Блок компрессора с двигателем Стирлинга Российский патент 2018 года по МПК F02G1/04 F04B35/01 

Область техники

Раскрытое в тексте настоящего описания изобретение относится к усовершенствованиям систем привода поршневых компрессоров.

Уровень техники

Поршневые компрессоры применяют в ряде отраслей промышленности для повышения давления газа. Обычно поршневые компрессоры применяют на нефтеперерабатывающих предприятиях, например, в установках реформинга, гидрокрекинга и гидроочистки. Также типичные применения поршневых компрессоров можно обнаружить в полимерной промышленности, для производства этилена и его производных.

Обычно поршневые компрессоры приводят в действие электрическими двигателями, которые получают электрическую энергию из сетей распределения электрической энергии. В некоторых известных воплощениях поршневые компрессоры приводят в действие двигателями внутреннего сгорания, например, поршневыми двигателями Дизеля или Отто. В других установках для приведения в действие поршневых компрессоров применяют паровые турбины. Таким образом, для приведения в действие компрессоров обычно требуется большое количество высококачественной энергии.

Сущность изобретения

Промышленные предприятия, на которых применяют поршневые компрессоры, обычно производят отходящее тепло. В настоящем описании предполагают применять тепло, в частности низкотемпературное и/или отходящее тепло, для снижения потребляемой энергии систем привода поршневых компрессоров.

Согласно настоящему описанию предложена система для приведения в действие поршневого компрессора, включающая:

поршневой компрессор с по меньшей мере одним цилиндром, поршнем, выполненным с возможностью перемещения путем скольжения в указанном цилиндре, коленчатым валом для перемещения указанного поршня в указанном цилиндре;

двигатель Стирлинга с горячим концом, холодным концом и выходным валом;

соединение с возможностью передачи приводного усилия между выходным валом двигателя Стирлинга и коленчатым валом поршневого компрессора;

источник тепла, предназначенный и выполненный с возможностью подачи тепла к горячему концу двигателя Стирлинга.

Поршневой компрессор может представлять собой двухступенчатый компрессор и включать один или большее количество цилиндров и поршней, установленных с возможностью скольжения в цилиндрах, приводимых в движение коленчатым валом. Поршни могут быть соединены с коленчатым валом посредством соответствующих поршневых штоков и ползунов. В предпочтительных примерах воплощения в двигателе Стирлинга используют отходящее тепло от источника тепловой энергии, применяемого для целей рекуперации отходящего тепла (РОТ).

В некоторых примерах воплощения может быть обеспечен источник тепла, включающий горелку для сжигания топлива и обеспечения тепловой энергии для двигателя Стирлинга.

В некоторых примерах воплощения горелку можно объединить с источником отходящего тепла.

Двигатель Стирлинга и поршневой компрессор могут быть механически соединены, так, что они вращаются по существу с одинаковой скоростью вращения. Таким образом, можно опустить редуктора и увеличить эффективность системы в целом.

В комбинации с двигателем Стирлинга можно обеспечить дополнительный привод, для обеспечения дополнительной механической энергии в случае, когда механическая энергия, поставляемая двигателем Стирлинга, является недостаточной для приведения в действие поршневого компрессора.

В некоторых примерах воплощения дополнительный привод включает электрическую машину. Предпочтительно электрическая машина представляет собой обратимую электрическую машину, способную выборочной работы в режиме генератора или в режиме двигателя. При работе в качестве генератора электрическая машина преобразует избыточную механическую энергию двигателя Стирлинга в электрическую энергию. При работе в режиме двигателя электрическая машина может работать в качестве вспомогательного устройства для дополнения механической энергии, необходимой для приведения в действие поршневого компрессора. В предпочтительных примерах воплощения электрическая машина представляет собой электрическую машину с регулируемой скоростью вращения, например, соединенную с сетью распределения электрической энергии через частотный преобразователь (ЧП). Электрическая машина может работать в качестве пускового устройства для запуска двигателя Стирлинга. В других примерах воплощения можно обеспечить отдельное пусковое устройство.

Отличительные особенности и примеры воплощения изобретения раскрыты ниже в тексте настоящего описания, а также дополнительно изложены в прилагаемой формуле изобретения, которая образует неотъемлемую часть настоящего описания. Вышеприведенное краткое описание приводит отличительные особенности различных примеров воплощения изобретения для того, чтобы можно было лучше понять приведенное далее подробное описание, и для того, чтобы можно было лучше осознать данный вклад в развитие техники. Конечно, имеются другие отличительные особенности изобретения, которые будут описаны далее в тексте описания и которые будут изложены в прилагаемой формуле изобретения. В этом отношении, перед подробным разъяснением нескольких примеров воплощения следует понять, что различные примеры воплощения изобретения не ограничены в их применении деталями конструкции и компоновкой компонентов, изложенными в последующем описании или проиллюстрированными на чертежах. Изобретение может быть выполнено в виде других примеров воплощения и реализовано на практике и осуществлено различными путями. К тому же следует понимать, что применяемые в тексте данного описания формулировки и терминологию используют для целей описания, и их не следует рассматривать как ограничивающие.

Специалисты в данной области техники могут осознать, что как таковую концепцию, на которой основано данное изобретение, легко можно использовать в качестве основы для конструирования других структур, способов и/или систем, для осуществления отдельных задач изобретения. Таким образом, важно, чтобы формулу изобретения рассматривали как включающую такие эквивалентные конструкции, в той мере, в какой они не отходят от сущности и объема настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей Более полного понимания раскрытых примеров воплощения изобретения и многих его ожидаемых преимуществ можно легко достигнуть, так как они становятся более понятными при обращении к последующему подробному описанию, если рассматривать его в связи с сопровождающими чертежами, в которых:

Фиг. 1А иллюстрирует вид в сечении поршневого компрессора двойного действия;

Фиг. 1В иллюстрирует схематический вид сверху многоцилиндрового поршневого компрессора;

Фиг. 2 иллюстрирует схематический вид в сечении двигателя Стирлинга α-типа;

Фиг. 3-8 иллюстрируют различные примеры воплощения системы по изобретению;

Фиг. 9 и 10 иллюстрируют два приведенные в качестве примера применения системы по изобретению на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Подробное описание примеров воплощения изобретения

В последующем подробном описании примеров воплощения изобретения сделаны ссылки на сопровождающие чертежи. На различных чертежах одинаковые численные позиции обозначают одинаковые или сходные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. К тому же последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Напротив, объем изобретения определен прилагаемой формулой изобретения.

