RU2298666C2 - Микросистема для совместной выработки тепла и энергии - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к энергетике. Интегрированная система для выработки как тепла, так и электроэнергии, или когенеративная система, работает на органической текучей рабочей среде, которая циркулирует по циклу Ренкина, при этом органическая текучая рабочая среда перегревается источником тепла, расширяется в детандере со спиральной камерой, причем остается перегретой даже после прохождения детандера, охлаждается в конденсаторе и нагнетается насосом. Теплообменные контуры системы обеспечивают подачу горячей воды для отопления помещений и горячего водоснабжения, в то время как генератор соединен с детандером для выработки электроэнергии. 23 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Настоящее изобретение в целом относится к когенеративной системе для подачи электроэнергии, воды для отопления помещений и горячей водопроводной воды, а более конкретно - к небольшой когенеративной системе на основе цикла Ренкина, в которой используется детандер со спиральной камерой и органическая текучая рабочая среда.

Концепция совместного производства тепла и электроэнергии известна как путь повышения общей эффективности систем выработки энергии. В типичной системе для совместного производства тепла и электроэнергии вырабатывается два вида энергии: тепло (обычно в виде горячего воздуха или воды) и электроэнергия. В такой системе тепло, образовавшееся в процессе горения, может приводить в действие электрогенератор, а также нагревать воду, часто превращая ее в пар, применяемый для обогрева жилых домов или для производственных целей. Большинство современных систем совместного производства тепла и электроэнергии являются довольно большими и служат для производства тепла и электроэнергии для большого числа потребителей или больших промышленных предприятий. Традиционно рост эффективности с ростом масштабов производства препятствует распространению такого подхода на единичного пользователя или на небольшое количество пользователей. Однако рост стоимости топлива снижает выгоды централизованного производства энергии. Соответственно, имеется потенциально широкий рынок для использования большого количества сравнительно автономных распределенных генераторов тепла и электроэнергии. Например, в более старой существующей инфраструктуре передачи тепла, где используются трубопроводы, введение системы, способной производить тепло и электроэнергию, было бы особенно перспективным, поскольку она не требует нарушения прилегающей конструкции здания для ввода нового трубопровода. Кроме того, присущая системам совместного производства тепла и электроэнергии многофункциональность способна уменьшить структурную избыточность.

Рынок локальных генераторов тепла в Европе и Великобритании, а также в некоторых частях США требует, чтобы единственный блок для односемейного жилья или небольшого коммерческого объекта производил тепло как для нагрева помещений (например, посредством системы водяного отопления с радиаторами), так и для подачи горячей водопроводной воды (например, для душа или водопроводного крана для раковины или ванны) посредством системы подачи по требованию или системы немедленной подачи. Иногда используются существующие комбинированные блоки, в которых тепло для горячей водопроводной воды аккумулируется в комбинированном накопительном резервуаре и змеевике котла. В одной из конструкций вода для отопления помещений циркулирует через змеевик котла, который действует на воду в накопительном резервуаре как нагревательный элемент. Например, поскольку емкость накопителя, необходимая для обеспечения немедленной подачи горячей водопроводной воды для одного-двух душей в односемейном жилье (например, в отдельном доме или в большой квартире), составляет приблизительно 120-180 литров (примерно 30-50 галлонов), то размеры накопительного резервуара должны быть довольно значительными, иногда недопустимо большими, чтобы обеспечить до 25 киловатт тепловой мощности (кВт_т) для накопленной горячей воды, что требуется для удовлетворения такой пиковой нагрузки. Однако в более новых и меньших по размеру домах часто не находится подходящего места для размещения накопительного резервуара такого объема. Кроме того, в дополнение к потребности в немедленной подаче горячей водопроводной воды с тепловой мощностью до 25 кВт_т в холодное время года требуется дополнительно до 10 кВт_т тепловой мощности для нагрева воды с целью отопления жилого дома средних размеров.

Кроме того, даже в системах, в которых с целью экономии места для нагревания воды для отопления помещений и горячей водопроводной воды используется единая нагревательная система, не осуществляется совместное производство тепла и электроэнергии. В вышеприведенном примере вероятно, что сопутствующая потребность в электрической мощности при использовании 35 кВТ_т тепловой мощности составит от 3 до 5 киловатт электрической мощности (кВТ_э). Как было сказано выше, традиционный подход к производству обоих видов энергии состоит в том, чтобы иметь большую центральную электростанцию, снабжающую электроэнергией в рамках общей энергосистемы тысячи или даже миллионы пользователей, в то время как теплой и горячей водой снабжаются индивидуальные конечные пользователи или небольшие их группы, находящиеся поблизости от такой станции. Таким образом, при традиционном подходе потребитель не только не может воздействовать на стоимость выработки энергии, поскольку эта стоимость зависит от существующих тарифов и электропотребления со стороны других потребителей, но, кроме того, платит больше вследствие неэффективности, присущей такой системе, в которой не используется синергизм применения тепла, которое в противном случае теряется, для производства дополнительной электроэнергии или для нагревания.

Крупномасштабные (порядка мегаватт (МВт) и выше) системы для совместного производства тепла и электроэнергии хотя и способствуют снижению вышеупомянутой неэффективности централизованных предприятий по выработке электроэнергии, но не подходят для выработки небольшого объема тепла и электроэнергии (менее нескольких сотен кВт), особенно с малой электрической мощностью, порядка нескольких кВт_э и менее (микросистемы), до нескольких десятков кВт_э (минисистемы). Большей частью это обусловлено невозможностью снижения мощности больших первичных двигателей, поскольку разумных значений эффективности выработки электроэнергии часто можно достичь только в системах, реагирующих на изменение нагрузки, с более жесткими допусками на размеры ключевых компонентов и высокими сопутствующими капитальными затратами. Представителями этого класса являются газовые турбины, которые слишком дороги для систем небольшого масштаба и эффективность которых снижается при работе с переменной электрической нагрузкой. Повышающие эффективность устройства, например рекуператоры, имеют тенденцию снижать количество тепла, доступное для использования в контурах горячего водоснабжения или отопления помещений, таким образом ограничивая возможности их использования в приложениях, где требуется высокое отношение тепло/электроэнергия. Подходящим решением для небольших систем совместного производства тепла и электроэнергии может быть микротурбина, которая относится к подклассу газотурбинных первичных двигателей и включает высокоскоростной генератор, соединенный с силовой электроникой. Другие недостатки, связанные с крупными системами для совместного производства тепла и электроэнергии, связаны с ограниченностью срока службы и высокими эксплуатационными расходами. Этот класс включает первичные двигатели, к которым относятся обычные двигатели внутреннего сгорания, шум от которых, выброс выхлопных газов, необходимость замены масла и свеч зажигания и связанные и этим требования по техническому обслуживанию и установке приводят к тому, что использование таких двигателей в жилых домах и в коммерческих строениях считается нежелательным. Этот класс первичных двигателей также не позволяет получить достаточное количество тепла в ситуациях, когда требуется высокое отношение тепло/электроэнергия, как, например, может иметь место в односемейном жилом доме. Другие конструкции первичного двигателя, например паровые турбины, хотя и позволяют в общем случае достичь высокого отношения тепло/электроэнергия, но еще менее приспособлены к переменной потребности в электроэнергии, чем газовые турбины. Кроме того, подход с использованием пара обычно связан как с медленным вводом системы в действие, так и с высокой ее стоимостью, что препятствует его использованию в системах малого масштаба.

Ввиду несовершенства существующих устройств авторы настоящего изобретения пришли к выводу о необходимости создания автономной системы, в которой производство электроэнергии и тепла осуществляется в доступном, компактном, эффективном и распределенном генераторе мощности.

