СИСТЕМА И СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ ОТХОДЯЩЕГО ТЕПЛА Российский патент 2023 года по МПК F01K25/10 

Область техники

[0001] Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, в целом относятся к области систем теплового цикла для рекуперации отходящего тепла, а в частности к составной замкнутой системе теплового цикла Брайтона для рекуперации отходящего тепла и способу рекуперации.

Уровень техники

[0002] Огромные количества отходящего тепла генерируется самыми разнообразными промышленными и коммерческими процессами и операциями. Примеры источников отходящего тепла включают тепло от нагревательных узлов, паровых котлов, двигателей и систем охлаждения. Термин «отходящее тепло» включает в себя любое поступление остаточного тепла от первичных процессов, которые традиционно не используются в качестве источников энергии, включая, без ограничений, солнечную или геотермальную энергию.

[0003] Некоторые системы генерирования энергии обеспечивают более высокую надежность и автономную работу с использованием альтернативных видов топлива, таких как биогаз или свалочный газ; примерами являются газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания, такие как микротурбины и поршневые двигатели. Двигатели внутреннего сгорания могут быть использованы для генерирования электричества с применением таких видов топлива, как бензин, природный газ, биогаз, растительное масло и дизельное топливо. Однако при этом могут выделяться загрязнители атмосферы, такие как оксиды азота, углекислый газ и твердые частицы.

[0004] Одним из способов генерирования электричества из отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания без увеличения выбросов является применение парового цикла Ренкина с использованием отходящего тепла. Цикл Ренкина обычно включает турбогенератор, испаритель/бойлер, конденсатор и жидкостный насос. Однако паровые циклы Ренкина на основе воды не являются привлекательными в вышеупомянутой области низкой тепловой (а, следовательно, и электрической) мощности отходящего тепла из-за более высокой стоимости и необходимости непрерывного контроля в процессе работы. Пар, используемый в качестве рабочего тела, может быть оптимальным только для определенного диапазона температур и давлений цикла. В этом традиционном паровом цикле Ренкина с использованием отходящего тепла требуется конденсация при относительно низком давлении, что подразумевает большие объемы турбин и конденсаторов низкого давления. Таким образом, установка традиционной системы парового цикла Ренкина с использованием отходящего тепла является непропорционально громоздкой и сложной, учитывая относительно невысокую мощность и эффективность, производимые при использовании низкотемпературного отходящего тепла. Низкое давление конденсации пара создает другие сложности, такие как потребность в специальных деаэрационных установках для удаления атмосферного воздуха, который просачивается из окружающей среды внутрь аппаратов, находящихся под давлением ниже атмосферного.

[0005] В случае органического цикла Ренкина (ORC), т.е. цикла Ренкина с применением органической текучей среды в качестве рабочего тела, производительность ограничивается несколькими факторами, такими как деградация и рабочие ограничения текучей среды, циркулирующей в ORC, вопросы охраны труда, окружающей среды и техники безопасности (ОТОСБ), касающиеся рабочего тела в связи с его химическим составом, и ограничения рабочего тела по теплообмену, что приводит к увеличению затрат на систему. Фактически, необходимость введения теплопередающей текучей среды, такой как диатермическое масло, снижает доступную энтальпию процесса и повышает сложность и стоимость установки.

[0006] Было бы желательно иметь для практических задач малой мощности (0,1÷2 МВт) простую систему и способ эффективной рекуперации отходящего тепла, которые не имеют ограничений парообразного рабочего тела, циркулирующего в системе цикла Ренкина, с возможностью автоматической работы без обслуживающего персонала и необходимости контроля.

Краткое описание изобретения

[0007] В соответствии с вариантом (-ами) осуществления, приведенными (-и) в настоящем документе, описаны система цикла рекуперации отходящего тепла и соответствующий способ. Пример системы цикла рекуперации тепла включает систему цикла Брайтона, содержащую нагреватель, выполненный с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой для нагрева пара диоксида углерода. В соответствии с примером осуществления, служащая примером система рекуперации отходящего тепла интегрирована (напрямую соединена) с источниками тепла для обеспечения более эффективной рекуперации отходящего тепла, преобразуемого в механическую энергию для генерирования электричества и/или механического применения, такого как приведение в действие насосов или компрессоров. Источники тепла могут включать двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, геотермальные, гелиотермальные, промышленные и бытовые источники тепла.

