СИСТЕМА И СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ОТХОДЯЩЕГО ТЕПЛА Российский патент 2018 года по МПК F01K23/04 

Настоящее изобретение относится к системе и способу для регенерации энергии отходящего тепла или утилизации энергии отходящего тепла.

Разработка эффективных концепций для регенерации или утилизации отходящего тепла является важной задачей современной промышленности не только с точки зрения сбережения соответствующих затрат, но и с точки зрения экологической выгоды. Понятно, что многие промышленные процессы, включая производство металла, производство стекла и химическую обработку, а также технологические процессы в компрессорах, двигателях внутреннего сгорания и т.д., используют большие количества тепла. В то время как многочисленные усилия и технологии были направлены на проблему регенерации или утилизации тепла, которое в противном случае терялось в виде отходов, до настоящего времени такие концепции эффективно используют лишь малую часть доступной энергии отходящего тепла. Средняя суммарная эффективность (кпд) существующих технологий утилизации отходящего тепла, как ожидается, не превышает значение около 10%. Таким образом, около 90% тепловой энергии до сих пор сбрасывается впустую в атмосферу.

Большая часть отходящего тепла содержится в дымовых или отработанных газах различных промышленных процессов и выхлопных газах различных приводов и двигателей, и значения результирующего кпд в обсуждении ниже основаны на утилизации отходящего тепла от дымовых/выхлопных газов. Здесь имеется отличие от утилизации отходящего тепла в твердых телах, таких как солнечные коллекторы или некоторые другие высокотемпературные твердые структуры, которые могут производить значительно более высокие значения результирующего кпд.

Отходящее тепло может быть использовано в системах турбогенератора, которые используют термодинамические методы, такие как цикл Ренкина, для преобразования теплоты в работу. Как правило, этот способ является основанным на паре, причем отходящее тепло используется для производства пара в котле для приведения в действие турбины. Однако ключевым недостатком основанного на паре цикла Ренкина являются его требование высокой температуры; то есть, он обычно требует относительно высокотемпературного потока отходящего тепла (например, 300°С или выше) или очень большого общего содержания тепла. Кроме того, сложность кипячения воды при множестве давлений/температур, чтобы захватывать тепловую энергию на множестве температурных уровней, когда поток источника тепла охлаждается, обуславливает высокие затраты. Кроме того, основанный на паре цикл Ренкина не является практичным вариантом для потоков с низкой скоростью потока и/или низкой температурой.

Органический цикл Ренкина (ORC) направлен на преодоление недостатков основанного на паре цикла Ренкина путем замены воды на текучее тело с более низкой температурой кипения, такой как легкий углеводород, например, пропан или бутан, или HCFC текучее тело (например, R245fa). Однако ограничения теплопередачи при кипении остаются, и возникают новые проблемы, такие как тепловая нестабильность, токсичность или воспламеняемость текучего тела. Соответственно, широко внедрение технологии органического цикла Ренкина (ORC) не допускает использование всего потенциала отходящего тепла из-за ограниченной тепловой стабильности органического текучего тела, что влияет на тепловой кпд систем ORC, когда температура источника отходящего тепла превышает 250°-300°С. В среднем, общий результирующий кпд существующих установок ORC не превышает величину около 10%, так что до 90% тепловой энергии продолжает впустую сбрасываться в атмосферу.

Технология утилизации отходящего тепла на сверхкритическом диоксид углероде (S-CO₂) была использована для решения некоторых из этих вопросов. Сверхкритическое состояние СО₂ обеспечивает улучшенную тепловую связь с несколькими источниками тепла и позволяет разрабатывать более эффективные (с результирующим кпд до 20%) и очень компактные блоки по сравнению с системами ORC для различных применений. Такие системы S-CO₂ часто требуют очень сложных системных компоновок и уникального оборудования теплопередачи, что приводит, однако, к высоким капитальным затратам, а также к техническим трудностям. Примеры таких известных систем для регенерации и утилизации отходящего тепла описаны в патентных публикациях WO2011/119650A2, WO2012/074905A2, WO2012/074911A2 и WO2012/074940A2.

С учетом вышеизложенного, задачей настоящего изобретения является создание новой и усовершенствованной системы и способа утилизации и/или регенерации энергии отходящего тепла из источника отходящего тепла, такого как дымовые газы или выхлопные газы.

