, может возникнуть кавитация насоса. Это препятствует надежному запуску системы. Кроме того, при более холодной погоде холодное состояние системы может препятствовать запуску установки. Например, может произойти повышение вязкости рабочей среды или другой имеющейся в циркуляционном контуре текучей среды, такой как, например, смазочного средства, что может отрицательно влиять на транспортировку текучей среды через питающий насос.

Раскрытие СУЩНОСТИ изобретения

Задачей изобретения является по меньшей мере частичное устранение описанных выше недостатков.

Эта задача решена посредством устройства по п. 1 формулы изобретения.

Предложенное в изобретении устройство с термодинамическим циклом, в частности, устройство с ORC, содержит рабочую среду; испаритель для испарения и, при необходимости, дополнительного перегрева рабочей среды; расширительную машину для вырабатывания механической энергии при расширении испаренной рабочей среды; конденсатор для конденсации и, при необходимости, дополнительного переохлаждения рабочей среды, в частности, расширенной в расширительной машине рабочей среды; и насос для перекачивания сконденсированной рабочей среды к испарителю при работе устройства с термодинамическим циклом, при этом геометрическое расположение испарителя выбрано таким образом, что обеспечено протекание перед запуском насоса сконденсированной рабочей среды под действием силы тяжести от конденсатора к испарителю, и обеспечена циркуляция рабочей среды в замкнутом циркуляционном контуре через испаритель и конденсатор, с обеспечением вследствие этого, в частности, по меньшей мере одной заданной минимальной высоты подачи жидкой рабочей среды на насосе.

Преимущественным образом при запуске устройства с термодинамическим циклом обеспечивается достаточная для надлежащего запуска насоса высота подачи. Замкнутый циркуляционный контур (при этом в состоянии покоя запорные устройства, которые могли бы препятствовать циркуляции, не закрыты) сконструирован таким образом, что находящаяся в циркуляционном контуре текучая среда протекает к испарителю под действием сил тяжести без дополнительного привода. При запуске системы из состояния покоя в испаритель подается тепло, так что он является наиболее теплой компонентой системы. Находящаяся в нем рабочая среда испаряется и при возможности также перегревается, и образовавшийся пар нагревает все расположенные над испарителем элементы установки. Если в других элементах установки (например, в расширительной машине, горизонтальных трубах или карманах для жидкости) собирается жидкая среда, то ее посредством нагревания испаряют, а затем конденсируют в наиболее холодном месте установки. Наиболее холодным местом в системе обычно является конденсатор. Если в состоянии покоя это не так, то конденсатор может устанавливаться в качестве наиболее холодного места посредством регулирования теплоотвода (например, запуск охлаждения на конденсаторе). От конденсатора рабочая среда протекает в качестве объекта подачи к питающему насосу. Геометрическое расположение выбирают таким образом (разность по высоте), что конденсат под действием силы тяжести может протекать к испарителю (разность плотностей между паром и жидкостью). Возникает естественная циркуляция, которая устанавливает самостоятельный порядок жидкой рабочей среды. Это означает, что жидкая рабочая среда собирается в наиболее низко расположенном элементе установки (в частности, перед насосом), и что перед запуском насоса перед насосом имеется достаточное количество рабочей среды с достаточной высотой подачи.

Согласно усовершенствованию предложенного в изобретении устройства, испаритель геометрически может находиться на меньшей высоте, чем конденсатор. Расположенный ниже по сравнению с конденсатором испаритель и, при определенных обстоятельствах, также ниже расположенные трубопроводы, предоставляют возможность находящейся в циркуляционном контуре текучей среде протекать к испарителю под действием сил тяжести без дополнительного привода.

Другое усовершенствование состоит в том, что замкнутый циркуляционный контур между конденсатором и испарителем дополнительно содержит не запущенный насос, и/или замкнутый циркуляционный контур между испарителем и конденсатором содержит дополнительно расширительную машину. Таким способом при проницаемых в состоянии покоя для текучей среды конструкционных формах насоса рабочая среда в циркуляционном контуре также может протекать через насос, когда он не запущен.

Согласно другому усовершенствованию насос может находиться на меньшей высоте, чем испаритель. Тем самым высота подачи может быть дополнительно увеличена.