[0008] Таким образом, можно получить систему, которая обеспечивает:

[0009] высокоэффективное и экономичное решение (малогабаритное

оборудование благодаря выбору CO2 в качестве рабочего тела) для преобразования отходящего тепла в механическую энергию, благодаря возможности прямого соединения (с большей разницей температур и, следовательно, более высокой эффективностью) рабочего тела с источником тепла, что невозможно осуществить в ORC из-за особенностей рабочего тела, таких как деградация и проблемы ОТОСБ;

[0010] безопасное и экологически приемлемое решение (CO2 не имеет проблем ОТОСБ); широкий эксплуатационный диапазон благодаря тому, что цикл предусматривает использование только одной фазы текучей среды, таким образом, на него не влияют условия окружающей среды, поскольку нет необходимости достигать конденсированной фазы при всех условиях окружающей среды, как это требуется в цикле Ренкина для рекуперации отходящего тепла с текучей средой в двух фазах;

[0011] решение, в котором не требуется конденсация, поэтому при высокой температуре окружающей среды оно по-прежнему подходит для охлаждения, что является существенным преимуществом благодаря меньшему размеру холодильников по сравнению с другими циклами Ренкина.

[0012] Другое преимущество отсутствия конденсатора связано со схемой монтажа системы, поскольку нет необходимости как в рестрикциях и ограничениях, так и в специальных вспомогательных устройствах, таких как приемник горячего конденсата, сливной уклон, насосы с низким кавитационным запасом и т.д.

[0013] Дополнительными преимуществами, связанными с настоящим

описанием, являются возможность построения установок Plug & Play на опорной раме с минимальным объемом действий на месте (ввод в эксплуатацию и испытание на месте работ); возможность эксплуатации источников отходящего тепла для выработки электроэнергии и/или в качестве механического привода в маломасштабных практических задачах (до 10 МВт) при соблюдении всех требований по охране окружающей среде, а также отсутствие воды в качестве кипящей текучей среды, которая требует присутствия оператора.

Краткое описание графических материалов

[0014] Настоящее описание станет более понятным из представленного ниже описания примеров осуществления, которые следует рассматривать в сочетании с прилагаемыми графическими материалами.

[0015] На Фиг. 1 представлена диаграмма T-S идеального цикла Брайтона.

[0016] На Фиг. 2 представлен двигатель Брайтона.

[0017] На Фиг. 3 схематически показан модифицированный реальный цикл Брайтона в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.

[0018] На Фиг. 4 представлена первая схема системы для рекуперации отходящего тепла в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.

[0019] На Фиг. 5 представлен пример конфигурации компрессора и детандера в системе в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.

[0020] На Фиг. 6 представлены примеры конфигураций комплектов

устройств, включающих одну или более муфт.

[0021] На Фиг. 7 представлены две конфигурации мотор-компрессора, приводимого в действие двигателем на СО2, в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.

[0022] На Фиг. 8 представлена блок-схема системы, используемой для распределения топлива.

[0023] На Фиг. 9 представлена структурная схема, иллюстрирующая операции способа в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.

[0024] На Фиг. 10 представлена вторая схема системы для рекуперации отходящего тепла в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.

Подробное описание

[0025] В соответствии с первыми примерами осуществления, система рекуперации отходящего тепла на основе цикла Брайтона содержит нагреватель, выполненный с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой для нагрева пара диоксида углерода; детандер, соединенный с нагревателем и выполненный с возможностью расширения пара диоксида углерода; компрессор, выполненный с возможностью сжатия пара диоксида углерода, подаваемого через холодильник, и теплообменник, выполненный с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода из детандера в холодильник в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода, циркулирующего из компрессора в нагреватель, причем детандер и компрессор представляют собой механически соединенные устройства объемного действия, такие как, например, поршневые устройства, радиальные детандеры/компрессоры, осевые детандеры/компрессоры, винтовые детандеры/компрессоры, импульсные детандеры/компрессоры или их комбинации.

[0026] Для повышения КПД системы компрессор представляет собой многоступенчатый компрессор, содержащий множество последовательно расположенных ступеней компрессора, причем соответствующие межступенчатые теплообменники расположены между парами последовательно расположенных ступеней компрессора, при этом межступенчатые теплообменники выполнены с возможностью отвода тепла от сжатого пара диоксида углерода, циркулирующего от последовательных ступеней компрессора.