В соответствии с изобретением, предложены система для регенерации или утилизации энергии отходящего тепла согласно пункту 1 формулы изобретения и способ регенерации или утилизации энергии отходящего тепла согласно пункту 9 формулы изобретения. Преимущественные и/или предпочтительные признаки изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно одному аспекту, следовательно, настоящее изобретение обеспечивает систему для регенерации и/или утилизации энергии отходящего тепла из источника отходящего тепла, содержащую:

первый тепловой двигатель, имеющий первое рабочее тело, такой как диоксид углерода (СО₂), причем первый тепловой двигатель сконфигурирован и расположен так, чтобы передавать тепло от источника отходящего тепла к первому рабочему телу, и

второй тепловой двигатель, особенно тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC), имеющий второе рабочее тело, причем второй тепловой двигатель сконфигурирован и расположен так, чтобы передавать тепло от первого рабочего тела к второму рабочему телу, особенно для охлаждения первого рабочего тела после его расширения в турбине первого теплового двигателя.

Таким образом, авторы настоящего изобретения разработали способ объединения преимуществ подходов как ORC, так и S-CО₂, а именно: простоты системы ORC, которая обеспечивает возможность реализации обычного оборудования теплопередачи, и высокой эффективности технологии S-CО₂. Таким образом, настоящее изобретение может обеспечить новую систему комбинированной регенерации или утилизации тепла на сверхкритическом диоксид углероде (S-CО₂) (первый цикл) и ORC (второй цикл). Компоновка системы может включать в себя один теплообменник отходящего тепла и две турбины с соответствующими охладителями (радиаторами) и соответствующими насосами/компрессорами для первого цикла (S-CО₂) и второго цикла (ORC). Таким образом, изобретение обеспечивает компоновку, которая позволяет получить высокий результирующий кпд (например, около 20%) утилизации отходящего тепла из дымовых газов с одним теплообменником отходящего тепла, избегая сложных известных компоновок систем S-CО₂, которые требуют дорогостоящих рекуператоров для сверхкритического диоксида углерода.

Первый тепловой двигатель обычно определяет первый термодинамической контур для циркуляции первого рабочего тела. Первый тепловой двигатель включает в себя: первый теплообменник, расположенный в первом контуре и сконфигурированный, чтобы передавать тепло от источника отходящего тепла к первому рабочему телу, и второй теплообменник в первом контуре для охлаждения первого рабочего тела после его расширения в турбине первого теплового двигателя. Таким образом, после того, как турбина первого теплового двигателя преобразует тепловую энергию первого рабочего тела в работу посредством теплового расширения, второй теплообменник сконфигурирован и расположен, чтобы передавать остаточное тепло от первого рабочего тела ко второму рабочему телу во втором тепловом двигателе. Другими словами, в комбинированном цикле системы, только первый тепловой двигатель получает тепловую энергию непосредственно из теплообменника отходящего тепла. Тепловая энергия, передаваемая ко второму тепловому двигателю, является неиспользованным теплом из первого контура. Передача тепловой энергии между двумя тепловыми двигателями этой систем комбинированного цикла, таким образом, выполняется в устройстве ʺохладителя первого цикла/нагревателя второго циклаʺ, которое сопрягает или соединяет два контура комбинированного цикла. Совместный ʺохладитель первого цикла (S-CО₂)/нагреватель второго цикла (ORC)ʺ способствует оптимизации затрат на оборудование теплопередачи. Рациональным образом, ʺохладитель первого цикла (S-CО₂)/нагреватель второго цикла (ORC)ʺ может быть представлен цельным рекуператором в случае, когда второй цикла (ORC) работает при сверхкритических параметрах, или он может содержать две части (например, подогреватель и испаритель) для докритического второго цикла (ORC).

В предпочтительном варианте осуществления, второй тепловой двигатель включает в себя вторую турбину для расширения второго рабочего тела в положении во втором контуре после или ниже по потоку от второго теплообменника. Эта вторая турбина преобразует тепловую энергию второго рабочего тела в работу. Второй тепловой двигатель опционально включает в себя обходной канал или путь во втором контуре для обхода второй турбины. Предпочтительно, второй тепловой двигатель также включает в себя третий теплообменник для охлаждения второго рабочего тела после его расширения во второй турбине.

В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, второй тепловой двигатель включает в себя четвертый теплообменник, который сконфигурирован как рекуператор для рекуперации тепловой энергии из второго рабочего тела после его расширения во второй турбине. В этом отношении, четвертый теплообменник выполнен с возможностью передачи тепла ко второму рабочему телу в положении во втором контуре рядом и/или выше по потоку от второго теплообменника.

В предпочтительном варианте осуществления, первый тепловой двигатель включает в себя пятый теплообменник для дополнительного охлаждения первого рабочего тела после его расширения в первой турбине, причем пятый теплообменник расположен или находится после или ниже по потоку от второго теплообменника.