Другое усовершенствование состоит в том, что устройство с термодинамическим циклом дополнительно может содержать байпасный клапан для обхода расширительной машины в циркуляционном контуре.

Согласно другому усовершенствованию устройство с термодинамическим циклом дополнительно может содержать питающую емкость для сбора сконденсированной рабочей среды, при этом питающая емкость расположена в замкнутом циркуляционном контуре между конденсатором и испарителем, в частности, между конденсатором и насосом.

Другое усовершенствование состоит в том, что дополнительно может быть предусмотрен по меньшей мере один датчик для измерения высоты подачи рабочей среды перед насосом, в частности, датчик для измерения давления рабочей среды и/или датчик для измерения температуры рабочей среды.

Согласно другому усовершенствованию устройство с термодинамическим циклом дополнительно может содержать байпасный клапан для обхода насоса в циркуляционном контуре.

Согласно другому усовершенствованию устройство с термодинамическим циклом дополнительно может содержать рекуператор для передачи тепловой энергии при работе устройства с термодинамическим циклом от расширенной рабочей среды к рабочей среде, перекачиваемой между насосом и испарителем, причем рекуператор расположен между расширительной машиной и конденсатором; и байпасный клапан для шунтирования рекуператора на холостом ходу, причем байпасный клапан для шунтирования рекуператора может быть, в частности, также байпасным клапаном для обхода насоса.

Если применяют рекуператор и, например, трубопровод между насосом и испарителем проходит через рекуператор, чтобы подогревать перекачиваемую в нем рабочую среду при работе (нормальной эксплуатации) устройства с термодинамическим циклом при помощи тепла от расширенной испаренной рабочей среды после расширительной машины и перед конденсатором, то для предложенного в изобретении запуска устройства с циклом предусмотрен байпасный клапан для шунтирования рекуператора, так как в противном случае вследствие наличия рекуператора, который расположен выше, чем испаритель, не может осуществляться естественная циркуляция.

Описанная выше задача решена кроме того при помощи способа по п. 10 формулы изобретения.

Соответствующий изобретению способ запуска предложенного в изобретении устройства с термодинамическим циклом или одного из его вариантов усовершенствования включает в себя следующие этапы: подача в испаритель тепла и испарение рабочей среды в испарителе, при необходимости, дополнительно также перегрев рабочей среды в испарителе, вследствие чего рабочая среда протекает к конденсатору; конденсация рабочей среды в конденсаторе; запуск насоса при достижении или превышении заданной высоты подачи рабочей среды на насосе.

Соответствующий изобретению способ имеет преимущества, которые уже были описаны в связи с предложенным по изобретению устройством.

Соответствующий изобретению способ может быть усовершенствован в том отношении, что запуск насоса осуществляется после достижения или превышения измеренной высоты подачи, или через определенное время после начала подачи тепла в испаритель.

Согласно другому усовершенствованию способ может включать в себя следующие дополнительные этапы: установка температуры конденсации на первое значение температуры и установка температуры конденсации на второе значение температуры, после достижения насоса сконденсированной рабочей средой с первым значением температуры; при этом второе значение температуры больше, чем первое значение температуры. Наиболее холодным местом системы является обычно конденсатор. Если в состоянии покоя это не так, то конденсатор может таким образом, например, при помощи регулирования теплоотвода, устанавливаться в качестве самого холодного места (например, запуск охлаждения на конденсаторе).

Согласно другому усовершенствованию установка температуры конденсации на второе значение температуры может осуществляться посредством снижения частоты вращения вентилятора конденсатора и/или посредством уменьшения массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха, и/или посредством повышения температуры массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха через конденсатор. Альтернативно или дополнительно к повышению температуры конденсации могут привести также дополнительные мероприятия, такие как, например, закрывание жалюзи или заслонок конденсатора.

Следующее усовершенствование состоит в том, что могут быть предусмотрены дополнительные этапы открытия байпасного клапана расширительной машины перед или одновременно с подачей тепла в испаритель, или открытия байпасного клапана расширительной машины через заданный первый интервал времени после подачи тепла в испаритель или после достижения заданного первого давления на расширительной машине; и закрытия байпасного клапана расширительной машины после запуска или одновременно с запуском насоса, или закрытия байпасного клапана расширительной машины за заданный второй интервал времени перед запуском насоса или после достижения заданного второго давления на расширительной машине.