[0027] Еще один вариант осуществления относится к способу рекуперации отходящего тепла, включающему циркуляцию пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой для нагрева пара диоксида углерода посредством нагревателя системы цикла Брайтона. Затем пар диоксида углерода сначала расширяют с помощью детандера, соединенного с нагревателем системы цикла Брайтона, а затем охлаждают с помощью холодильника. Затем пар диоксида углерода направляют в компрессор системы цикла Брайтона для сжатия, а затем он циркулирует из компрессора в нагреватель в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода из детандера для предварительного нагрева пара диоксида углерода. При этом этап сжатия включает сжатие пара диоксида углерода, циркулирующего в последовательных ступенях компрессора, после промежуточного охлаждения между ступенями для уменьшения мощности сжатия.

[0028] Идеальный цикл Брайтона содержит два изоэнтропийных и два изобарических процесса, как показано на диаграмме T-S, изображенной на Фиг. 1. Изобарические процессы относятся к нагреву и охлаждению технологической текучей среды, тогда как изоэнтропийные процессы относятся к расширению и сжатию технологической текучей среды.

[0029] Как показано на Фиг. 2, на которой представлен пример двигателя Брайтона, технологическая текучая среда изоэнтропийно сжимается компрессором от точки 1 до точки 2 с помощью мощности сжатия Lc, изобарически нагревается от точки 2 до точки 3 нагревателем, обеспечивающим тепло Qin, изоэнтропийно расширяется детандером от точки 3 до точки 4, создающим мощность расширения Le, изобарически охлаждается от точки 4 до 1 холодильником с обменом тепла Qout.

[0030] Поскольку компрессор и детандер механически соединены, полезная мощность, которую способно произвести оборудование, составляет Ln=Le-Lc. КПД η представляет собой соотношение полезной мощности Ln и тепла Qin, которое может быть представлено как:

[0031] где T₁ и Т₂ - температура, соответственно, до и после сжатия, β - коэффициент сжатия p₂/p₁=р₃/р₄, ϕ=1-1/k, где k - отношение удельной теплоты технологической текучей среды при постоянном давлении С_р и постоянном объеме C_v.

[0032] Полезная мощность Ln может быть выражена как функция β и T₁, Т₃ следующим образом:

[0033] При дифференцировании можно показать, что максимальная полезная мощность получается при

[0034] Авторы изобретения обнаружили, что диоксид углерода в качестве технологической текучей среды по сравнению с другими газами, такими как N₂, Не, Ne, Ar, Хе, имеет очень хороший уровень соотношения «полезная мощность / мощность сжатия» Ln/Lc (0,716), но низкий КПД η (0,28). Например, азот имеет идеальный КПД 0,37, но низкий уровень соотношения Ln/Lc (0,343). У гелия еще больший идеальный КПД (0,47), но очень низкий уровень соотношения Ln/Lc (0,109). Это означает, что для получения 1 МВт полезной мощности требуется 1,4 МВт мощности сжатия (при идеальных условиях) с использованием СО₂ по сравнению с 2,9 МВт для азота и 9,2 МВт для гелия.

[0035] При переходе от идеальных условий к реальным работа сжатия увеличивается, а работа расширения уменьшается; таким образом, для низких значений Ln/Lc полезная мощность может составить очень низкий процент от работы сжатия или даже отрицательную величину. Отсюда выбор углекислого газа в качестве технологической текучей среды в вариантах осуществления в настоящем документе, предпочтительно с использованием средств, способных повысить КПД.

[0036] Использование диоксида углерода в качестве рабочего тела имеет дополнительные преимущества: он негорючий, не вызывает коррозии, нетоксичен и способен выдерживать высокие температуры в цикле (например, выше 400 градусов Цельсия). Диоксид углерода также может быть нагрет до сверхкритического состояния до высоких температур без риска химического разложения.

[0037] Поскольку КПД представляет собой соотношение между полезной мощностью и теплом, которым технологическая текучая среда обменивается с горячим источником, в одной конфигурации КПД повышают за счет уменьшения такого тепла путем предварительного нагрева подаваемого компрессором диоксида углерода до достижения им нагревателя. Преимуществом является то, что этого можно достичь за счет использования части тепла, присутствующего в текучей среде, выходящей из детандера, т.е. путем использования так называемого регенератора, что будет объяснено ниже.

[0038] В другой конфигурации КПД повышают путем уменьшения мощности сжатия за счет промежуточного охлаждения.