Этим потребностям отвечает настоящее изобретение, в котором описана новая микросистема для совместного производства тепла и электроэнергии. В микросистеме для совместного производства тепла и электроэнергии компактный первичный двигатель может производить как электроэнергию, например посредством генератора, соединенного с источником тепла, так и тепло для подачи в жилые дома теплого воздуха и горячей воды. От традиционных систем для совместного производства тепла и электроэнергии предлагаемая микросистема отличается своими размерами: в микросистеме для совместного производства тепла и электроэнергии электрическая выходная мощность довольно мала - несколько кВТ_э или даже долей кВТ_э. Предлагаемая система способна быстро реагировать на потребность в горячей водопроводной воде, поскольку размеры емкостей для накопления воды очень малы или же такие емкости могут вообще отсутствовать. Размер описанной здесь микросистемы для совместного производства тепла и электроэнергии может быть адаптирован к потребностям конкретного пользователя; например, для жилого односемейного дома размеры можно подобрать так, чтобы осуществлять производство приблизительно 3-5 кВт_э, 10 кВт_т для отопления и 25 кВт_т горячей водопроводной воды. Для малых коммерческих приложений или для домов на несколько семей (например, для многоквартирных домов) систему можно соответственно увеличить. При разработке системы важным параметром является отношение тепло/электроэнергия. Для большинства жилых домов и малых коммерческих приложений предпочтительное соотношение тепло/электроэнергия лежит между 7:1 и 11:1, поскольку меньшая величина соотношения может привести к ненужной генерации электроэнергии, а значительно большие величины отношения не являются практичными для любого климата, кроме очень холодного (где потребность в теплоснабжении является скорее постоянной, чем сезонной). Поскольку электроэнергия (произведенная, например, с помощью генератора или топливного элемента) является побочным продуктом процессе производства тепла первичным двигателем, не происходит дополнительного выброса двуокиси углерода и загрязняющих атмосферу веществ, в результате чего предлагаемая система удовлетворяет более строгим ограничениям на выбросы в атмосферу.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения система для совместной выработки тепла и электроэнергии включает органическую рабочую текучую среду, источник тепла, предназначенный для доведения органической текучей рабочей среды до состояния перегрева, первый контур для перемещения органической текучей рабочей среды и генератор для выработки электроэнергии. По меньшей мере часть первого контура, которая включает детандер со спиральной камерой, конденсатор и насос, находится в тепловой связи с источником тепла. Насос перемещает органическую рабочую текучую среду по первому контуру. Предпочтительно источник тепла представляет собой горелку, находящуюся в тепловой связи с испарителем, так что тепло, вырабатываемое горелкой, превращает органическую рабочую среду, которая течет через испаритель, в перегретую. В контексте настоящего изобретения термин "тепловая связь" охватывает все случаи теплового обмена, обусловленного связью между компонентами системы, тогда как термин с более узким значением "теплообменная связь" (используемый ниже), предназначен для обозначения более специфической взаимосвязи между соседними компонентами, специально разработанными для обеспечения непосредственного теплообмена. Свойства органической текучей рабочей среды таковы, что она остается в перегретом состоянии от момента входа в детандер до момента выхода из него. Высокая плотность пара и теплообменные свойства перегретой органической текучей рабочей среды гарантируют, что из текучей среды можно будет извлечь максимум тепла и электроэнергии без необходимости использования большого детандера.

Систему для совместной выработки тепла и электроэнергии можно сконфигурировать так, что органическая текучая рабочая среда будет нагреваться непосредственно или косвенно. В первой конфигурации взаимное расположение горелки и испарителя жидкой органической рабочей среды таково, что пламя от работающей горелки непосредственно попадает или на трубу, в которой находится текучая среда, или на контейнер (иначе называемый камерой сгорания), в котором помещается по меньшей мере часть трубы с органической рабочей средой, поэтому часть трубы, в которой органическая рабочая среда становится перегретой, считается испарителем. Во второй конфигурации пламя от горелки передает часть тепла трубе, образующей вторичный контур, по которому теплообменная текучая среда направляется к межконтурному теплообменнику. Эта теплообменная текучая среда может быть водой, смесью воды и антифризной добавки, понижающей температуру замерзания смеси (например, пропиленгликоля), или органической текучей средой, например такой, как в первом контуре. Первый контур в межконтурном теплообменнике связан для протекания текучей среды с первым контуром, содержащим перемещаемую органическую текучую рабочую среду, в то время как второй контур связан для протекания текучей среды со вторым контуром, содержащим перемещаемую органическую текучую рабочую среду. Предпочтительно, чтобы межконтурный теплообменник был расположен между насосом и детандером первого контура, чтобы он действовал для органической текучей рабочей среды как испаритель. Вторая конфигурация может также включать устройство предварительного нагрева для контура отопления помещений, которое находится в теплообменной связи со вторым контуром конденсатора, так что часть тепла, все еще присутствующего в теплообменной текучей среде даже после передачи части ее тепла органической текучей рабочей среде в межконтурном теплообменнике, может использоваться для предварительного нагрева текучей среды во внешнем контуре отопления помещений.

Так же как и в первой конфигурации, горелка может быть расположена в пределах контейнера. В обеих конфигурациях контейнер может включать вытяжной канал, предназначенный для удаления продуктов сгорания (прежде всего, выхлопных газов), вытяжной вентилятор для дополнительного облегчения такого удаления, а также теплообменник для выхлопных газов, расположенный рядом с вытяжным каналом (предпочтительно внутри него), чтобы остаточное тепло, присутствующее в выхлопных газах, можно было использовать для дополнительного нагрева других частей системы для совместного производства тепла и электроэнергии. Теплообменник для выхлопных газов может дополнительно включать устройство для рециркуляции выхлопных газов, предназначенное для дополнительного улучшения передачи тепла от выхлопных газов. В первой конфигурации тепло, извлеченное теплообменником из выхлопных газов, может быть передано в различные места в пределах первого контура или в пределах контура отопления помещений, что обеспечивает дополнительное предварительное нагревание органической текучей рабочей среды или текучей среды для отопления помещений, соответственно. Кроме того, любую конфигурацию можно приспособить для осуществления теплообмена с внешним контуром для подачи горячей водопроводной воды. Теплообмен может дополнительно иметь место в теплообменнике с конструкцией, аналогичной конденсатору, так что два индивидуальных контура устанавливают рядом друг с другом, что облегчает передачу тепла между соответствующими средами, текущими по этим контурам, или в накопительном резервуаре (например, в накопительном резервуаре для горячей воды), так что накопленная там текучая среда (предпочтительно вода) хранится при повышенной температуре, обеспечивая готовый к употреблению запас для кранов горячей воды, ванны и душа. В случае использования резервуара дополнительный нагрев текучей среды в резервуаре можно произвести нагревательным элементом, который питается от генератора. В случае отсутствия резервуара тепло к контуру горячего водоснабжения можно подвести путем соединения с конденсатором первого контура (в конфигурации с непосредственным нагревом) или с теплообменной текучей средой, протекающей по второму контуру (в конфигурации с косвенным нагревом). Кроме того, как в конфигурации с непосредственным нагревом, так и в конфигурации с косвенным нагревом, если желательно сохранить возможность снабжения горячей водопроводной водой при максимальном упрощении и удешевлении системы, можно использовать горелку больших размеров или многозонную горелку. Этот быстрый нагрев позволяет уменьшить размер большого накопительного резервуара или даже вообще обойтись без него, но в то же время обеспечить по существу "мгновенную" подачу горячей воды по требованию.

Условия эксплуатации, включая максимальную температуру и давление, в первом контуре системы для совместного производства тепла и электроэнергии подбирают так, чтобы они удовлетворяли параметрам органической текучей рабочей среды. Можно встроить контроллер, предназначенный для контроля и, если понадобится, изменения параметров работы системы. Для того чтобы помочь контроллеру выполнять свои функции, в систему можно встроить выключатели, датчики и клапаны. Например, для защиты детандера от превышения скорости при переходных процессах включения или выключения или при малой (или нулевой) нагрузке сети контроллер может просто включить блокировочные и шунтирующие клапаны, тем самым заставляя перегретую органическую рабочую среду течь в обход детандера. Кроме того, контроллер может устанавливать режимы, заданные пользователем, с использованием термостата.