Согласно другому варианту усовершенствования могут быть предусмотрены следующие дополнительные этапы: открытие байпасного клапана насоса и/или байпасного клапана рекуператора перед, во время или через заданный третий промежуток времени после подачи тепла в испаритель; и закрытие байпасного клапана насоса и/или байпасного клапана рекуператора после, во время или за заданный четвертый промежуток времени перед запуском насоса.

Упомянутые усовершенствования могут применяться по отдельности или комбинироваться друг с другом надлежащим образом.

Дальнейшие признаки и примеры вариантов выполнения, а также преимущества настоящего изобретения поясняются ниже подробнее при помощи чертежей. Понятно, что варианты выполнения не ограничивают область настоящего изобретения. Понятно также, что некоторые или все описанные ниже признаки могут также комбинироваться друг с другом другим способом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах изображено:

фиг. 1 - расположение по высоте устройства с термодинамическим циклом, в частности, в системе с ORC, согласно настоящему изобретению,

фиг. 2 - вариант выполнения с комбинируемыми преимущественными вариантами усовершенствования устройства с термодинамическим циклом согласно фиг. 1,

фиг. 3 - другой вариант выполнения предложенного по изобретению устройства с термодинамическим циклом.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показано устройство с термодинамическим циклом, в частности система с ORC, с расположением компонентов по высоте. Система содержит питающий насос 1, который транспортирует жидкую рабочую среду с большим повышением давления в испаритель 2, в котором рабочая среда испаряется, расширительную машину 3, в которой находящийся под высоким давлением пар расширяется, и при этом вырабатывается механическая энергия. Она может, например, преобразовываться при помощи генератора G в электрическую энергию. Из конденсатора 4, в котором пар низкого давления из расширительной машины 3 сжижается, жидкая рабочая среда поступает через возможную (опциональную) накопительную емкость (питающую емкость) и всасывающий трубопровод снова к питающему насосу 1 системы.

Ниже указано описание начального процесса, и представлено решение проблемы посредством описанной конструкции.

Автоматическое упорядочение жидкой рабочей среды. Установка должна запускаться из состояния покоя. Вначале в испаритель подводят тепло (если подаваемое к испарителю тепло не является неуправляемым, например, при длительном протекании среды теплоносителя, оно должно быть подключено). В испарителе образуется пар, который нагревает компоненты установки, испаряет находящуюся в жидком виде рабочую среду в других частях установки (например, в расширительной машине, горизонтальных трубах или карманах для жидкости), и вместе с ней протекает к конденсатору, и там через некоторое время сжижается. Таким образом, происходит перемещение текучей среды от испарителя к конденсатору. Это приводит к повышению уровня жидкости на стороне конденсатора, что в свою очередь приводит к градиентам давления от холодной стороны конденсатора к теплой стороне испарителя. Вследствие описанного соединения (без закрытых запорных устройств) создается поток, который позволяет текучей среде протекать из конденсатора через насос к испарителю. Траектория при этом должна быть рассчитана таким образом, чтобы поток устанавливался только вследствие силы тяжести. Для этого следует учесть потери давления смонтированных компонентов или давления открытия установленных клапанов.

Образование высоты подачи и запуск системы. Упорядоченное распределение жидкой среды (как описано выше) и сбор достаточного количества рабочей среды перед насосом еще не гарантирует, что текучая среда приложена к насосу с достаточной высотой подачи (NPSHa) для обеспечения возможности запуска насоса. Чтобы обеспечить достаточную высоту подачи, можно поступить следующим образом. Посредством охлаждения конденсатора (при помощи теплоотвода, такого как, например, окружающий воздух или охлаждающая вода) вначале снижают температуру конденсации и, следовательно, давление в конденсаторе. Конденсат с низкой температурой протекает из конденсатора в питающую емкость (если имеется) и затем в подводящий трубопровод к насосу. Через некоторое время текучая среда с установившейся низкой температурой конденсации достигает насоса посредством естественной циркуляции. Теперь, например, посредством регулирования теплоотвода, температура в конденсаторе повышается, вследствие чего также возрастает давление в конденсаторе. Это может осуществляться, например, путем понижения частоты вращения вентилятора конденсатора и/или путем снижения массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха, и/или посредством повышения температуры массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха через конденсатор. Посредством более холодной текучей среды, прикладываемой к насосу, и возрастающего давления в конденсаторе повышается приложенная высота подачи на насосе. После превышения граничного значения высоты подачи (NPSHa>NPSHr) или после определенного, основанного на опыте промежутка времени, насос может быть запущен, чтобы начать регулярный процесс запуска ORC-системы.