В конкретном варианте осуществления, таким образом, изобретение обеспечивает систему утилизации отходящего тепла, содержащую:

тепловой двигатель на сверхкритическом диоксиде углерода (S-CО₂), имеющий диоксид углерода (CО₂) в качестве рабочего тела, причем первый тепловой двигатель имеет первый теплообменник для передачи тепла от источника отходящего тепла к диоксиду углерода и второй теплообменник для охлаждения диоксида углерода после его расширения в первой турбине; и

тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC), имеющий второе рабочее тело, причем второй теплообменник сконфигурирован и расположен так, чтобы передавать тепло от рабочего тела диоксида углерода (CО₂) ко второму рабочему телу.

В соответствии с другим аспектом, настоящее изобретение обеспечивает способ регенерации и/или утилизации энергии отходящего тепла от источника отходящего тепла, содержащий:

обеспечение первого теплового двигателя, имеющего первое рабочее тело, особенно диоксид углерода, и определяющего контур для циркуляции первого рабочего тела,

обеспечение второго теплового двигателя, особенно теплового двигателя органического цикла Ренкина (ORC), имеющего второе рабочее тело и определяющего второй контур для циркуляции второго рабочего тела,

передачу тепла от источника отходящего тепла к первому рабочему телу в первом тепловом двигателе, и

передачу тепла от первого рабочего тела в первом тепловом двигателе ко второму рабочему телу во втором тепловом двигателе, особенно для охлаждения первого рабочего тела после его расширения в турбине первого теплового двигателя.

Как отмечено выше, этап передачи тепла от первого рабочего тела в первом тепловом двигателе ко второму рабочему телу во втором тепловом двигателе обычно будет содержать как охлаждение первого рабочего тела (т.е. после его термического расширения в турбине первого теплового двигателя), так и нагревание второго рабочего тела во втором тепловом двигателе. Способ может дополнительно содержать этап дополнительного охлаждения первого рабочего тела после этапа передачи тепла от первого рабочего тела ко второму рабочему телу.

В предпочтительном варианте осуществления, второй тепловой двигатель включает в себя вторую турбину для расширения второго рабочего тела в положении во втором контуре после или ниже по потоку от второго теплообменника. Способ согласно изобретению предпочтительно дополнительно включает в себя охлаждение второго рабочего тела во втором тепловом двигателе после его термического расширения во второй турбине. Опционально, способ может включать в себя направление второго рабочего тела в обход второй турбины второго теплового двигателя, например, через обходной канал или путь во втором контуре. Таким образом, вторичный цикл ORC может быть ʺвыключенʺ с помощью перепускного клапана турбины ORC. Таким образом, второй контур может работать в качестве простого охладителя первичного цикла S-CО₂, тем самым обеспечивая гибкое управление мощностью для удовлетворения требований потребителей и реагирования на изменения в источнике отходящего тепла и параметрах окружающей среды.

В особенно предпочтительном варианте осуществления, способ дополнительно содержит рекуперацию тепла от второго рабочего тела после его расширения во второй турбине, в частности, путем передачи тепла ко второму рабочему телу в положении во втором контуре рядом и/или выше по потоку от второго теплообменника.

Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ, примерные варианты осуществления настоящего изобретения пояснены более подробно в последующем описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые ссылочные символы обозначают одинаковые элементы, и на которых представлено следующее:

Фиг. 1 - схематичное изображение системы регенерации отходящего тепла согласно одному предпочтительному варианту осуществления;

Фиг. 2 - схематичное изображение системы регенерации отходящего тепла согласно другому предпочтительному варианту осуществления;

Фиг. 3 - блок-схема, которая схематично иллюстрирует способ согласно предпочтительному варианту осуществления.

Прилагаемые чертежи включены для обеспечения дальнейшего понимания настоящего изобретения и включены в настоящий документ и составляют часть данного описания. Чертежи иллюстрируют конкретные варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов настоящего изобретения. Другие варианты осуществления изобретения и многие из сопутствующих преимуществ изобретения можно легче понять на основе следующего подробного описания.

