ЦИКЛ ТЕПЛОВОГО НАСОСА С РАЗДЕЛЬНЫМ РАСШИРЕНИЕМ Российский патент 2024 года по МПК F25B30/02 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет и является продолжением заявки на патент США №16867447, поданной 5 мая 2020 года, в настоящее время находящейся на рассмотрении, содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

Заявление о спонсируемых на федеральном уровне исследовании или разработке

[0002] Не применимо.

Уровень техники

[0003] В этом разделе представлена информация из уровня техники, которая может быть связана с некоторыми аспектами технологии, описанной в настоящем документе и/или заявленной ниже, или которая может обеспечивать контекст для них. Эта информация является справочной информацией, способствующей лучшему пониманию того, что раскрыто в настоящем документе. Это - обсуждение "соответствующего" или "связанного" уровня техники. При этом то, что этот уровень техники является "соответствующим", никоим образом не подразумевает, что он также является "предшествующим" уровнем техники. Соответствующий уровень техники может быть или не быть предшествующим уровнем техники. Обсуждение следует рассматривать в этом свете, а не как признание предшествующего уровня техники.

[0004] На фигуре 1 показано, что в цикле обычного теплового насоса рабочую среду сжимают из состояния с относительно низкой температурой и низким давлением (Состояние 2) в состояние с более высокой температурой и давлением (Состояние 3). Это тепло затем может быть передано целевому объекту теплопередачи (HTR, от англ. heat transfer target), который принимает и либо использует, либо накапливает это тепло. На фигуре 1 целевой объект теплопередачи HTR начинает работать в условиях HTRc и сохраняется в HTRh. В процессе нагрева материала, который содержит HTR, от условий HTRc до HTRh, рабочая среда охлаждается до Состояния 4.

[0005] Процесс передачи тепла от рабочей среды к HTR происходит в противоточном теплообменнике. Этот процесс теплопередачи может быть изображен на графике "Т (Q)" (температура-тепловой поток) или диаграмме, подобной той, что показана на фигуре 2. В проиллюстрированном примере в качестве рабочей среды используется сверхкритический диоксид углерода ("sCO₂") при давлении 30 МПа, а в качестве среды HTR - кварцевый песок.

Раскрытие сущности изобретения

[0006] В некоторых вариантах осуществления тепловой насос включает в себя источник теплопередачи, целевой объект теплопередачи; и замкнутый контур текучей среды для циркуляции рабочей среды. Замкнутый контур текучей среды дополнительно включает в себя устройство сжатия, противоточный теплообменник, устройство низкотемпературного расширения, низкотемпературный теплообменник, устройство высокотемпературного расширения и рекуперирующий теплообменник. Каждый из этих элементов замкнутого контура текучей среды воздействует на рабочую среду внутри замкнутого контура текучей среды.

[0007] Более конкретно, при работе устройство сжатия принимает рабочую среду в первом состоянии и увеличивает температуру и давление рабочей среды посредством механической работы для перевода рабочей среды во второе состояние. Противоточный теплообменник включает в себя первую ступень и вторую ступень. Первая ступень находится в тепловой связи с целевым объектом теплопередачи и принимает рабочую среду из устройства сжатия во втором состоянии, и передает тепло от принятой рабочей среды целевому объекту теплопередачи для охлаждения рабочей среды до третьего состояния. Вторая ступень находится в тепловой связи с целевым объектом теплопередачи и принимает первую часть рабочей среды в третьем состоянии от первой ступени и передает тепло от принятой первой части рабочей среды в третьем состоянии целевому объекту теплопередачи для охлаждения рабочей среды до четвертого состояния.

[0008] Устройство низкотемпературного расширения при работе принимает рабочую среду в пятом состоянии для расширения рабочей среды до шестого состояния. Низкотемпературный теплообменник находится в тепловой связи с источником теплопередачи и принимает рабочую среду в шестом состоянии и передает тепло от источника теплопередачи рабочей среде в шестом состоянии для нагрева рабочей среды до седьмого состояния. Устройство высокотемпературного расширения принимает вторую часть рабочей среды в третьем состоянии от первой ступени противоточного теплообменника и расширяет принятую вторую часть рабочей среды до восьмого состояния. Рекуперирующий теплообменник передает тепло от рабочей среды в четвертом состоянии, принятой от второй ступени противоточного теплообменника, комбинации рабочей среды в седьмом состоянии, принятой от устройства высокотемпературного расширения, и рабочей среды в восьмом состоянии, принятой от низкотемпературного теплообменника, тем самым нагревая смешанную рабочую среду до первого состояния и охлаждая рабочую среду в четвертом состоянии до пятого состояния.

