Система и способ рекуперации отработанного тепла Российский патент 2018 года по МПК F01K13/00 

СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Эта заявка является частичным продолжением каждой из заявок на патент США, имеющих номера 13/905897, 13/905923 и 13/905811, которые включены в настоящий документ в качестве ссылки во всей своей полноте и каждая из которых подана 30 мая 2013 года.

ПРЕДПОСЫЛКИ

[0002] Настоящее изобретение относится к системам и способам для рекуперации энергии из отработанного тепла, производимого в человеческой деятельности, в которой потребляется топливо. В частности, изобретение относится к рекуперации тепловой энергии из недоиспользованных источников отработанного тепла, таких как отработанные газы турбин.

[0003] Деятельность человека, связанная со сжиганием топлива, в течение веков была основной характеристикой как для развития человеческой цивилизации, так и для ее продолжения. Эффективность, с которой топливо может быть преобразовано в энергию, все еще остается не решенной проблемой, поскольку большая часть энергии, получаемая при сгорании топлива, не может создавать полезную работу и теряется в виде отработанной энергии, например, отработанного тепла.

[0004] Циклы Ранкина и другие циклы регенерации тепла инновационно использовались для рекуперации по меньшей мере части энергии, присутствующей в отработанном тепле, вырабатываемом при сгорании топлива, причем на сегодняшний день был достигнут значительный прогресс. Тем не менее, несмотря на достижения в прошлом, необходимы дальнейшие усовершенствования систем и способов рекуперации отработанного тепла с циклом Ранкина.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В одном варианте выполнения настоящее изобретение относится к системе с циклом Ранкина, содержащей: (а) первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток первой рабочей текучей среды; (b) второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток второй рабочей текучей среды; (с) первый теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от потока первой рабочей текучей среды потоку второй рабочей текучей среды; (d) второй теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от потока второй рабочей текучей среды потоку первой рабочей текучей среды; причем первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром дополнительно содержит: (i) нагреватель, выполненный с возможностью передачи тепла от первого потока с отработанным теплом потоку первой рабочей текучей среды для производства потока испаренной первой рабочей текучей среды и второго потока с отработанным теплом; (ii) первый детандер, выполненный с возможностью приема потока испаренной первой рабочей текучей среды и производства из него механической энергии и потока расширенной первой рабочей текучей среды; (iii) первый конденсатор, выполненный с возможностью охлаждения потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды и производства из него потока охлажденной первой рабочей текучей среды; и (iv) насос, выполненный с возможностью сжатия потока охлажденной первой рабочей текучей среды; причем второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром дополнительно содержит: (v) второй детандер, выполненный с возможностью расширения потока испаренной второй рабочей текучей среды и производства из него механической энергии и потока расширенной второй рабочей текучей среды; (vi) второй конденсатор, выполненный с возможностью охлаждения потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды и производства из него потока охлажденной второй рабочей текучей среды; и (vii) насос, выполненный с возможностью сжатия потока охлажденной второй рабочей текучей среды; при этом первый теплообменник выполнен с возможностью производства потока испаренной второй рабочей текучей среды и потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды; и при этом второй теплообменник выполнен с возможностью производства потока обогащенной теплом первой рабочей текучей среды и потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды.

[0006] В альтернативном варианте выполнения настоящее изобретение относится к системе с циклом Ранкина, содержащей: (а) первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток первой рабочей текучей среды; (b) второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток второй рабочей текучей среды; (с) первый теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от потока первой рабочей текучей среды потоку второй рабочей текучей среды; (d) второй теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от потока второй рабочей текучей среды потоку первой рабочей текучей среды; причем первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром дополнительно содержит: (i) нагреватель, выполненный с возможностью передачи тепла от первого потока с отработанным теплом потоку первой рабочей текучей среды для производства потока испаренной первой рабочей текучей среды и второго потока с отработанным теплом; (ii) первый детандер, выполненный с возможностью приема потока испаренной первой рабочей текучей среды и производства из него механической энергии и потока расширенной первой рабочей текучей среды; (iii) первый конденсатор, выполненный с возможностью охлаждения потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды и производства потока охлажденной первой рабочей текучей среды; и (iv) насос, выполненный с возможностью сжатия потока охлажденной первой рабочей текучей среды; причем второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром дополнительно содержит: (v) второй детандер, выполненный с возможностью расширения потока испаренной второй рабочей текучей среды и производства из него механической энергии и потока расширенной второй рабочей текучей среды; (vi) второй конденсатор, выполненный с возможностью охлаждения потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды и производства из него потока охлажденной второй рабочей текучей среды; (vii) насос, выполненный с возможностью сжатия потока охлажденной второй рабочей текучей среды; (viii) разделитель потока второй рабочей текучей среды, выполненный с возможностью разделения потока расширенной второй рабочей текучей среды на первую часть потока расширенной второй рабочей текучей среды и вторую часть потока расширенной второй рабочей текучей среды; и (ix) объединитель потоков второй рабочей текучей среды, выполненный с возможностью объединения первой части потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды со второй частью потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды; при этом первый теплообменник выполнен с возможностью производства потока испаренной второй рабочей текучей среды, потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды и первой части потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды; а второй теплообменник выполнен с возможностью производства потока обогащенной теплом первой рабочей текучей среды и второй части потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды.

[0007] В альтернативном варианте выполнения настоящее изобретение относится к системе с циклом Ранкина, содержащей: (а) первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток первой рабочей текучей среды; (b) второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток второй рабочей текучей среды; (с) первый теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от потока первой рабочей текучей среды потоку второй рабочей текучей среды; (d) второй теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от потока второй рабочей текучей среды потоку первой рабочей текучей среды; причем первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром дополнительно содержит: (i) первый нагреватель, выполненный с возможностью передачи тепла от первого потока с отработанным теплом потоку первой рабочей текучей среды для производства потока испаренной первой рабочей текучей среды и второго потока с отработанным теплом; (ii) первый детандер, выполненный с возможностью приема потока испаренной первой рабочей текучей среды и производства из него механической энергии и потока расширенной первой рабочей текучей среды; (iii) первый конденсатор, выполненный с возможностью охлаждения потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды и производства из него потока охлажденной первой рабочей текучей среды; и (iv) насос, выполненный с возможностью сжатия потока охлажденной первой рабочей текучей среды; (v) по меньшей мере один разделитель потока рабочей текучей среды, выполненный с возможностью разделения потока охлажденной первой рабочей текучей среды на первую часть и вторую часть; (vi) второй нагреватель, выполненный с возможностью передачи тепла от второго потока с отработанным теплом первой части потока первой рабочей текучей среды для производства первой части потока обогащенной теплом первой рабочей текучей среды и третьего потока с отработанным теплом; и (vii) по меньшей мере один объединитель потоков рабочей текучей среды, выполненный с возможностью объединения двух потоков обогащенной теплом первой рабочей текучей среды; причем второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром дополнительно содержит: (viii) второй детандер, выполненный с возможностью расширения потока испаренной второй рабочей текучей среды и производства из него механической энергии и потока расширенной второй рабочей текучей среды; (ix) второй конденсатор, выполненный с возможностью охлаждения потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды и производства из него потока охлажденной второй рабочей текучей среды; и (х) насос, выполненный с возможностью сжатия потока охлажденной второй рабочей текучей среды; при этом первый теплообменник выполнен с возможностью производства потока испаренной второй рабочей текучей среды и потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды; а второй теплообменник выполнен с возможностью производства второй части потока обогащенной теплом первой рабочей текучей среды и потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды.