Следует иметь в виду, что общие и/или хорошо известные элементы, которые могут быть полезны или необходимы в коммерчески осуществимом варианте осуществления, не обязательно изображаются, чтобы способствовать более абстрактному представлению вариантов осуществления. Элементы на чертежах проиллюстрированы не обязательно в масштабе относительно друг друга. Следует также иметь в виду, что определенные действия и/или этапы в варианте осуществления способа могут быть описаны или изображены в определенном порядке появления, в то время как специалистам в данной области техники будет понятно, что такая специфика по отношению к последовательности в действительности может не потребоваться. Также должно быть понятно, что термины и выражения, используемые в настоящем описании, имеют обычное значение, согласующееся с такими терминами и выражениями в относящихся к ним соответствующих областях исследования и изучения, за исключением случаев, когда конкретные значения были изложены иначе в настоящем документе.

На фиг. 1 схематично показан один вариант осуществления системы 1 для регенерации и/или утилизации энергии отходящего тепла от источника S отходящего тепла в соответствии с настоящим изобретением. Источник S тепла может представлять собой поток отходящего тепла, такой как выхлоп газовой турбины, выхлоп технологического потока или другие выхлопные потоки продуктов сгорания, включая выхлопные потоки печей или котлов. Термодинамическая система 1 может быть сконфигурирован для преобразования отходящего тепла в электричество для целого ряда различных применений, включая, без ограничения указанным, нижнее циклирование в газовых турбинах, дизельные двигатели-генераторы, утилизацию промышленного отходящего тепла (например, на производственных предприятиях, нефтеперерабатывающих заводах, компрессорных станциях), а также гибридные альтернативы к двигателям внутреннего сгорания. В других примерных вариантах осуществления, источник S тепла может получать тепловую энергию из возобновляемых источников тепловой энергии, таких как, без ограничения указанным, солнечные термальные и геотермальные источники.

Система 1 содержит первый тепловой двигатель Н1 и второй тепловой двигатель H2, каждый из которых определяет соответствующие первый и второй термодинамический цикл или контур А, В для ассоциированного первого и второго рабочего тела F1, F2. Каждый из первого и второго тепловых двигателей H1, Н2 используется для преобразования тепловой энергии в работу через тепловое расширение соответствующего первого и второго рабочего тела F1, F2. В частности, термодинамическая система 1 содержит первый тепловой двигатель H1, имеющий контур А рабочего тела в тепловой коммуникации с источником S отходящего тепла через первый теплообменник E1. Хотя понятно, что любое количество устройств теплообменников может быть использовано в сочетании с одним или несколькими источниками отходящего тепла, в данном примерном варианте осуществления первый теплообменник Е1 представляет собой единственный теплообменник отходящего тепла. В других примерных вариантах осуществления, первый теплообменник Е1 может включать в себя несколько ступеней комбинированного теплообменника отходящего тепла. Хотя источник S отходящего тепла может представлять собой поток флюида самого высокотемпературного источника, в других примерных вариантах осуществления, источник S отходящего тепла может быть теплоносителем в контакте с высокотемпературным источником. Теплоноситель может, таким образом, доставлять тепловую энергию к теплообменнику Е1 отходящего тепла для передачи энергии к рабочему телу F1 в первом контуре А.

Как показано на чертеже, первый теплообменник или теплообменник Е1 отходящего тепла служит в качестве теплообменника тепла высокой температуры или относительно более высокой температуры, приспособленного для приема струи или потока источника S отходящего тепла. В примерных вариантах осуществления настоящего раскрытия, начальная температура источника S отходящего тепла, входящего в систему 1, может находиться в диапазоне примерно от 200°С до более чем примерно 700°С. В показанном конкретном варианте осуществления, поток источника S отходящего тепла может иметь температуру около 500°С или выше. В связи с этим, однако, рабочие температуры и давления и скорости потока приведены в качестве примера и никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего раскрытия.

Рабочее тело Fl, циркулирующее в первом контуре А первого теплового двигателя H1, представляет собой диоксид углерода (CO₂). Диоксид углерода в качестве рабочего тела для циклов генерации мощности имеет много преимуществ. Это нейтральное рабочее тело, которое является нетоксичным, негорючим, дешевым, легкодоступным и не нуждается в утилизации. Отчасти из-за его относительно высокого рабочего давления, система CO₂ может быть построена гораздо более компактной по сравнению с системами, использующими другие рабочие тела. Высокая плотность и объемная теплоемкость CO₂ по отношению к другим рабочим телам делают его более ʺэнергетически плотнымʺ, что означает, что размеры всех компонентов системы могут быть значительно уменьшены без потери производительности. Следует отметить, что термин ʺдиоксид углеродаʺ, используемый здесь, не предназначен для ограничения до CO₂ какого-либо конкретного типа, чистоты или класса. В примерном варианте осуществления, может быть использован, например, CO₂ промышленного класса без отклонения от объема настоящего изобретения.