Ссылки по тексту настоящего описания на «один из примеров воплощения», или «некий пример воплощения», или «несколько примеров воплощения», означают, что конкретная отличительная особенность, структура или характеристика, описанная в связи с примером воплощения, включена по меньшей мере в один пример воплощения раскрытого объекта изобретения. Так, появление фразы «в одном примере воплощения», или «в одном из примеров воплощения», или «в нескольких примерах воплощения» в различных местах по ходу описания не обязательно относится к одному и тому же примеру (примерам) воплощения. Кроме того, конкретные отличительные особенности, структуры или характеристики можно объединить любым подходящим образом в одном или большем количестве примеров воплощения.

Вид в сечении поршневого компрессора двойного действия, который можно использовать в системе по описанному здесь изобретению, показан на Фиг. 1А.

Система по изобретению может включать один или большее количество поршневых компрессоров. В некоторых примерах воплощения применяют поршневые компрессоры двойного действия. Обращаясь к Фиг. 2, в одном примере воплощения поршневой компрессор 1 двойного действия включает цилиндр 3, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость 5, вмещающую поршень 7. Поршень 7 возвратно-поступательно перемещается внутри полости 5, в соответствии с двойной стрелкой f7. Компрессор может состоять более чем из одного устройства цилиндр-поршень, при этом поршни приводит в движение общий коленчатый вал. Поршень разделяет полость 5 цилиндра 3 на две камеры.

Полость 5 имеет головной конец и конец, обращенный к коленчатому валу, которые могут быть закрыты соответствующими закрывающими элементами 9 и 11. Закрывающие элементы могут быть прикреплены к цилиндрической гильзе 13. Закрывающий элемент 11 может быть снабжен отверстием, через который может проходить шток 15 поршня. Уплотнительные манжеты 17 могут обеспечить герметизацию вокруг штока 15 поршня. Поршень 7 разделяет внутреннюю полость 5 цилиндра 13 на соответствующие первую камеру 19 и вторую камеру 21, которые называют также головной камерой и камерой, обращенной к коленчатому валу, соответственно.

Каждая из первой и второй камер 19 и 21 соединена через соответствующие всасывающий и нагнетательный клапаны с всасывающим и нагнетательным трубопроводами, которые не показаны. В некоторых примерах воплощения всасывающие клапаны и нагнетательные клапаны могут быть автоматическими клапанами, например, так называемыми кольцевыми клапанами или т.п. Сборки всасывающего клапана для первой и второй камер 19 и 21 обозначены позициями 23 и 25, соответственно. Сборка нагнетательного клапана для первой камеры 19 показана позицией 27, в то время как сборка нагнетательного клапана второй камеры 21 показана позицией 29. Количество всасывающих и нагнетательных клапанов для каждой из двух камер 19 и 21 может быть различным, в зависимости от размера и конструкции поршневого компрессора.

Возвратно-поступательное движение поршня 7 и штока 15 поршня можно контролировать посредством коленчатого вала 31 через шатун 33. Шатун 33 может быть шарнирно соединен в точке 35 с ползуном 37, который может быть снабжен скользящими башмаками 39, находящимися в скользящем контакте с поверхностями 41 скольжения. Вращательное движение коленчатого вала 31 преобразуют в возвратно-поступательное прямолинейное движение ползуна 37, согласно двойной стрелке f37. Шток 15 поршня может быть соединен первым концом 15А с ползуном 37, а вторым концом 15В - с поршнем 7, и передавать движение от ползуна 37 к поршню 7.

Поршневой компрессор 1 может состоять из одного или большего количества цилиндров. На схематическом виде сверху Фиг. 1В в качестве примера проиллюстрирован пример воплощения поршневого компрессора 1, включающего четыре цилиндра 3.

Как будет показано более подробно со ссылкой на Фиг. 3-6, поршневой компрессор 1 может приводиться в действие приводом компрессора в сочетании с двигателем Стирлинга; в некоторых примерах воплощения для приведения в действие поршневого компрессора можно применять только двигатель Стирлинга. В качестве пускового устройства можно использовать электрический двигатель.

Схематический вид в сечении двигателя Стирлинга α-типа проиллюстрирован на Фиг. 2. Двигатель 50 Стирлинга так называемого α-типа включает первый цилиндр 51, в котором скользящим образом перемещается первый поршень 53. Дополнительно обеспечен второй цилиндр 55, ориентированный, например, под углом 90° по отношению к цилиндру 51. Во втором цилиндре 55 расположен с возможностью скольжения второй поршень 57.

Первый шатун 59 соединяет первый поршень 53 с шейкой 61 коленчатого вала, образующей часть выхода 63. Второй шатун 65 соединяет второй поршень 57 с тем же выходом 63. На выходном валу 63 может быть смонтирован маховик 67.