Использование органической, а не более доступной текучей среды (например, воды) важно там, где при доставке и даже при использовании конечными пользователями некоторые части системы могут подвергнуться температурам ниже точки замерзания (ниже 32° по Фаренгейту или 0° по Цельсию). Если система заполняется водой, то после длительной выдержки при температуре ниже точки замерзания возникнут повреждения и система станет непригодной к работе. Кроме того, при использовании вместо воды органической текучей рабочей среды устраняются коррозия, обусловленная наличием воды в присутствии кислорода, и проблемы, обусловленные расширением или сжатием жидкостей с низкой плотностью паров. Предпочтительной рабочей текучей средой является галогенизированный хладагент или природный углеводород. Примеры первого варианта включают хладагент R-245fa, в то время как примеры второго варианта включают некоторые алканы, например изопентан. Другие известные рабочие текучие среды и хладагенты, несмотря на хорошие термодинамические свойства, исключены по другим причинам. Например, один из хладагентов, R-11, в настоящее время запрещен в большинстве стран по экологическим соображениям. Точно так же R-123, хотя и является (пока) гораздо менее нежелательным сточки зрения экологии, чем R-11, при определенных условиях эксплуатации микросистем для совместного производства тепла и электроэнергии подвержен разложению. Необходимость в конденсаторе, работающем при достаточно высокой температуре, чтобы обеспечить жидкостное отоплению помещений, и потребность иметь значительный коэффициент расширения пара (5-7 или 8) ограничивает количество жидкостей с подходящими свойствами. Кроме того, необходимость иметь существенную плотность пара на входе детандера непосредственно влияет на выбор рабочей среды и диаметра спиральных камер, причем обе причины повышают стоимость спиральных камер. Для многих жидкостей температура конденсации и необходимость существенного расширения приводит к очень высоким давлениям на входе в спиральную камеру (что требует увеличения мощности насоса) или создает критические условия на входе, что усложняет конструкцию испарителя и управление им. Эти же соображения необходимо учитывать при рассмотрении других природных жидкостей (углеводородов). Например, хотя пентан, бутан и пропан считались возможными рабочими жидкостями, авторы настоящего изобретения установили, что среди природных углеводородов именно изопентан лучше всего подходит в качестве текучей среды для микросистем для совместного производства тепла и электроэнергии.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система для совместной выработки тепла и электроэнергии, предназначенная для работы с органической рабочей текучей средой. Система содержит источник тепла, первый контур, предназначенный для доведения органической текучей рабочей среды до перегретого состояния и для перемещения органической текучей рабочей среды и генератор для выработки электроэнергии, функционально связанный с детандером со спиральной камерой. Первый контур включает детандер со спиральной камерой, способный принимать органическую текучую рабочую среду, конденсатор, связанный, с возможностью протекания текучей среды, с детандером со спиральной камерой, и насос, осуществляющий циркуляцию органической текучей рабочей среды. Первый контур находится в тепловой связи с источником тепла, так что тепло, полученное из него, превращает органическую рабочую среду в перегретый пар.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предлагается микросистема с косвенным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии, содержащая источник тепла, первый и второй контуры для циркуляции текучей среды и межконтурный теплообменник. Микросистема с косвенным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии обладает преимуществом с точки зрения гибкости системы и надежности в эксплуатации. Несколько контуров для циркуляции текучей среды используются так, что источник тепла (например, горелка) взаимодействует с вторым контуром для циркуляции текучей среды, который находится в тепловой связи с первым контуром для циркуляции текучей среды, но без возможности обмена текучей средой. Второй контур для циркуляции текучей среды содержит трубопровод для передачи теплообменной текучей среды. Предпочтительно, чтобы этот трубопровод включал витки и ребра, увеличивающие теплообмен между источником тепла и теплообменной текучей средой. Имеется по меньшей мере один насос, предназначенный для обеспечения циркуляции теплообменной текучей среды. Второй контур для циркуляции текучей среды дополнительно содержит ряд параллельных подконтуров, один из который проходит через теплообменник для горячей водопроводной воды и служит для нагрева воды в муниципальном водопроводе, в то время как другие проходят через межконтурный теплообменник, выполняя роль посредников между источником тепла и органической рабочей средой, текущей по первому контуру при циркуляции текучей среды. Кроме того, что первый контур для циркуляции текучей среды пропускает органическую рабочую среду через межконтурный теплообменник, этот контур включает детандер со спиральной камерой, связанный с генератором, теплообменник для отопления помещений и циркуляционный насос. Получив тепло, органическая рабочая среда становится перегретой, затем расширяется в детандере со спиральной камерой, вращая генератор и, таким образом, производя электроэнергию. Все еще перегретая органическая рабочая среда, но под меньшим давлением, выходя из детандера со спиральной камерой, попадает в теплообменник для отопления помещений, через который может проходить текучая среда, обычно воздух или вода, которая нагревается органической рабочей текучей средой. Затем эта текучая среда для отопления помещений подается в радиаторы или аналогичные устройства для отопления помещений внутри жилища. Циркуляционный насос возвращает сконденсированную органическую рабочую среду в межконтурный теплообменник, после чего процесс может повториться снова.

Как вариант, для контура отопления помещений можно установить устройство предварительного нагрева, находящееся в теплообменной связи со вторым контуром для циркуляции текучей среды, в результате чего можно осуществить дополнительное отопление помещений. Кроме того, как и в предыдущем аспекте, источник тепла может включать горелку, расположенную в пределах контейнера в виде камеры сгорания. Контейнер может включать вытяжной канал, вытяжной вентилятор и теплообменник для выхлопных газов, расположенный рядом с вытяжным каналом. Теплообменник для выхлопных газов может дополнительно включать устройство для рециркуляции выхлопных газов, дополнительно улучшающее отбор тепла от выхлопных газов. Остаточное тепло, которое в противном случае через канал попало бы в атмосферу, может быть отобрано и направлено к другим частям в пределах системы. Например, теплообменник для выхлопных газов может быть встроен в первый подконтур второго контура для циркуляции текучей среды, обеспечивая дополнительный нагрев теплообменника для горячей водопроводной воды.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается система с непосредственным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии с циркуляцией органической текучей рабочей среды. Микросистема с непосредственным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии выгодна с точки зрения простоты и стоимости системы. Система включает трубопроводный контур, который определяет путь протекания органической текучей рабочей среды, саму органическую рабочую среду, расположенную в трубопроводном контуре, испаритель, расположенный на пути протекания органической рабочей среды, горелку, находящуюся в такой тепловой связи с испарителем, что тепло, сообщенное испарителю, перегревает органическую рабочую среду, детандер со спиральной камерой, расположенный на пути протекания органической текучей рабочей среды, так что перегретая органическая рабочая текучая среда, проходящая через детандер со спиральной камерой, остается перегретой после выхода из детандера, генератор, функционально связанный с детандером и предназначенный для выработки электроэнергии, конденсатор и насос, расположенный на пути протекания органической текучей рабочей среды между конденсатором и испарителем. Конденсатор включает первичный контур, расположенный на пути протекания органической текучей рабочей среды, так что этот первичный контур связан, с возможностью протекания текучей среды, с детандером со спиральной камерой, и вторичный контур, находящийся в теплообменной связи с первичным контуром, причем вторичный контур способен переносить по меньшей мере часть тепла, содержавшегося в органической текучей рабочей среде, которая проходит через первичный контур, во внешний контур, например в устройство для отопления помещений.