Диоксид углерода (CO₂) в качестве первого рабочего тела F1, циркулирующего в первом контуре А первого теплового двигателя Н1, доставляется в состоянии под давлением к теплообменнику E1 отходящего тепла посредством первого насоса или компрессора P1, который расположен в первом контуре А. Как отмечено выше, CO₂ в качестве первого рабочего тела F1 нагревается в теплообменнике E1 отходящего тепла за счет теплового контакта с источником S отходящего тепла. Сжатый и нагретый CO₂ затем подвергается расширению в первой турбине T1, которая преобразует часть тепловой энергии в рабочем теле F1, извлекаемой из источника S отходящего тепла в механическую работу. Первый генератор G1, операционно связанный с первой турбиной T1, может затем преобразовывать эту механическую работу в электрическую энергию.

Ниже по потоку от первой турбины T1 в контуре А первого теплового двигателя Н1 предусмотрен второй теплообменник Е2 для охлаждения рабочего тела F1 CO₂ после его расширения в турбине T1. И этот второй теплообменник Е2 обеспечивает средство сопряжения со вторым тепловым двигателем Н2. В этом отношении, второй тепловой двигатель Н2 определяет второй термодинамический цикл или контур В, в частности, органический цикл Ренкина (ORC), в котором циркулирует второе рабочее тело F2, такой как легкий углеводород (например, пропан или бутан, или HCFC тело). Таким образом, второй теплообменник Е2 эффективно расположен как в первом контуре А, так и во втором контуре В и приспособлен или сконфигурирован, чтобы передавать тепловую энергию, оставшуюся в рабочем теле F1 CO₂, после его расширения в турбине Т1, к второму рабочему телу F2 второго теплового двигателя Н2. Хотя рабочее тело F1 CO₂ может иметь только температуру в диапазоне от 70°C до 250°C и предпочтительно от 100°С до 200°С на входе во второй теплообменник Е2, относительно низкая температура кипения второго рабочего тела F2 в тепловом двигателе Н2 ORC еще позволяет весьма эффективно регенерировать тепловую энергию. После охлаждения во втором теплообменнике Е2, первое рабочее тело F1 завершает первый контур А путем возврата к первому насосу или компрессору P1, чтобы снова нагнетаться вниз по потоку от теплообменника E1 отходящего тепла.

Рабочее тело F2 ORC, циркулирующее во втором контуре В второго теплового двигателя Н2, доставляется в состоянии под давлением к второму теплообменнику Е2 посредством второго насоса или компрессора Р2, расположенного во втором контуре В. Как уже отмечено выше, второе рабочее тело F2 нагревается за счет теплового контакта с первым рабочим телом F1 во втором теплообменнике Е2. Сжатое и нагретое рабочее тело F2 ORC затем подвергается расширению во второй турбине Т2, которая преобразует часть тепловой энергии во втором рабочем теле F2 в работу. Как и в первом тепловом двигателе Н1, второй генератор G2, который операционно связан со второй турбиной Т2, может преобразовать эту работу в электрическую энергию. Наконец, третий теплообменник Е3 обеспечен в качестве охладителя во втором контуре B (ORC) для охлаждения рабочего тела F2 ORC. С этой целью третий теплообменник Е3 может быть соединен по текучей среде с радиатором S2, опционально включающим в себя устройство принудительной конвекцией (например, вентилятор) или устройство башенного охладителя. Таким образом, второе рабочее тело F2 охлаждается перед возвратом в контур B ORC, чтобы нагнетаться снова посредством второго насоса или компрессора Р2 вниз по потоку от второго теплообменника Е2.

Следует отметить, что второй контур В включает в себя обходной путь или канал BP с перепускным клапаном V, расположенный параллельно пути через вторую турбину Т2. Этот обходной путь ВР позволяет обходить турбину Т2 теплового двигателя H2 ORC и эффективно деактивировать ее посредством перепускного клапана V. Таким образом, второй контур В может работать в качестве простого контура охлаждения первичного контура А S-CO₂, тем самым обеспечивая гибкое управление мощностью для удовлетворения требований потребителей и реагирования на изменения в источнике S отходящего тепла и/или параметрах окружающей среды.