[0009] В других примерах тепловой насос включает в себя: целевой объект теплопередачи; источник теплопередачи; и замкнутый контур текучей среды для циркуляции рабочей среды. Замкнутый контур текучей среды включает в себя: устройство сжатия, средство для осуществления раздельного расширения рабочей среды, низкотемпературный теплообменник и рекуперирующий теплообменник. Устройство сжатия принимает рабочую среду в первом состоянии и нагревает и увеличивает давление принятой рабочей среды до второго состояния. Средство для осуществления раздельного расширения рабочей среды во втором состоянии расширяет первую часть рабочей среды в частично охлажденном третьем состоянии до восьмого состояния и расширяет вторую часть рабочей среды в частично охлажденном третьем состоянии до шестого состояния после того, как вторую часть рабочей среды в третьем состоянии дополнительно охлаждают до дважды охлажденного четвертого состояния и еще дополнительно охлаждают до пятого состояния. Низкотемпературный теплообменник находится в тепловой связи с источником теплопередачи и принимает рабочую среду в шестом состоянии и передает тепло от источника теплопередачи рабочей среде в шестом состоянии для нагрева рабочей среды до седьмого состояния. Рекуперирующий теплообменник передает тепло от рабочей среды в четвертом состоянии, принятой от второй ступени противоточного теплообменника, комбинации рабочей среды в седьмом состоянии, принятой от устройства высокотемпературного расширения, и рабочей среды в восьмом состоянии, принятой от низкотемпературного теплообменника, тем самым нагревая смешанную рабочую среду до первого состояния и охлаждая рабочую среду в четвертом состоянии до пятого состояния.

[0010] В прочих других вариантах осуществления настоящее изобретение раскрывает способ работы теплового насоса в замкнутом контуре текучей среды, включающий в себя: сжатие рабочей среды в первом состоянии для увеличения температуры и давления до второго состояния; и охлаждение рабочей среды во втором состоянии в противоточном теплообменнике. Охлаждение в противоточном теплообменнике включает в себя: охлаждение рабочей среды во втором состоянии на первой ступени до третьего состояния; и охлаждение первой части рабочей среды в третьем состоянии на второй ступени до четвертого состояния. Способ дополнительно включает в себя расширение рабочей среды в пятом состоянии до шестого состояния; нагрев рабочей среды в шестом состоянии до седьмого состояния; расширение второй части рабочей среды в третьем состоянии до восьмого состояния; смешивание рабочей среды в седьмом состоянии с рабочей средой в восьмом состоянии; и нагрев смеси рабочей среды в седьмом и восьмом состояниях до первого состояния при одновременном охлаждении рабочей среды в четвертом состоянии до пятого состояния в рекуперирующем теплообменнике.

[0011] Вышеизложенное представляет собой упрощенное краткое раскрытие сущности изобретения для того, чтобы обеспечить базовое понимание некоторых аспектов изобретения. Это краткое раскрытие сущности не является исчерпывающим рассмотрением изобретения. Оно не предназначено для определения ключевых или критических элементов изобретения или для определения объема правовой охраны изобретения. Его единственная цель - представить некоторые понятия в упрощенной форме, которые предваряют более подробное описание, рассматриваемое ниже.

Краткое описание чертежей

[0012] Объект изобретения, раскрываемый ниже, может быть понят путем ссылки на нижеследующее описание, рассматриваемое в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых аналогичные ссылочные позиции обозначают аналогичные элементы.

[0013] На фигуре 1 представлена принципиальная схема обычного теплового насоса, использующего цикл обычного теплового насоса.

[0014] На фигуре 2 представлен график Т (Q) для противоточного теплообменника цикла теплового насоса, показанного на фигуре 1.

[0015] На фигуре 3 представлен график зависимости теплоемкости от температуры для цикла теплового насоса, показанного на фигуре 1, иллюстрирующий изменения теплоемкости рабочей среды и теплопередающей среды при изменении их температуры.

[0016] На фигуре 4 представлен второй график Т (Q) для противоточного теплообменника цикла теплового насоса, показанного на фигуре 1, иллюстрирующий, как по мере увеличения расхода рабочей среды относительно расхода теплопередающей среды будет увеличиваться скорость изменения температуры рабочей среды, пока она не достигнет точки, в которой дальнейшее увеличение расхода рабочей среды не может уменьшить температуру рабочей среды на выходе.

[0017] На фигуре 5 представлена принципиальная схема теплового насоса с раздельным расширением, использующего цикл теплового насоса с раздельным расширением в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления заявленного ниже объекта изобретения.

[0018] На фигуре 6 представлена диаграмма зависимости давления от энтальпии рабочей среды в конкретных точках цикла теплового насоса, показанного на фигуре 5, в одном конкретном варианте осуществления.

[0019] На фигуре 7 представлен график Т (Q) для противоточного теплообменника цикла теплового насоса, показанного на фигуре 5.

[0020] На фигуре 8 представлен график коэффициента полезного действия (КПД) цикла теплового насоса в зависимости от части потока, извлекаемой между первой ступенью и второй ступенью противоточного теплообменника в цикле теплового насоса, показанном на фигуре 5.