[0039] Влияние комбинации двух конфигураций, которые очевидно могут существовать независимо друг от друга, показано на диаграмме T-S на Фиг. 3.

[0040] Регенерация отражена на горизонтальной пунктирной линии от точки 4'г до точки 2'г, а охлаждение между ступенями компрессора представлено средней изобарой от точки 1'г до точки 1''г. Здесь изображен реальный цикл, в котором изоэнтропийные кривые, показанные на Фиг. 1, заменены наклонными (политропными) кривыми для учета того, что при реальном расширении и сжатии всегда происходит обмен некоторого количества тепла.

[0041] На Фиг. 4 показана система рекуперации отходящего тепла в соответствии с примером осуществления.

[0042] Нагреватель 16 соединен с источником тепла, например выхлопным устройством теплогенерирующей системы (например, двигателя). В процессе работы нагреватель 16 получает тепло от горячей текучей среды, например отработавшего газа, генерируемого из источника тепла, который нагревает пар диоксида углерода, проходящий через трубу, соединенную с нагревателем. В одном конкретном варианте осуществления пар диоксида углерода, выходящий из нагревателя 16, может находиться при первой температуре приблизительно 410 градусов Цельсия и при первом давлении приблизительно 260 бар. Выходя из нагревателя, горячий пар диоксида углерода идет в детандер 18 и проходит через него для расширения пара диоксида углерода. При расширении находящегося под давлением горячего пара диоксида углерода он вращает вал, который выполнен с возможностью приведения в действие первого генератора 26, который генерирует электроэнергию. При расширении пара диоксида углерода также происходит охлаждение и сброс давления по мере его расширения. Соответственно, в конкретном варианте осуществления пар диоксида углерода может выходить из детандера 18 при второй, более низкой температуре около 230 градусов Цельсия, и втором, более низком, давлении около 40 бар.

[0043] При рассмотрении конструкции детандера можно увидеть, что в одном варианте осуществления детандер имеет множество последовательно расположенных ступеней детандера. Каждая ступень детандера может иметь один или более детандеров, таких как поршневые детандеры, или может быть образована из них. В других вариантах осуществления каждая ступень детандера может включать в себя единственный объемный детандер. В качестве иллюстрации, но не ограничения, вариант осуществления, показанный на Фиг. 4, содержит две последовательно расположенные ступени детандера, обозначенные 181, 182, в котором каждая из ступеней детандера 181, 182 имеет один детандер.

[0044] Продолжая описание рабочего цикла новой системы, отметим, что охлажденный диоксид углерода со сброшенным давлением, который по-прежнему находится при вторых температуре и давлении, проходит из единственного детандера 18 или последнего детандера 182 в холодильник 20 низкого давления (НД) и через него. Холодильник 20 НД выполнен с возможностью дополнительного переохлаждения пара диоксида углерода до третьей температуры (ниже первой температуры или второй температуры по отдельности или в совокупности), составляющей около 40-50°С. Пар диоксида углерода выходит из холодильника 20 НД и поступает и проходит через компрессор 22, который работает для сжатия и нагрева пара диоксида углерода до существенно более высокой четвертой температуры и четвертого давления. Одновременно следует отметить, что четвертое давление может быть приблизительно таким же или равным первому давлению, описанному выше. Таким образом, только в качестве примера, в одном варианте осуществления теперь дважды нагретый пар диоксида углерода, выходящий из компрессора 22, имеет четвертую температуру, равную приблизительно 110°С и четвертое давление, равное приблизительно 260 бар.

[0045] Ниже представлено дополнительное описание компрессора 22. В одном варианте осуществления компрессор 22 может представлять собой многоступенчатый компрессор с промежуточным холодильником, расположенным между каждой ступенью многоступенчатого компрессора. Система может содержать множество последовательно расположенных ступеней компрессора, причем каждая ступень компрессора содержит один или более поршневых компрессоров. В некоторых вариантах осуществления каждая ступень компрессора может содержать единственный поршневой компрессор. Вариант осуществления, показанный на Фиг. 4, содержит две последовательно расположенные ступени компрессора, обозначенные 221, 222, каждая из которых содержит один компрессор.

[0046] В схематическом представлении на Фиг. 4 две ступени компрессора 221, 222 образуют пару. Каждая пара противоположно расположенных ступеней компрессора приводится в действие общим валом. В одном варианте осуществления коробка передач соединяет различные валы с детандером 18. Конечно, возможны и другие конфигурации.