Как вариант микросистема с непосредственным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии включает контроллер, клапаны, камеру сгорания и средства вытяжки, аналогичные рассмотренным в предыдущих аспектах. Так же как в предыдущих аспектах, предпочтительной рабочей средой является любой природный углеводород (например, изопентан) или галогенизированный хладагент, например R-245fa. Кроме того, можно увеличить габариты источника тепла, который может быть горелкой, чтобы обеспечить дополнительное тепло в таких вариантах системы, в который не используется накопительный резервуар для горячей водопроводной воды. В этой ситуации горелка может быть или более мощной, или представлять собой многозонное устройство, где каждая зона относится к отдельной части контуров внешнего нагрева, например контуров отопления помещений или подачи горячей водопроводной воды. Кроме того, контуры внешнего нагрева могут быть подключены к системе для совместного производства тепла и электроэнергии в единственном соединении на конденсаторе, так что можно организовать разветвляющиеся пути, соответствующие контурам отопления помещений и подачи горячей водопроводной воды.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения раскрыта микросистема для совместного производства тепла и электроэнергии. Такая микросистема содержит контур для генерации электроэнергии и соединение с внешним нагревательным контуром. Контур для генерации электроэнергии содержит горелку, предназначенную для повышения температуры органической текучей рабочей среды до такой величины, что эта органическая рабочая среда становится перегретой, детандер со спиральной камерой для приема перегретого пара, причем после прохождения через детандер рабочая текучая среда остается в перегретом состоянии, генератор, функционально связанный с детандером со спиральной камерой и предназначенный для производства электроэнергии, конденсатор, связанный, с возможностью протекания текучей среды, с детандером со спиральной камерой, и насос для циркуляции органической текучей рабочей среды. Соединение расположено в конденсаторе и выполнено так, чтобы внешний нагревательный контур находился в тепловой связи с конденсатором. Этот внешний нагревательный контур может быть контуром подачи горячей водопроводной воды, контуром отопления помещений или и тем, и другим. Как и в предыдущих аспектах настоящего изобретения, можно ввести аналогичный контроллер, камеру сгорания и соответствующие средства.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается система для выработки бытовой горячей воды, тепла для нагревания помещений и электроэнергии с использованием цикла Ренкина и органической текучей рабочей среды. Система включает по существу замкнутый контур для текучей среды, предназначенный для перемещения по нему органической текучей рабочей среды, горелку, дающую достаточно тепла для перегрева органической текучей рабочей среды, и контроллер для управления работой системы. По существу замкнутый контур для протекания текучей среды по меньшей мере частично образован свернутым в спираль трубопроводом, действующим как теплопередающий элемент для органической текучей рабочей среды, и содержит в качестве компонентов детандер со спиральной камерой, генератор, конденсатор и насос. Термин "труба" может использоваться наравне с термином "трубопровод", поскольку оба описывают закрытую полую емкость, используемую для транспортировки жидкостей. Горелка находится в тепловой связи со свернутым в спираль трубопроводом по существу замкнутого контура для протекания текучей среды. Детандер со спиральной камерой способен принимать перегретую органическую рабочую среду. Предусмотрен конденсатор, предназначенный для извлечения по меньшей мере части тепла, остающегося в органической текучей рабочей среде после ее прохождения через детандер со спиральной камерой. Насос сжимает органическую рабочую среду и заставляет ее циркулировать.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена система с косвенным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии, содержащая источник тепла, пассивный теплопередающий элемент, находящийся в тепловой связи с источником тепла, первый контур, генератор и второй контур. Первый контур предназначен для переноса органической текучей рабочей среды и расположен рядом с концом пассивного теплопередающего элемента так, что тепло, переданное от пассивного теплопередающего элемента, увеличивает запас энергии в органической текучей рабочей среде. Первый контур содержит по меньшей мере детандер со спиральной камерой, способный принимать органическую рабочую среду, конденсатор, связанный, с возможностью протекания текучей среды, с детандером со спиральной камерой, и насос для перемещения органической текучей рабочей среды. Конденсатор предназначен для переноса по меньшей мере части избыточного тепла, содержащегося в органической текучей рабочей среде, во внешний нагревательный контур. Как и в предыдущих аспектах изобретения, генератор соединен с детандером и предназначен для производства электроэнергии при приведении его в движение детандером со спиральной камерой. Второй контур предназначен для пропускания по нему теплообменной текучей среды и так расположен рядом с концом пассивного теплопередающего элемента, что тепло, переданное от пассивного теплопередающего элемента, увеличивает запас энергии в теплообменной текучей среде. Второй контур содержит по меньшей мере камеру сгорания, расположенную рядом с источником тепла так, чтобы отработанный газ можно было удалять. Детали, относящиеся к камере сгорания, аналогичны обсуждавшимся в связи с предыдущими аспектами изобретения, за исключением того, что один конец пассивного теплопередающего элемента (который предпочтительно является тепловой трубой) так расположен в камере сгорания, что этот конец поглощает тепло от источника тепла.

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается система для совместного производства тепла и электроэнергии, содержащая источник тепла, пассивный теплопередающий элемент, находящийся в тепловой связи с источником тепла, и первый контур. Первый контур предназначен для перемещения органической текучей рабочей среды и так расположен рядом с концом пассивного теплопередающего элемента, что тепло, переданное от пассивного теплопередающего элемента, приводит к перегреву органической текучей рабочей среды. Первый контур содержит по меньшей мере спиральный детандер, предназначенный для приема органической текучей рабочей среды, конденсатор, связанный, с возможностью перетекания текучей среды, с детандером, и насос для перемещения органической текучей рабочей среды. Генератор соединен с детандером со спиральной камерой и производит электроэнергию при расширении органической текучей рабочей среды в детандере со спиральной камерой. Конденсатор предназначен для переноса по меньшей мере части избыточного тепла, содержащегося в органической текучей рабочей среде, во внешний нагревательный контур. Как и в предыдущем аспекте настоящего изобретения, пассивный теплопередающий элемент предпочтительно является тепловой трубой и устанавливается в камере сгорания аналогичным образом.

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается способ производства тепла и электроэнергии с помощью системы для совместного производства тепла и электроэнергии. Этот способ включает конфигурирование первого контура, способного перемещать органическую текучую рабочую среду, перегрев органической текучей рабочей среды с использованием источника тепла, который находится в тепловой связи с первым контуром, расширение перегретой органической текучей рабочей среды в детандере со спиральной камерой, вращение генератора, который соединен с детандером со спиральной камерой, с целью выработки электроэнергии, охлаждение органической текучей рабочей среды в конденсаторе, так что по меньшей мере часть тепла из органической текучей рабочей среды, проходящей через конденсатор, переносится во внешний нагревательный контур, использование по меньшей мере части тепла, которое было перенесено во внешний нагревательный контур, для отопления помещений и возвращение органической текучей рабочей среды, выходящей из конденсатора, в первый контур, так что она может получить дополнительное тепло от источника тепла.