В противоположность этому, из уровня техники известно (как описано выше), что паровые трубопроводы всегда должны быть проложены с постоянным понижением к конденсатору / питающей емкости.

Устройство согласно фиг. 2 содержит с целью улучшения конструкции, представленной на фиг. 1, дополнительные компоненты. Они и их функции описаны ниже.

Компонент 5 обозначает байпасный клапан на расширительной машине 3. Этот байпасный клапан 5 в обход расширительной машины обеспечивает, например, в объемных расширительных машинах возможность того, что достаточное количество выработанного в испарителе пара может протекать к конденсатору 4. Кроме того, байпасный клапан может служить в качестве клапана аварийного отключения, который в случае опасности обеспечивает возможность быстрого понижения давления пара высокого давления перед расширительной машиной. Байпасный клапан может, например, быть выполнен в виде открытого в обесточенном состоянии магнитного клапана. В случае запуска с описанным расположением компонентов клапан остается открытым и обеспечивает таким образом возможность естественной циркуляции рабочей среды. Клапан требуется для описанной функции, если количество рабочей среды через неподвижную (или также вращающуюся) расширительную машину недостаточно для требуемой естественной циркуляции текучей среды.

Компонента 6 обозначает питающую емкость. Питающая емкость может потребоваться, чтобы в каждом рабочем состоянии предоставлять в распоряжение питающему насосу достаточное количество рабочей среды. Она буферизует общее количество рабочей среды и предотвращает таким образом останов установки при потере рабочей среды, неравномерном распределении рабочей среды, различных плотностях пара и, тем самым, массах пара при работе или состоянии покоя, или при неточном заполнении системы. В сочетании с использованием инертного газа емкость выполняет дополнительную функцию. Она повышает объем газа в системе. Таким образом, высота подачи по всех эксплуатационных состояниях может удерживаться относительно постоянной (см. в этом отношении также раскрытие в DE 102009053390 В3). При применении инертного газа для предотвращения кавитации получается дополнительное преимущество вследствие описанного расположения при естественной циркуляции. Постоянная циркуляция рабочей среды, вызванная только различием температур и вызванной ей результирующей разницы давлений между испарителем и конденсатором, и являющаяся независимой от работы питающего насоса, обеспечивает то, что находящийся в циркуляционном контуре инертный газ автоматически скапливается в конденсаторе и питающей емкости. Как описано в DE 102009053390 В3, инертный газ, который присутствует в питающей емкости, повышает вследствие своего зависящего от концентрации парциального давления высоту подачи насоса. Поскольку инертный газ в состоянии покоя вследствие диффузии распределяется по всей установке, и таким образом парциальное давление в питающей емкости падает, без концентрации инертного газа в питающей емкости посредством, например, описанной естественной циркуляции не всегда можно обеспечить запуск без кавитации насоса из состояния покоя. Это должно компенсироваться посредством большего количества инертного газа и/или большей питающей емкости с большим объемом пара, так что система может надежно запускаться даже из состояния покоя. Необходимое количество инертного газа может быть уменьшено посредством описанного способа, что ведет к возрастающей разности давлений на расширительной машине и более высокой вырабатываемой мощности (возрастание эффективности системы).

Компонента 7 обозначает датчики для измерения приложенной высоты подачи (NPSHa). Посредством возможного размещения датчиков (здесь, например, давления Р и температуры Т) может определяться высота подачи (NPSHa). Она может служить в качестве стартового критерия для запуска насоса при описанном процессе запуска системы.