Двигатель 50 Стирлинга может включать горячий конец с нагревателем 69, который получает тепло от источника 71 тепла. Нагреватель находится в соединении по текучей среде с внутренней частью первого цилиндра 51. Путь потока соединяет нагреватель 69 с регенератором 73, охладителем 75 и внутренней частью второго цилиндра 55. Охладитель 75 может находиться в тепловом контакте с источником холода, или теплопоглотителем, и формирует холодный конец двигателя 50 Стирлинга. Теплопоглотитель может представлять собой окружающий воздух. В некоторых примерах воплощения в качестве теплопоглотителя можно использовать холодильник с контуром охлаждения, например, с водным контуром охлаждения. На Фиг. 2 контур охлаждения схематически представлен впускным 77 и выпускным 79 трубопроводами.

Принцип действия двигателя Стирлинга известен специалистам в данной области техники, и не будет подробно описан в настоящем описании. В общих словах, рабочий газ, заключенный в замкнутой системе, образованной внутренними объемами системы 51, 53 цилиндр-поршень, системы 55-57 цилиндр-поршень, нагревателя 69, регенератора 73, охладителя 75 и соответствующих трубопроводов, подвергают действию термодинамического цикла, включающего циклическое сжатие, нагревание, расширение и охлаждение. Термодинамический цикл, осуществляемый рабочим газом в двигателе 50 Стирлинга, преобразует часть тепловой энергии, поставляемой источником 71 тепла к горячему концу двигателя Стирлинга, в полезную механическую энергию, которую можно снять с выходного вала 63.

Двигатель Стирлинга α-типа, показанный на Фиг. 2, является лишь одним из нескольких возможных конфигураций двигателей Стирлинга. Другие пригодные устройства двигателя Стирлинга представляют собой двигатели Стирлинга β-типа и γ-типа, которые не будут здесь описаны и которые известны специалистам.

В различных примерах воплощения раскрытой в настоящем описании системы можно применять двигатель Стирлинга α-типа, схематически изображенный на Фиг. 2, или также любую другую подходящую конфигурацию двигателя Стирлинга, пригодную для преобразования тепловой энергии, доступной от источника 71 тепловой энергии или тепла, в механическую энергию, которую используют для приведения в действие поршневого компрессора 1 и/или для получения электрической энергии, как это будет описано далее.

На Фиг. 3 показан первый пример воплощения системы 81 поршневого компрессора по изобретению. Система 81 поршневого компрессора может составлять часть более сложной промышленной установки, в которой осуществляют один или большее количество процессов, например, включающей турбомашины, такие как паровые или газовые турбины, поршневые двигатели внутреннего сгорания, теплообменники, нагреватели, бойлеры и другие устройства. В одном или большем количестве процессов, происходящих в установке, могут получать в качестве побочного продукта отходящее тепло. Согласно некоторым примерам воплощения описанных здесь систем поршневых компрессоров, по меньшей мере часть доступного отходящего тепла используют для приведения в действие двигателя Стирлинга, который, в свою очередь, приводит в действие поршневой компрессор. Например, отходящее тепло можно извлекать из газообразных продуктов сгорания из одного или большего количества двигателей внутреннего сгорания, например, газовых турбин, или еще из конденсирующегося пара в устройствах паровых турбин.

В других примерах воплощения тепло для приведения в действие двигателя Стирлинга могут поставлять солнечные нагреватели.

Для приведения в действие двигателя Стирлинга можно объединить более одного источника тепловой энергии, находящейся в форме отходящего тепла, которое следует рекуперировать, или в другой любой форме.

Система 81 поршневого компрессора может включать поршневой компрессор 1, в свою очередь включающий, например, четыре цилиндра 3 и коленчатый вал 31. Хотя на Фиг. 3 проиллюстрированы четыре цилиндра, можно обеспечить другие примеры воплощения описанных здесь систем поршневого компрессора, с одним, двумя, тремя, пятью или большим количеством цилиндров.

Коленчатый вал 31 поршневого компрессора 1 соединен, через вал 83, с выходным валом 63 двигателя 50 Стирлинга, который получает тепловую энергию от одного или большего количества источников тепловой энергии или тепла, схематически обозначенных 71. Между двигателем 50 Стирлинга и поршневым компрессором 1 может быть обеспечено сцепное устройство 85, для механического разъединения двигателя 50 Стирлинга и поршневого компрессора 1, если это необходимо. В других примерах воплощения сцепное устройство 85 можно опустить. В других примерах воплощения на валу 83 можно обеспечить упругое сочленение, в сочетании со сцепным устройством 85 или вместо него.

Согласно некоторым примерам воплощения на линии вращающегося вала двигателя Стирлинга и системы поршневого компрессора можно обеспечить один или большее количество маховиков. Маховик 87 схематически изображен на Фиг. 3, между выходным валом 63 двигателя Стирлинга и поршневым компрессором 1.

Тепло Н1 от источника 71 тепловой энергии подают на горячий конец, а именно к нагревателю 69 двигателя 50 Стирлинга. Двигатель 50 Стирлинга преобразует часть тепловой энергии в механическую энергию, которую используют для приведения в действие поршневого компрессора 1. Низкотемпературную тепловую энергию, которая не была преобразована в механическую энергию, выпускают на холодном конце двигателя 50 Стирлинга, на его охладителе или теплопоглотителе 75, как это схематически представлено стрелкой Н2 на Фиг. 3.

Как отмечено выше, тепловая энергия Н1, подаваемая на горячий конец двигателя 50 Стирлинга, может быть любым видом тепловой энергии, доступным на производстве, где расположен поршневой компрессор 1. Предпочтительно тепловая энергия Н1 является отходящим теплом, поступающим с различных промышленных процессов, например, на нефтеперерабатывающем предприятии или на предприятии по производству полимеров. Таким образом, система 81, показанная на Фиг. 3, позволяет рекуперировать отходящее тепло и использовать указанное тепло для приведения в действие поршневого компрессора 1.

На Фиг. 4 схематично показан дополнительный пример воплощения системы 82 поршневого компрессора, в которой для приведения в действие поршневого компрессора 1 используют двигатель 50 Стирлинга. На Фиг. 4 компоненты, детали или элементы, соответствующие компонентам, деталям или элементам примера воплощения по Фиг. 3, обозначены теми же численными позициями.