Предпочтительный вариант осуществления, показанный на фиг. 1, таким образом, обеспечивает простую компоновку комбинированной системы 1 S-CO₂ и ORC, которая обеспечивает возможность гибкого функционирования в процессе регенерации и утилизации отходящего тепла с высокой эффективностью. Компоновка тепловых двигателей в системе 1 согласно фиг. 1 имеет по меньшей мере два непрерывно расположенных нерегенеративных цикла A, B с одним теплообменником E1 отходящего тепла и внутренней передачей тепла во вторичный цикл ORC в охладителе первичного цикла S-CO₂, имеющего высокий результирующий кпд комбинированной системы (например, до 20%), сопоставимой с гораздо более сложными системами S-CO₂ предшествующего уровня техники. Внутренняя передача тепла к вторичному контуру В ORC в охладителе E2 первичного контура А S-CO₂ и потоки одного флюида F1, F2, непрерывно протекающего через все элементы каждого контура А, В позволяют использовать меньше оборудования теплопередачи из-за отсутствия внутренних рекуператоров. Также можно видеть, что компоновка системы 1 исключает необходимость в каких-либо внутренних точках разделения потока и, тем самым, упрощает управление и контроль массового расхода.

На фиг. 2 схематично показан другой предпочтительный вариант осуществления системы 1 для регенерации и утилизации отходящего тепла в соответствии с настоящим изобретением. В этом альтернативном варианте осуществления, общая компоновка первого и второго тепловых двигателей H1, H2 в системе 1 остается по существу неизменной, но второй тепловой двигатель Н2 отличается от варианта осуществления согласно фиг. 1 тем, что он включает в себя четвертый теплообменник E4, который выполнен как рекуператор для рекуперации тепловой энергии из второго рабочего тела F2 после его расширения во второй турбине Т2. В связи с этим, четвертый теплообменник Е4 образует тепловое средство сопряжения во втором контуре B между вторым телом F2 на выходе из второй турбины Т2 и вторым телом F2 перед его входом во второй теплообменник Е2. Таким образом, данная компоновка использует остаточное тепло во втором теле F2 после его расширения в турбине для подогрева второго тела F2 в последующем или находящемся ниже по потоку положении во втором контуре B рядом со вторым теплообменником Е2. Таким образом, можно увеличить внутреннюю тепловую эффективность (кпд) второго теплового двигателя H2 ORC путем добавления рекуператора E4 к компоновке системы.

Следует также отметить, что вариант осуществления системы 1 согласно фиг. 2 отличается от фиг. 1 тем, что первый тепловой двигатель Н1 включает в себя еще один (пятый) теплообменник Е5, соединенный по текучей среде с радиатором S1 для дальнейшего охлаждения первого рабочего тела F1 после расширения в первой турбине T1. В этом случае, дополнительный теплообменник или охладитель Е5 желателен в первом контуре А (S-CO₂), чтобы обеспечить требуемую температуру на входе первого насоса/компрессора P1, чтобы поддерживать рациональную величину работы сжатия. Хотя вариант осуществления системы 1 согласно фиг. 2 является более сложным, чем вариант осуществления согласно фиг. 1, и требует больше оборудования теплопередачи, он имеет более высокую общую эффективность, обеспечивает большую гибкость в управлении и может быть особенно подходящим для некоторых применений.

Наконец, на фиг. 3 показана блок-схема, которая схематично иллюстрирует этапы в способе регенерации и/или утилизации отходящего тепла в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения, описанными выше со ссылками на фиг. 1 и 2. В частности, первый блок I на фиг. 3 представляет этап обеспечения первого теплового двигателя Н1 на сверхкритическом CО₂, имеющего диоксид углерода (CО₂) в качестве первого рабочего тела F1. Второй блок II затем представляет этап обеспечения второго теплового двигателя Н2 органического цикла Ренкина (ORC), имеющего легкий углеводород в качестве второго рабочего тела F2. Третий блок III представляет этап передачи тепла от источника S отходящего тепла к первому рабочему телу F1 (например, сверхкритическому CO₂) в первом тепловом двигателе Н1. Затем завершающий блок IV на фиг. 3 представляет этап передачи тепла от первого рабочего тела F1 в первом тепловом двигателе Н1 к второму рабочему телу F2 во втором тепловом двигателе H2 для охлаждения рабочего тела F1 CO₂ после расширения в турбине T1 первого теплового двигателя H1.