Как вариант способ включает поддержание органической текучей рабочей среды в перегретом состоянии во время расширения. В качестве дополнительной операции в этом способе можно по выбору использовать по меньшей мере часть тепла, которое была перенесено во внешний нагревательный контур, для нагревания контура бытового горячего водоснабжения. Альтернативный ряд операций можно использовать для такого конфигурирования второго контура, при котором он переносит теплообменную текучую среду к контуру горячего водоснабжения, причем контур горячего водоснабжения изолирован от контура отопления помещений, который находится в тепловой связи с конденсатором. Второй контур образуется трубопроводным контуром, который находится в тепловой связи с источником тепла. Второй контур находится в теплообменной связи по меньшей мере с одним внутренним контуром бытового горячего водоснабжения, например теплообменником или накопительным резервуаром для воды. Второй контур выполнен так, что по меньшей мере часть тепла, которое было передано теплообменной текучей среде, идет на нагревание текучей среды (например, воды) в контуре бытового горячего водоснабжения. Предпочтительно, чтобы при перегреве органическая текучая рабочая среда нагревалась приблизительно на 10-30 градусов по Фаренгейту (5-17 градусов Цельсия) выше ее точки кипения, а при возврате (накачке) сжималась до давления приблизительно 200-450 фунтов на квадратный дюйм (1379-3103 кПа). Кроме того, при перегреве максимальная температура органической текучей рабочей среды достигает приблизительно 250-350 градусов по Фаренгейту (121-177°С). Кроме того, расширение производят так, что электрическая выходная мощность генератора составляет до 10 кВт, в то время как охлаждение производят так, что тепловая выходная мощность, переносимая во внешний нагревательный контур, составляет до 60 кВт. Источник тепла может нагревать органическую рабочую среду непосредственно или косвенно. Дополнительные операции могут включать управление работой набора клапанов, позволяющих органической текучей рабочей среде обходить детандер со спиральной камерой при заранее заданном условии, причем этим заранее заданным условием может быть отключение электрической сети, переходный процесс при включении системы или переходный процесс при выключении системы.

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается система для выработки электроэнергии и тепла для нагревания помещений посредством расширения органической текучей рабочей среды в перегретом состоянии. Устройство содержит органическую текучую рабочую среду, путь ее протекания, камеру сгорания, расположенную на пути протекания, детандер со спиральной камерой, расположенный на пути протекания и предназначенный для приема и вывода органической текучей рабочей среды в перегретом состоянии, генератор, функционально связанный с детандером и предназначенный для выработки электроэнергии, конденсатор, связанный, с возможностью перетекания текучей среды, с детандером, и насос для перемещения органической текучей рабочей среды по пути протекания. Камера сгорания содержит горелку, теплопередающий элемент, приспособленный для перемещения органической текучей рабочей среды рядом с горелкой, и вытяжной канал, предназначенный для переноса в атмосферу продуктов сгорания, произведенных горелкой. Как и в предыдущих аспектах изобретения, для осуществления теплообмена с контуром отопления помещений между конденсатором и внешним нагревательным контуром может быть осуществлено соединение. Кроме того, можно использовать устройства управления системой, например контроллер, переключатели и клапаны, а также дополнительные теплообменные устройства, связанные с вытяжным каналом или конденсатором, что также обсуждалось в связи с предыдущими аспектами изобретения.

Последующее подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения иллюстрируется следующими чертежами, где одинаковые детали обозначены одинаковыми позициями и где

на фиг.1 показана схема интегрированной микросистемы для совместного производства тепла и электроэнергии согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения, демонстрирующая конфигурацию с косвенным нагревом и накопительным резервуаром для производства как воды для отопления помещений, так и горячей водопроводной воды;

на фиг.2 показана схема интегрированной микросистемы для совместного производства тепла и электроэнергии, демонстрирующая конфигурацию с косвенным нагревом без накопительного резервуара для производства как воды для отопления помещений, так и горячей водопроводной воды;

на фиг.3 показана схема интегрированной микросистемы для совместного производства тепла и электроэнергии, демонстрирующая конфигурацию с непосредственным нагревом без накопительного резервуара для производства как воды для отопления помещений, так и горячей водопроводной воды;

на фиг.4 показана схема интегрированной микросистемы для совместного производства тепла и электроэнергии, демонстрирующая конфигурацию с непосредственным нагревом и с накопительным резервуаром для производства как воды для отопления помещений, так и горячей водопроводной воды;

на фиг.5 показана схема интегрированной микросистемы для совместного производства тепла и электроэнергии, демонстрирующая конфигурацию с непосредственным нагревом без накопительного резервуара для производства воды для отопления помещений;

на фиг.6 показано использование тепловой трубы в варианте выполнения настоящего изобретения с косвенным нагревом, причем дополнительно отмечено использование общего теплообменника как для воды для отопления помещений, так и для горячей водопроводной воды;

фиг.7 показано использование тепловой трубы в варианте выполнения настоящего изобретения с непосредственным нагревом, причем дополнительно отмечено использование общего теплообменника как для воды для отопления помещений, так и для горячей водопроводной воды; и

на фиг.8 показаны детали теплообменника для выхлопных газов, включая детали устройства для рециркуляции выхлопных газов.

На фиг.1 показан один из вариантов выполнения микросистемы 1 для совместного производства тепла и электроэнергии, которая представляет собой двухконтурную систему с косвенным нагревом, включающую первый (или первичный) контур 100 и второй контур 150. Преимущество системы с косвенным нагревом заключается в том, что удается избежать перегрева труб котла (или испарителя) первого контура и последующего их выгорания. Первый контур 100 содержит детандер 101, конденсатор 102, насос 103 и одну часть межконтурного теплообменника 104. Текучая органическая рабочая среда (например, природные углеводороды или галогенизированные хладагенты, не показана) циркулирует по контуру, образованному детандером 101, конденсатором 102, насосом 103 и межконтурным теплообменником 104, соединенными между собой так, чтобы обеспечить возможность протекания текучей среды по контуру. Трубопровод 110 используется для соединения различных элементов первого контура 100, а насос 103 нагнетает органическую текучую рабочую среду в межконтурный теплообменник 104, таким образом замыкая первый контур 100. Генератор 105 (предпочтительно, индукционного типа) соединен с детандером 101 так, что механическое перемещение, сообщенное ему детандером 101, приводит к генерации электроэнергии. Хотя детандер 101 может быть любого типа, предпочтительно, чтобы он был устройством со спиральной камерой. Детандер со спиральной камерой может быть обычным устройством с одной спиральной камерой, хорошо известным специалистам в данной области техники. Для подачи смазки в детандер со спиральной камерой используется масляный насос 108. Присутствие масла помогает создать уплотнение между взаимодействующими неподвижным и подвижным спиральными витками, которые образуют серповидные полости детандера (не показаны). На выходе конденсатора 103 помещен переключатель 120 указателя уровня с индикатором 120А высокого уровня и индикатором 120В низкого уровня. Для управления работой системы используется контроллер 130. Он контролирует параметры, например температуру рабочей среды, в различных точках в пределах первого контура, и информацию об уровнях, полученную от переключателя 120 индикатора уровня. При использовании соответствующей программы контроллер может открывать и закрывать клапаны (не показаны) в ответ на возникновение заранее заданных условий, например при отключении электрической сети. Предпочтительно, чтобы генератор 105 был асинхронным устройством, что способствует созданию простой и дешевой системы 1, поскольку для работы такого устройства не требуется сложного управления частотой вращения генератора и соответствующих межсоединений в электрической сети. Асинхронный генератор всегда выдает максимально возможную мощность без каких-либо управляющих средств, поскольку, когда частота генератора 105 превышает частоту системы, резко возрастает величина необходимого вращающего момента. Генератор 105 может быть выполнен так, чтобы выдавать электроэнергию промышленной частоты, 50 или 60 Гц, при этом он работает близко (часто в пределах 150 или менее оборотов в минуту) к синхронной частоте вращения (3000 или 3600 оборотов в минуту).