[0047] Возобновляя рассмотрение рабочего цикла системы, вернемся к месту, где пар диоксида углерода входит в первую ступень 221 компрессора в точке 1r (при третьем давлении и третьей температуре, описанных выше) и выходит из указанной первой ступени 221 компрессора в точке 1'r. Путь 13 потока может проходить от выходной стороны ступени 221 компрессора до входной стороны ступени 222 компрессора. По пути 13 потока предусмотрен межступенчатый теплообменник или холодильник 15. Указанный межступенчатый холодильник обозначен ниже в настоящем документе как межступенчатый теплообменник 15. Следовательно, сжатый (теперь) пар диоксида углерода, протекающий по пути 13 потока, также протекает через межступенчатый теплообменник 15 и охлаждается охлаждающей текучей средой, например воздухом, который протекает через канал (не показан) по отдельному пути и через этот путь попадает в промежуточный теплообменник 15. В некоторых вариантах осуществления воздух может поступать в межступенчатый теплообменник 15 при температуре около 30°С и выходить из теплообменника 15 при температуре около 50-60°С, что означает, что воздух абсорбировал приблизительно 20°С+тепла из сжатого пара диоксида углерода, тем самым охлаждая (или по меньшей мере снижая температуру, которой пар диоксида углерода достигал бы в противном случае). Эти значения приведены только в качестве примера и не должны рассматриваться как ограничивающие объем объекта изобретения, описанного в настоящем документе.

[0048] Теперь наполовину охлажденный диоксид углерода поступает во вторую ступень 222 компрессора и выходит из указанной ступени 222 компрессора в точке 2r.

[0049] В одном варианте осуществления система содержит теплообменник 17, также называемый регенератором, который выполнен с возможностью осуществления циркуляции части охлажденного, расширенного пара диоксида углерода при более низком давлении из детандера 18 в холодильник 20 НД таким образом, что происходит теплообменное взаимодействие по отношению к пару диоксида углерода, выходящего из компрессора 22 и поступающего в нагреватель 16 для обеспечения предварительного нагрева пара диоксида углерода до 160°С перед повторной подачей в нагреватель и запуском нового цикла.

[0050] Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, также относятся к двигателю с циклом Брайтона на СО₂, содержащему промежуточное охлаждение путем впрыскивания жидкости (например, воды или ее смесей) внутрь цилиндров сжатия.

[0051] В цилиндре компрессора двойного действия при движении поршня давление повышается на одном конце (например, поршневой полости) и уменьшается на другом конце. На противоположном ходе давление меняется в обратную сторону по формуле: Р * V^∧n=const. Температура повышается вместе с давлением по формуле TP^∧[(1-n)/n]=const.

[0052] Таким образом, ограничение повышения температуры в цилиндре и, следовательно, ограничение соответствующего увеличения удельного объема и объемного расхода приведет к уменьшению работы сжатия (пропорциональной интегралу PdV) при повышении общего КПД цикла.

[0053] Для ограничения повышения температуры в цилиндре и соответствующего увеличения удельного объема, распыленная жидкость (например, смесь воды) может впрыскиваться непосредственно в сторону активного действия цилиндра для уменьшения работы сжатия.

[0054] Давление жидкости должно быть выше фактического давления газа, чтобы преодолеть сопротивление и способствовать распылению жидкости, тогда как температура распыляемой жидкости должна быть минимальной допустимой условиями окружающей среды. Расход жидкости таков, что ее парциальное давление после испарения всегда ниже давления ее пара, соответствующего ожидаемой температуре газа (т.е. температуре газа после охлаждения), для предотвращения каких-либо следов капель жидкости, которые могут представлять опасность для компонентов цилиндра (например, компрессорных клапанов). Впрыскиваемая жидкость после выхода из цилиндров сжатия включается в состав смеси, до охлаждения и конденсации в межступенчатом и конечном холодильнике. Затем впрыскиваемая жидкость сжимается насосом и впрыскивается повторно, т.е. работает в замкнутом контуре.

[0055] Энергопотребление жидкостного насоса пренебрежимо мало по сравнению с общим увеличением мощности системы.

[0056] Поскольку мольная доля пара жидкости в смеси с CO2 увеличивается с температурой смеси и уменьшается с давлением смеси, впрыск распыленной жидкости более эффективен при более низких давлениях и более высоких температурах. Таким образом, по мере увеличения ступеней сжатия необходимо тщательно оценивать применение впрыска распыленной жидкости.