Хотя в данном документе были показаны и описаны некоторые конкретные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что существует множество альтернативных и/или эквивалентных реализаций. В связи с этим, например, следует отметить, что рабочее тело в первом контуре A и/или втором контуре В может быть двоичной, троичной или другой смесью рабочих тел. Смесь или комбинация рабочих тел может быть выбрана на основе уникальных признаков, которыми обладает комбинация тел в системе утилизации тепла, как описано в настоящем документе. В первом контуре A, например, одна такая комбинация тел содержит смесь жидкого абсорбента и CO₂, позволяя перекачивать комбинированное тело в жидком состоянии до высокого давления с меньшим потреблением энергии, чем требуется для сжатия CO₂. В другом примерном варианте осуществления, рабочее тело может быть комбинацией CO₂ или сверхкритического диоксида углерода (S-CO₂) и одного или более других смешиваемых тел или химических соединений. В других примерных вариантах осуществления, рабочее тлео может представлять собой комбинацию CO₂ и пропана или CO₂ и аммиака, без отклонения от объема настоящего раскрытия.

Использование термина ʺрабочее телоʺ не предназначено для ограничения состояния или фазы, в котором(ой) находится рабочее тело. Другими словами, рабочее тело может быть в жидкой фазе, в газовой фазе, в сверхкритической фазе, докритическом состоянии или любой(ом) другой(ом) фазе или состоянии в любой одной или нескольких точках в пределах цикла. Рабочее тело может находиться в сверхкритическом состоянии в некоторых частях контура или цикла (ʺстороны высокого давленияʺ) и в докритическом состоянии в других частях контура или цикла (ʺстороны низкого давленияʺ). В других примерных вариантах осуществления, весь контур или цикл может управляться и контролироваться таким образом, что рабочее тело находится в сверхкритическом состоянии или докритическом состоянии во время циркуляции во всем контуре.

Кроме того, следует понимать, что примерный вариант осуществления или примерные варианты осуществления, описанные и проиллюстрированные в данном описании, являются только примерами и не предназначены для ограничения объема, применимости или конфигурации каким-либо образом. Скорее всего, предшествующее краткое описание и подробное описание будут обеспечивать специалистам в данной области понятное объяснение или ориентиры для реализации по меньшей мере одного примерного варианта осуществления; при этом понятно, что различные изменения могут выполняться в функционировании и компоновке элементов, описанных в примерном варианте осуществления без отклонения от объема, как изложено в прилагаемой формуле изобретения и ее допустимых эквивалентах. В общем, подразумевается, что настоящая заявка охватывает любые такие адаптации или вариации конкретных вариантов осуществления, описанных здесь.

Следует также иметь в виду, что в данном документе подразумевается, что термины ʺсодержатьʺ, ʺсодержащийʺ, ʺвключать в себяʺ, ʺвключающий в себяʺ, ʺвмещатьʺ, ʺвмещающийʺ, ʺиметьʺ, ʺимеющийʺ, а также любые их варианты должны пониматься в инклюзивном (т.е. не исключительном) смысле, так что процесс, способ, устройство, аппарат или система, описанные в настоящем документе, не ограничиваются перечисленными признаками или частями или элементами или этапами, но могут включать в себя другие элементы, признаки, части или этапы, которые конкретно не перечислены, или которые присущи такому процессу, способу, изделию или устройству. Кроме того, формы единственного числа, используемые здесь, следует понимать как означающие одно или более, если явно не указано иное. Кроме того, термины ʺпервыйʺ, ʺвторойʺ, ʺтретийʺ и т.д. используются только в качестве обозначений, и не подразумевается, что они накладывают требования по численности или устанавливают определенное ранжирование важности их объектов.

Изобретение относится к системе для регенерации или утилизации энергии отходящего тепла от источника отходящего тепла. Система содержит первый тепловой двигатель, имеющий первое рабочее тело, в частности, диоксид углерода (CO₂), и определяющий первый контур для циркуляции первого рабочего тела. Первый тепловой двигатель сконфигурирован и расположен для передачи тепла от источника отходящего тепла к первому рабочему телу. Система также содержит второй тепловой двигатель, в частности тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC), имеющий второе рабочее тело и определяющий второй контур для циркуляции второго рабочего тела. Второй тепловой двигатель сконфигурирован и расположен для передачи тепла от первого рабочего тела ко второму рабочему телу, в частности, для охлаждения первого рабочего тела после его расширения в турбине первого теплового двигателя. Изобретение также обеспечивает соответствующий способ регенерации отходящего тепла. Изобретение позволяет повысить эффективность регенерации или утилизации энергии отходящего тепла от источника отходящего тепла. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система (1) для регенерации и/или утилизации энергии отходящего тепла от источника (S) отходящего тепла, содержащая:

первый тепловой двигатель (Н1), имеющий первое рабочее тело (F1) и определяющий первый контур (А) для циркуляции первого рабочего тела (F1), причем первый тепловой двигатель (H1) сконфигурирован и расположен для передачи тепла от источника (S) отходящего тепла к первому рабочему телу (F1), и