На Фиг. 4 двигатель Стирлинга соединен с возможностью передачи приводного усилия через вал 83 с поршневым компрессором 1 с одной стороны, и дополнительным валом 89 с другим приводом 91. В некоторых примерах воплощения привод 91 может представлять собой электрический двигатель или двигатель внутреннего сгорания, например, поршневой двигатель внутреннего сгорания, такой как двигатель Дизеля или Отто. В некоторых примерах воплощения привод 91 можно использовать как пусковое устройство для двигателя 50 Стирлинга.

Предпочтительно скорость вращения привода 91 является по существу такой же, как скорость вращения двигателя Стирлинга и коленчатого вала поршневого компрессора 1, так что не требуется редукторов или других регулирующих скорость вращения устройств.

По валу 89 и/или по валу 83 можно обеспечить одно или большее количество сцепных устройств, чтобы механически разъединять одну часть механизма от другой по линии вала.

В других примерах воплощения привод 91 может быть соединен через вал 93 непосредственно с поршневым компрессором 1. В этом случае коленчатый вал 33 поршневого компрессора 1 имеет первый конец, соединенный с возможностью передачи приводного усилия через вал 83 с выходным валом 63 двигателя 50 Стирлинга, и второй конец, соединенный с возможностью передачи приводного усилия через вал 93 с приводом 91.

На Фиг. 5 схематически показан дополнительный пример воплощения системы 84 поршневого компрессора по изобретению. Одинаковые численные позиции указывают компоненты, идентичные или эквивалентные компонентам в примерах воплощения Фиг. 3 и 4. В состав системы 84 входит поршневой компрессор 1. Поршневой компрессор 1 может включать один или большее количество цилиндров 3, которые приводятся в действие коленчатым валом 31. Коленчатый вал 31 соединен с возможностью передачи приводного усилия через вал 83 с двигателем 50 Стирлинга, имеющим выходной вал 63. Между коленчатым валом 31 и выходным валом 63 двигателя 50 Стирлинга может быть обеспечено сцепное устройство 85. На линии вала, между двигателем 50 Стирлинга и поршневым компрессором 1, может быть дополнительно установлен по меньшей мере один маховик 87. На схематическом чертеже Фиг. 5 показаны два альтернативных положения для маховика 87, соответственно, сплошной и пунктирной линиями.

Коленчатый вал 31 поршневого компрессора 1 может быть дополнительно соединен с возможностью передачи приводного усилия с электрической машиной 97, предпочтительно с обратимой электрической машиной, которая выборочно может работать как электрический двигатель или как электрический генератор. В некоторых примерах воплощения электрическая машина 97 может быть соединена с противоположным концом коленчатого вала 31, относительно конца, соединенного с выходным валом 63 двигателя 50 Стирлинга. Численная позиция 99 указывает линию вала, соединяющую электрическую машину 97 с коленчатым валом 31 поршневого компрессора 1. Между поршневым компрессором 1 и электрической машиной 97 может быть обеспечено сцепное устройство 101.

Согласно некоторым примерам воплощения, электрическая машина 97 соединена с сетью G распределения электрической энергии, обеспечивающей электрическую энергию для приведения в действие электрической машины 97, или принимающей электрическую энергию, генерированную электрической машиной 97, в зависимости от условий работы системы 84. Электрическую машину 97 можно приводить в действие с различной скоростью, например, через частотный преобразователь 103, расположенный между сетью G распределения электрической энергии и электрической машиной 97.

Источник 71 тепловой энергии обеспечивает тепло Н1 на горячий конец двигателя 50 Стирлинга, в то время как низкотемпературное тепло Н2 выпускают на холодном конце двигателя 50 Стирлинга.

Система 84 может работать следующим образом.

Если от источника 71 поступает тепловая энергия, например, отходящее тепло, эту тепловую энергию используют для приведения в действие двигателя 50 Стирлинга, который преобразует часть тепловой энергии в полезную механическую энергию на выходном валу 63 двигателя. Вводят в зацепление сцепное устройство 85, и можно полностью или частично приводить в действие поршневой компрессор 1 за счет энергии, обеспечиваемой двигателем 50 Стирлинга. Двигатель 50 Стирлинга может быть запущен посредством электрической машины 97. Если механической энергии, генерируемой двигателем 50 Стирлинга после его запуска, достаточно для приведения в действие поршневого компрессора 1, то электрическую машину 97 можно отключить. Если между поршневым компрессором 1 и электрической машиной 97 обеспечено сцепное устройство 101, то после отключения электрической машины 97 сцепное устройство можно разъединить. В альтернативном случае сцепное устройство может оставаться соединенным, и/или его можно просто опустить. Тогда электрическая машина 97 будет впоследствии вращаться на холостом ходу, в то время как поршневой компрессор 1 будет приводиться в действие только двигателем 50 Стирлинга.

Если механической энергии, генерируемой двигателем 50 Стирлинга, недостаточно для приведения в действие поршневого компрессора 1, то электрическая машина 97 может работать в режиме двигателя и действовать в качестве вспомогательного двигателя, обеспечивая таким образом дополнительную механическую энергию, которой, в сочетании с энергией, обеспечиваемой двигателем 50 Стирлинга, достаточно для приведения в действие поршневого компрессора 1. Сцепное устройство 101, если присутствует, соединено.

Механизмы системы 84, а именно двигатель 50 Стирлинга, поршневой компрессор 1 и электрическая машина 97, могут вращаться с одинаковой скоростью. Скорость вращения может определяться рабочими условиями поршневого компрессора 1. Скорость вращения электрической машины 97 можно соответствующим образом регулировать посредством частотного преобразователя 103.