[0008] В еще одном варианте выполнения настоящее изобретение относится к способу рекуперации тепловой энергии с использованием системы с циклом Ранкина, включающему: (а) передачу тепла от первого потока с отработанным теплом потоку первой рабочей текучей среды, содержащейся внутри первого цикла рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, для производства, тем самым, потока испаренной первой рабочей текучей среды и второго потока с отработанным теплом; (b) расширение потока испаренной первой рабочей текучей среды для производства, тем самым, механической энергии и потока расширенной первой рабочей текучей среды; (с) передачу тепла от потока расширенной первой испаренной рабочей текучей среды потоку второй рабочей текучей среды, содержащейся внутри второго цикла рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, для производства, тем самым, потока испаренной второй рабочей текучей среды и потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды; (d) расширение потока испаренной второй рабочей текучей среды для производства, тем самым, механической энергии и потока расширенной второй рабочей текучей среды; и (е) передачу тепла от потока расширенной второй рабочей текучей среды потоку охлажденной первой рабочей текучей среды для производства, тем самым, потока обогащенной теплом первой рабочей текучей среды и потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Различные признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые символы обозначают одинаковые элементы на всех чертежах. Если не указано иное, то представленные здесь чертежи предназначены для иллюстрации основных существенных признаков изобретения. Эти существенные признаки изобретения, как полагают, применимы в различных системах, содержащих один или несколько вариантов выполнения настоящего изобретения. Таким образом, чертежи не включает все обычные признаки, известные средним специалистам в данной области техники, которые могут потребоваться для практической реализации изобретения.

[0010] Фиг. 1 изображает первый вариант выполнения изобретения;

[0011] Фиг. 2 изображает второй вариант выполнения изобретения;

[0012] Фиг. 3 изображает третий вариант выполнения изобретения;

[0013] Фиг. 4 изображает четвертый вариант выполнения изобретения;

[0014] Фиг. 5 изображает пятый вариант выполнения изобретения;

[0015] Фиг. 6 изображает шестой вариант выполнения изобретения;

[0016] Фиг. 7 изображает седьмой вариант выполнения изобретения.

[0017] Фиг. 8 изображает восьмой вариант выполнения изобретения;

[0018] Фиг. 9 изображает девятый вариант выполнения изобретения;

[0019] Фиг. 10 изображает лабораторную систему с циклом Ранкина, используемую в исследованиях, лежащих в основе данного изобретения; и

[0020] Фиг. 11 изображает альтернативно выполненную систему с циклом Ранкина Сравнительного Примера 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0021] В последующем описании и формуле изобретения, которые следуют далее, ссылки будут сделаны на ряд терминов, которые должны быть определены как имеющие следующие значения.

[0022] Формы единственного числа включают ссылки на множественное число, если из контекста явным образом не следует иное.

[0023] Приближенный язык, используемый в описании и в формуле изобретения, может быть применен для модификации любого количественное представления, которое может варьироваться, не приводя к изменению своей основной функции, с которой она связана. Соответственно, значение, модифицированное термином или терминами, такими как «приблизительно» и «по существу», не должно быть ограничено точным указанным значением. По меньшей мере в некоторых случаях приближенный язык может соответствовать точности прибора для измерения значение. Здесь и далее в описании и в формуле изобретения, ограничения диапазона могут быть объединены и/или переставлены, причем такие диапазоны определены и включают все поддиапазоны, содержащиеся в них, если из контекста или языка явным образом не следует иное.

[0024] В настоящем описании выражение «выполнен с возможностью» описывает физическое расположение двух или большего количества элементов системы с циклом Ранкина, необходимых для достижения конкретного результата. Таким образом, выражение «выполнен с возможностью» может быть использовано взаимозаменяемо с выражением «расположен таким образом, что», при этом специалисты в данной области техники, прочитав это описание, оценят различные расположения элементов системы с циклом Ранкина, с учетом характера указанного достигаемого результата. Выражение «выполненный с возможностью размещения» со ссылкой на рабочую текучую среду системы с циклом Ранкина, означает, что система с циклом Ранкина изготовлена из элементов, которые при объединении могут безопасным образом вмещать рабочую текучую среду в процессе работы.

[0025] Как уже отмечалось ранее, в одном варианте выполнения настоящее изобретение обеспечивает систему с циклом Ранкина, используемую для получения энергии от источников отработанного тепла, например теплового потока, содержащего поток отработанного газа из турбины сгорания. Система с циклом Ранкина преобразует по меньшей мере часть тепловой энергии, имеющейся в источнике отработанного тепла, в механическую энергию, которая может быть использована различными способами. Например, механическая энергия, произведенная из отработанного тепла, может быть использована для приведения в действие генератора, генератора переменного тока или другого подходящего устройства, способного преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию. В одном или нескольких вариантах выполнения система с циклом Ранкина, обеспечиваемая настоящим изобретением, содержит несколько устройств, выполненных с возможностью преобразования механической энергии, вырабатываемой системой с циклом Ранкина, в электрическую энергию. Например, система с циклом Ранкина, выполненная в соответствии с изобретением, может содержать два или большее количество генераторов, или генератор и генератор переменного тока. В альтернативном варианте выполнения система с циклом Ранкина, обеспечиваемая настоящим изобретением, преобразует скрытую теплоту, содержащуюся в рабочей текучей среде, в механическую энергию, и использует по меньшей мере часть производимой механической энергии для питания элементов системы, например, насоса, используемого для сжатия рабочей текучей среды.

[0026] В одном или нескольких вариантах выполнения система с циклом Ранкина, обеспечиваемая настоящим изобретением, содержит нагреватель, выполненный с возможностью передачи тепла от первого потока с отработанным теплом потоку первой рабочей текучей среды для производства потока испаренной первой рабочей текучей среды и второго потока с отработанным теплом. Поток с отработанным теплом может представлять собой любой газ, жидкость, псевдоожиженные твердые частицы или многофазную текучую среду, содержащие отработанное тепло, из которых тепло может быть рекуперировано. Как используется в настоящем документе, термин «нагреватель» описывает устройство, которое приводит источник отработанного тепла, такой как поток, содержащий отработанное тепло, в тепловой контакт с рабочей текучей средой системы с циклом Ранкина, так что тепло передается от источника отработанного тепла к рабочей текучей среде без приведения источника отработанного тепла в непосредственный контакт с рабочей текучей средой, т.е. источник отработанного тепла не смешивается с рабочей текучей средой. Такие нагреватели являются коммерчески доступными и известны специалистам в данной области техники. Например, нагреватель может представлять собой канал, через который может поступать поток, содержащий отработанное тепло, как, например, раскрыто в заявке на патент США №20110120129 А1, поданной 24 ноября 2009 года, и которая включена в настоящий документ во всей своей полноте в качестве ссылки. Рабочая текучая среда может быть приведена в тепловой контакт с потоком с отработанным теплом, с помощью трубки, через которую пропускают рабочую текучую среду, причем трубка расположена внутри канала. Протекающая рабочая текучая среда поступает в трубку внутри канала при первой температуре рабочей текучей среды, получает тепло от потока с отработанным теплом, протекающего через канал, и выходит из трубки в канале при второй температуре рабочей текучей среды, которая выше, чем первая рабочая температура текучей среды. Поток с отработанным теплом входит в канал при первой температуре потока с отработанным теплом, и, передав по меньшей мере часть своей тепловой энергии рабочей текучей среде, выходит при второй температуре потока с отработанным теплом, которая ниже, чем первая температура потока с отработанным теплом.

[0027] В настоящем описании термин «нагреватель» предназначен для устройств, которые выполнены с возможностью передачи тепла от источника отработанного тепла, такого поток с отработанным теплом, рабочей текучей среде, а не предназначены для теплообмена между потоком первой рабочей текучей среды и потоком второй рабочей текучей среды. Нагреватели в настоящем документе отличаются от теплообменников, которые выполнены с возможностью осуществления теплообмена между потоком первой рабочей текучей среды и потоком второй рабочей текучей среды. Это различие показано на Фиг. 5 настоящей заявки, на котором нагреватели 32 и 33 передают тепло от потока с отработанным теплом: соответственно, потоков 16 и 18, с отработанным теплом, соответственно, потокам 20 и 27 рабочей текучей среды. Специалистам в данной области техники будет понятно, что пронумерованные как 36 и 37 элементы системы, показанные на Фиг. 5, и пронумерованный как 38 элемент системы, показанный на Фиг. 6, выполнены с возможностью теплообмена между потоком первой рабочей текучей среды и потоком второй рабочей текучей среды и квалифицируются как теплообменники, в соответствии с определением в настоящем документе.

[0028] Подходящие нагреватели, которые могут быть использованы в соответствии с одним или несколькими вариантами выполнения изобретения, включают канальные нагреватели, как уже отмечалось, нагреватели с псевдоожиженным слоем, кожухотрубные нагреватели, пластинчатые нагреватели, ребристые пластинчатые нагреватели и ребристые трубчатые нагреватели.

[0029] Подходящие теплообменники, которые могут быть использованы в соответствии с одним или несколькими вариантами выполнения изобретения, включают кожухотрубные теплообменники, печатные теплообменники, ребристые пластинчатые теплообменники и формованные пластинчатые теплообменники. В одном или нескольких вариантах выполнения настоящего изобретения система с циклом Ранкина содержит по меньшей мере один печатный теплообменник.

[0030] Рабочая текучая среда, используемая в соответствии с одним или несколькими вариантами выполнения изобретения, может представлять собой любую рабочую текучую среду, пригодную для использования в системе с циклом Ранкина, например, диоксид углерода. Дополнительные подходящие рабочие текучие среды включают воду, азот, углеводороды, такие как циклопентан, органические галогенные соединения и стабильных неорганические текучие среды, таких как SF₆. В одном варианте выполнения в качестве рабочей текучей среды используют диоксид углерода, который в одном или нескольких местах в системе с циклом Ранкина может находиться в сверхкритическом состоянии.

[0031] Системы с циклом Ранкина, предусмотренные настоящим изобретением, содержат два разных цикла рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, каждый из которых выполнен с возможностью размещения рабочей текучей среды. Первый такой цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром выполнен с возможностью размещения потока первой рабочей текучей среды, а второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром выполнен с возможностью размещения потока второй рабочей текучей среды. Внутри каждого цикла рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром рабочая текучая среда по-разному нагревается, расширяется, охлаждается и сжимается. Тепло обменивается между потоком первой рабочей текучей среды, содержащейся в первом цикле рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, и потоком второй рабочей текучей среды, содержащейся во втором цикле рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром в теплообменниках, которые облегчают протекание тепла от потока первой рабочей текучей среды к потоку второй рабочей текучей среды в первом теплообменнике и обратного потока тепла (т.е. поток второй рабочей текучей среды нагревает поток первой рабочей текучей среды) во втором теплообменнике. Несмотря на то, что поток первой рабочей текучей среды и поток второй рабочей текучей среды представляют собой по существу одиночные потоки текучей среды, содержащиеся в двух отдельных циклах с замкнутым контуром, полезно рассматривать каждый поток рабочей текучей среды как созданный из множества потоков, представляющих различные состояния рабочей текучей среды (например, испаренной, расширенной, охлажденной, сжатой, обедненной теплом, обогащенной теплом, разделенной, объединенной) в рамках системы, в качестве средства указания на общую конфигурацию системы с циклом Ранкина. Таким образом, например, поток первой рабочей текучей среды поступает в нагреватель, где он отбирает отработанное тепло от источника отработанного тепла и превращается из потока первой рабочей текучей среды в поток испаренной первой рабочей текучей среды.

[0032] Выражение «испаренная рабочая текучая среда» при применении к рабочей текучей среде с высокой летучестью, такой как диоксид углерода, который имеет температуру кипения -56°С при 518 кПа, просто означает рабочую текучую среду в газообразном состоянии, которая горячее, чем она была до прохождения через нагреватель или теплообменник. Из этого следует, что термин «испаренный», используемый в настоящем документе, не обязательно означать преобразование рабочей текучей среды из жидкого состояния в газообразное состояние. Поток испаренной рабочей текучей среды может находиться в сверхкритическом состоянии, когда производится путем пропускания через нагреватель и/или теплообменник системы с циклом Ранкина, предусмотренным настоящим изобретением.

[0033] Подобным же образом, термин «охлажденная» или «сжатая», когда применяется к рабочей текучей среды, не должен означать рабочую текучую среду в жидком состоянии. В контексте рабочей текучей среды, такой как диоксид углерода, поток охлажденной рабочей текучей среды просто означает поток рабочей текучей среды, который был пропущен через конденсатор текучей среды. Аналогично, поток сжатой рабочей текучей среды просто означает поток рабочей текучей среды, который был пропущен через устройство сжатия текучей среды, такое как насос или компрессор. Таким образом, термины «поток охлажденной рабочей текучей среды» и «поток сжатой рабочей текучей среды» может в некоторых вариантах выполнения на самом деле может относиться к рабочей текучей среды в газообразном состоянии или в сверхкритическом состоянии. Подходящие конденсирующие или охлаждающие устройства, которые могут быть использованы в соответствии с одним или несколькими вариантами выполнения изобретения, включают ребристые трубчатые конденсаторы и ребристые пластинчатые конденсаторы / охладители. В одном или нескольких вариантах выполнения настоящее изобретение предоставляет систему с циклом Ранкина, содержащую единственный конденсатор рабочей текучей среды, общий для первого цикла рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром и второго цикла рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром. В альтернативном наборе вариантов выполнения, настоящее изобретение предоставляет систему с циклом Ранкина, содержащую несколько конденсаторов рабочей текучей среды, выполненных с возможностью работы в нескольких циклах рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром.

[0034] Термин «расширенный», применительно к рабочей текучей среде, описывает состояние потока рабочей текучей среды после его прохождения через детандер или расширительный клапан. Как будет понятно специалистам, некоторая часть энергии, содержащейся в испаренной рабочей текучей среде, проходящей через детандер, преобразуется в механическую энергию. Подходящие детандеры, которые могут быть использованы в соответствии с одним или несколькими вариантами выполнения изобретения, включают детандеры аксиального и радиального типа.

[0035] В одном или нескольких вариантах выполнения система с циклом Ранкина, предусмотренная настоящим изобретением, дополнительно содержит устройство, выполненное для преобразования механической энергии в электрическую энергию, такое как генератор или генератор переменного тока, который может приводиться в действие с помощью механической энергии, полученной в детандере. В одном или нескольких альтернативных вариантах выполнения система с циклом Ранкина содержит несколько устройств, выполненных с возможностью преобразования механической энергии, произведенной в детандере, в электрическую энергию. Механическая связь между детандерами и такими устройствами преобразования энергии может быть достигнута с использованием известных в данной области техники средств. Например, для соединения расширительных устройств с одним или несколькими генераторами и/или генераторами переменного тока могут быть использованы редукторы и/или приводные валы. В одном варианте выполнения для регулировки электрической мощности, производимой генератором / генератором переменного тока системы с циклом Ранкина может быть использован трансформатор и/или инвертер.

[0036] Обратимся теперь к чертежам, которые представляют существенные признаки систем с циклом Ранкина, выполненных в соответствии с настоящим изобретением. Различные линии потока указывают направление потоков с отработанным теплом и потоков рабочей текучей среды через различные элементы системы с циклом Ранкина. Как будет понятно специалистам в данной области техники, потоки с отработанным теплом и потоки рабочей текучей среды надлежащим образом ограничены в системе с циклом Ранкина. Так, например, каждая из линий, указывающая направление протекания потока рабочей текучей среды, представляет собой канал, встроенный в систему с циклом Ранкина. Аналогичным образом, крупные стрелки, указывающие протекание потока с отработанным теплом, предназначены для обозначения потоков, текущих в соответствующих каналах (не показаны). В системах с циклом Ранкина, выполненных с возможностью использования в качестве рабочей текучей среды диоксида углерода, каналы и оборудование могут быть выбраны такими, чтобы безопасным образом использовать сверхкритический диоксид углерода с помощью элементов системы с циклом Ранкина, известных в данной области техники.

[0037] На Фиг. 1 показаны элементы системы 10 с циклом Ранкина, выполненной в соответствии с настоящим изобретением и содержащей первый цикл 1 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток первой рабочей текучей среды (показан по-разному как пронумерованные элементы 20, 21, 22, 56, 61а, и 64а) и второй цикл 2 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток второй рабочей текучей среды (показан по-разному как пронумерованные элементы 25, 26, 57, 61b и 64b). В показанном варианте выполнения система с циклом Ранкина содержит первый теплообменник 36, выполненный с возможностью передачи тепла от потока первой рабочей текучей среды потоку второй рабочей текучей среды, и второй теплообменник 37, выполненный с возможностью передачи тепла от потока второй рабочей текучей среды потоку первой рабочей текучей среды, причем направление потока тепла в каждом случае указано стрелкой с буквой "h" на конце. Цикл 1 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром содержит нагреватель 32, выполненный с возможностью приведения первого потока 16 с отработанным теплом в тепловой контакт с потоком первой рабочей текучей среды в состоянии 20, для производства, тем самым, второго потока 17 с отработанным теплом и потока 21 испаренной первой рабочей текучей среды, который направляют к первому детандеру 34, выполненному с возможностью преобразования по меньшей мере части тепловой энергии, содержащейся в потоке 21 испаренной рабочей текучей среды, в механическую энергию, которая может быть использована различными способами, известными обычным специалистам в данной области техники. Из первого детандера 34 поток первой рабочей текучей среды направляется в первый теплообменник 36 в качестве потока 22 расширенной первой рабочей текучей среды, который теряет дополнительное тепло при тепловом контакте со потоком второй рабочей текучей среды в виде потока 64b сжатой второй рабочей текучей среды. Поток первой рабочей текучей среды выходит из первого теплообменника в виде потока 56 обедненной теплом первой рабочей текучей среды, который направляется к первому конденсатору 60а, чтобы получить поток 61а охлажденной первой рабочей текучей среды, который сжимается в первом насосе 62а для производства потока 64а сжатой первой рабочей текучей среды. Поток 64а рабочей текучей среды затем направляют во второй теплообменник 37, где он приобретает тепло от потока второй рабочей текучей среды и становится потоком 20 обогащенной теплом рабочей текучей среды, который возвращают в первый нагреватель 32 и завершают цикл рекуперации тепловой энергии.

[0038] Как показано на Фиг. 1, второй цикл 2 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром содержит второй детандер 35, выполненный с возможностью расширения потока 25 испаренной второй рабочей текучей среды и производства, тем самым, полезной механической энергии и потока 26 расширенной второй рабочей текучей среды. Поток 26 расширенной второй рабочей текучей среды направляется во второй теплообменник 37, где он отдает тепло потоку первой рабочей текучей среды и становится потоком 57 обедненной теплом второй рабочей текучей среды, который охлаждается во втором конденсаторе 60b для производства потока 61b охлажденной второй рабочей текучей среды, который сжимается во втором насосе 62b, чтобы получить поток 64b сжатой второй рабочей текучей среды, который вводят в первый теплообменник 36, где он преобразуется в поток 25 испаренной второй рабочей текучей среды и завершает цикл рекуперации тепловой энергии.

[0039] Как показано на Фиг. 1, специалистам в данной области техники будет понятно, что теплообменники 36 и 37 являются общими как для первого цикла 1 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, так и для второго цикла 2 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром. Для ясности и удобства при описании изобретения, указанные два теплообменника рассматриваются как независимые элементы системы с циклом Ранкина, даже если каждый из них интегрирован как в первый цикл 1 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, так и во второй цикл 2 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром.

[0040] На Фиг. 2 изображена такая же система 10, что и на Фиг. 1, но дополнительно содержащая устройство 42 преобразования механической энергии, выполненное с возможностью преобразования механической энергии, производимой во втором детандере 35, в электрическую энергию. В показанном варианте выполнения механическая энергия передается через приводной вал 46 от второго детандера 35 к устройству 42. В одном варианте выполнения устройство преобразования механической энергии представляет собой генератор переменного тока. В альтернативном варианте выполнения устройство преобразования механической энергии представляет собой генератор. Электрическая энергия, производимая устройством 42 преобразования, может быть использована в различных целях, в том числе для подачи питания к другим элементам системы с циклом Ранкина, например, насосам 62а и 62b и конденсаторам, содержащим холодильную установку с электрическим приводом.

[0041] На Фиг. 3 изображена такая же система 10, что и на Фиг. 1, но дополнительно содержащая устройство 42 преобразования механической энергии, соединенное с каждым из первого детандера 34 и второго детандера 35 с помощью механического сопряжения 47. Сопряжение 47 может представлять собой любое подходящее средство передачи механической энергии, такое как редуктор, приводной вал, ремень или цепь. В показанном варианте выполнения механическая энергия также подается к первому и второму насосам 62а и 62b посредством механических сопряжений 47.

[0042] На Фиг. 4 изображена такая же система 10, что и на Фиг. 1, но дополнительно содержащая устройство 42 преобразования механической энергии, соединенное с каждым из первого детандера 34 и второго детандера 35 с помощью общего приводного вала 46.

[0043] На Фиг. 5 изображена такая же система 10, что и на Фиг. 4, но дополнительно содержащая второй нагреватель 33, разделитель 48 потока рабочей текучей среды и объединитель 49 потоков рабочей текучей среды в качестве элементов первого цикла 1 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром. Наличие дополнительного нагревателя 33 обеспечивает возможность извлечения дополнительного тепла из второго потока 17 с отработанным теплом и превращения такого дополнительного тепла в полезную электрическую энергию. Таким образом, поток 20 первой рабочей текучей среды испаряется в первом нагревателе 32 и расширяется в первом детандере 34 для производства механической энергии, которая передается посредством приводных валов 46 в устройство 42 преобразования механической энергии, где она преобразуется в электрическую энергию. Поток 22 расширенной первой рабочей текучей среды содержит достаточное количество тепла для производства потока 25 испаренной второй рабочей текучей среды путем передачи тепла потоку 64b сжатой второй рабочей текучей среды в первом теплообменнике 36. Поток первой рабочей текучей среды выходит из теплообменника 36 в виде потока 56 обедненной теплом первой рабочей текучей среды, который затем дополнительно охлаждается в первом конденсаторе 60а и сжимается в первом насосе 62а. Полученный в результате поток 64а охлажденной сжатой первой рабочей текучей среды затем разделяется в разделителе 48 потока рабочей текучей среды на первую часть 27 и вторую часть 28 потока охлажденной сжатой рабочей текучей среды. Первую часть 27 приводят в тепловой контакт со вторым потоком 17 с отработанным теплом во втором нагревателе 33, где она получает тепло и становится потоком 31 обогащенной теплом первой рабочей текучей среды. Вторую часть 28 вводят во второй теплообменник 37, где она получает тепло от потока 26 расширенной второй рабочей текучей среды и становится потоком 29 обогащенной теплом первой рабочей текучей среды. Потоки 29 и 31 обогащенной теплом рабочей текучей среды объединяют в объединителе 49 потоков рабочей текучей среды, чтобы получить поток 20 первой рабочей текучей среды, который повторно вводят в первый нагреватель 32 и, тем самым, завершают цикл рекуперации тепловой энергии.

[0044] На Фиг. 6 изображена такая же система 10, что и на Фиг. 5, с тем лишь исключением, что первый конденсатор 60а цикла 1 и второй конденсатор 60b цикла 2 объединены в единый конденсаторный узел 60 с, выполненный с возможностью поддержания потока первой рабочей текучей среды и потока второй рабочей текучей среды раздельными, обеспечивая, при этом, одно средства отвода тепла, например одну холодильную установку, выполненную с возможностью отвода тепла как от потока 56 обедненной теплом первой рабочей текучей среды, так и от потока 57 обедненной теплом второй рабочей текучей среды, без смешивания двух потоков. В одном варианте выполнения конденсаторный узел 60 с содержит один или несколько проточных каналов, через которые может протекать поток 56 обедненной теплом первой рабочей текучей среды, оставаясь в тепловом контакте с первым хладагентом, для производства потока 61а охлажденной первой рабочей текучей среды. Поток 57 обедненной теплом второй рабочей текучей среды направляется через независимый набор проточных каналов конденсаторного узла 60 с, где поток второй рабочей текучей среды отдает дополнительное тепло первому хладагенту, а затем выходит из конденсаторного узла 60 с как поток 61b охлажденной второй рабочей текучей среды. Несмотря на то, что формально они объединены в единый конденсаторный узел 60 с, как первый цикл 1 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, так и второй цикл 2 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром описаны как содержащий конденсаторный узел, иногда называемый здесь, соответственно, как первый конденсаторный узел и второй конденсаторный узел.

[0045] На Фиг. 7 изображена система с циклом Ранкина, выполненная как и на Фиг. 6, но с дополнительным исключением того, что первый насос 62а первого цикла 1 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром и второй насос 62b второго цикла 2 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром объединены в единый насосный узел 62с, который выполнен с возможностью перекачки как потока первой рабочей текучей среды, так и потока второй рабочей текучей среды, не приводя к смешиванию двух потоков. Такие многоканальные насосы, способных независимо друг от друга перекачивать две или большее количество рабочих текучих сред, известны специалистам в данной области техники. В одном варианте выполнения поток 56 обедненной теплом первой рабочей текучей среды охлаждается в первом наборе проточных каналов объединенного конденсаторного узла 60 с для производства потока 61а охлажденной первой рабочей текучей среды, который вводится в первый насосный канал объединенного насосного узла 62 с, где он сжимается для производства потока 64а сжатой первой рабочей текучей среды. Одновременно, поток 57 обедненной теплом второй рабочей текучей среды независимо охлаждается во втором наборе проточных каналов объединенного конденсаторного узла 60 с для производства потока 61 b охлажденной второй рабочей текучей среды, который вводится во второй насосный канал объединенного насосного узла 62 с для производства потока 64b сжатой второй рабочей текучей среды. Хотя формально они и объединены в единый насосный узел 62 с, как первый цикл 1 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, так и второй цикл 2 рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром определен как содержащий насосный узел, порой называемый в настоящем документе, соответственно, как первый насос и второй насос.

[0046] На Фиг. 8 изображена система 10, выполненная как и система, показанная на Фиг. 1, с тем лишь исключением, что второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром был модифицирован путем добавления разделителя 48 потока рабочей текучей среды, выполненного с возможностью разделения потока 26 расширенной второй рабочей текучей среды на первую часть 12 и вторую часть 14, и объединителя 49 потоков рабочей текучей среды, выполненного с возможностью объединения потока 13 обедненной теплом рабочей текучей среды (получаемой из первой части 12) с потоком 15 обедненной теплом рабочей текучей среды (получаемой из второй части 14). В показанном варианте выполнения поток 25 испаренной второй рабочей текучей среды, полученный в первом теплообменнике 36, расширяется во втором детандере 35 для производства потока 26 расширенной второй рабочей текучей среды, который преобразуется разделителем 48 потока рабочей текучей среды на первую часть 12 и вторую часть 14. Первая часть 12 направляется обратно в первый теплообменник 36, где из первой части 12 извлекается дополнительное тепло за счет теплового контакта с потоком 64b сжатой второй рабочей текучей среды для производства потока 13 обедненной теплом второй рабочей текучей среды и потока 25 испаренной второй рабочей текучей среды. Между тем, вторая часть 14 направляется во второй теплообменник 37, где она передает тепло потоку 64а сжатой первой рабочей текучей среды для производства потока 20 обогащенной теплом первой рабочей текучей среды и потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды.

[0047] На Фиг. 9 изображена система 10, выполненная как и система, показанная на Фиг. 8, но с добавлением устройства 42 преобразования механической энергии, механически соединенного с первым детандером 34. Кроме того, второй детандер выполнен с возможностью приведения в действие второго насоса 62b с помощью механического сопряжения 47.

[0048] На Фиг. 10 представлена система 100 с циклом Ранкина лабораторного масштаба, используемая в исследованиях, лежащих в основе настоящего изобретения. Система была построена в Глобальном Исследовательском Центре GE в Мюнхене, Германия, и использовала углекислый газ в качестве рабочей текучей среды, которая находилась в сверхкритическом состоянии в одном или нескольких местах в одном цикле рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром. Система работала при температурах в диапазоне от приблизительно комнатной температуры до приблизительно 550°С при давлении в диапазоне от приблизительно 50 до приблизительно 250 бар. Система с циклом Ранкина лабораторного масштаба содержит электрический нагреватель 32 для производства потока 21 испаренной первой рабочей текучей среды при температурах в диапазоне от 500 до 550°С и давлении в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 250 бар, и скоростями потока в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 330 граммов в секунду. При первом наборе экспериментальных условий электронагреватель работал с получением потока испаренной первой рабочей текучей среды при 524°С и давлении 250 бар при скорости потока 280 граммов в секунду. Система с циклом Ранкина лабораторного масштаба вместо детандеров использовала расширительные клапаны 34 и 35. Характеристики рабочей текучей среды (давление, температура и скорость потока) до и после прохождения рабочей текучей среды через расширительный клапан использовались для расчета выходной мощности системы. Поток 22 расширенной рабочей текучей среды выходил из первого расширительного клапана 34 при температуре в диапазоне от приблизительно 350 до приблизительно 540°С и давлении в диапазоне от приблизительно 50 до приблизительно 80 бар при скорости потока в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 330 граммов в секунду. При первом наборе экспериментальных условий рабочая текучая среда выходила из первого расширительного клапана при 512°С и 80 бар при скорости потока 280 граммов в секунду. Поток 22 расширенной первой рабочей текучей среды подавался в первый теплообменник 36, где он контактировал с потоком 64b сжатой второй рабочей текучей среды для производства потока 56 обедненной теплом первой рабочей текучей среды и потока 25 испаренной второй рабочей текучей среды. Поток 56 обедненной теплом рабочей текучей среды был объединен с потоком 57 обедненной теплом второй рабочей текучей среды, как описано ниже. Поток 25 испаренной второй рабочей текучей среды выходил из первого теплообменника 36, при температуре в диапазоне от приблизительно 300 до приблизительно 490°С и при давлении в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 250 бар, при скорости потока в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 330 граммов в секунду. При первым наборе экспериментальных условий поток 25 испаренной второй рабочей текучей среды 25 выходит из первого теплообменника при 489°С и давлении 250 бар, при скорости потока 220 граммов в секунду.

[0049] Как показано на Фиг. 10, поток 25 испаренной второй рабочей текучей среды был расширен через второй расширительный клапан 35 для производства потока 26 расширенной второй рабочей текучей среды при температуре в диапазоне от приблизительно 290 до приблизительно 480°С и давлении в диапазоне от приблизительно 50 до приблизительно 80 бар, при скорости потока в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 330 граммов в секунду. При первым наборе экспериментальных условий поток 26 расширенной второй рабочей текучей среды, вышедший из второго детандера 35 при 475°С и 80 бар при скорости потока 220 граммов в секунду. Поток 26 расширенной второй рабочей текучей среды затем подавался во второй теплообменник 37, где он входил в тепловом контакте с потоком 64а сжатой первой рабочей текучей среды, для производства потока 57 обедненной теплом второй рабочей текучей среды и потока 20 обогащенной теплом первой рабочей текучей среды, который возвращался в нагреватель 32. Поток 20 обогащенной теплом первой рабочей текучей среды повторно вводился в нагреватель 32 при температуре в диапазоне от приблизительно 240 до приблизительно 430°С и давлении в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 250 бар при скорости потока в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 330 граммов в секунду. При первом наборе экспериментальных условий поток 20 обогащенной теплом первой рабочей текучей среды был повторно введен в нагреватель 32 при температуре 266°С и давлении 250 бар при скорости потока 280 граммов в секунду.

[0050] Поток 57 обедненной теплом второй рабочей текучей среды выходил из второго теплообменника 37 и объединялся с потоком 56 обедненной теплом первой рабочей текучей среды в объединителе 49 потоков рабочей текучей среды для производства объединенного потока 58 обедненной теплом рабочей текучей среды при температуре в диапазоне от приблизительно 80 до приблизительно 100°С и давлении в диапазоне от приблизительно 50 до приблизительно 80 бар при скорости потока в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 650 граммов в секунду. При первом наборе экспериментальных условий объединенный поток 58 обедненной теплом рабочей текучей среды выходил из объединителя 48 потоков рабочей текучей среды при температуре 82°С и давлении 80 бар при скорости потока 500 грамм в секунду.

[0051] Поток 58 обедненной теплом рабочей текучей среды затем вводили в конденсатор 60с, где он был охлажден до температуры в диапазоне от приблизительно 20 до приблизительно 40°С и давлении в диапазоне от приблизительно 50 до приблизительно 80 бар при скорости потока в диапазон от приблизительно 200 до приблизительно 650 граммов в секунду. При первом наборе экспериментальных условий поток 61 охлажденной рабочей текучей среды выходил из конденсатора при температуре 30°С и давлении 80 бар при скорости потока 500 грамм в секунду.

[0052] Как показано на Фиг. 10, поток 61 охлажденной рабочей текучей среды затем разделяется в разделителе 48 потока рабочей текучей среды на два потока 61а и 61b охлажденной рабочей текучей среды, которые по отдельности сжимались в первом насосе 62а и втором насосе 62b. Выход первого насоса, поток 64а сжатой первой рабочей текучей среды подавался во второй теплообменник 37, как описано выше. При первом наборе экспериментальных условий поток 64а сжатой рабочей текучей среды выходил из первого насоса 62а при температуре 59°С и давлении 250 бар при скорости потока 280 граммов в секунду. Выход второго насоса, поток 64b сжатой второй рабочей текучей среды подавался в первый теплообменник 36, как описано выше. При первом наборе экспериментальных условий поток 64b сжатой рабочей текучей среды выходил из второго насоса 62b при температуре 59°С и давлении 250 бар при скорости потока 220 граммов в секунду.

[0053] На Фиг. 11 представлена альтернативная система 200 с циклом Ранкина, по сложности сравнимая с системами с циклом Ранкина, выполненными в соответствии с настоящим изобретением и содержащими только один цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром. Система с циклом Ранкина выполнена с возможностью нагрева потока 20 обогащенной теплом первой рабочей текучей среды с помощью первого потока 16 с отработанным теплом для производства, тем самым, второго потока 17 с отработанным теплом и потока 21 испаренной первой рабочей текучей среды, который расширяется в первом детандере 34, чтобы произвести механическую энергию и поток 22 расширенной первой рабочей текучей среды. Поток 22 расширенной первой рабочей текучей среды затем вводят в первый теплообменник 36, в котором тепло передается от потока 22 потоку 24 обогащенной теплом второй рабочей текучей среды, производя, тем самым, поток 56 обедненной теплом первой рабочей текучей среды и поток 25 испаренной второй рабочей текучей среды, который расширяется во втором детандере 35 для производства потока 26 расширенной второй рабочей текучей среды. Поток 26 расширенной второй рабочей текучей среды затем вводят в второй теплообменник 37, в котором тепло передается от потока 26 объединенному потоку 64 сжатой рабочей текучей среды, чтобы произвести объединенный поток 23 обогащенной теплом рабочей текучей среды, который разделяется на потоки 20 и 24 рабочей текучей среды в разделителе 48 потоков рабочей текучей среды.

[0054] Как показано на Фиг. 11, поток 57 обедненной теплом второй рабочей текучей среды выходит из второго теплообменника 37 и объединяется с потоком 56 обедненной теплом первой рабочей текучей среды в объединителе 49 потоков рабочей текучей среды, чтобы обеспечить объединенный поток 58 обедненной теплом рабочей текучей среды. Поток 58 затем охлаждают в конденсаторе 60, чтобы получить поток 61 конденсированной рабочей текучей среды, который сжимается в насосе 62 для производства объединенного потока 64 сжатой рабочей текучей среды.

[0055] Различные компоненты системы с циклом Ранкина хорошо известны специалистам в данной области техники, например, разделители потока рабочей текучей среды, объединители потоков рабочей текучей среды, насосы рабочей текучей среды и конденсаторы рабочей текучей среды, и являются коммерчески доступными.

[0056] В дополнение к обеспечению систем с циклом Ранкина, настоящее изобретение относится к способу рекуперации тепловой энергии с использованием системы с циклом Ранкина. Один или несколько вариантов выполнения способа проиллюстрированы на Фиг. 1-9. Таким образом, в одном варианте выполнения способ включает: (а) передачу тепла от первого потока с отработанным теплом потоку первой рабочей текучей среды, содержащейся в первом цикле рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром для производства, тем самым, потока испаренной первой рабочей текучей среды и второго потока с отработанным теплом; (b) расширение потока испаренной первой рабочей текучей среды для производства, тем самым, механической энергии и потока расширенной первой рабочей текучей среды; (с) передачу тепла от потока расширенной первой рабочей текучей среды потоку второй рабочей текучей среды, содержащемуся внутри второго цикла рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, для производства, тем самым, потока испаренной второй рабочей текучей среды и потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды; (d) расширение потока испаренной второй рабочей текучей среды для производства, тем самым, механической энергии и потока расширенной второй рабочей текучей среды; и (е) передачу тепла от потока расширенной второй рабочей текучей среды потоку охлажденной первой рабочей текучей среды для производства, тем самым, потока обогащенной теплом первой рабочей текучей среды и потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды.

[0057] В одном варианте выполнения способа по меньшей мере одна из первой рабочей текучей среды и второй рабочей текучей среды представляет собой углекислый газ в сверхкритическом состоянии в течение по меньшей мере части по меньшей мере одного этапа способа.

[0058] В одном варианте выполнения способа, как первая рабочая текучая среда, так и вторая рабочая текучая среда представляет собой углекислый газ.

[0059] В одном варианте выполнения способа по меньшей мере одна из первой рабочей текучей среды и второй рабочей текучей среды находится в сверхкритическом состоянии в течение по меньшей мере части по меньшей мере одного из этапов способа (а) - (е).

[0060] В одном или нескольких вариантах выполнения способы и системы, обеспечиваемые настоящим изобретением, могут быть использованы для захвата и использования тепла от потока с отработанным теплом, который представляет собой поток отработанного газа, производимого турбиной сгорания.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

[0061] Система с циклом Ранкина лабораторного масштаба была построена и испытана в целях демонстрации как работоспособности системы с циклом Ранкина на диоксиде углерода в сверхкритическом состоянии, так и проверки характеристик отдельных элементов системы с циклом Ранкина, предложенных производителями, например, эффективности печатных теплообменников. Экспериментальная система с циклом Ранкина была выполнена, как показано на Фиг. 10 настоящей заявки. Технические характеристики системы с циклом Ранкина лабораторного масштаба были использованы для прогнозирования технических характеристик систем с циклом Ранкина, предусмотренных настоящим изобретением. При сравнении системы с циклом Ранкина лабораторного масштаба, показанной на Фиг. 10, с системой с циклом Ранкина, предусмотренной настоящим изобретением, как показано на Фиг. 1, следует отметить следующее: первый детандер 34 и второй детандер 35 заменены расширительными клапанами 34 и 35, потоки 56 и 57 обедненной теплом рабочей текучей среды объединены в объединителе потоков 49 рабочей текучей среды для производства объединенного потока 58 обедненной теплом рабочей текучей среды, который охлаждается в объединенном конденсаторном узле 60 с. Выход из конденсаторного узла 60 с, поток 61 охлажденной рабочей текучей среды, разделяется на потоки 61а и 61b охлажденной рабочей текучей среды в разделителе 48 потока рабочей текучей среды, которые подаются, соответственно, к насосам 62а и 62b, чтобы обеспечить потоки, соответственно, 64а и 64b, сжатой охлажденной рабочей текучей среды. Система с циклом Ранкина лабораторного масштаба не использует первый поток 16 с отработанным теплом и полагается, вместо этого, на электрические нагревательные элементы для нагрева потока 20 первой рабочей текучей среды. Рабочая текучая среда представляет собой диоксид углерода. Возрастающая эффективность передачи тепла либо от второго потока 17 с отработанным теплом, либо от обогащенного теплом второго потока с отработанным теплом, первому теплообменнику 36 может быть аппроксимирована добавлением нагревательных элементов в теплообменник 36. Экспериментальная система обеспечивает базу для дополнительных исследований в области компьютерного моделирования, как описано ниже. В частности, данные, полученные в эксперименте, могли быть использованы для подтверждения и/или улучшения предсказанной производительности вариантов выполнения настоящего изобретения.

[0062] Были использованы две модели программного обеспечения для прогнозирования эффективности систем с циклом Ранкина, выполненных в соответствии с настоящим изобретением. Первая из этих моделей программного обеспечения «EES» (Engineering Equation Solver), доступная от компании F-Chart Software (Мэдисон, штат Висконсин, США), представляет собой вычислительную систему на основе уравнения, которая обеспечивает возможность интеллектуальной оптимизации условий эксплуатации системы с циклом Ранкина, о чем свидетельствует точки состояния системы для лучшей производительности. Дальнейшие идеи о том, как лучше работать с системой с циклом Ранкина, были получены с использованием программы Aspen HYSYS, системой моделирования комплексных процессов доступной от компании AspenTech.

[0063] Три варианта выполнения систем с циклом Ранкина, предусмотренные настоящим изобретением и выполненные, соответственно, как показано на Фиг. 1, Фиг. 8 и Фиг. 5, были оценены (Примеры 1-3) с использованием программной модели EES с использованием уравнения состояния Спанна-Вагнера для углекислого газа. Указанные три варианта выполнения (Примеры 1-3), для которых данные представлены в Таблице 1, являются термодинамически эквивалентными трем альтернативным конфигурациям систем с циклом Ранкина, раскрытым в заявках на патент США, имеющих серийные номера 13/905923, 13/905897 и 13/905511, на которые дается ссылка в первом абзаце настоящего описания и приведенные здесь в качестве ссылки. Таким образом, Пример 1 в Таблице 1 в данном документе является термодинамически эквивалентным Сравнительному Примеру 3 в каждой из упомянутых заявок на патент. Пример 2 в Таблице 1 в данном документе является термодинамически эквивалентным Примеру 1 заявки на патент США, имеющей серийный номер 13/905897, Пример 3 в Таблице 1 в данном документе является термодинамически эквивалентным Примеру 1 заявки на патент США, имеющей серийный номер 13/905923. Системы с циклом Ранкина Примеров 1-3 были сравнены с двумя другими системами с циклом Ранкина. Первой (Сравнительный Пример 1) была система с циклом Ранкина, аналогичная по сложности и выполненная как показано на Фиг. 11 таким образом, что объединенный поток 64 рабочей текучей среды подается во второй теплообменник 37, а затем поток 23 обогащенной теплом рабочей текучей среды, выходящий из второго теплообменника 37, преобразуется разделителем 48 потока рабочей текучей среды на первую часть (потока 20 рабочей текучей среды) и вторую часть 23. Система с циклом Ранкина Сравнительного Примера 2 содержит один детандер и один теплообменник, но масштабирована соответствующим образом так, чтобы могло быть выполнено полноценное сравнение с Примерами 1-3 и Сравнительным Примером 1. Данные, представленные в Таблице 1, иллюстрируют преимущества системы с циклом Ранкина, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, относительно альтернативных конфигураций системы с циклом Ранкина.