Компонента 8 обозначает байпасный клапан вокруг питающего насоса. Этот клапан 8 для обхода питающего насоса может применяться в описанном случае, чтобы обеспечить достаточное протекание жидкой рабочей среды от конденсатора к испарителю. Это, например, необходимо, если питающий насос на основании своей конструкции/конструктивной формы (например, вытеснительный насос) в состоянии покоя непроницаем для текучей среды. Следующей причиной может быть большая величина преодолеваемой разности высот в насосе (например, в вертикальных многоступенчатых лопастных насосах), которая препятствует естественному протеканию. Байпасный клапан может быть выполнен с возможностью включения или регулирования. Кроме того, он может быть выполнен в виде подпружиненного клапана с регулируемым или постоянным давлением открывания и закрывания. Таким образом, клапан открывается лишь при определенной приложенной разности давлений между сторонами всасывания и нагнетания насоса и остается при работе установки закрытым, или клапан вплоть до определенной разности давлений между сторонами нагнетания и всасывания открывается и автоматически закрывается при работе свыше этой определенной разности давлений между сторонами нагнетания и всасывания. Разность давлений для открытия клапана должна быть настолько малой, чтобы была возможной естественная циркуляция. Кроме того, клапан может служить в качестве предохранительного клапана в случае опасности. Посредством быстрого открывания клапана в случае опасности текучая среда может вытекать из испарителя в направлении конденсатора. Это предотвращает чрезмерное возрастание давления в испарителе вследствие дополнительного испарения рабочей среды. Чтобы предотвратить обратное протекание рабочей среды от испарителя к насосу в определенных рабочих точках, например, для защиты насоса от горячей рабочей среды, может дополнительно применяться обратный клапан (на чертеже не показан) ниже по направлению потока относительно насоса.

На фиг. 3 показан вариант выполнения устройства с термодинамическим циклом с рекуператором 9. Рекуператор 9 служит для передачи тепловой энергии от расширенной рабочей среды к перекачиваемой между насосом 1 и испарителем 2 рабочей среде при работе устройства с термодинамическим циклом, при этом рекуператор 9 расположен между расширительной машиной 3 и конденсатором 4. Кроме того, предусмотрен байпасный клапан 8 для шунтирования рекуператора 9 в циркуляционном контуре, при этом байпасный клапан 8 для шунтирования рекуператора 9 здесь одновременно является также байпасным клапаном 8 для обхода насоса 1. Если трубопровод между насосом 1 и испарителем 2 проходит через рекуператор 9, чтобы при нормальной работе устройства с термодинамическим циклом подогревать перекачиваемую в нем рабочую среду теплом от расширенной испаренной рабочей среды между расширительной машиной 3 и конденсатором 4, то для предложенного по изобретению запуска устройства с термодинамическим циклом байпасный клапан 8 должен быть открыт для шунтирования рекуператора 9, так как через рекуператор 9, который расположен выше, чем испаритель 2, в противном случае не может осуществляться естественная циркуляция рабочей среды.

В заключение можно констатировать, что предложенный в соответствии с изобретением способ, а также предложенное в соответствии с изобретением устройство (расположение по высоте) обеспечивают, что система с ORC может запускаться надежно и быстро. В простейшем варианте способ не требует никаких датчиков или исполнительных элементов (например, клапанов) для надежного запуска. Посредством автоматического распределения рабочей среды в системе возможно по сравнению с системами с другим расположением компонентов (например, с расположенным выше испарителем и низко расположенным конденсатором или расширительной машиной) уменьшить общее количество рабочей среды в системе, поскольку благодаря расположению жидкой рабочей среды без привода во всасывающем трубопроводе насоса всегда имеется достаточное количество текучей среды. Автоматическое нагревание системы посредством естественной циркуляции при подводе тепла обеспечивает предварительное нагревание компонентов. При холодной погоде это может ускорить запуск системы и удлинить срок службы компонентов. Надежный, свободный от кавитации запуск установки предотвращает возможные повреждения в насосе, которые могут возникать вследствие (частичной) кавитации. Благодаря способу может обеспечиваться достаточная высота подачи для питающего насоса в процессе запуска. Таким образом, могут быть исключены другие методы, которые иначе были бы необходимы для обеспечения высоты подачи, и, соответственно, их воздействие на коэффициент полезного действия установки также может быть уменьшено. Поскольку другие методы (например, переохлаждение конденсата или добавка инертного газа) уменьшают производительность, то описанный способ приводит к увеличению общей эффективности системы с ORC. При помощи описанного способа может экономиться количество заполняемой рабочей среды. Опыт показывает, что способность к запуску систем с ORC может быть гарантирована лишь посредством больших количеств рабочей среды. Со стоимостью 20-80 евро/кг рабочая среда имеет существенное влияние на экономичность систем с ORC. Благодаря меньшим количествам содержания рабочей среды кроме того могут быть удлинены предписанные интервалы технического обслуживания и сокращены затраты на техническое обслуживание (предписания F-Gas), что может привести к существенным снижениям затрат при эксплуатации. Однако следует принять во внимание, что подвод тепла в систему не является самоостанавливающимся, как например, в случае расположенного выше испарителя. Хотя это является недостатком, например, для работ по техническому обслуживанию, при этом при известных обстоятельствах ввод тепла может быть предотвращен другими дополнительными мероприятиями.