[0057] На диаграмме T-s системы работа сжатия уменьшается благодаря снижению объемного расхода и повышению политропного КПД; увеличивается вся площадь цикла, а также общий КПД. Тепловая нагрузка межступенчатого холодильника не меняется, и меньшая средняя эффективная разность температур (EMTD) вследствие более низкой температуры смеси на входе теплообменника компенсируется увеличением общего коэффициента теплопередачи вследствие конденсации Н20 в смеси.

[0058] Схема описанного выше двигателя с циклом Брайтона на CO₂, содержащего промежуточное охлаждение, представлена на Фиг. 10. Встроенные сепараторные барабаны 23, 24 размещены ниже по потоку после межступенчатых теплообменников или холодильников 15, 20 для отделения и сбора конденсированной жидкости перед ее сжатием в насосе 25 для последующего повторного впрыска в ступени 221, 222 компрессора.

[0059] Объемный детандер и объемный компрессор, образующие двигатель на диоксиде углерода, могут быть любого известного типа и механически соединены любым известным способом. Например, они могут представлять собой поршневые устройства, радиальные детандеры/компрессоры, осевые детандеры/компрессоры, винтовые детандеры/компрессоры, импульсные детандеры/компрессоры или их комбинации.

[0060] Пример показан на Фиг. 5. Здесь пара компрессор/детандер содержит первый цилиндр 51, в котором первый поршень 53 выполнен с возможностью скользящего перемещения. Дополнительно предусмотрен второй цилиндр 55, ориентированный под углом, например 90°, относительно цилиндра 51. Второй поршень 57 расположен с возможностью скольжения во втором цилиндре 55.

[0061] Первый шатун 59 соединяет первый поршень 53 с шатунной шейкой 61 коленчатого вала, образуя часть выходного вала 63. Коленчатый вал предпочтительно установлен в раме с возможностью вращения. Второй шатун 65 соединяет второй поршень 57 с тем же выходным валом 63. На выходном валу 63 может быть установлено маховое колесо 67. Таким образом, детандер и компрессор представляют собой механически соединенные устройства объемного действия, соединенные с возможностью передачи приводного усилия с по меньшей мере одной из указанных шатунных шеек, таким образом, что мощность, вырабатываемая двигателем Брайтона, приводит в движение по меньшей мере одно цилиндропоршневое устройство сжатия.

[0062] Мощность, доступная на выходном валу 63, может быть использована для приведения в действие электрического генератора или любого другого оборудования, например компрессорной линии, как описано в WO 2015/113951А1, который считается включенным в настоящий документ путем ссылки.

[0063] Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, также относятся к двигателю с циклом Брайтона на CO₂, содержащему нагреватель 16, который в процессе работы выполнен с возможностью осуществления циркуляции и нагрева пара диоксида углерода посредством теплообмена с горячей текучей средой; пар диоксида углерода подают в детандер 18, соединенный с нагревателем 16 и выполненный с возможностью охлаждения и снижения давления пара диоксида углерода, который после этого сначала подают в теплообменник 17, затем в холодильник 20 НД, а затем в компрессор 22, выполненный с возможностью повышения давления и температуры пара диоксида углерода, подаваемого через холодильник. Теплообменник 17, также называемый регенератором, выполнен с возможностью осуществления циркуляции и предварительного охлаждения пара диоксида углерода из детандера в холодильник 20 НД в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода из компрессора в главный теплообменник 16 для обеспечения предварительного нагрева пара диоксида углерода до 160°С перед повторной подачей в главный теплообменник 16 и запуском нового цикла. Детандер и компрессор представляют собой механически соединенные устройства объемного действия, соединенные с возможностью передачи приводного усилия с по меньшей мере одной из указанных шатунных шеек, таким образом, что мощность, вырабатываемая указанным двигателем Брайтона, приводит в движение по меньшей мере одно цилиндропоршневое устройство сжатия, соединенное с шатунной шейкой.