[0021] На фигуре 9 представлена принципиальная схема второго конкретного варианта осуществления цикла теплового насоса с раздельным расширением, показанного на фигуре 5.

[0022] Хотя раскрытая технология может быть подвергнута различным модификациям и альтернативным формам, представленные чертежи иллюстрируют конкретные варианты осуществления, подробно описанные в настоящем документе в качестве примера. Следует понимать, однако, что описание в настоящем документе конкретных вариантов осуществления не предназначено для ограничения заявленного объекта изобретения конкретными раскрытыми формами, но, напротив, намерение состоит в том, чтобы охватить все модификации, эквиваленты и альтернативы, подпадающие под дух и объем прилагаемой формулы изобретения.

Осуществление изобретения

[0023] Здесь раскрываются иллюстративные варианты осуществления заявленного ниже объекта изобретения. В целях ясности, не все признаки реальной (фактической) реализации раскрыты в настоящем описании. Следует понимать, что при разработке любого такого фактического варианта осуществления необходимо принять множество решений, специфичных для реализации, для достижения конкретных целей разработчиков, таких как соответствие системным и связанным с бизнесом ограничениям, которые будут варьироваться от одной реализации к другой. Более того, следует понимать, что такие усилия по разработке, даже если они сложны и отнимают много времени, были бы рутинным мероприятием для тех, кто обладает обычными навыками в данной области, имеющих выгоду от настоящего раскрытия.

[0024] Если снова обратиться к циклу обычного теплового насоса, рассмотренному выше со ссылкой на фигуру 1 и фигуру 2, то видно, что наклоны кривых Twf и Thtr на графике Т (Q) определяются расходом и теплоемкостью ("ср") текучих сред. Обе эти текучие среды демонстрируют значительные изменения теплоемкости при изменении их соответствующей температуры в теплообменнике, как показано на фигуре 3. Это изменение можно увидеть на фигуре 3 в виде кривизны на графиках Т (Q). Поскольку кривые теплоемкости не совпадают, количество тепла, которое может быть передано от рабочей среды к среде HTR (т.е. целевому объекту теплопередачи, от англ. heat transfer target), ограничено.

[0025] По мере уменьшения расхода рабочей среды относительно расхода среды HTR наклон кривой Twf будет уменьшаться до тех пор, пока кривые на графике Т (Q) не пересекутся в точке 400, как показано на фигуре 4. В этой точке пересечения дальнейшее уменьшение расхода рабочей среды не может уменьшить температуру рабочей среды на выходе, поскольку процесс теплопередачи не может протекать быстрее из-за близкой к нулю разницы температур между текучими средами в точке пересечения кривых. Это явление часто называют "защемлением", которое в данном случае происходит в середине теплообменника.

[0026] Поскольку это явление "защемления" повлияет на производительность теплового насоса, было бы полезно согласовать наклоны кривых рабочей среды и среды HTR графика Т (Q). Поскольку теплоемкость является термодинамическим свойством двух материалов и, следовательно, не может быть изменена, изменить наклон (наклоны) кривых графика Т (Q) можно только путем изменения расхода одного или обоих материалов. Кроме того, расходы среды HTR может быть трудно регулировать, а хранение более двух целевых объектов теплопередачи, показанных на фигуре 1, было бы сложным и непомерно дорогостоящим.

[0027] Раскрытый здесь способ обеспечивает цикл теплового насоса, который обеспечивает улучшенное согласование наклонов кривых графика Т (Q) и улучшает производительность цикла теплового насоса. Более конкретно, высокотемпературный теплообмен (например, который происходит в противоточном теплообменнике НТХ на фигуре 1) разделен на две ступени. Кроме того, часть рабочей среды, которая была охлаждена на первой ступени, дополнительно охлаждается путем расширения перед смешиванием с нагретой рабочей средой для ввода в рекуперирующий теплообменник. Прочие модификации можно увидеть в других вариантах осуществления.

[0028] На фигуре 5 представлена принципиальная схема теплового насоса 500, использующего цикл теплового насоса с раздельным расширением в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления. Тепловой насос 500 включает в себя источник 502 теплопередачи, целевой объект 504 теплопередачи и замкнутый контур 506 текучей среды. Замкнутый контур 506 текучей среды при работе обеспечивает циркуляцию рабочей среды, которая используется для теплопередачи способом, описанным ниже. Рабочей средой может быть, например, углекислый газ. В зависимости от обсуждаемой точки в замкнутом контуре 506 текучей среды рабочая среда может называться "нагретой рабочей средой", "сжатой рабочей средой", "охлажденной рабочей средой" и т.д. во время рассмотрения работы замкнутого контура 506 текучей среды.