второй тепловой двигатель (Н2), имеющий второе рабочее тело (F2) и определяющий второй контур (В) для циркуляции второго рабочего тела (F2),

при этом второй тепловой двигатель (Н2) сконфигурирован и расположен для передачи тепла от первого рабочего тела (F1) ко второму рабочему телу (F2) для охлаждения первого рабочего тела (F1) после его расширения в турбине (T1) первого теплового двигателя (H1),

причем первый тепловой двигатель (Н1) содержит турбину (T1) и первый теплообменник (E1) в первом контуре (A) для передачи тепла от источника (S) отходящего тепла к первому рабочему телу (F1) и второй теплообменник (Е2) в первом контуре (A) для охлаждения первого рабочего тела (F1) после его расширения в турбине (Tl) первого теплового двигателя (H1), причем второй теплообменник (Е2) также находится во втором контуре (B) для передачи тепла от первого рабочего тела (F1) ко второму рабочему телу (F2) второго теплового двигателя (Н2),

причем второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя вторую турбину (T2) для расширения второго рабочего тела (F2) в положении во втором контуре (В) ниже по потоку от второго теплообменника (Е2),

при этом второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя обходной контур (BP) для обхода второй турбины (T2), причем обходной контур включает в себя клапан (V) для регулирования его работы.

2. Система (1) по п. 1, в которой второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя третий теплообменник (E3) для охлаждения второго рабочего тела (F2) после его расширения во второй турбине (Т2).

3. Система (1) по п. 2, в которой второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя четвертый теплообменник (E4), который образует рекуператор во втором контуре (B) для рекуперации тепла от второго рабочего тела (F2) после его расширения во второй турбине (Т2).

4. Система (1) по любому из пп. 1-3, в которой первый тепловой двигатель (H1) имеет пятый теплообменник (E5) для дополнительного охлаждения первого рабочего тела (F1) после его расширения в первой турбине (Т1), причем пятый теплообменник (Е5) расположен в первом контуре (А) после или ниже по потоку от второго теплообменника (Е2).

5. Система (1) по п. 1, в которой первое рабочее тело (F1) представляет собой диоксид углерода (CO₂).

6. Система (1) по п. 1, в которой второй тепловой двигатель (Н2) представляет собой тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC).

7. Способ регенерации отходящего тепла от источника (S) отходящего тепла, содержащий этапы:

обеспечение первого теплового двигателя (H1), имеющего первое рабочее тело (F1),

обеспечение второго теплового двигателя (H2), имеющего второе рабочее тело (F2);

передачу тепла от источника (S) отходящего тепла к первому рабочему телу (F1) в первом тепловом двигателе (Н1), и

передачу тепла от первого рабочего тела (F1) в первом тепловом двигателе (H1) ко второму рабочему телу (F2) во втором тепловом двигателе (H2) для охлаждения первого рабочего тела (F1) после его расширения в турбине (Т1) первого теплового двигателя (H1),

и дополнительно обход второй турбины (Т2) второго теплового двигателя (H2) через обходной контур.

8. Способ по п. 7, в котором этап передачи тепла от первого рабочего тела (F1) в первом тепловом двигателе (H1) ко второму рабочему телу (F2) во втором тепловом двигателе (Н2) содержит как охлаждение первого рабочего тела (F1) после его расширения в турбине (Т1) первого теплового двигателя (H1), так и нагревание второго рабочего тела (F2) во втором тепловом двигателе (Н2).

9. Способ по п. 7 или 8, в котором второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя вторую турбину (T2) для расширения второго рабочего тела (F2) в положении ниже по потоку от второго теплообменника (Е2).

10. Способ по любому из пп. 7-9, дополнительно содержащий охлаждение второго рабочего тела (F2) во втором тепловом двигателе (Н2) после его расширения во второй турбине (Т2).

11. Способ по любому из пп. 7-9, дополнительно содержащий рекуперацию тепла от второго рабочего тела (F2) после его расширения во второй турбине (Т2), особенно путем передачи тепла ко второму рабочему телу (F2) в положении рядом и/или выше по потоку от второго теплообменника (Е2).

12. Способ по любому из пп. 7-11, содержащий дополнительное охлаждение первого рабочего тела (F1) после этапа передачи тепла от первого рабочего тела (F1) ко второму рабочему телу (F2).

13. Способ по п. 7, в котором первое рабочее тело (F1) представляет собой диоксид углерода (CO2).

14. Способ по п. 7, в котором второй тепловой двигатель (Н2) представляет собой тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC).