Каскадный цикл и способ регенерации отходящего тепла Российский патент 2020 года по МПК F01K23/04 F01K23/10 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к системам преобразования энергии. Некоторые варианты выполнения, раскрытые в настоящем документе, относятся к системам преобразования энергии, использующим низкотемпературные термодинамические циклы, например, цикл Ренкина или цикл Брайтона, для рекуперации отходящего тепла от источника тепла, например, тепла от солнечной электростанции с термодинамическим циклом, или отходящего тепла от любой подходящей промышленной установки. Некоторые варианты выполнения при этом конкретно предусматривают низкотемпературные термодинамические циклы, расположенные в каскадной конфигурации, верхний цикл которой является высокотемпературным термодинамическим циклом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Отходящее тепло обычно является побочным продуктом производственных процессов, в которых необходимо осуществить отвод тепла от движущихся потоков высокотемпературной среды.

Типичными производственными процессами, в ходе которых образуется отходящее тепло, являются те, в которых в качестве механического привода используются газовые турбины, а также установки для производства электроэнергии, газовые двигатели и камеры сгорания. В ходе этих процессов отработавшие топочные газы обычно выпускаются в атмосферу при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды. Отходящее тепло отработавшего газа может быть эффективно использовано, например, для выработки дополнительной механической энергии в нижнем, низкотемпературном термодинамическом цикле. Отходящее тепло отработавшего газа обеспечивает тепловую энергию для нижнего низкотемпературного термодинамического цикла, в котором текучая среда выполняет циклические термодинамические преобразования, осуществляя теплообмен с окружающей средой при более низкой температуре.

Отходящее тепло может быть преобразовано в полезную энергию с помощью различных систем тепловых двигателей, использующих термодинамические циклы, например, паровые циклы Ренкина, органические циклы Ренкина или Брайтона, циклы на CO₂ или другие энергетические циклы. Циклы Ренкина, Брайтона и аналогичные термодинамические циклы обычно представляют собой процессы с водяным паром, в ходе которых получают и используют отходящее тепло с целью образования пара/испарения для приведения в действие турбины, турбодетандера или т.п. Давление и тепловая энергия водяного пара или пара частично преобразуются в механическую энергию в турбодетандере, турбине или другой энергопреобразующей машине и, наконец, используются для приведения в действие нагрузки, например, электрогенератора, насоса, компрессора или другого приводного устройства или оборудования.

Преобразование отходящего тепла в полезную механическую энергию может значительно повысить полный коэффициент полезного действия системы преобразования энергии, способствуя, тем самым, сокращению потребления топлива и снижению экологического воздействия на окружающую среду при осуществлении процесса преобразования энергии.

Аналогичные преимущества в отношении экономии энергоресурсов и уменьшении воздействия промышленной деятельности человека на окружающую среду могут быть предусмотрены при использовании других низкотемпературных источников тепла для производства механической энергии, например, солнечных установок, в которых солнечная энергия концентрируется и используется для непосредственного или опосредованного нагрева рабочей текучей среды, которая может быть использована в термодинамическом цикле.

Таким образом, целесообразно использовать высокоэффективные способы и системы для преобразования низкотемпературной тепловой энергии в полезную механическую или электрическую энергию.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним аспектом в настоящем документы раскрыты системы преобразования энергии, предназначенные для преобразования тепла от относительно низкотемпературного источника тепла в полезную энергию с повышением полного коэффициента полезного действия. Более конкретно, в настоящем документе раскрыты варианты выполнения системы преобразования энергии, содержащей первый контур рабочей текучей среды, выполненный с возможностью прохождения по нему первой рабочей текучей среды. Кроме того, система содержит нагреватель, выполненный с возможностью циркуляции первой рабочей текучей среды, участвующей в теплообмене с источником тепла, для испарения первой рабочей текучей среды. В качестве источника тепла может быть использован источник отходящего тепла, такой как отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания (например, поршневого двигателя внутреннего сгорания или газотурбинного двигателя). В других вариантах выполнения в качестве источника тепла может быть использована солнечная электростанция с термодинамическим циклом, источник отходящего тепла промышленных объектов или любой другой источник тепла.

Первый контур рабочей текучей среды может также содержать первый детандер, выполненный с возможностью расширения первой рабочей текучей среды и производства механической энергии, а также первый насос или компрессор. Таким образом, первая рабочая текучая среда подвергается циклическим термодинамическим преобразованиям нагрева, расширения, конденсации/охлаждения, перекачки, при этом часть тепловой энергии, передаваемой первой рабочей текучей среде от источника тепла, преобразуется в полезную механическую энергию с помощью первого детандера.

Система преобразования энергии также содержит второй контур рабочей текучей среды, по которому циркулирует вторая рабочая текучая среда, при этом вторая рабочая текучая среда и первая рабочая текучая среда могут иметь одинаковый или разный химический состав.

Кроме того, имеется теплопередающее устройство, выполненное с возможностью передачи тепла от стороны низкого давления первого контура рабочей текучей среды к стороне высокого давления второго контура рабочей текучей среды и испарения второй рабочей текучей среды.

Второй контур рабочей текучей среды содержит детандерный узел, выполненный с возможностью расширения второй рабочей текучей среды и производства механической энергии. Второй контур рабочей текучей среды также содержит второй насос или компрессор, предназначенные для пропускания второй рабочей текучей среды, в результате чего последняя подвергается циклическим термодинамическим преобразованиям во втором контуре рабочей текучей среды, при этом часть тепла, переданного от первого контура рабочей текучей среды ко второму контуру рабочей текучей среды, с помощью детандерного узла преобразуется в полезную механическую энергию.

В предпочтительных вариантах выполнения первый насос или компрессор первого контура рабочей текучей среды соединен с возможностью передачи приводного усилия с детандерным узлом и приводится в действие механической энергией, генерируемой с его помощью.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, второй насос или компрессор могут приводиться в действие механической энергией, генерируемой с помощью детандерного узла. В других вариантах выполнения второй насос или компрессор могут приводиться в действие электродвигателем.

Механическая энергия, генерируемая первым детандером, фактически может использоваться, например, для оборудования с механическим приводом. Это может включать, в том числе, приведение в действие турбомашины, такого как компрессор. В других вариантах выполнения часть механической энергии или вся механическая энергия, генерируемая первым детандером, может быть преобразована в электрическую энергию. Часть указанной электрической энергии может быть использована для приведения в действие электродвигателя, который приводит в действие второй насос или компрессор.

Тогда как первый насос или компрессор, так и второй насос или компрессор приводятся в действие механической энергией, генерируемой детандерным узлом, последний может состоять из одного детандера, соединенного с возможностью передачи приводного усилия как с первым, так и со вторым насосом или компрессором. В других вариантах выполнения детандерный узел может состоять из двух детандеров, по одному для каждого насоса или компрессора.

В соответствии с еще одним аспектом, в настоящем документе раскрыт способ производства полезной энергии от тепла, обеспечиваемого источником тепла. В соответствии с вариантами выполнения изобретения, раскрытыми в настоящем документе, способ включает следующие этапы:

обеспечение циркуляции первого потока рабочей текучей среды посредством первого насоса или компрессора в первом контуре рабочей текучей среды, имеющем сторону высокого давления и сторону низкого давления, причем сторона высокого давления участвует в теплообмене с источником тепла, а сторона низкого давления участвует в теплообмене со вторым контуром рабочей текучей среды;

передачу тепловой энергии от источника тепла первой рабочей текучей среде;

расширение первой рабочей текучей среды с помощью первого детандера, расположенного между стороной высокого давления и стороной низкого давления первого контура рабочей текучей среды, и производство, тем самым, механической энергии;

передачу низкотемпературного тепла от первого контура рабочей текучей среды второму контуру рабочей текучей среды; при этом второй контур рабочей текучей среды содержит сторону высокого давления и сторону низкого давления, детандерный узел, расположенный между стороной высокого давления и стороной низкого давления, и второй насос или компрессор, расположенный между стороной низкого давления и стороной высокого давления;

расширение второй рабочей текучей среды, циркулирующей во втором контуре рабочей текучей среды в детандерном узле, и производство, тем самым, механической энергии;

приведение в действие первого насоса или компрессора с помощью механической энергии, произведенной детандерным узлом.

Признаки и варианты выполнения раскрыты далее в настоящем документе и дополнительно изложены в прилагаемой формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть настоящего описания. Вышеприведенная сущность изобретения определила признаки различных вариантов выполнения изобретения для того, чтобы можно было лучше понять следующее далее подробное описание и чтобы предлагаемый вклад в уровень техники мог быть более понятен. Имеются и другие признаки настоящего изобретения, которые описаны ниже и которые изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, перед тем как подробно объяснить несколько вариантов выполнения изобретения, следует понимать, что различные варианты выполнения не ограничены в их применении особенностями конструкции и расположениями элементов, изложенными в нижеследующем описании или проиллюстрированными на чертежах. Настоящее изобретение допускает другие варианты выполнения и применения на практике и может осуществляться различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в настоящем документе, предназначены для описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.

По существу, специалисты должны понимать, что идея, на которой основано изобретение, может быть легко использована в качестве основы для разработки других конструкций, способов и/или систем для осуществления некоторых целей настоящего изобретения. Важно, таким образом, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные конструкции в той степени, в которой они не отходят от сущности и объема настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полная оценка раскрытых вариантов выполнения настоящего изобретения и многие из его соответствующих преимуществ будут легко получены, поскольку они становятся более понятными со ссылкой на нижеследующее подробное описание, если рассматривать их в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1-5 изображают пять иллюстративных вариантов выполнения энергетических систем, включающих циклы рекуперации отработанного тепла.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения дается со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на разных чертежах обозначают одни и те же или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместе с тем, его объем определен прилагаемой формулой изобретения.

Ссылка по всему описанию на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные вместе с вариантом выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения раскрытого изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах по всему описанию не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения (одним и тем же вариантам выполнения). Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.

В последующем описании иллюстративных вариантов выполнения ссылка дается на комбинированный гибридный термодинамический цикл, содержащий верхний высокотемпературный термодинамический цикл, низкотемпературный источник которого обеспечивает отходящее тепло для нижнего низкотемпературного термодинамического цикла. При этом следует понимать, что в соответствии с другими вариантами выполнения система преобразования энергии, раскрытая в настоящем документе, может быть использована для использования тепловой энергии от других источников тепла при относительно низких температурах, например, отходящего тепла от других промышленных процессов, таких как геотермальные процессы.

В последующем описании иллюстративных вариантов выполнения ссылка дается на комбинированные гибридные термодинамические циклы, содержащие верхний высокотемпературный термодинамический цикл, теплоприемник которого представляет источник тепла, обеспечивающий отходящее тепло для каскадного нижнего низкотемпературного термодинамического цикла. При этом следует понимать, что в соответствии с другими вариантами выполнения система преобразования энергии, раскрытая в настоящем документе, может использоваться для использования тепловой энергии, полученной от других источников тепла при относительно низких температурах, например, отходящее тепло от других промышленных процессов, таких как геотермальные процессы.

Система преобразования энергии выполнена таким образом, что механическая энергия, производимая по меньшей мере двумя детандерами двух каскадно расположенных термодинамических циклов, используется для производства механической энергии, использующейся для приведения в действие по меньшей мере одного насоса или компрессора указанных циклов, а также для получения полезной механических энергии, которая может быть преобразована в электрическую энергию.

Фиг. 1 схематически иллюстрирует комбинированную систему 12 преобразования энергии, содержащую верхнюю высокотемпературную термодинамическую систему 1 и комбинированную нижнюю низкотемпературную термодинамическую систему 2. Верхняя высокотемпературная термодинамическая система 1 может состоять из газотурбинного двигателя 3 и электрогенератора 5, приводимого в действие механической энергией, генерируемой газотурбинным двигателем 3 и снимаемой с выходного приводного вала 3А последнего. Газотурбинный двигатель 3 может содержать компрессорный узел 4, узел 6 камеры сгорания и турбинный узел 8. Электрогенератор 5 соединен с сетью G для распределения электроэнергии. Между электрогенератором 5 и сетью G для распределения электроэнергии может быть помещено устройство 10 для стабилизации электроэнергии.

Нижняя низкотемпературная термодинамическая система 2 содержит первый контур 11 рабочей текучей среды и второй контур 13 рабочей текучей среды. Первая рабочая текучая среда циркулирует в первом контуре 11 и подвергается циклическому термодинамическому преобразованию, посредством которого тепло от верхней высокотемпературной термодинамической системы 1 частично преобразуется в механическую энергию, а частично передается при более низкой температуре второму контуру 13. В последнем вторая рабочая текучая среда циркулирует и подвергается циклическому термодинамическому преобразованию, в результате которого тепло от первого контура 11 частично преобразуется в дополнительную механическую энергию, а частично выпускается при более низкой температуре на холодной стороне второго контура 13.

Таким образом, отходящее тепло от верхней высокотемпературной термодинамической системы 1 используется в двухступенчатом термодинамическом цикле, производя механическую энергию путем расширения рабочей текучей среды в соответствующих детандерах первого и второго контуров 11, 13.

В первом и втором контурах 11, 13 может использоваться одинаковая рабочая текучая среда, то есть текучая среда, имеющая одинаковый или по существу одинаковый состав, может использоваться в указанных двух контурах рабочей текучей среды. Например, двуокись углерода (CO₂) может использоваться в первом контуре 11 и во втором контуре 13. В других вариантах выполнения в указанных двух контурах 11, 13 могут использоваться различные рабочие текучие среды, то есть текучие среды, имеющие разный химический состав. В первом случае указанные два контура могут, при необходимости, проточно сообщаться, например, для переноса части рабочей текучей среды из первого контура рабочей текучей среды во второй контур рабочей текучей среды или наоборот.

Рабочие текучие среды, подходящие для использования в системе, описанной в настоящем документе, включают, но не ограничиваются этим, текучие среды, которые обычно используются в органических циклах Ренкина (ОЦР), например, пентан и циклопентан.

Термодинамический цикл, выполняемый рабочей текучей средой в первом контуре рабочей текучей среды или во втором контуре рабочей текучей среды, или в обоих контурах рабочей текучей среды, может представлять собой суперкритический цикл, то есть рабочая текучая среда может находиться в сверхкритическом состоянии по меньшей мере в одном участке термодинамического цикла.

Первый контур 11 содержит нагреватель, в котором первая рабочая текучая среда первого контура нагревается и испаряется. Нагреватель может представлять собой теплообменник 7 для регенерации отходящего тепла, который участвует в теплообмене с потоком отработавших топочных газов от газотурбинного двигателя 1. Теплообмен может осуществляться непосредственно в теплообменнике 7 для регенерации отходящего тепла от отработавших топочных газов к рабочей текучей среде, циркулирующей в первом контуре 11 низкотемпературной термодинамической системы 2. В других вариантах выполнения может иметься промежуточный теплообменный контур, в котором теплообменная среда, например, диатермическое масло или тому подобное, циркулирует для передачи тепла от первого теплообменника, участвующего в теплообмене с потоком отработавших топочных газов, теплообменнику для регенерации отходящего тепла.

Первый контур 11 также содержит первый детандер 15, имеющий впускное отверстие, проточно сообщающееся с теплообменником 7 для регенерации отходящего тепла, и выпускное отверстие, проточно сообщающееся с первым устройством для повышения давления, например, с насосом или компрессором 17. Вдоль первого контура 11, между первым детандером 15 и первым насосом или компрессором 17 расположены средства отвода тепла, которые удаляют низкотемпературное тепло из первой рабочей среды. Указанные средства отвода тепла могут содержать первый рекуператор 19 тепла и первый охладитель 21. Первый рекуператор 19 тепла содержит теплопередающее устройство, предназначенное для передачи тепла от первого контура 11 второму контуру 13. Первая рабочая текучая среда протекает по теплоотдающей стороне первого рекуператора 19 тепла, участвующего в теплообмене со второй рабочей текучей средой, которая протекает по теплопринимающей стороне первого рекуператора 19 тепла, в результате чего тепло от первой рабочей текучей среды передается второй рабочей текучей среде. Указанная первая рабочая текучая среда при этом охлаждается в первом охладителе 21 за счет теплообмена с теплоприемником, например, с водой или воздухом.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения сторона нагнетания первого насоса или компрессора 17 проточно соединена со вторым рекуператором 23 тепла. Первая рабочая текучая среда протекает по теплопринимающей стороне второго рекуператора 23 тепла, участвующего в теплообмене со второй рабочей текучей средой, которая протекает по теплоотдающей стороне второго рекуператора 23 тепла.

Первый детандер 15 и первый насос или компрессор 17 разделяют первый контур 11 на сторону высокого давления и сторону низкого давления. Сторона высокого давления проходит от стороны нагнетания первого насоса или компрессора 17 до стороны впуска первого детандера 15. Сторона низкого давления проходит от выпускного отверстия первого детандера 15 до стороны всасывания насоса или компрессора 17.

Второй контур 13 содержит теплопринимающую сторону первого рекуператора 19 тепла, детандерный узел, состоящий из второго детандера 25 и второго устройства для повышения давления, то есть второго насоса или компрессора 27. Между вторым детандером 25 и вторым насосом или компрессором 27 помещены средства отвода тепла. Средства отвода тепла могут состоять из теплоотдающей стороны второго рекуператора 23 тепла и второго охладителя 29, расположенного между вторым рекуператором 23 тепла и вторым насосом или компрессором 27.

В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 1, первый детандер 15 соединен с возможностью передачи приводного усилия с электрогенератором 31. Первый детандер 15 может быть непосредственно соединен с электрогенератором 31. В других вариантах выполнения между первым детандером 15 и электрогенератором 31 может быть предусмотрен редуктор 33. Электрогенератор 31 может быть электрически соединен с сетью G для распределения электроэнергии. Между электрогенератором 31 и сетью G для распределения электроэнергии может быть расположено устройство 35 для стабилизации электроэнергии.

Второй детандер 25 может быть соединен с возможностью передачи приводного усилия с первым насосом или компрессором 17, в результате чего последний приводится в действие механической энергией, генерируемой вторым детандером 25.

Второй насос или компрессор может приводиться в действие электродвигателем 37, который может быть соединен с сетью G для распределения электроэнергии или непосредственно с электрогенератором 31. В некоторых вариантах выполнения электродвигатель 37 может быть непосредственно соединен со вторым насосом или компрессором 27. В других вариантах выполнения, как показано на Фиг. 1, между вторым насосом или компрессором 27 и электродвигателем 37 может быть расположен редуктор 39.

Детандерный узел, содержащий второй детандер 25 и второй насос или компрессор 27, разделяет второй контур 13 на сторону низкого давления, проходящую от выпускного отверстия второго детандера 25 до стороны всасывания второго насоса или компрессора 27, и сторону высокого давления, проходящую от стороны нагнетания второго насоса или компрессора 27 до впускного отверстия второго детандера 25.

Описанная система работает следующим образом. Газотурбинный двигатель 3 приводится в действие посредством газообразного или жидкого ископаемого топлива и генерирует механическую энергию, которая преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора 5 и подается в сеть G для распределения электроэнергии. Отработавший топочный газ газотурбинного двигателя 3 проходит через нагреватель 7, участвующий в теплообмене с первой рабочей текучей средой, циркулирующей в первом контуре 11. Тепло от топочного газа используется для испарения первой рабочей текучей среды, которая затем расширяется в первом детандере 15. Понижение энтальпии в первом детандере 15 преобразуется первым детандером 15 в механическую энергию, а последняя, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора 31.

Параллельно первому детандеру 15 может быть расположена байпасная линия 41 с байпасным клапаном 43, в результате чего, например, при осуществлении запуска часть или весь первый поток рабочей текучей среды может обходить первый детандер 15.

Расширенная первая рабочая текучая среда, выходящая из первого детандера 15, протекает по теплоотдающей стороне первого рекуператора 19 тепла, где тепло от первой рабочей текучей среды передается второй рабочей текучей среде, циркулирующей во втором контуре 13. Затем частично охлажденная первая рабочая текучая среда низкого давления дополнительно охлаждается в первом охладителе 21 посредством охлаждающей среды, например, окружающего воздуха или воды. Далее охлажденная первая рабочая текучая среда низкого давления пропускается через первый насос или компрессор 17, повышающий давление первой рабочей текучей среды от низкого значения давления на стороне низкого давления первого контура рабочей текучей среды до высокого значения давления на стороне высокого давления первого контура 11.

Затем сжатая первая рабочая текучая среда под давлением предварительно подогревается во втором рекуператоре 23 тепла при теплообмене со второй рабочей текучей средой, циркулирующей во втором контуре 13 и, наконец, подается в нагреватель 7, где она снова испаряется.

Вторая рабочая текучая среда нагревается и испаряется на теплопринимающей стороне второго рекуператора 19 тепла и расширяется во втором детандере 25. Понижение энтальпии во втором детандере 25 преобразуется в механическую энергию, используемую для приведения в действие первого насоса или компрессора 17 первого контура 11. Затем расширенная вторая рабочая текучая среда из второго детандера 25 охлаждается во втором рекуператоре 23 тепла, если он предусмотрен, и во втором охладителе 29. В частности, вторая рабочая текучая среда протекает по теплоотдающей стороне второго рекуператора 23 тепла, участвующего в теплообмене с первой рабочей текучей средой, протекающей по теплопринимающей стороне второго рекуператора тепла. Во втором охладителе 29 расширенная и частично охлажденная вторая рабочая текучая среда участвует в теплообмене с охлаждающей средой, например, с воздухом или водой, и доводится до конечного значения нижней температуры цикла перед пропусканием через второй насос или компрессор 27. Оттуда вторая рабочая текучая среда под давлением подается в первый рекуператор 19 тепла для нагрева и повторного испарения и повторяет описанный выше термодинамический цикл.

Описанная выше система преобразования энергии преобразует высокотемпературное тепло, содержащееся в топочном газе газотурбинного двигателя 3, в полезную электрическую энергию с помощью электрогенератора 31. Полезная электрическая энергия, вырабатываемая системой, уменьшается на величину электрической энергии, необходимой для приведения в действии второго насоса или компрессора 27, причем указанное количество электрической энергии намного меньше полной электрической энергии, генерируемой электрогенератором 31. В то же время первый насос или компрессор 17 приводится в действие с помощью второго детандера 25 и не требует потребления электрической энергии, обеспечиваемой электрогенератором 31 или сетью G для распределения электроэнергии.

Фиг. 2 иллюстрирует систему 12 преобразования энергии, показанную на Фиг. 1, в которой между вторым контуром 13 и первым контуром 11 предусмотрена соединительная линия 51. По ходу соединительной линии 51 установлен клапан 53. Воздействуя на клапан, рабочая текучая среда может протекать из одного контура рабочей текучей среды в другой или наоборот.

Фиг. 3 иллюстрирует еще одну систему преобразования энергии, выполненную в соответствии с настоящим изобретением. Одинаковые номера позиций обозначают одни и те же или аналогичные части, компоненты или элементы, как показано на Фиг. 1, и не будут повторно описаны. В системе 12 преобразования энергии, показанной на Фиг. 3, как первый насос или компрессор 17, так и второй насос или компрессор 27 приводятся в действие с помощью второго детандера 25. Таким образом, можно обойтись без электродвигателя 37. Между вторым детандером 25 и первым насосом или компрессором 1, а также между вторым насосом или компрессором 27 и первым насосом или компрессором 17 может быть предусмотрен редуктор (не показан).

В некоторых вариантах выполнения первый насос или компрессор 17 и второй насос или компрессор 27 могут приводиться в действие двумя отдельными детандерами, а не одним и тем же детандером, как проиллюстрировано на Фиг. 3. В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 4, показано устройство с двумя отдельными детандерами, предназначенными для приведения в действие первого насоса или компрессора 17 и второго насоса или компрессора 27. Элементы, части или компоненты, соответствующие или аналогичные элементам, показанным на Фиг. 1, обозначены одинаковыми номерами позиций и не будут повторно описаны.

В варианте выполнения, показанном на Фиг. 4, второй контур 13 содержит детандерный узел, обозначенный во всем документе номером позиции 24, состоящий из второго детандера 25.1 и третьего детандера 25.2. Второй детандер 25.1 и третий детандер 25.2 расположены последовательно вдоль второго контура 13. Таким образом, вторая рабочая текучая среда сначала частично расширяется во втором детандере 25.1 и далее соответственно расширяется в третьем детандере 25.2. Второй детандер 25.1 соединен с возможностью передачи приводного усилия со вторым насосом или компрессором 27, тогда как третий детандер 25.2 соединен с возможностью передачи приводного усилия с первым насосом или компрессором 17, в результате чего механическая энергия, генерируемая указанными двумя понижениями энтальпии во втором детандере 25.1 и третьем детандере 25.2, используется для приведения в действие как насосов, так и компрессоров 17, 27 системы 12 преобразования энергии.

В некоторых вариантах выполнения вдоль второго контура 13, между вторым детандером 25.1 и третьим детандером 25.2 может быть расположен регулирующий клапан 61. Регулирующий клапан 61 может быть использован для регулировки промежуточного давления между вторым детандером 25.1 и третьим детандером 25.2, в результате чего понижение энтальпии во втором детандере 25.1 и третьем детандере 25.2 может быть изменено в соответствии с режимом работы системы 12 преобразования энергии.

В некоторых вариантах выполнения также вдоль байпасной линии 65, расположенной параллельно третьему детандеру 25.2, с целью регулировки массового расхода второй рабочей текучей среды, проходящей через третий детандер 25.2, может быть установлен байпасный клапан 63.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, между вторым детандером 25.1 и вторым насосом или компрессором 27 может быть расположен приводимый ими в действие редуктор 67. В некоторых вариантах выполнения между третьим детандером 25.2 и первым насосом или компрессором 17 может быть расположен редуктор 69.

Фиг. 5 иллюстрирует еще один вариант выполнения системы преобразования энергии, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. Одинаковые номера позиций, используемые на Фиг. 1-4, обозначают одни и те же или аналогичные части, компоненты или элементы, которые не будут повторно описаны. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 5, второй контур рабочей текучей среды содержит детандерный узел 24, который, аналогично показанному на Фиг. 4 варианту выполнения, содержит второй детандер 25.1 и третий детандер 25.2. Однако, в отличие от Фиг. 4, в соответствии с вариантом выполнения, изображенном на Фиг. 5, второй детандер 25.1 соединен с возможностью передачи приводного усилия с первым насосом или компрессором 17, а не со вторым насосом или компрессором 27. Третий детандер 25.2, в свою очередь, соединен с возможностью передачи приводного усилия со вторым насосом или компрессором 27. Между детандерами 25.1 и 25.2 и соответствующими насосами или компрессорами 17 и 27 могут быть предусмотрены редукторы 67 и 699.

В варианте выполнения, показанном на Фиг. 5, байпасный клапан 71 расположен на байпасной линии 73 параллельно второму детандеру 25.1, для корректировки массового расхода второй рабочей текучей среды, проходящей через второй детандер 25. 1 и для регулирования работы второго детандера 25.1 в соответствии с режимом работы системы 12 преобразования энергии.

Возможны некоторые дополнительные изменения систем преобразования энергии, описанных в настоящем документе. Например, один, некоторые или все редукторы, предусмотренные в любом из вариантов выполнения, раскрытых в настоящем документе, могут быть заменены приводами с регулируемой частотой вращения, которые позволяют изменять передаточное число между входным валом и выходным валом, обеспечивая, тем самым, дополнительные возможности регулирования. Кроме того, в первом контуре 11 или во втором контуре 13 могут быть предусмотрены дополнительные клапаны регулирования давления или клапаны регулирования потока.

Каждый детандер, описанный в настоящем документе применительно к различным вариантам выполнения, может быть одноступенчатым или многоступенчатым детандером или фактически может состоять из двух или большего количества детандеров, расположенных последовательно или параллельно. Детандеры могут быть осевыми, радиальными или детандерами комбинированного типа. На впуске одного или нескольких детандеров или отдельных их ступеней могут быть также предусмотрены различные регулируемые входные направляющие сопла, обеспечивающие дополнительную степень свободы для регулирования режима работы детандеров.

Как упоминалось выше, хотя на Фиг. 1-5 источник тепла, обеспечивающий теплом первый контур 11 и второй контур 13, представляет собой отработавший газ газотурбинного двигателя, в других вариантах выполнения может быть обеспечено тепло от другого источника тепла. Например, может быть использовано тепло от солнечной электростанции с термодинамическим циклом, отходящее тепло поршневого двигателя внутреннего сгорания и, в целом, любое отходящее тепло, вырабатываемое в ходе промышленных процессов.

Несмотря на то, что раскрытые варианты выполнения изобретения, описанные в настоящем документе, были показаны на чертежах и полностью описаны выше обстоятельно и подробно вместе с несколькими примерами выполнения, специалистам в данной области техники следует понимать, что возможны многие модификации, изменения и исключения без существенного отхода от идей, принципов и понятий изобретения, изложенных в настоящем документе, и преимуществ изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, надлежащий объем раскрытых усовершенствований должен определяться только на основании самого широкого толкования прилагаемой формулы изобретения для осуществления всех таких модификаций, изменений и исключений. Кроме того, порядок или последовательность этапов любого процесса или способа могут быть изменены или повторно установлены в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.

Описана система преобразования энергии. Система содержит первый контур (11) рабочей текучей среды и второй контур (13) рабочей текучей среды. Тепло, например отходящее тепло от верхнего высокотемпературного термодинамического цикла, переносится к рабочей текучей среде, циркулирующей в первом контуре (11) рабочей текучей среды, и расширяется в первом детандере для производства полезной механической энергии. Между первым контуром (11) рабочей текучей среды и вторым контуром (13) рабочей текучей среды расположено теплопередающее устройство, выполненное с возможностью передачи низкотемпературного тепла от первого контура (11) второму контуру (13). Во втором контуре (13) рабочая текучая среда пропускается, расширяется по меньшей мере в одном детандере для производства полезной механической энергии, используемой для приведения в действие насоса или компрессора (17) первого контура рабочей текучей среды. Тепло расширенного газа дополнительно используется во втором рекуператоре (239) для предварительного нагрева первой рабочей текучей среды. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система преобразования энергии, содержащая:

первый контур (11) рабочей текучей среды, имеющий сторону высокого давления и сторону низкого давления и выполненный с возможностью пропускания первой рабочей текучей среды,

нагреватель (7), выполненный с возможностью циркуляции первой рабочей текучей среды с участием в теплообмене с источником (3) тепла для испарения первой рабочей текучей среды,

первый детандер (15), расположенный между стороной высокого давления и стороной низкого давления первого контура (11) рабочей текучей среды и выполненный с возможностью расширения первой рабочей текучей среды и производства механической энергии,

первый насос или компрессор (17), расположенный между стороной низкого давления и стороной высокого давления первого контура (11) рабочей текучей среды,

второй контур (13) рабочей текучей среды, имеющий сторону высокого давления и сторону низкого давления и выполненный с возможностью пропускания второй рабочей текучей среды,

теплопередающее устройство (19), выполненное с возможностью передачи тепла от стороны низкого давления первого контура (11) рабочей текучей среды к стороне высокого давления второго контура (13) рабочей текучей среды и испарения второй рабочей текучей среды,

детандерный узел (24, 25), расположенный между стороной высокого давления и стороной низкого давления второго контура (13) рабочей текучей среды и выполненный с возможностью расширения второй рабочей текучей среды и производства механической энергии,

второй насос или компрессор (27), расположенный между стороной низкого давления и стороной высокого давления второго контура (13) рабочей текучей среды,

второй рекуператор тепла (23), в котором теплоотдающая сторона участвует в теплообмене с теплопринимающей стороной, причем теплоотдающая сторона проточно соединена со вторым контуром (13) рабочей текучей среды, а теплопринимающая сторона проточно соединена с первым контуром (11) рабочей текучей среды, в результате чего тепло передается от второй рабочей текучей среды, циркулирующей по теплоотдающей стороне второго рекуператора тепла, к первой рабочей текучей среде, циркулирующей по теплопринимающей стороне второго рекуператора тепла,

при этом первый насос или компрессор (17) соединен с возможностью передачи приводного усилия с детандерным узлом (24, 25) и приводится в действие механической энергией, генерируемой с его помощью.

2. Система по п. 1, в которой первый детандер (15) соединен с возможностью передачи приводного усилия с вращающейся нагрузкой (31).

3. Система по п. 1 или 2, в которой вращающаяся нагрузка (31) содержит электрогенератор, выполненный с возможностью преобразования механической энергии, генерируемой первым детандером (15), в электрическую энергию.

4. Система по одному или нескольким из предшествующих пунктов, в которой второй насос или компрессор (27) соединен с возможностью передачи приводного усилия с электродвигателем (37).

5. Система по одному из пп. 1-3, в которой второй насос или компрессор (27) соединен с возможностью передачи приводного усилия с детандерным узлом (24), причем как первый насос или компрессор (17), так и второй насос или компрессор (27) приводятся в действие механической энергией, генерируемой детандерным узлом (24).

6. Система по одному или нескольким из предшествующих пунктов, в которой детандерный узел содержит второй детандер (25), соединенный с возможностью передачи приводного усилия с трансмиссионным валом, причем первый насос или компрессор (17) и второй насос или компрессор (27) соединены с возможностью передачи приводного усилия с трансмиссионным валом.

7. Система по одному или нескольким из предшествующих пунктов, в которой детандерный узел (24) содержит верхний детандер (25.1) и нижний детандер (25.2), расположенные последовательно между стороной высокого давления и стороной низкого давления второго контура (13) рабочей текучей среды, в результате чего вторая рабочая текучая среда последовательно расширяется в верхнем детандере (25.1) и в нижнем детандере (25.2), причем один из указанных первого насоса или компрессора (17) и второго насоса или компрессора (27) соединен с возможностью передачи приводного усилия с верхним детандером (25.1), а другой из указанных первого насоса или компрессора (17) и второго насоса или компрессора (27) соединен с возможностью передачи приводного усилия с нижним детандером (25.2).

8. Система по одному или нескольким из предшествующих пунктов, в которой теплопередающее устройство (19) содержит первый рекуператор (19) тепла, в котором теплоотдающая сторона участвует в теплообмене с теплопринимающей стороной, причем теплоотдающая сторона проточно соединена с первым контуром (11) рабочей текучей среды, а теплопринимающая сторона проточно соединена со вторым контуром (13) рабочей текучей среды, в результате чего тепло передается от первой рабочей текучей среды, циркулирующей по теплоотдающей стороне первого рекуператора тепла, ко второй рабочей текучей среде, циркулирующей по теплопринимающей стороне первого рекуператора (19) тепла.

9. Система по п. 8, в которой теплоотдающая сторона первого рекуператора (19) тепла проточно соединена с первым контуром (11) рабочей текучей среды между первым детандером (15) и первым насосом или компрессором (17), а теплопринимающая сторона первого рекуператора (19) тепла проточно соединена со вторым контуром (13) рабочей текучей среды между вторым насосом или компрессором (27) и детандерным узлом (24, 25).

10. Система по п. 8 или 9, в которой первый контур (11) рабочей текучей среды также содержит первый охладитель (21), проточно соединенный с указанным первым контуром (11) между теплоотдающей стороной первого рекуператора (19) тепла и первым насосом или компрессором (17).

11. Система по одному или нескольким из предшествующих пунктов, в которой высокотемпературная сторона второго рекуператора (23) тепла проточно соединена со вторым контуром (13) рабочей текучей среды между детандерным узлом (24, 25) и вторым насосом или компрессором (27), а низкотемпературная сторона второго рекуператора (23) тепла проточно соединена с первым контуром (11) рабочей текучей среды между первым насосом или компрессором (17) и нагревателем (7).

12. Система по одному или нескольким из предшествующих пунктов, в которой второй контур (13) рабочей текучей среды также содержит второй охладитель (29), проточно соединенный с указанным вторым контуром (13) между вторым рекуператором (23) тепла и вторым насосом или компрессором (27).

13. Система по одному или нескольким из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая соединительную линию (51) между первым контуром (11) рабочей текучей среды и вторым контуром (13) рабочей текучей среды, выполненную с возможностью переноса рабочей текучей среды из первого контура (11) во второй контур (13) или наоборот, и клапан (53), расположенный на соединительной линии (51).

14. Способ производства полезной энергии из тепла, обеспечиваемого источником тепла, включающий следующие этапы:

обеспечение циркуляции первого потока рабочей текучей среды с помощью первого насоса или компрессора (17) в первом контуре (11) рабочей текучей среды, имеющем сторону высокого давления и сторону низкого давления, при этом сторона высокого давления участвует в теплообмене с источником тепла, а сторона низкого давления участвует в теплообмене со вторым контуром (13) рабочей текучей среды;

передачу тепловой энергии от источника тепла первой рабочей текучей среде;

расширение первой рабочей текучей среды с помощью первого детандера (15), расположенного между стороной высокого давления и стороной низкого давления первого контура (11) рабочей текучей среды, и производство тем самым механической энергии;

передачу низкотемпературного тепла от первого контура (11) рабочей текучей среды ко второму контуру (13) рабочей текучей среды, при этом второй контур (13) рабочей текучей среды содержит сторону высокого давления и сторону низкого давления, детандерный узел (25, 24), расположенный между стороной высокого давления и стороной низкого давления, и второй насос или компрессор (27), расположенный между стороной низкого давления и стороной высокого давления;

расширение второй рабочей текучей среды, циркулирующей во втором контуре (13) рабочей текучей среды, в детандерном узле (25, 24) и производство в нем механической энергии;

передачу тепла от второго контура (13) рабочей текучей среды первому контуру (11) рабочей текучей среды с помощью рекуператора (23) тепла;

приведение в действие первого насоса или компрессора (17) с помощью механической энергии, генерируемой детандерным узлом (25, 24).

15. Способ по п. 14, в котором обеспечивают вращение нагрузки (31) с помощью механической энергии, генерируемой первым детандером (15).

16. Способ по п. 14 или 15, в котором нагрузка (31) содержит электрогенератор, при этом в способе преобразуют механическую энергию, генерируемую первым детандером (15), в электрическую энергию с помощью указанного электрогенератора.

17. Способ по одному из пп. 14-16, в котором обеспечивают вращение второго насоса или компрессора (27) с помощью механической энергии, генерируемой детандерным узлом (25, 24).

18. Способ по п. 17, в котором детандерный узел (24) содержит второй детандер (25.1) и третий детандер (25.2), последовательно расположенные между стороной высокого давления и стороной низкого давления второго контура (13) рабочей текучей среды, при этом в способе дополнительно последовательно расширяют вторую рабочую текучую среду во втором детандере (25.1) и третьем детандере (25.2), обеспечивают вращение указанного первого насоса или компрессора (17) с помощью механической энергии, генерируемой одним из указанных второго детандера (25.1) и третьего детандера (25.2), и обеспечивают вращение второго насоса или компрессора (27) с помощью механической энергии, генерируемой другим из указанных второго детандера (25.1) и третьего детандера (25.2).