[0029] Источник 502 теплопередачи включает в себя теплопередающую среду, не показанную иным образом. Теплопередающая среда может иметь переменную теплоемкость, хотя не все варианты осуществления ограничены таким образом, и может представлять собой текучую среду или твердое вещество. Если теплопередающая среда представляет собой текучую среду, то она может представлять собой, например, теплоноситель из синтетического масла, воду или песок. Источником 502 теплопередачи может быть, например, текучая среда, циркулирующая в трубопроводе, в зависимости от варианта осуществления. Если теплопередающая среда представляет собой твердое вещество, то такое твердое вещество может представлять собой, например, твердую массу или текучий песок, содержащиеся в резервуаре.

[0030] Целевой объект 504 теплопередачи включает в себя теплопередающую среду, не показанную иным образом, которая может быть материалом (материалами) с переменной теплоемкостью, хотя не все варианты осуществления ограничены таким образом. Теплопередающая среда может представлять собой текучую среду или твердое вещество. Если теплопередающая среда представляет собой текучую среду, то она может представлять собой, например, теплоноситель из синтетического масла, воду или песок. Текучая среда может циркулировать, например, в трубопроводе. Таким образом, целевым объектом 504 теплопередачи может быть текучая среда, циркулирующая в трубопроводе. Если теплопередающая среда представляет собой твердое вещество, то такое твердое вещество может представлять собой, например, твердую массу или песок.

[0031] Замкнутый контур 506 текучей среды на фигуре 5 предназначен для циркуляции рабочей среды и включает в себя рекуперирующий теплообменник 508, устройство 510 сжатия, противоточный теплообменник 512, устройство 514 низкотемпературного расширения, низкотемпературный теплообменник 516 и устройство 518 высокотемпературного расширения. Устройство 510 сжатия при работе принимает рабочую среду в первом состоянии из рекуперирующего теплообменника 508. Устройство 510 сжатия увеличивает температуру и давление рабочей среды в первом состоянии до второго состояния посредством механической работы. Устройство 510 сжатия при работе обеспечивает движущую силу для циркуляции рабочей среды через замкнутый контур 506 текучей среды.

[0032] Противоточный теплообменник 512 включает в себя первую ступень 538 и вторую ступень 540, обе из которых находятся в тепловой связи с целевым объектом 504 теплопередачи. Противоточный теплообменник 512 может быть реализован различными способами в зависимости от варианта осуществления. Например, в некоторых вариантах осуществления противоточный теплообменник 512 может быть реализован в двух одноступенчатых теплообменниках, причем каждый одноступенчатый теплообменник реализует соответствующую одну - первую ступень 538 или вторую ступень 540. В других вариантах осуществления противоточный теплообменник 512 может представлять собой одиночный теплообменник с промежуточным коллектором. Специалисты в данной области, имеющие выгоду от настоящего раскрытия, могут оценить еще другие варианты реализации противоточного теплообменника 512.

[0033] При работе первая ступень 538 противоточного теплообменника 512 принимает рабочую среду во втором состоянии и передает тепло от нее к целевому объекту 504 теплопередачи для охлаждения рабочей среды до третьего состояния. Вторая ступень 540 принимает первую часть 544 рабочей среды в третьем состоянии и передает тепло от нее к целевому объекту 504 теплопередачи для охлаждения рабочей среды из третьего состояния в четвертое состояние.

[0034] Следует отметить, что существует оптимальное разделение потока между первой частью 544 и второй частью 550 рабочей среды в третьем состоянии, которое максимизирует коэффициент полезного действия (КПД) теплового насоса 500. Такое заключение можно сделать из фигуры 8 относительно цикла теплового насоса, показанного на фигуре 5. "Оптимальное" разделение потока в данном контексте относится к максимально достижимой производительности теплового насоса, определяемой величиной чистой работы, необходимой для передачи заданного количества тепла целевому объекту 504 теплопередачи. Оптимальное разделение потока является функцией термодинамических характеристик (в частности, теплоемкости) рабочей среды и теплопередающей среды целевого объекта 504 теплопередачи.

[0035] Устройство 514 низкотемпературного расширения при работе принимает рабочую среду в пятом состоянии из рекуперирующего теплообменника 508. Устройство 514 низкотемпературного расширения уменьшает давление и уменьшает температуру рабочей среды в первом состоянии для охлаждения рабочей среды до шестого состояния. Устройство 514 низкотемпературного расширения может быть реализовано, например, в расширительном клапане или турбине.

[0036] Низкотемпературный теплообменник 516 находится в тепловой связи с источником 502 теплопередачи. При работе низкотемпературный теплообменник 516 принимает рабочую среду в шестом состоянии из устройства 514 низкотемпературного расширения и нагревает рабочую среду до седьмого состояния.

[0037] Противоточный теплообменник 512, устройство 514 низкотемпературного расширения и устройство 518 высокотемпературного расширения, в качестве примера и иллюстрации, образуют в некоторых вариантах осуществления средство для осуществления раздельного расширения рабочей среды во втором состоянии, причем раздельное расширение включает в себя расширение первой части рабочей среды в частично охлажденном третьем состоянии до восьмого состояния и расширение второй части рабочей среды в частично охлажденном третьем состоянии до шестого состояния после того, как вторую часть рабочей среды в третьем состоянии дополнительно охлаждают до четвертого состояния и еще дополнительно охлаждают до пятого состояния. Другие варианты осуществления могут включать в себя варианты конструкции, раскрытой на фигуре 5. Следует понимать, что такие средства могут быть реализованы в конструктивных эквивалентах, выполняющих указанную функцию.

[0038] Устройство 518 высокотемпературного расширения принимает вторую часть 550 рабочей среды в третьем состоянии. Устройство 518 высокотемпературного расширения расширяет вторую часть 550 рабочей среды в третьем состоянии для уменьшения ее давления и температуры до восьмого состояния. Устройство 518 высокотемпературного расширения может быть реализовано, например, в расширительном клапане или турбине.

[0039] Из фигуры 5 также видно, что тепловой насос 500 передает тепло к комбинации или смеси 526 рабочей среды в седьмом состоянии и рабочей среды в восьмом состоянии от рабочей среды в четвертом состоянии. В результате рабочая среда возвращается из четвертого состояния в пятое состояние, а смесь 526 - в первое состояние. Рабочая среда в первом состоянии затем сжимается для увеличения температуры и давления, как описано выше.

[0040] Более конкретно, рекуперирующий теплообменник 508 при работе принимает дважды охлажденную рабочую среду в четвертом состоянии из противоточного теплообменника 512 и комбинацию 526 рабочей среды в седьмом состоянии из низкотемпературного теплообменника 516 и рабочей среды в восьмом состоянии из устройства 518 высокотемпературного расширения. Теплопередача в рекуперирующем теплообменнике 508 возвращает рабочую среду из четвертого состояния в пятое состояние и переводит смесь 526 в первое состояние.

[0041] Тепловой насос 500 осуществляет раздельное расширение рабочей среды. Используемый здесь термин "раздельное расширение" относится к характеристике, в которой часть рабочей среды расширяется после частичного охлаждения на первой ступени теплообмена, а остальная часть рабочей среды расширяется после охлаждения как на первой, так и на второй ступени теплообмена. Таким образом, на фигуре 5 первая часть 544 и вторая часть 550, обе, расширены за счет такого раздельного расширения. Первая часть 544 охлаждается как на первой ступени 538, так и на второй ступени 540 теплообмена, а затем расширяется с помощью устройства 514 низкотемпературного расширения. Вторая часть 550 охлаждается только на первой ступени 538 теплопередачи перед расширением с помощью устройства 518 высокотемпературного расширения. Таким образом, рабочая среда в тепловом насосе 500 подвергается "раздельному расширению".

[0042] Для дальнейшего понимания заявленного ниже объекта изобретения, ниже будет раскрыт один конкретный вариант осуществления. На фигуре 6 представлена диаграмма зависимости давления от энтальпии рабочей среды в конкретных точках цикла теплового насоса 500, показанного на фигуре 5, в одном конкретном варианте осуществления. В данном конкретном варианте осуществления рабочей средой является диоксид углерода (СO₂). Теплопередающей средой целевого объекта 512 теплопередачи является песок.

[0043] В цикле 500 теплового насоса, подобно тепловому насосу 500 на фигуре 5, высокотемпературный теплообмен разделен на две ступени 538, 540. В этом конкретном варианте осуществления две ступени 538, 540 реализованы в двух ступенях одинакового размера. "Одинаковый размер" относится к теплопроводности тепловых ступеней. Теплопроводность, обычно называемая "UA", представляет собой произведение среднего коэффициента теплопередачи ("U") и площади теплопередачи ("А"). Относительные размеры двух ступеней 538, 540 в других вариантах осуществления могут различаться по размеру, причем одна из них больше другой. Конкретные размеры ступеней 538, 540 могут быть выбраны в процессе проектирования в зависимости от относительных термодинамических свойств (например, теплоемкости) рабочей среды и теплопередающей среды целевых объектов 504 теплопередачи.

[0044] Рабочая среда во втором состоянии вытекает из устройства 510 сжатия и поступает в первую ступень 538. На первой ступени 538 температура рабочей среды во втором состоянии уменьшается по мере того, как первая ступень 538 завершает нагрев теплопередающей среды в целевом объекте 504 теплопередачи. Первая часть 544 однажды охлажденной рабочей среды 542 затем поступает на вторую ступень 540 в третьем состоянии.

[0045] Первая часть 544 однажды охлажденной рабочей среды в третьем состоянии дополнительно охлаждается на второй ступени 540 теплопередающей средой целевого объекта 504 теплопередачи, в то время как теплопередающая среда нагревается. Эта первая часть 544 рабочей среды в третьем состоянии затем охлаждается до четвертого состояния дважды охлажденной рабочей среды 524 в четвертом состоянии. Дважды охлажденная рабочая среда в четвертом состоянии может все еще содержать тепло при полезной температуре, которое может быть передано обратно в рабочую среду перед входом 511 компрессора 510 в другом нагревателе. Этот другой нагреватель представляет собой рекуперирующий теплообменник 508.

[0046] Рекуперированная рабочая среда 532 все еще находится под высоким давлением (т.е. в состоянии 5 на фигуре 6). Рабочая среда в пятом состоянии затем расширяется посредством устройства 514 низкотемпературного расширения, которое может быть либо клапаном, либо низкотемпературной турбиной ("НТ турбиной"). Этот процесс значительно уменьшает температуру рабочей среды в пятом состоянии, тем самым переводя рабочую среду в шестое состояние.

[0047] Уменьшение температуры в устройстве 514 низкотемпературного расширения позволяет рабочей среде во втором состоянии принимать тепло от источника 502 теплопередачи. Теплопередающая среда источника 502 теплопередачи представляет собой теплоноситель из синтетического масла, воду или песок. На этом этапе рабочая среда (т.е., СO₂) в шестом состоянии представляет собой либо жидкость, либо смесь жидкости и пара. Тепло передают рабочей среде в низкотемпературном теплообменнике 516. Эта теплопередача приводит к испарению рабочей среды, тем самым образуя рабочую среду в седьмом состоянии. Рабочая среда в седьмом состоянии затем смешивается с рабочей средой в восьмом состоянии. Комбинация 526 рабочей среды в седьмом состоянии и рабочей среды в восьмом состоянии затем дополнительно нагревается в рекуперирующем теплообменнике 508 до первого состояния перед повторным сжатием.

[0048] Вторая часть 550 однажды охлажденной рабочей среды в третьем состоянии извлекается между первой ступенью 538 и второй ступенью 540 и расширяется посредством устройства 518 высокотемпературного расширения, которое в данном варианте представляет собой высокотемпературную турбину. В устройстве 518 высокотемпературного расширения рабочая среда производит работу вала, которая может компенсировать работу, необходимую для работы наддувочного компрессора 510. Получившаяся рабочая среда в восьмом состоянии затем смешивается обратно с потоком первичной текучей среды после низкотемпературного теплообменника 516 и перед рекуперирующим теплообменником 508, как показано на фигуре 5.

[0049] График Т (Q) противоточного теплообменника 512 в цикле 500 теплового насоса показан на фигуре 7. Изменение наклона примерно на 70% Q / Qtot представляет точку 700, в которой примерно 34% рабочей среды было извлечено между первой ступенью 538 и второй ступенью 540. Коэффициент полезного действия (КПД) цикла теплового насоса для теплового насоса 500 в зависимости от части потока, извлекаемой между первой ступенью 538 и второй ступенью 540, показан на фигуре 8. Для этого набора условий и допущений увеличение КПД составляет почти 10%.

[0050] Как отмечалось выше относительно варианта осуществления на фигуре 5, существует "оптимальное" разделение в пропорциях рабочей среды, которые расширяются. Пропорции устанавливаются таким образом, чтобы приблизительно согласовать наклон кривой температуры рабочей среды с кривой температуры теплопередающей среды, как показано на фигуре 7. Помня, что наклон этих кривых обратно пропорционален произведению массового расхода текучей среды и теплоемкости текучей среды (т.е. наклон ~ 1/(m⋅cр)), можно рассчитать приблизительный расход рабочей среды в каждой ступени противоточного теплообменника, который привел бы к этому согласованию наклонов.

[0051] На фигуре 9 представлена принципиальная схема теплового насоса 900, иллюстрирующая некоторые варианты, которые могут быть найдены в некоторых вариантах осуществления. Некоторые части теплового насоса 900 аналогичны частям теплового насоса 500, показанного на фигуре 5, причем аналогичные детали имеют одинаковые номера. В одном из примерных вариантов противоточный теплообменник 912 реализован в одном теплообменнике с промежуточным коллектором 939, определяющим первую ступень 938 и вторую ступень 940. Вторую часть 550 однажды охлажденной рабочей среды 542 отводят из промежуточного коллектора 939. Во втором примерном варианте сторона 922 нагрева включает в себя вспомогательный теплообменник 950, расположенный между рекуперирующим теплообменником 508 и устройством 514 расширения низкого давления. Вспомогательный теплообменник 950 отводит тепло от второй части 546 рекуперированной рабочей среды 532 в окружающую среду, прежде чем вторая часть 546 будет принята устройством 514 низкотемпературного расширения. Специалисты в данной области, имеющие выгоду от настоящего раскрытия, могут оценить дополнительные варианты.

[0052] Раскрытый цикл теплового насоса, заявленный ниже, применим к любому варианту применения теплового насоса, в котором нагретая текучая среда (например, теплопередающая среда) имеет кривую зависимости теплоемкости от температуры, существенно отличающуюся от указанной кривой для рабочей среды (например, СO₂), что охватывает большинство практических текучих сред. Например, теплоемкость коммерчески доступных теплоносителей, таких как DURATHERM HF™ или DOWTHERM™, зависит от температуры также, как и у песка (с_р увеличивается с температурой).