[0064] Варианты осуществления также относятся к способу эксплуатации двигателя Брайтона. Как показано на структурной схеме на Фиг. 9, операции этого способа включают этап циркуляции пара диоксида углерода через нагреватель системы цикла Брайтона, в котором происходит теплообмен между горячей текучей средой и паром диоксида углерода; затем следующий этап расширения пара диоксида углерода посредством детандера, соединенного с нагревателем системы цикла Брайтона, например от 260 бар±10% до 40 бар±15% в диапазоне температур от 400°С±15% до 230°С±15%; затем еще один этап охлаждения пара диоксида углерода из детандера посредством холодильника системы цикла Брайтона; затем еще один этап сжатия пара диоксида углерода, подаваемого через холодильник, посредством компрессора системы цикла Брайтона. Такой этап сжатия обычно выбирают таким образом, чтобы довести пар диоксида углерода от давления 40 бар±10% до 260 бар±15% в диапазоне температур от 50°С±15% до 110°С±15%. Затем осуществляют конечный этап по циркуляции пара диоксида углерода из компрессора в нагреватель в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода из детандера для предварительного нагрева пара диоксида углерода, например от 110°С±15% до 160°С±15%.

[0065] В одном варианте осуществления этап сжатия осуществляют путем сжатия пара диоксида углерода, циркулирующих в последовательных ступенях компрессора после промежуточного охлаждения между ступенями для снижения мощности сжатия и, таким образом, повышения КПД.

[0066] Циркуляция пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой может преимущественно включать нагревание пара диоксида углерода источниками отходящего тепла, включая, например, двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, геотермальные, гелиотермальные, промышленные и бытовые источники тепла или т.п. Источники отходящего тепла могут нагревать диоксид углерода либо непосредственно, либо посредством вспомогательной текучей среды.

[0067] В альтернативном варианте осуществления циркуляция пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой может включать нагревание пара диоксида углерода с помощью горелки. Это позволяет реализовать очень компактный и мощный двигатель на диоксиде углерода для применения в различных областях, таких как, например, сжатие текучей среды в распределителе топлива.

[0068] Идея настоящего описания может найти применение в нескольких областях. Пример относится к распределению топлива, как показано на Фиг. 8, где двигатель на С02 используют для приведения в действие компрессора сжатого природного газа (СПГ). Здесь нагреватель представляет собой камеру сгорания, в которую подается природный газ из трубопровода. Система является очень компактной и может быть легко упакована в ящик в различных конфигурациях, как, например, показано на Фиг. 7.

[0069] На Фиг. 6 показаны другие возможные конфигурации комплектов устройств, включая одну или более муфт, в соответствии с описанием, например в US 2016/0341187А1, US 2016/0341188, US 2016/0348661, которые считаются частью настоящего описания.

[0070] Варианты осуществления настоящего изобретения могут содержаться в частях формулы изобретения, изложенных ниже, или в любой их комбинации.

[0071] Хотя в настоящем документе проиллюстрированы и описаны лишь некоторые признаки описанного варианта осуществления, специалистам в данной области будут очевидны многие модификации и изменения. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения должна охватывать все такие модификации и изменения, которые находятся в пределах истинной сущности настоящего описания.

[0072] Ссылка в данном описании на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены в по меньшей мере один вариант осуществления описанного объекта изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте осуществления», «в варианте осуществления» в различных местах по всему данному описанию не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики можно комбинировать любым приемлемым способом в одном или более вариантах осуществления. В описании примеров осуществления даны ссылки на сопроводительные графические материалы. Одинаковые номера позиций на различных рисунках обозначают те же самые или подобные элементы. Настоящее подробное описание не ограничивает настоящее изобретение. Вместо этого объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.

Группа изобретений относятся к области систем теплового цикла для рекуперации отходящего тепла, а в частности к составной замкнутой системе теплового цикла Брайтона для рекуперации отходящего тепла и способу рекуперации. Система рекуперации отходящего тепла на основе цикла Брайтона содержит нагреватель, выполненный с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой для нагрева пара диоксида углерода. Детандер соединен с нагревателем и выполнен с возможностью расширения пара диоксида углерода. Компрессор выполнен с возможностью сжатия пара диоксида углерода, подаваемого через холодильник, а теплообменник выполнен с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода из детандера в холодильник в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода из компрессора в нагреватель, причем детандер и компрессор представляют собой механически соединенные устройства объёмного действия. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система рекуперации отходящего тепла, содержащая:

систему цикла Брайтона, содержащую:

нагреватель (16), выполненный с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой для нагрева пара диоксида углерода;

детандер (18), соединенный с нагревателем (16) и выполненный с возможностью расширения пара диоксида углерода; холодильник (20);

компрессор (22), выполненный с возможностью сжатия пара диоксида углерода, подаваемого через холодильник (20); и