Представленные варианты осуществления служат лишь для примера, и полный объем настоящего изобретения определяется формулой изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Устройство с термодинамическим циклом содержит рабочую среду, испаритель для испарения рабочей среды, расширительную машину для вырабатывания механической энергии при расширении испарившейся рабочей среды, конденсатор для конденсации рабочей среды и насос для перекачивания сконденсированной рабочей среды к испарителю. Геометрическое расположение испарителя выбрано так, что обеспечено протекание перед запуском насоса сконденсированной рабочей среды под действием силы тяжести от конденсатора к испарителю и циркуляция рабочей среды в замкнутом циркуляционном контуре через испаритель и конденсатор, за счет чего, в частности, может быть обеспечена заданная высота подачи жидкой рабочей среды на насосе. Способ запуска соответствующего изобретению устройства с термодинамическим циклом включает в себя подачу тепла в испаритель и испарение рабочей среды в испарителе, за счет чего обеспечивают протекание рабочей среды к конденсатору, конденсацию рабочей среды в конденсаторе, запуск насоса при достижении или превышении заданного уровня подачи рабочей среды на насосе. Изобретение позволяет повысить надежность запуска систем органического цикла Ренкина. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство с термодинамическим циклом, в частности устройство с органическим циклом Ренкина, содержащее:

рабочую среду;

испаритель для испарения и, при необходимости, дополнительного перегрева рабочей среды;

расширительную машину для вырабатывания механической энергии при расширении испаренной рабочей среды;

конденсатор для конденсации и, при необходимости, дополнительного переохлаждения рабочей среды, в частности рабочей среды, расширенной в расширительной машине;

насос для перекачивания сконденсированной рабочей среды к испарителю при работе устройства с термодинамическим циклом;

причем геометрическое расположение испарителя выбрано так, что обеспечено протекание перед запуском насоса сконденсированной рабочей среды под действием силы тяжести от конденсатора к испарителю и обеспечена циркуляция рабочей среды в замкнутом циркуляционном контуре через испаритель и конденсатор с обеспечением за счет этого достаточного количества рабочей среды перед насосом, и

средства регулирования высоты подачи жидкой рабочей среды на насосе для обеспечения достаточной высоты подачи для обеспечения возможности запуска насоса.

2. Устройство с термодинамическим циклом по п. 1, в котором испаритель геометрически расположен на меньшей высоте, чем конденсатор.

3. Устройство с термодинамическим циклом по п. 1 или 2, в котором замкнутый циркуляционный контур между конденсатором и испарителем содержит также не запущенный насос и/или в котором замкнутый циркуляционный контур между испарителем и конденсатором содержит также расширительную машину.

4. Устройство с термодинамическим циклом по одному из пп. 1, 2, в котором насос находится на меньшей высоте, чем испаритель.

5. Устройство с термодинамическим циклом по одному из пп. 1, 2, которое дополнительно содержит байпасный клапан для обхода расширительной машины в циркуляционном контуре.

6. Устройство с термодинамическим циклом по одному из пп. 1, 2, которое дополнительно содержит питающую емкость для сбора сконденсированной рабочей среды, при этом питающая емкость расположена в замкнутом циркуляционном контуре между конденсатором и испарителем, в частности между конденсатором и насосом.