Если энергия, генерируемая двигателем 50 Стирлинга, превышает энергию, необходимую для приведения в действие поршневого компрессора 1, избыточную механическую энергию можно передать через линию 99 вала на электрическую машину 97, а последняя может работать в режиме генератора, преобразуя механическую энергию в электрическую. Электрическую энергию направляют в сеть G распределения электрической энергии. Соответствующую электрическую частоту получают посредством частотного преобразователя 103, независимо от скорости вращения системы 84.

Если двигатель 50 Стирлинга не производит энергии, сцепное устройство 85 можно разъединить, и поршневой компрессор 1 можно приводить в действие только электрической машиной 97, при этом последняя работает в режиме двигателя.

С помощью устройства, показанного на Фиг. 5, тепловую энергию, даже при относительно низкой температуре, можно преобразовать в полезную механическую энергию, чтобы снизить потребление электрической энергии из сети G; или, при некоторых рабочих условиях, ее можно использовать для подачи электрической энергии в сеть G, дополнительно к приведению в действие поршневого компрессора 1. В результате объединения двигателя 50 Стирлинга с электрической машиной 97 систему 84 можно соответствующим образом регулировать, в соответствии с условиями работы поршневого компрессора 1, независимо от количества тепловой энергии, доступной из источника 71, так, что поршневой компрессор 1 может работать при необходимых условиях, даже если из источника 71 поступает малое количество тепловой энергии, или тепловая энергия не поступает совсем.

На Фиг. 6 схематически показан дополнительный пример воплощения системы 86 по изобретению для приведения в действие поршневого компрессора 1. Для обозначения таких же или соответствующих деталей или элементов используют такие же численные позиции, как на Фиг. 3, 4 и 5. Коленчатый вал 31 поршневого компрессора 1 образует часть линии вала, по которой расположены двигатель 50 Стирлинга, электрическая машина 97 и дополнительный привод, например, поршневой двигатель 105 внутреннего сгорания. Двигатель 105 внутреннего сгорания может представлять собой, например, двигатель Дизеля или двигатель Отто. В предпочтительных примерах воплощения механизмы системы 86 соединены так, что скорость вращения различного оборудования является по существу одинаковой, и можно не использовать редуктора.

В некоторых примерах воплощения двигатель 50 Стирлинга может быть расположен на одном конце линии вала, а поршневой двигатель 105 внутреннего сгорания может быть расположен на ее противоположном конце, в то время как поршневой компрессор 1 и электрическая машина 97 расположены между ними. Поршневой компрессор 1 может быть размещен в непосредственной близости к поршневому двигателю 105 внутреннего сгорания, в то время как электрическая машина 97 может быть размещена между поршневым компрессором 1 и двигателем 50 Стирлинга.

В некоторых примерах воплощения сквозной вал 107 электрической машины 97 соединен с возможностью передачи приводного усилия с выходным валом 63 двигателя 50 Стирлинга. Между валом 107 электрической машины 97 и выходным валом 63 двигателя 50 Стирлинга может быть обеспечено сцепное устройство 109. Дополнительное сцепное устройство 111 может быть обеспечено между валом 107 электрической машины 97 и коленчатым валом 31 поршневого компрессора.

Коленчатый вал 31 поршневого компрессора 1 может быть соединен, на конце, противоположном электрической машине 97, с поршневым двигателем 105 внутреннего сгорания. В некоторых примерах воплощения между коленчатым валом 31 и валом 115 поршневого двигателя 105 внутреннего сгорания может быть расположено сцепное устройство 113.

В подходящих местах на линии вала может быть дополнительно установлен по меньшей мере один или большее количество маховиков. В некоторых примерах воплощения указанные поршневые машины, а именно поршневой двигатель 105 внутреннего сгорания, поршневой компрессор 1 и двигатель 50 Стирлинга каждая снабжены отдельным маховиком, которые не показаны. В других примерах воплощения можно установить только один или два маховика в подходящих местах на линии вала.

Горячий конец двигателя 50 Стирлинга можно снабжать отходящим теплом от двигателя 105 внутреннего сгорания. Это схематически показано контуром 117 теплопереноса. Н1 представляет собой отходящее тепло, передаваемое от поршневого двигателя 105 внутреннего сгорания к горячему концу двигателя 50 Стирлинга. Отходящее тепло можно извлекать из газообразных продуктов сгорания, выходящих из двигателя 105 внутреннего сгорания. Тепло можно извлекать из системы охлаждения поршневого двигателя 117 внутреннего сгорания, например из охлаждающей воды, циркулирующей в поршневом двигателе 105 внутреннего сгорания. Тепло также можно извлекать из масла системы смазки указанного двигателя 105. Для приведения в действие двигателя 50 Стирлинга можно использовать только один, два или все три указанных источника тепла. Таким образом, поршневой двигатель 105 внутреннего сгорания обеспечивает источник тепловой энергии или тепла для двигателя 50 Стирлинга.

На Фиг. 6 показан закрытый контур 117 теплопереноса, например для извлечения тепла из системы охлаждения поршневого двигателя 105 внутреннего сгорания, используя ту же охлаждающую жидкость, которая циркулирует через двигатель 105 внутреннего сгорания. В других воплощениях может быть использован промежуточный контур, где циркулирует вспомогательная теплопередающая среда, удаляя тепло от охлаждающей жидкости, циркулирующей в поршневом двигателе 105 внутреннего сгорания, например, с помощью теплообменника, и передавая удаленное тепло горячему концу двигателя 50 Стирлинга.

Если температура теплопередающей среды или охлаждающей жидкости, циркулирующей в закрытом контуре 117, на выходе из горячего конца двигателя 50 Стирлинга все еще слишком высока для обеспечения достаточного охлаждения поршневого двигателя 105 внутреннего сгорания, может быть предусмотрен дополнительный теплообменник 119 на возвратной линии закрытого контура 117.