теплообменник (17), выполненный с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода из детандера (18) в холодильник (20) в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода из компрессора (22) в нагреватель (16),

в которой детандер (18) и компрессор (22) представляют собой механически соединенные устройства объёмного действия,

отличающаяся тем, что компрессор представляет собой многоступенчатый компрессор, содержащий множество последовательно расположенных ступеней (221, 222) компрессора, причем соответствующие межступенчатые теплообменники (15, 20) расположены между парами последовательно расположенных ступеней компрессора, при этом межступенчатые теплообменники (15, 20) выполнены с возможностью отвода тепла от сжатого пара диоксида углерода, циркулирующего от последовательных ступеней компрессора.

2. Система по п. 1, в которой устройства объёмного действия выбраны из группы, состоящей из: поршневых устройств, радиальных детандеров/компрессоров, осевых детандеров/компрессоров, винтовых детандеров/компрессоров, импульсных детандеров/компрессоров или их комбинации.

3. Система по п. 1 или 2, в которой межступенчатые теплообменники (15, 20) охлаждают жидкостью.

4. Система по предшествующему пункту, содержащая сепараторные барабаны (23, 24), расположенные ниже по потоку после межступенчатых теплообменников (15, 20) и выполненные с возможностью отделения и сбора конденсированной охлаждающей жидкости; насос (25), выполненный с возможностью сжатия охлаждающей жидкости из сепараторных барабанов (23, 24) и впрыска сжатой жидкости в ступени (221, 222) компрессора.

5. Система по п. 3 или 4, в которой жидкость представляет собой воду или смесь на водной основе.

6. Система по одному из предшествующих пунктов, в которой компрессор и детандер выполнены с возможностью работы между изобарами 40 бар±10% и 260 бар±15% в диапазоне температур от 50°С±15% до 410°С±15% цикла Брайтона.

7. Система по одному из предшествующих пунктов, в которой компрессор и детандер выполнены с возможностью работы в диапазоне значений энтропии от 1,5 кДж/(кг⋅K)±15% до 2,5 кДж/(кг⋅K)±15%.

8. Система по одному из предшествующих пунктов, в которой нагреватель выполнен с возможностью соединения с источниками отходящего тепла, такими как двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, геотермальные, гелиотермальные, промышленные и бытовые источники тепла.

9. Система по одному из предшествующих пунктов, в которой нагреватель представляет собой горелку, в которую подают топливо для реализации двигателя на диоксиде углерода.

10. Система по одному из предшествующих пунктов, в которой детандер механически соединен с работающим устройством, с муфтами или без муфт, для отбора вырабатываемой мощности.

11. Система поршневого компрессора, содержащая:

раму;

коленчатый вал, установленный в указанной раме с возможностью вращения и состоящий из множества шатунных шеек;

по меньшей мере один компрессор, состоящий из цилиндра сжатия и поршня сжатия, совершающего в нем возвратно-поступательные движения и соединенного с возможностью передачи приводного усилия с соответствующей одной из указанных шатунных шеек; и

систему по одному из предшествующих пунктов.

12. Способ рекуперации отходящего тепла, включающий:

циркуляцию пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой для нагрева пара диоксида углерода посредством нагревателя системы цикла Брайтона;

расширение пара диоксида углерода посредством детандера, соединенного с нагревателем системы цикла Брайтона;

охлаждение пара диоксида углерода из детандера посредством холодильника системы цикла Брайтона;

сжатие пара диоксида углерода, подаваемого через холодильник, посредством компрессора системы цикла Брайтона;

циркуляцию пара диоксида углерода из компрессора в нагреватель в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода из детандера для предварительного нагрева пара диоксида углерода,

отличающийся тем, что этап сжатия включает сжатие пара диоксида углерода, циркулирующего в последовательных ступенях компрессора, после промежуточного охлаждения между ступенями для уменьшения мощности сжатия.

13. Способ по п. 12, в котором этап сжатия включает сжатие пара диоксида углерода от 40 бар±15% до 260 бар±15% в диапазоне температур от 50°С±15% до 110°С±15%.

14. Способ по п. 12 или 13, в котором расширение включает расширение пара диоксида углерода от 260 бар±10% до 40 бар±15% в диапазоне температур от 400°С±15% до 230°С±15%.

15. Способ по одному из пп. 12-14, в котором предварительный нагрев включает нагревание пара диоксида углерода от 110°С±15% до 160°С±15%.