7. Устройство с термодинамическим циклом по одному из пп. 1, 2, которое дополнительно содержит по меньшей мере один датчик для измерения высоты подачи рабочей среды перед насосом, в частности датчик для измерения давления рабочей среды и/или датчик для измерения температуры рабочей среды.

8. Устройство с термодинамическим циклом по одному из пп. 1, 2, которое дополнительно содержит байпасный клапан для обхода насоса в циркуляционном контуре.

9. Устройство с термодинамическим циклом по п. 8, которое дополнительно содержит:

рекуператор для передачи тепловой энергии от расширенной рабочей среды к перекачиваемой между насосом и испарителем рабочей среде при работе устройства с термодинамическим циклом, причем рекуператор расположен между расширительной машиной и конденсатором; и

байпасный клапан для шунтирования рекуператора в циркуляционном контуре, причем байпасный клапан для шунтирования рекуператора предусмотрен, в частности, также в качестве байпасного клапана для обхода насоса.

10. Способ запуска устройства с термодинамическим циклом согласно одному из пп. 1-9, включающий в себя следующие этапы:

подача в испаритель тепла и испарение рабочей среды в испарителе, при необходимости, дополнительно перегревание рабочей среды в испарителе, за счет чего обеспечивают протекание рабочей среды к конденсатору;

конденсация рабочей среды в конденсаторе;

регулирование высоты подачи жидкой рабочей среды на насосе;

запуск насоса при достижении или превышении заданной высоты подачи рабочей среды на насосе.

11. Способ по п. 10, в котором запуск насоса осуществляют после достижения или превышения измеренной высоты подачи или через заданное время после начала подачи тепла в испаритель.

12. Способ по п. 10 или 11, включающий в себя дополнительные этапы:

установку температуры конденсации на первое значение температуры; и

установку температуры конденсации на второе значение температуры после

достижения насоса сконденсированной рабочей средой с первым значением температуры; при этом второе значение температуры больше, чем первое значение температуры.

13. Способ по п. 12, в котором установку температуры конденсации на второе значение температуры осуществляют посредством снижения частоты вращения вентилятора конденсатора, и/или посредством уменьшения массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха, и/или посредством повышения температуры массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха через конденсатор.

14. Способ по одному из пп. 10, 13, включающий в себя дополнительные этапы:

открытие байпасного клапана расширительной машины перед или одновременно с подачей тепла в испаритель или открытие байпасного клапана расширительной машины через заданный первый интервал времени после подачи тепла в испаритель или после достижения заданного первого давления на расширительной машине; и

закрытие байпасного клапана расширительной машины после запуска или одновременно с запуском насоса или закрытие байпасного клапана расширительной машины за заданный второй интервал времени перед запуском насоса или после достижения заданного второго давления на расширительной машине.

15. Способ по одному из пп. 10, 13, включающий в себя дополнительные этапы:

открытие байпасного клапана насоса и/или байпасного клапана рекуператора перед подачей, во время подачи или через заданный третий интервал времени после подачи тепла в испаритель; и

закрытие байпасного клапана насоса и/или байпасного клапана рекуператора после запуска, во время запуска или за заданный четвертый интервал времени перед запуском насоса.

16. Устройство с термодинамическим циклом по п. 1, в котором средства регулирования высоты подачи жидкой рабочей среды на насосе содержат средства для по меньшей мере временного повышения давления в конденсаторе.

17. Устройство с термодинамическим циклом по п. 16, в котором средства для по меньшей мере временного повышения давления в конденсаторе содержат средства для понижения частоты вращения вентилятора конденсатора, и/или средства для снижения массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха, и/или средства для повышения температуры массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха через конденсатор.

18. Способ по п. 10, в котором этап регулирования высоты подачи жидкой рабочей среды включает этап по меньшей мере временного повышения давления в конденсаторе.

19. Способ по п. 18, в котором этап по меньшей мере временного повышения давления в конденсаторе включает понижение частоты вращения вентилятора конденсатора, и/или снижение массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха, и/или повышение температуры массового потока охлаждающей воды или массового потока воздуха через конденсатор.