[0064] Системы с циклом Ранкина Примеров 1-3 и Сравнительных Примеров 1-2 были смоделированы в соответствии с набором шестнадцати различных стационарных состояний, причем каждое стационарное состояние характеризуется низкой температурой рабочей текучей среды CO2, которая изменяется от приблизительно 10°С в первом стационарном состоянии до приблизительно 50°С в шестнадцатом стационарном состоянии. Предполагаемая эффективность систем с циклом Ранкина зависит от температуры окружающей среды, которая также является и минимально допустимой температурой для потока с отработанным теплом, когда он выходил из систему с температурой приблизительно 130°С. Этот нижний температурный предел соответствует типичным принципам конструкций для рекуперации отработанного тепла от отработанных потоков из двигателей внутреннего сгорания, таких как газовые турбины, чтобы предотвратить конденсацию коррозионного кислого газа в выхлопном канале. Выходная мощность модельных систем с циклом Ранкина также может быть оценена с помощью экспериментально измеренных точек состояния с помощью системы с циклом Ранкина лабораторного масштаба, в качестве входных данных для компьютерного симулятора. Выходная мощность каждой из исследуемых систем с циклом Ранкина монотонно падала, когда самая низкая температура рабочей текучей среды CO2 системы увеличивалась.

[0065] Данные, представленные в Таблице 1, показывают значительное улучшение выходной мощности системы с циклом Ранкина, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, относительно базовой, стандартной конфигурации системы с циклом Ранкина (Сравнительный Пример 2) и альтернативно выполненной системы с циклом Ранкина аналогичной сложности (Сравнительный Пример 1).

[0066] Вышеприведенные примеры являются только иллюстративными, служащими для иллюстрации лишь некоторых из признаков изобретения. Прилагаемая формула изобретения предназначена для настолько широкой охраны изобретения, насколько это было задумано и проиллюстрировано в настоящем документе, причем приведенные примеры являются иллюстративными выбранных вариантов выполнения из многообразия всех возможных вариантов выполнения. Соответственно, намерение заявителей заключается в том, что прилагаемая формула изобретения не должна быть ограничена выбором примеров, используемых для иллюстрации признаков настоящего изобретения. Как используется в формуле изобретения, слово «содержит» и его грамматические варианты логически также подразумевают и включают фразы в изменяемой и различной степени, таких как, например, но не ограниченные ими: «состоящий по существу из» и «состоящий из». Где это необходимо, указаны диапазоны, причем эти диапазоны включают все поддиапазоны между ними. Следует ожидать, что изменения в этих диапазонах будут очевидны обычным специалистам в данной области техники, где это не является публично доступным, причем эти изменения, где это возможно, истолкованы как охваченные прилагаемой формулой изобретения. Предполагается также, что прогресс в области науки и техники сделает эквиваленты и замены также возможными, что сейчас не предусмотрено по причине неточности языка, при этом эти изменения также должны быть истолкованы, где это возможно, как охваченные прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Система с циклом Ранкина предназначена для преобразования отработанного тепла в механическую и/или электрическую энергию. Система имеет новую конфигурацию, в которой первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром содержит поток первой рабочей текучей среды, а второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром содержит второй поток рабочей текучей среды, взаимодействующие, но не смешивающиеся друг с другом. Эти два цикла рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром взаимодействуют посредством тепла с помощью теплообменников: первого теплообменника, выполненного с возможностью передачи тепла от потока первой рабочей текучей среды потоку второй рабочей текучей среды, и второго теплообменника, выполненного с возможностью передачи тепла от потока второй рабочей текучей среды потоку первой рабочей текучей среды. В одном или нескольких вариантах выполнения система с циклом Ранкина выполнена с возможностью использования диоксида углерода в сверхкритическом состоянии в качестве рабочей текучей среды. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования отработанного тепла в механическую и/или электрическую энергию. 17 з.п. ф-лы, 11 ил

1. Система с циклом Ранкина, содержащая:

(a) первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток первой рабочей текучей среды;

(b) второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром, содержащий поток второй рабочей текучей среды;

(c) первый теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от потока первой рабочей текучей среды потоку второй рабочей текучей среды;

(d) второй теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от потока второй рабочей текучей среды потоку первой рабочей текучей среды;

причем первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром дополнительно содержит:

(i) нагреватель, выполненный с возможностью передачи тепла от первого потока с отработанным теплом потоку первой рабочей текучей среды для производства потока испаренной первой рабочей текучей среды и второго потока с отработанным теплом;

(ii) первый детандер, выполненный с возможностью приема потока испаренной первой рабочей текучей среды и производства из него механической энергии и потока расширенной первой рабочей текучей среды;

(iii) первый конденсатор, выполненный с возможностью охлаждения потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды и производства из него потока охлажденной первой рабочей текучей среды; и

(iv) насос, выполненный с возможностью сжатия потока охлажденной первой рабочей текучей среды;

причем второй цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром дополнительно содержит:

(v) второй детандер, выполненный с возможностью расширения потока испаренной второй рабочей текучей среды и производства из него механической энергии и потока расширенной второй рабочей текучей среды;

(vi) второй конденсатор, выполненный с возможностью охлаждения потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды и производства из него потока охлажденной второй рабочей текучей среды;

(vii) насос, выполненный с возможностью сжатия потока охлажденной второй рабочей текучей среды;

(viii) разделитель потока второй рабочей текучей среды, выполненный с возможностью разделения потока расширенной второй рабочей текучей среды на первую часть и вторую часть; и

(ix) объединитель потоков второй рабочей текучей среды, выполненный с возможностью объединения первой части потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды со второй частью потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды;

при этом первый теплообменник выполнен с возможностью производства потока испаренной второй рабочей текучей среды, потока обедненной теплом первой рабочей текучей среды и первой части потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды;

а второй теплообменник выполнен с возможностью производства потока обогащенной теплом первой рабочей текучей среды и второй части потока обедненной теплом второй рабочей текучей среды.

2. Система по п. 1, дополнительно содержащая генератор.

3. Система по п. 2, в которой генератор механически соединен с первым детандером.

4. Система по п. 2, в которой генератор механически соединен со вторым детандером.

5. Система по п. 1, дополнительно содержащая генератор, механически соединенный с первым детандером и вторым детандером.

6. Система по п. 5, в которой первый детандер и второй детандер имеют общий приводной вал.

7. Система по п. 1, в которой первая рабочая текучая среда и вторая рабочая текучая среда по существу идентичны.

8. Система по п. 1, в которой система выполнена с возможностью работы с диоксидом углерода в сверхкритическом состоянии.

9. Система по п. 1, в которой как первая рабочая текучая среда, так и вторая рабочая текучая среда представляют собой диоксид углерода.

10. Система по п. 1, в которой первый конденсатор и второй конденсатор объединены в единый конденсаторный узел.

11. Система по п. 1, в которой первый насос и второй насос объединены в единый насосный узел.

12. Система по п. 1, в которой первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром содержит разделитель потока рабочей текучей среды.

13. Система по п. 1, в которой первый цикл рекуперации тепловой энергии с замкнутым контуром содержит разделитель потока рабочей текучей среды и второй нагреватель.

14. Система по п. 1, дополнительно содержащая второй нагреватель.

15. Система по п. 1, содержащая по меньшей мере один ребристый пластинчатый конденсатор.

16. Система по п. 1, содержащая по меньшей мере один печатный конденсатор.

17. Система по п. 1, в которой по меньшей мере один детандер выполнен с возможностью приведения в действие по меньшей мере одного насоса.

18. Система по п. 1, дополнительно содержащая генератор, выполненный с возможностью приведения в действие первым детандером, и насос, выполненный с возможностью приведения в действие вторым детандером.