Внешний нагревательный контур 140 (показан в виде контура отопления помещений) может быть соединен с первым контуром 100 посредством соединителей (не показаны) на конденсаторе 102. Как вариант, во внешний нагревательный контур 140 может быть включен змеевик 145 предварительного подогрева, чтобы текучая среда (обычно вода), текущая по нему, смогла дополнительно нагреться в результате теплообмена с теплообменной средой, текущей по второму контуру 150 (как более подробно рассмотрено ниже). Среда, текущая по внешнему нагревательному контуру 140, циркулирует под действием обычного насоса 141 и используется для обогрева помещений с помощью радиатора 148 или аналогичного устройства. Например, текучая среда может выходить из конденсатора 102 с температурой приблизительно 50°С и возвращаться назад с температурой 30°С. Мощность системы 1 может достигать 60 кВт_т; однако при необходимости можно использовать блоки с большей или меньшей мощностью, что также находится в рамках настоящего изобретения. Микросистема для совместной выработки тепла и электроэнергии (когенеративная микросистема) в дополнение к электроэнергии производит тепло. Избыточное тепло как от источника тепла, так и от расширившейся текучей рабочей среды, можно передать во внешние контуры горячего водоснабжения и отопления помещений. Теплообмен предпочтительно происходит с использованием или противоточных теплообменников (контур горячего водоснабжения и/или контур отопления помещений), или с использованием обычного накопительного резервуара для горячей воды (контур горячего водоснабжения). Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что хотя в вариантах выполнения настоящего изобретения, изображенных на чертежах, показаны теплообменники для горячего водоснабжения и для отопления помещений, работающие параллельно (и при некоторых обстоятельствах, работающие от одного и того же теплообменного устройства, показанного ниже), последовательный теплообмен также находится в рамках настоящего изобретения.

Второй контур 150 содержит два параллельных подконтура 150А, 150В. Тепло к двум параллельным подконтурам 150А, 150В подается от горелки 151, питание которой осуществляется газоподводящей линией 152 через регулировочный клапан 153. Трубопровод 160 (который образует параллельные подконтуры) проходит через камеру 154 сгорания, в которой тепло от сгорания топлива в горелке 151 передается теплообменной текучей среде (не показана), протекающей по трубопроводу 160. От трубопровода 160, который содержит ребристую часть 161, расположенную в камере 154 сгорания, ответвляется первый параллельный подконтур 150А, в котором теплообменная текучая среда, нагретая в камере 154 сгорания, перемещается в межконтурный теплообменник 104 для передачи тепла органической текучей рабочей среде, протекающей по первому контуру 100. Для регулировки распределения потока между подконтурами могут использоваться блокировочные клапаны (не показаны); однако путем перевода насоса неактивного подконтура на холостой ход можно значительно снизить поток в этом подконтуре без необходимости в дополнительном клапане. Во втором параллельном подконтуре 150В теплообменная текучая среда перемещается в теплообменник 180 горячего водоснабжения, нагревая бытовую горячую воду. Одна сторона теплообменника 180 (который может представлять собой накопительный резервуар для воды), включает змеевик 180А, предназначенный для перемещения теплообменной текучей среды, а другая сторона, оболочка 180В, предназначена для протекания бытовой горячей воды (не показана) от входа 191А холодной воды в обход змеевика 180А и к выходу 191В для горячей водопроводной воды. Как правило, холодная вода подается или из скважины, или из городского/муниципального водопровода. Кроме того, температурный датчик 171В может измерять температуру горячей водопроводной воды, выходящей из теплообменника 180 горячего водоснабжения. Этот датчик может быть соединен с контроллером 130 (ниже рассмотренным более подробно). Камера 154 сгорания включает вытяжной канал 155, устройство 156 для рециркуляции выхлопных газов с теплообменником 157 вытяжного канала и вентилятор 158. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что хотя вентилятор 158 показан в виде вытяжного вентилятора, это может быть и нагнетательный вентилятор при соответствующем расположении его относительно камеры 154 сгорания. Температурный датчик 171 А установлен на выходе камеры 154 сгорания во втором контуре 150 и предназначен для измерения температуры теплообменной текучей среды, аналогично тому, как это делает температурный датчик 171В. Насосы 185А, 185В второго контура используются для перемещения теплообменной текучей среды по второму контуру 150, причем насос 185В перемещает теплообменную среду через нагреватель 180 горячего водоснабжения, а насос 185А перемещает теплообменную среду через межконтурный теплообменник 104. Теплообменник 157 вытяжного канала и устройство 156 для рециркуляции выхлопных газов получают горячие выхлопные газы от горелки 151 и вновь возвращают их во внутренний процесс теплообмена, таким образом понижая температуру выхлопных газов, которые вытягиваются и выбрасываются в атмосферу вентилятором 158. Тепло, отданное газом в теплообменнике 157 для выхлопных газов, используется для дополнительного нагревания других частей устройства 1. На рассматриваемом чертеже это дополнительное тепло используется для повышения температуры теплообменной среды, текущей во втором контуре 150.

Для детального управления системой можно использовать контроллер 130, который может быть программируемым логическим контроллером или обычным микрокомпьютером (не показан). Все насосы можно заставить работать с переменной скоростью и реагировать на входные сигналы от контроллера 130. При получении сигнала на нагрев горелка 151 воспламеняет топливо, в то время как на соответствующий циркуляционный насос 185В или 185А подают питание. Что касается горячей водопроводной воды, переключатель 190 потока, соединенный с температурным датчиком 171В, подает сигнал на вход контроллера 130. Переключатель 190 потока выбирает режим горячего водоснабжения, при этом для температурных датчиков 171А задаются соответствующие установочные значения температуры горячей водопроводной воды. Поток газа от горелки и поток через насос 185В горячей водопроводной воды регулируют для получения желательной температуры в точке 171В в соответствии с температурой, заданной пользователем на термостате для горячей водопроводной воды (не показан).

Когда система работает, нагретая теплообменная текучая среда протекает рядом с датчиком 171А, который способен дать достоверный сигнал в контроллер 130, поэтому скорость сгорания в горелке 151 и поток через насос 185В можно отрегулировать как с точки зрения обеспечения безопасного режима, так и для достижения необходимой выходной мощности. Однако, когда система только начинает работу, контроллеру 130 нужно задать некоторый начальный режим, который может использоваться в качестве безопасного рабочего режима до тех пор, пока теплообменная текучая среда не начнет протекать мимо температурного датчика 171А. В процессе пуска системы желательно иметь минимальный поток теплообменной текучей среды, чтобы текучая среда нагрелась как можно быстрее. Однако некоторый поток все-таки необходим для предупреждения локального перегрева текучей среды в камере 154 сгорания и для того, чтобы контроллер 130 получил информацию, свидетельствующую о том, что горелка 151 действительно заработала. Расход газа установлен таким, чтобы обеспечить максимально возможную продолжительность работы системы с учетом измеренной наружной температуры и скорости изменения температуры в помещении. Насос 185В работает так, чтобы поддерживать подвод теплообменной текучей среды в камеру 154 сгорания в режиме, установленном изготовителем для температурного датчика 171А. Когда температурный датчик 171А выдает значение, равное приблизительно 50% от установленного на термостате, насос 185В ускоряется до тех пор, пока значение температуры, считываемое температурным датчиком 171А, не достигнет установочного значения, после чего работой горелки 151 и насоса 185В управляют для достижения постоянных показаний температурных датчиков 171А и 171В. Когда переключатель 190 потока указывает на нулевой поток, горелка 151 и насос 185В прекращают работу. Для компенсации различного теплового расширения теплообменной текучей среды при умеренно высоком давлении во втором контуре 150 можно установить небольшой расширительный резервуар (не показан).

Когда пользователь требует повысить температуру путем установки ее значения на термостате в помещении (не показан), горелка 151 развивает приблизительно 50% своей мощности для нагревания системы 1. Насос 185А достигает заранее заданной скорости перекачки, соответствующей требуемому потоку, определяемому начальным режимом горелки и расчетной реакцией системы. Контроллер 130 реагирует на запрос пользователя и на выбранное им значение комнатной температуры. Мощностью, развиваемой горелкой 151, и производительностью насоса 185А частично управляют с учетом комнатной температуры и ее заданного значения, а также с учетом наружной температуры (датчик не показан). Насос 103 первого контура работает с достаточной производительностью, чтобы поддерживать уровень органической текучей рабочей среды между нижним значением 120В и высшим значением 120А установок переключателя. Например, контроллер 130 дает команду насосу 103 начать или ускорить работу, когда уровень жидкости органической рабочей текучей среды поднимается выше уровня 120А, и дает команду остановиться, когда уровень опускается ниже 120В.

Длину ребристой трубчатой части 161 трубопровода 160, установленной в камере 154 сгорания, можно минимизировать путем тщательного выбора насосов, контрольных точек и размеров труб. Теперь обратимся к фиг.8, где показаны детали устройства 156 для рециркуляции выхлопных газов в микросистеме 1 для совместного производства тепла и электроэнергии. По существу устройство 156 для рециркуляции выхлопных газов работает совместно с вытяжным каналом 155 и является неотъемлемой частью теплообменника 157 для выхлопных газов. Поток горячих выхлопных газов идет в осевом направлении через устройство 156 для рециркуляции выхлопных газов, которое предпочтительно расположено между горелкой 151 и вытяжным каналом 155. Кольцевой канал 156В пропускает часть выхлопных газов противотоком повторно на вход 156А. Стенки устройства 156 для рециркуляции выхлопных газов охлаждаются теплообменной текучей средой, которая проходит через теплообменник 157 канала, и в результате рециркулирующий газ, попадающий в плоскость входа 156А, частично охлаждается. Этот частично охлажденный поток газа в плоскости 156В входит во вторую секцию теплообменника, образованную ребристой трубчатой частью 161 второго трубопроводного контура (здесь не показан), где происходит дополнительное охлаждение газа. В более компактной конфигурации внутренний кольцевой канал устройства 156 для рециркуляции выхлопных газов заменяется рядом тонких труб (не показаны), каждая из которых имеет на входном конце устройство для ввода горячего газа. Хотя при таком подходе необходимо использовать больший объем текучей среды, что уменьшает быстродействие системы, имеются существенные преимущества, например возможно такое подключение устройства 156 для рециркуляции выхлопных газов к испарителю, использующему органическую текучую рабочую среду, что эта текучая среда никогда не будет подвергаться воздействию максимальной температуры выхлопных газов, но при этом окончательный выход тепла не снизится вследствие какого-либо подмешивания газа, в особенности холодного воздуха. Главное преимущество от использования устройства 156 для рециркуляции выхлопных газов заключается в том, что снижается уровень содержания вредных газообразных побочных продуктов (например NO_х). Дополнительное преимущество устройства для рециркуляции выхлопных газов заключается в том, что при снижении максимальной температуры, воздействию которой подвергается ребристая трубчатая часть 161, можно использовать более простые и дешевые компоненты, которые, тем не менее, обеспечат такой же длительный срок службы, как и более дорогостоящие материалы.

На фиг.2 показан еще один вариант выполнения микросистемы 2 с косвенным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии. Здесь второй контур 250 не содержит параллельных подконтуров. Вместо этого единственный контур идет прямо от камеры сгорания 254 к межконтурному теплообменнику 204. Производство горячей водопроводной воды, которое осуществлял второй подконтур 150В в варианте выполнения, показанном на фиг.1, здесь интегрировано во внешний нагревательный контур 240. Этот внешний контур, который осуществляет как горячее водоснабжение, так и отопление помещений, может разветвляться после соединения с конденсатором 202, причем клапаны 247А, 247В при необходимости осуществляют подачу воды в радиаторы 248 для отопления помещений или в теплообменник 280 горячего водоснабжения. Теплообменником 280 горячего водоснабжения может быть любой резервуар для накопления горячей воды (как обсуждалось в связи с предыдущим аспектом), или двухходовое противоточное теплообменное устройство. После того как текучая среда (обычно вода) проходит через теплообменник для отопления помещений и/или теплообменник горячего водоснабжения, она поступает по нагревательному контуру 240 назад к конденсатору 202 и начинает свой цикл снова. До ввода в конденсатор 202 текучая среда может предварительно нагреваться, проходя рядом с соседним, более горячим вторым контуром 250 в устройстве 245 предварительного нагрева.

На фиг.3 и 4 показана микросистема с непосредственным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии. Преимуществом такой системы является простота конструкции и соответствующее уменьшение стоимости. В данном варианте выполнения изобретения система 3 не содержит второго контура. Межконтурный теплообменник, который использовался в предыдущих вариантах выполнения изобретения в качестве источника тепла для первого контура, заменен камерой 304 сгорания, где происходит как сгорание топлива, подаваемого с использованием газоподводящей линии 352, клапана 353 и горелки 351, так и испарение органической текучей рабочей среды. Как и в предыдущих вариантах выполнения изобретения, органическая текучая рабочая среда становится перегретой. Генератор 305, как и в предыдущих вариантах выполнения изобретения, асинхронно связан с нагрузкой, предпочтительно со стороны потребителя/пользователя относительно электрического счетчика, что типично для электрических сетей. Нагрузка на детандер 301 со спиральной камерой со стороны сети гарантирует, что механическая скорость детандера 301 со спиральной камерой будет поддерживаться в конструктивных пределах. Блокировочный клапан 307А и шунтирующий клапан 307В расположены на пути протекания органической текучей рабочей среды, образованном трубопроводом 310 (частью которого является труба 361). Эти клапаны реагируют на сигналы контроллера 330 при отсутствии нагрузки системы (например, при отключении сети), позволяя перегретому пару идти в обход детандера, что позволяет избежать чрезмерного повышения скорости детандера 301. В этом случае направленный по другому пути перегретый пар поступает на вход конденсатора 302. При нормальном режиме работы, когда система нагружена, перегретый пар поступает в детандер 301 со спиральной камерой, заставляя орбитальную спираль перемещаться относительно взаимодействующей с ней неподвижной спирали. Когда перегретый пар расширяется в расширяющихся серповидных полостях, перемещение орбитальной спирали, которое при этом возникает, передается в генератор 305 через соединительный вал или посредством интегральной объединенной конструкции ротор/статор на спиральной камере 301. В зависимости от типа масла, используемого в устройстве (например, от того, растворяется это масло в органической текучей рабочей среде или не смешивается с ней), предпочтительно, чтобы спиральная камера 301 содержала масляный насос 308 для обеспечения циркуляции масла в спиральной камере от перегретого пара. Работа вытяжного канала 355 и вентилятора 358 аналогична вышеописанной; однако устройство 356 для рециркуляции выхлопных газов и теплообменник 357 вытяжного канала могут использоваться для передачи дополнительного тепла в различные места в пределах системы 3, вместо того чтобы передавать дополнительное тепло в теплообменную среду, текущую по второму контуру 150, 250 в предыдущих вариантах выполнения изобретения. Например, дополнительное тепло можно добавить в органическую текучую рабочую среду, выходящую из насоса 385, как показано в точке А. Аналогично, его можно использовать для добавления тепла во внешний нагревательный контур 340 в точках В или С. Точное определение местоположения теплообменных точек А, В или С определяется природой органической текучей рабочей среды и ее свойствами. Следует отметить, что теплообменник 380 для горячей водопроводной воды может быть сконфигурирован в виде обычного двухходового теплообменника с противотоком или в виде накопительного резервуара для воды, как обсуждалось в предыдущих аспектах настоящего изобретения. Если не используется никакого накопительного резервуара или используется небольшой резервуар (например, когда компактность является определяющим фактором), для оперативной подачи горячей водопроводной воды может потребоваться дополнительная выработка тепла. Одним из подходов в этом случае является использование более мощной или многозонной горелки (не показана). Это может повысить быстродействие в условиях запроса на немедленную или почти немедленную подачу горячей водопроводной воды (например, для душей, ванн и кранов горячей воды). На фиг.4 показана модификация микросистемы для совместного производства тепла и электроэнергии, изображенной на фиг.3. В этом случае система 4 специально содержит накопительный резервуар 480. Такой подход позволяет сохранить возможность производства горячей водопроводной воды без необходимости использования более производительной горелки. Кроме того, энергию к нагревательному элементу 480С накопительного резервуара можно подать непосредственно от генератора 405. Кроме того, между размером накопительного резервуара 480 и размером горелки 451 или количеством горелок может быть достигнут такой компромисс, при котором обеспечиваются наилучшие функциональные параметры и требуемое соотношение компоновка/объем в системе.