Система 86, показанная на Фиг. 6, может работать следующим образом.

Поршневой компрессор 1 можно приводить во вращательное движение за счет энергии, целиком обеспечиваемой поршневым двигателем 105 внутреннего сгорания, или электрической машиной 97, или двигателем 50 Стирлинга. В некоторых рабочих условиях поршневой компрессор 1 можно приводить в действие сочетанием двух или всех трех приводов 105, 50 и 97.

Если для приведения в действие поршневого компрессора 1 используют только электрическую энергию, например, если не имеется тепла для двигателя 50 Стирлинга, а поршневой двигатель 105 внутреннего сгорания по каким-либо причинам отключен, сцепные устройства 113 и 109 можно разъединить, и электрическая машина 97 может непосредственно приводить в действие поршневой компрессор 1, посредством вала 107 и сцепного устройства 111, если оно имеется.

В других рабочих условиях поршневой двигатель 105 внутреннего сгорания может действовать, и генерируемую им механическую энергию можно использовать, посредством вала 115 и сцепного устройства 113, если оно имеется, для приведения в действие коленчатого вала 31 поршневого компрессора 1. Отходящее тепло поршневого двигателя 105 внутреннего сгорания можно использовать для приведения в действие двигателя 50 Стирлинга, который, в свою очередь, обеспечивает часть энергии, необходимой для приведения в действие поршневого компрессора 1. Механическая энергия, генерируемая двигателем 50 Стирлинга, проходит через электрическую машину 97, посредством двухстороннего вала 107, при этом, сцепные устройства 109 и 111 (если они присутствуют) соединены. Электрическая машина 97 снабжена маховиком. Таким образом, поршневой компрессор 1 приводят в действие за счет объединенной энергии от поршневого двигателя 105 внутреннего сгорания и от двигателя 50 Стирлинга.

Если энергия, обеспечиваемая двигателем 105 внутреннего сгорания и двигателем 50 Стирлинга (если он работает), выше, чем энергия, необходимая для приведения в действие поршневого компрессора 1, избыточную механическую энергию можно преобразовать в электрическую энергию посредством электрической машины 97, работающей в режиме генератора. Для получения электрической энергии с требуемой частотой перед выпуском электрической энергии, генерируемой электрической машиной 97, в сеть G распределения электрической энергии используют частотный преобразователь 103.

Также можно обеспечить внешний источник 71 тепла, если, например, доступно отходящее тепло от другого процесса. НЗ обозначает дополнительное тепло, подаваемое дополнительным источником 71 тепла на горячий конец двигателя 50 Стирлинга.

В некоторых рабочих условиях, если, например, источник 71 тепла поставляет достаточное количество отходящего тепла, двигатель 105 внутреннего сгорания можно держать отключенным и, возможно, отсоединенным от коленчатого вала 31, путем разъединения сцепного устройства 113. Механическую энергию для приведения в действие поршневого компрессора 1 можно обеспечивать целиком за счет двигателя 50 Стирлинга, или за счет последнего в сочетании с электрической машиной 97.

На Фиг. 7 и 8 схематически показаны дополнительные примеры воплощения систем по изобретению. Одинаковые части или компоненты, или эквивалентные части и компоненты, обозначены теми же численными сносками, что и на ранее описанных чертежах.

Конкретно, на Фиг. 7 показано устройство, сходное с устройством Фиг. 5, в котором маховик 87 перемещен на участок линии вала между поршневым компрессором 1 и электрической машиной 97.

На Фиг. 8 показано устройство, сходное с устройством Фиг. 6, в котором двигатель 105 внутреннего сгорания отсутствует, а тепло Н1 к горячему концу двигателя 50 Стирлинга обеспечивают целиком за счет источника 71 тепла, например, источника, работающего за счет рекуперации отходящего тепла.

Примеры воплощения раскрытого в данном описании изобретения можно применять на различных промышленных предприятиях, где используют поршневые компрессоры и где имеются источники отходящего тепла, например, теплообменники или т.п. На Фиг. 9 и 10 схематически показаны два примера возможных применений раскрытого в данном описании изобретения, в установке гидроочистки и установке реформинга, соответственно.

Более конкретно, на Фиг. 9 показана технологическая схема установки гидроочистки. Общая структура установки сама по себе известна, и ее не будет описана подробно. Установка может включать насос 201 для исходного сырья, теплообменник 203 предварительного нагрева, нагреватель 205 и реактор 207. Поток, выходящий из реактора 207, частично охлаждают в теплообменнике 203 предварительного нагрева, путем теплообмена с сырьем, поступающим от насоса 201. Установка дополнительно включает охладитель 210, расположенный ниже реактора 207 по ходу технологического потока. Технологический поток из реактора 207 подают в сепаратор 209 водорода. Газообразный водород сжимают с помощью поршневого компрессора 211 и рециркулируют на холодную сторону теплообменника 203 предварительного нагрева, в то время как жидкую часть потока подают в стабилизатор 215. Давление водорода на входе повышают с помощью поршневого компрессора 213 для подпитки водорода, и добавляют его к потоку водорода из поршневого компрессора 211 и к сырью, поступающему из насоса 201 для исходного сырья. Один из поршневых компрессоров 211 и 213, или они оба, может быть соединен с возможностью передачи приводного усилия с двигателем Стирлинга, как это описано выше.

Отходящее тепло из теплообменника 210 можно использовать для приведения в действие двигателя Стирлинга, который обеспечен для приведения в действие поршневого компрессора 213, как схематически представлено контуром 217 теплопереноса. В качестве альтернативы или в дополнение к контуру 217 теплопереноса, контур теплопереноса можно использовать для подачи отходящего тепла к двигателю Стирлинга, приводящему в действие поршневой компрессор 211.