[0053] На этом подробное описание заканчивается. Конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, являются только иллюстративными, поскольку заявленный объект изобретения может быть изменен и реализован различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области, имеющих выгоду от изложенного в настоящем документе раскрытия. Кроме того, не предполагается никаких ограничений в отношении деталей конструкции или компоновки, показанных здесь, кроме тех, которые описаны в формуле изобретения ниже. Следовательно, очевидно, что конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие варианты рассматриваются в рамках объема и идеи формулы изобретения. Соответственно, объем правовой охраны, испрашиваемый в настоящем документе, соответствует изложенной ниже формуле изобретения.

В настоящем изобретении предложен цикл теплового насоса. Тепловой насос содержит источник теплопередачи, целевой объект теплопередачи и замкнутый контур рабочей среды. Контур включает устройство сжатия, двухступенчатый противоточный теплообменник, обеспечивающий теплообмен рабочей среды с целевым объектом теплопередачи, устройство низкотемпературного расширения, низкотемпературный теплообменник, устройство высокотемпературного расширения и рекуперирующий теплообменник. Часть рабочей среды, которая была охлаждена на первой ступени, дополнительно охлаждается путем расширения перед смешиванием с нагретой рабочей средой для ввода в рекуперирующий теплообменник. Техническим результатом является улучшение производительности цикла теплового насоса. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Тепловой насос, содержащий: источник теплопередачи; целевой объект теплопередачи; и

замкнутый контур текучей среды для циркуляции рабочей среды, включающий в себя:

устройство сжатия для приема рабочей среды в первом состоянии и увеличения температуры и давления рабочей среды посредством механической работы для перевода рабочей среды во второе состояние;

противоточный теплообменник, включающий в себя:

первую ступень, находящуюся в тепловой связи с целевым объектом теплопередачи, причем первая ступень выполнена с возможностью приема рабочей среды во втором состоянии и передачи тепла от принятой рабочей среды целевому объекту теплопередачи для охлаждения рабочей среды до третьего состояния; и

вторую ступень, находящуюся в тепловой связи с целевым объектом теплопередачи, причем вторая ступень выполнена с возможностью приема первой части рабочей среды в третьем состоянии и передачи тепла от принятой первой части рабочей среды в третьем состоянии целевому объекту теплопередачи для охлаждения рабочей среды до четвертого состояния; устройство низкотемпературного расширения для приема рабочей

среды в пятом состоянии и расширения рабочей среды до шестого состояния;

низкотемпературный теплообменник, находящийся в тепловой связи с источником теплопередачи, причем низкотемпературный теплообменник выполнен с возможностью приема рабочей среды в шестом состоянии и передачи тепла от источника теплопередачи рабочей среде в шестом состоянии для нагрева рабочей среды до седьмого состояния;

устройство высокотемпературного расширения для приема второй части рабочей среды в третьем состоянии и расширения принятой второй части рабочей среды в третьем состоянии до восьмого состояния; и

рекуперирующий теплообменник для передачи тепла от рабочей среды в четвертом состоянии, принятой от второй ступени противоточного теплообменника, комбинации рабочей среды в восьмом состоянии, принятой от устройства высокотемпературного расширения, и рабочей среды в седьмом состоянии, принятой от низкотемпературного теплообменника, тем самым нагревая смешанную рабочую среду до первого состояния и охлаждая рабочую среду в четвертом состоянии до пятого состояния.

2. Тепловой насос по п. 1, в котором по меньшей мере одно из устройства высокотемпературного расширения и устройства низкотемпературного расширения содержит турбину или клапан.

3. Тепловой насос по п. 1, в котором по меньшей мере одно из источника теплопередачи и целевого объекта теплопередачи включает в себя теплопередающую среду, включающую в себя по меньшей мере одно из текучей среды и твердого вещества.

4. Тепловой насос по п. 3, в котором предусмотрена возможность протекания текучей среды по трубопроводу.

5. Тепловой насос по п. 3, в котором твердое вещество представляет собой твердую массу или песок.

6. Тепловой насос по п. 3, в котором текучая среда представляет собой воду, смесь воды и пропиленгликоля или воздух.

7. Тепловой насос по п. 3, в котором теплопередающая среда представляет собой теплоноситель на основе синтетического масла, воду или песок.

8. Тепловой насос по п. 1, в котором противоточный теплообменник включает в себя два одноступенчатых теплообменника или один теплообменник с промежуточным коллектором.

9. Тепловой насос по п. 8, в котором два одноступенчатых теплообменника имеют одинаковые размеры.

10. Тепловой насос по п. 1, дополнительно содержащий вспомогательный теплообменник, расположенный между рекуперирующим теплообменником и устройством расширения низкого давления, причем вспомогательный теплообменник предназначен для отвода тепла от второй части рекуперированной рабочей среды из рекуперирующего теплообменника в окружающую среду перед тем, как вторая часть рекуперированной рабочей среды будет принята устройством низкотемпературного расширения.

11. Тепловой насос по п. 1, в котором рабочая среда представляет собой диоксид углерода.

12. Тепловой насос, содержащий: целевой объект теплопередачи; источник теплопередачи; и

замкнутый контур текучей среды для циркуляции рабочей среды, включающий в себя:

устройство сжатия для приема рабочей среды в первом состоянии и нагрева и увеличения давления принятой рабочей среды до второго состояния;

средство для осуществления раздельного расширения рабочей среды во втором состоянии, причем раздельное расширение включает в себя расширение первой части рабочей среды в частично охлажденном третьем состоянии до восьмого состояния и расширение второй части рабочей среды в частично охлажденном третьем состоянии до шестого состояния после того, как вторую часть рабочей среды в третьем состоянии дополнительно охлаждают до четвертого состояния и еще дополнительно охлаждают до пятого состояния;

низкотемпературный теплообменник, находящийся в тепловой связи с источником теплопередачи, выполненный с возможностью приема рабочей среды в шестом состоянии и передачи тепла от источника теплопередачи рабочей среде в шестом состоянии для нагрева рабочей среды до седьмого состояния;

рекуперирующий теплообменник для передачи тепла от рабочей среды в четвертом состоянии, принятой от второй ступени противоточного теплообменника, комбинации рабочей среды в восьмом состоянии, принятой от устройства высокотемпературного расширения, и рабочей среды в седьмом состоянии, принятой от низкотемпературного теплообменника, тем самым нагревая смешанную рабочую среду до первого состояния и охлаждая рабочую среду в четвертом состоянии до пятого состояния.

13. Тепловой насос по п. 12, в котором средство для осуществления раздельного расширения включает в себя:

противоточный теплообменник, включающий в себя:

первую ступень, находящуюся в тепловой связи с целевым объектом теплопередачи, выполненную с возможностью приема рабочей среды во втором состоянии из устройства сжатия и передачи тепла от принятой рабочей среды во втором состоянии к целевому объекту теплопередачи для охлаждения принятой рабочей среды во втором состоянии до частично охлажденного третьего состояния; и

вторую ступень, находящуюся в тепловой связи с целевым объектом теплопередачи, выполненную с возможностью приема первой части рабочей среды в частично охлажденном втором состоянии от первой ступени и передачи тепла от рабочей среды в частично охлажденном втором состоянии к целевому объекту теплопередачи для охлаждения рабочей среды до дважды охлажденного четвертого состояния;

устройство низкотемпературного расширения для расширения рабочей среды в пятом состоянии, принятой из рекуперирующего теплообменника, до шестого состояния; и

устройство высокотемпературного расширения для приема второй части рабочей среды в третьем состоянии от первой ступени противоточного теплообменника и расширения принятой второй части рабочей среды до восьмого состояния.

14. Тепловой насос по п. 13, в котором контур охлаждения дополнительно включает в себя вспомогательный теплообменник для отвода тепла от рабочей среды в пятом состоянии из рекуперирующего теплообменника в окружающую среду.

15. Тепловой насос по п. 12, в котором противоточный теплообменник включает в себя два одноступенчатых теплообменника или один теплообменник с промежуточным коллектором.

16. Цикл теплового насоса в замкнутом контуре текучей среды, включающий в себя:

сжатие рабочей среды в первом состоянии для увеличения температуры и давления до второго состояния;

охлаждение рабочей среды во втором состоянии в противоточном теплообменнике, включающее в себя:

охлаждение рабочей среды во втором состоянии на первой ступени до третьего состояния; и

охлаждение первой части рабочей среды в третьем состоянии на второй ступени до четвертого состояния;

расширение рабочей среды в пятом состоянии до шестого состояния; нагрев рабочей среды в шестом состоянии до седьмого состояния; расширение второй части рабочей среды в третьем состоянии до восьмого состояния;

смешивание рабочей среды в седьмом состоянии с рабочей средой в восьмом состоянии; и

нагрев смеси рабочей среды в седьмом и восьмом состояниях до первого состояния при одновременном охлаждении рабочей среды в четвертом состоянии до пятого состояния в рекуперирующем теплообменнике.

17. Цикл теплового насоса по п. 16, в котором первая ступень представляет собой первый теплообменник, а вторая ступень представляет собой второй теплообменник.

18. Цикл теплового насоса по п. 16, в котором первая ступень и вторая ступень содержат части единого теплообменника с промежуточным коллектором.

19. Цикл теплового насоса по п. 16, дополнительно включающий в себя дополнительное охлаждение рабочей среды в пятом состоянии путем отвода тепла в окружающую атмосферу перед расширением рабочей среды в пятом состоянии до шестого состояния.