На Фиг. 10 схематически показана технологическая схема реформера, включающего насос 301 подачи нафты, который подает технологический поток через печь 302 и две последовательно расположенные печи 303, 304 повторного нагрева. Реакторы 305, 306, 307 расположены ниже каждой из печей 302, 303, 304 по ходу технологического потока. Поток углеводородов из реактора 307 переводят в жидкое состояние в охладителе 309, а затем разделяют на жидкую фазу и газообразную фазу в сепараторе 311 высокого давления и в сепараторе 313 низкого давления, соответственно. Жидкость из сепаратора 313 низкого давления подают в стабилизатор 315, легкий газ из которого извлекают из верхней части и охлаждают в охладителе 316, в то время как жидкость извлекают с помощью насоса 317 для продукта реформинга.

Установка дополнительно включает поршневой компрессор 319 для рециркуляции водорода, в который подают газ из сепаратора 311. Водород повышенного давления из поршневого компрессора 319 подают в печь 302.

Дополнительный поршневой компрессор 321 принимает водород из сепаратора 313 низкого давления и подает водород к процессам, находящимся ниже по ходу технологического потока.

Поршневой компрессор 319, или поршневой компрессор 321, или они оба, могут быть соединены с возможностью передачи приводного усилия с двигателем Стирлинга, как описано выше в данном тексте, чтобы по меньшей мере частично рекуперировать отходящее тепло или из охладителя-конденсатора 309, или из охладителя 316 стабилизатора 315, или из них обоих. В приведенной в качестве примера установке первый контур 325 рекуперации тепла переносит отходящее тепло от охладителя-конденсатора 309 к двигателю 319S Стирлинга, соединенного с возможностью передачи приводного усилия с поршневым компрессором 319S. Второй контур 327 рекуперации тепла переносит отходящее тепло от охладителя 316 к двигателю 321S Стирлинга, соединенного с возможностью передачи приводного усилия с поршневым компрессором 321.

В раскрытых выше примерах воплощения был указан источник 71 тепла, из которого обеспечивают тепловую энергию, например, рекуперированное отходящее тепло, к горячему концу двигателя 70 Стирлинга. Холодный конец двигателя Стирлинга может находиться при температуре окружающей среды, или при комнатной температуре, и его можно охлаждать, например, окружающим воздухом или водой. Устройства этого вида являются особенно полезными в ситуациях, когда доступен источник отходящего тепла, например, на нефтеперерабатывающих или подобных предприятиях. В других примерах воплощения горячий конец двигателя Стирлинга может находиться при комнатной температуре, или при температуре окружающей среды, а холодный конец может находиться в контакте с потоком холодной текучей среды. В случае этого типа устройства разность температур между источником тепла и источником холода также может быть получена путем использования существующего потока холодной текучей среды, такой, как, например, потоков, имеющихся в установках регазификации, где сжиженный природный газ (СПГ) снова переводят в газообразное состояние.

В то время как раскрытые примеры воплощения изобретения, описанного в данном тексте, были показаны на чертежах и полностью описаны выше, с подробностями и деталями, в связи с несколькими примерами воплощения, специалисту будет ясно, что возможны многие модификации, изменения и опущения без существенного отхода от новых принципов и концепций, изложенных в тексте данного описания, а также преимуществ объекта изобретения, приведенного в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, соответствующий объем раскрытых инноваций следует определять только посредством самой широкой интерпретации прилагаемой формулы изобретения, чтобы охватить все такие модификации, изменения и опущения. Различные отличительные особенности, структуры и средства различных примеров воплощения могут быть различным образом скомбинированы.

Группа изобретений относится к области двигателей внешнего сгорания, в частности к системам привода поршневого компрессора двигателем Стирлинга. Техническим результатом является повышение надежности привода компрессоров. Сущность изобретений заключается в том, что система для приведения в действие поршневого компрессора включает поршневой компрессор (1) с коленчатым валом (31). Двигатель (50) Стирлинга соединен с возможностью передачи приводного усилия с коленчатым валом (31) поршневого компрессора (1). Источник (71) тепла, например источник отходящего тепла, обеспечивает тепло к горячему концу двигателя Стирлинга. Тепло частично преобразуют в механическую энергию для приведения в действие поршневого компрессора (1). Система содержит по меньшей мере один дополнительный привод (91; 97; 105) и соединение (93; 107; 115) с возможностью передачи приводного усилия между дополнительным приводом (91; 97; 105) и поршневым компрессором (1) для обеспечения дополнительной энергии для поршневого компрессора (1) посредством дополнительного привода (91; 97; 105). 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система для приведения в действие поршневого компрессора, включающая:

поршневой компрессор (1) с по меньшей мере одним цилиндром (3), поршнем (7), выполненным с возможностью перемещения путем скольжения в указанном цилиндре (3), коленчатым валом (31) для перемещения указанного поршня (7) в указанном цилиндре (3);

двигатель (50) Стирлинга с горячим концом, холодным концом и выходным валом (63);

соединение (83, 107) с возможностью передачи приводного усилия между выходным валом (63) двигателя Стирлинга и коленчатым валом (31) поршневого компрессора (1);

источник (71) тепла, предназначенный и выполненный с возможностью подачи тепла к горячему концу двигателя (50) Стирлинга, и

по меньшей мере один дополнительный привод (91; 97; 105) и соединение (93; 107; 115) с возможностью передачи приводного усилия между дополнительным приводом (91; 97; 105) и поршневым компрессором (1) для обеспечения дополнительной энергии для поршневого компрессора (1) посредством дополнительного привода (91; 97; 105).

2. Система по п. 1, в которой скорость вращения выходного вала (63) двигателя (50) Стирлинга и скорость вращения коленчатого вала (31) поршневого компрессора (1) по существу равны.

3. Система по п. 1, дополнительно включающая сцепное устройство (85, 111, 109), расположенное между выходным валом (63) двигателя (50) Стирлинга и коленчатым валом (31) поршневого компрессора (1).

4. Система по п. 1, в которой дополнительный привод представляет собой электрическую машину (97) с соединением (99) с возможностью передачи приводного усилия между электрической машиной (97) и коленчатым валом (31) поршневого компрессора (1).

5. Система по п. 4, в которой скорость вращения электрической машины (97) и скорость вращения поршневого компрессора (1) по существу равны.

6. Система по п. 4, в которой скорость вращения электрической машины (97) и скорость вращения выходного вала (63) двигателя (50) Стирлинга по существу равны, когда и электрическая машина (97), и двигатель (50) Стирлинга соединены с возможностью передачи приводного усилия с поршневым компрессором (1).

7. Система по п. 4, в которой электрическая машина (97) соединена с сетью (G) распределения электрической энергии через частотный преобразователь (103).

8. Система по п. 4, в которой электрическая машина (97) представляет собой обратимую электрическую машину, выполненную с возможностью выборочной работы в режиме двигателя или в режиме генератора.

9. Система по п. 4, дополнительно включающая сцепное устройство (101) между электрической машиной (97) и поршневым компрессором (1).

10. Система по п. 4, дополнительно включающая сцепное устройство (109) между электрической машиной (97) и двигателем (50) Стирлинга.

11. Система по п. 4, в которой поршневой компрессор (1) расположен между двигателем (50) Стирлинга и электрической машиной (97).

12. Система по п. 4, в которой поршневой компрессор (1) выборочно приводят в действие посредством:

механической энергии, генерируемой только электрической машиной (97), или

механической энергией, генерируемой только двигателем (50) Стирлинга, или

объединенной энергией, генерируемой двигателем (50) Стирлинга и электрической машиной (97).

13. Система по п. 4, в которой электрическая машина (97) отрегулирована и настроена для работы в режиме генератора и преобразования избыточной механической энергии в полезную электрическую энергию.

14. Система по п. 4, в которой указанная электрическая машина (97) отрегулирована и настроена для работы в качестве пускового устройства для указанного двигателя (50) Стирлинга.

15. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой дополнительный привод представляет собой поршневой двигатель (105) внутреннего сгорания с соединением (115) с возможностью передачи приводного усилия между поршневым двигателем (105) внутреннего сгорания и коленчатым валом (31) поршневого компрессора (1).

16. Система по п. 15, дополнительно включающая устройство (117) теплопереноса для переноса отходящего тепла от поршневого двигателя (105) внутреннего сгорания к горячему концу двигателя (50) Стирлинга, при этом двигатель (50) Стирлинга преобразует по меньшей мере часть указанного отходящего тепла в полезную механическую энергию, доступную на его выходном валу.

17. Способ приведения в действие поршневого компрессора (1), включающий стадии:

обеспечения поршневого компрессора (1) с по меньшей мере одним цилиндром (3), поршнем (7), выполненным с возможностью перемещения путем скольжения в указанном цилиндре (3), коленчатым валом (31) для перемещения указанного поршня (7) в указанном цилиндре (3);

обеспечения двигателя (50) Стирлинга с горячим концом, холодным концом и выходным валом (63);

обеспечения дополнительного привода (91; 97; 105) и соединения (93) с возможностью передачи приводного усилия между дополнительным приводом (91) и поршневым компрессором (1); и обеспечения дополнительной энергии для поршневого компрессора (1) посредством указанного дополнительного привода (91);

соединения с возможностью передачи приводного усилия выходного вала (63) двигателя (50) Стирлинга с коленчатым валом (31) поршневого компрессора (1);

обеспечения тепловой энергии к горячему концу двигателя (50) Стирлинга и частичного преобразования тепловой энергии в механическую энергию посредством указанного двигателя (50) Стирлинга;

приложения указанной механической энергии к коленчатому валу (31) поршневого компрессора (1).

18. Способ по п. 17, в котором скорость вращения выходного вала (63) двигателя (50) Стирлинга и скорость вращения коленчатого вала (31) поршневого компрессора (1) по существу равны.

19. Способ по п. 17, в котором дополнительный привод является электрической машиной (97) с соединением (99) с возможностью передачи приводного усилия между электрической машиной (97) и коленчатым валом (31) поршневого компрессора (1).

20. Способ по п. 19, включающий соединение с возможностью передачи приводного усилия электрической машины (97) и коленчатого вала (31) поршневого компрессора (1), и вращение коленчатого вала (31) и электрической машины (97) с одинаковой скоростью вращения.

21. Способ по п. 19, дополнительно включающий стадию осуществления работы указанной электрической машины (97) в режиме вспомогательного двигателя и подачи дополнительной механической энергии, генерируемой указанной электрической машиной (97), на коленчатый вал (31) поршневого компрессора (1).

22. Способ по п. 19, включающий стадии осуществления работы указанной электрической машины (97) в режиме генератора и преобразования избыточной механической энергии от указанного двигателя (50) Стирлинга в электрическую энергию.

23. Способ по п. 19, дополнительно включающий стадию запуска двигателя (50) Стирлинга указанной электрической машиной (97).

24. Способ по любому из пп. 17-23, в котором дополнительный привод является поршневым двигателем (105) внутреннего сгорания с соединением (115) с возможностью передачи приводного усилия между поршневым двигателем (105) внутреннего сгорания и коленчатым валом (31) поршневого компрессора (1), и в котором осуществляют работу двигателя (105) внутреннего сгорания, преобразуют отходящее тепло двигателя (105) внутреннего сгорания в механическую энергию в указанном двигателе (50) Стирлинга.

25. Способ по п. 24, включающий стадии подачи механической энергии, генерируемой поршневым двигателем (105) внутреннего сгорания, на коленчатый вал (31) поршневого компрессора (1).