На фиг.5 показана микросистема 5 с непосредственным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии. Здесь представлена наиболее упрощенная система, работа которой направлена исключительно на выработку электроэнергии и подачу воды для отопления помещений. При отказе от выработки горячей водопроводной воды можно исключить накопительный резервуар без ухудшения функциональных возможностей системы или необходимости повышения производительности горелки. В других отношениях эта система аналогична вышеизложенным вариантам с непосредственным нагревом, включая работу элементов 551, 552 и 553 источника тепла, элементов 555, 556, 557 и 558, связанных с выхлопными газами, элементов 501, 502, 503, 504, 507А, В и 508, определяющих путь протекания органической текучей рабочей среды, генератора 505 и датчиков управляющего устройства 520, 530.

На фиг.6 и 7 показана модификация систем с непосредственным и косвенным нагревом для совместного производства тепла и электроэнергии, выполненных согласно предыдущим аспектам изобретения. На фиг.6 пассивный теплопередающий элемент, предпочтительно в виде тепловой трубы 675, может быть расположен между первым контуром 600 и вторым контуром 650 так, чтобы осуществлять теплообмен между этими контурами и источником тепла. На фиг.7 тепловая труба 775 расположена в пределах пути потока первого контура, который включает также детандер 701 со спиральной камерой, конденсатор 702 и насос 703. В любой конфигурации тепловая труба представляет собой откачанный герметичный контейнер, в котором имеется небольшое количество текучей рабочей среды, например воды или метанола. Когда один конец трубы (обычно называемый испарительным концом) нагревается, рабочая среда быстро испаряется, частично благодаря низкому внутреннему давлению среды. Пар перемещается к противоположному концу с меньшим давлением (обычно называемому конденсаторным концом), передавая ему запасенное тепло. Предпочтительно, чтобы сила тяжести или капиллярные силы позволяли конденсату возвратиться к испарительному концу, откуда цикл может быть повторен. Если текучая среда имеет большую теплоту парообразования, то может быть перенесено значительное количество тепла, даже если разность температур между противоположными концами невелика. В других отношениях работа этой системы аналогична работе систем, рассмотренных при обсуждении других аспектов настоящего изобретения.

На фиг.8 показаны детали теплообменника 157 вытяжного канала и устройства 156 для рециркуляции выхлопных газов. Камера 154 сгорания (показана не в масштабе) в достаточной степени закрывает источник тепла, включая горелку 151, чтобы обеспечить втягивание выхлопных газов и сопутствующих продуктов сгорания в вытяжной канал 155 для их выпуска в атмосферу. Для обеспечения полной вытяжки продуктов сгорания можно использовать вытяжной вентилятор (показан на другом чертеже). Устройство 156 для рециркуляции выхлопных газов представляет собой кольцевой канал, который принимает отработанный газ, покидающий область около горелки 151 через внутреннее кольцо 156А, и поворачивает назад часть газа, заставляя его течь во внешнем кольце 156В. В процессе рециркуляции части газа через внешнее кольцо 156В, этот газ передает часть своего тепла теплообменнику 157 вытяжного канала, который показан в виде спиральной трубы. Отсюда спиральная труба теплообменника 157 может идти в другие места системы (показаны на других чертежах), где ее можно использовать для подачи дополнительного тепла.

Хотя настоящее изобретение подробно описано на примере предпочтительных вариантов его выполнения, понятно, что возможны изменения и модификации, не выходящие за рамки изобретения, которое определяется формулой изобретения. Более конкретно, хотя некоторые аспекты настоящего изобретения описаны здесь как предпочтительные или особенно предпочтительные, настоящее изобретение не ограничено только этими предпочтительными аспектами.

Claims (24)

1. Когенеративная система, предназначенная для работы с органической текучей рабочей средой, содержащая источник тепла; первый контур, предназначенный для переноса указанной органической текучей рабочей среды, который находится в тепловой связи с указанным источником тепла, так что тепло, передаваемое от источника тепла, перегревает указанную органическую текучую рабочую среду, при этом указанный первый контур содержит: детандер со спиральной камерой, предназначенный для приема указанной органической текучей рабочей среды так, что она остается перегретой после прохождения через этот детандер; конденсатор, соединенный для протекания текучей среды с указанным детандером и насос для обеспечения циркуляции указанной органической текучей рабочей среды по указанному первому контуру;

и генератор, функционально связанный с указанным детандером для выработки электроэнергии.

2. Когенеративная система по п.1, в которой источник тепла представляет собой горелку, находящуюся в тепловой связи с испарителем.

3. Когенеративная система по п.2, в которой горелка и испаритель находятся в общем контейнере, имеющем вытяжной канал.

4. Когенеративная система по п.3, которая дополнительно содержит теплообменник, расположенный рядом с указанным вытяжным каналом и, предпочтительно, содержащий устройство для рециркуляции выхлопных газов.

5. Когенеративная система по п.4, в которой часть тепла, полученная указанным теплообменником из вытяжного канала, передается, по меньшей мере, одной циркулирующей текучей среде, что повышает температуру этой текучей среды.

6. Когенеративная система по п.2, в которой указанная тепловая связь между горелкой и первым контуром осуществляется через межконтурный теплообменник, расположенный между указанными насосом и детандером.

7. Когенеративная система по п.2, которая дополнительно содержит второй контур, расположенный рядом с горелкой и содержащий, по меньшей мере, один трубопроводный контур, предназначенный для перемещения по нему теплообменной текучей среды.

8. Когенеративная система по п.7, в которой горелка установлена внутри камеры сгорания, которая находится в тепловой связи с указанным вторым контуром и имеет вытяжной канал для отвода продуктов горения от указанной горелки.

9. Когенеративная система по п.8, которая дополнительно содержит вытяжной вентилятор, связанный с указанным вытяжным каналом для облегчения удаления выхлопных газов из указанной камеры сгорания, или в которой вытяжной канал дополнительно содержит устройство для рециркуляции выхлопных газов, так что, по меньшей мере, часть остаточного тепла, сохранившегося в выхлопных газах, передается указанной теплообменной текучей среде.

10. Когенеративная система по п.8, в которой теплообменная текучая среда в указанном втором контуре включает смесь воды и антифризной добавки и/или в которой теплообменная текучая среда в указанном втором контуре содержит органическую теплообменную текучую среду.

11. Когенеративная система по любому из предыдущих пунктов, в которой источник тепла и первый контур выполнены так, что максимальное рабочее давление органической текучей рабочей среды внутри первого контура составляет приблизительно 200-450 фунтов на квадратный дюйм (1379-3103 кПа), а максимальная рабочая температура составляет приблизительно 250-350° по Фаренгейту (121-177°С).

12. Когенеративная система по любому из пп.1-10, в которой органическая текучая рабочая среда включает галогенизированный хладагент, предпочтительно содержащий R-245fa.

13. Когенеративная система по любому из пп.1-10, в которой указанная текучая рабочая среда включает, по меньшей мере, один природный углеводород, предпочтительно с общей формулой C_nH2_n+2, например изопентан.

14. Когенеративная система по любому из пп.1-10, в которой указанный конденсатор находится в теплообменной связи с контуром отопления помещений.

15. Когенеративная система по п.14, которая дополнительно содержит устройство для предварительного нагрева контура отопления помещений, находящееся в теплообменной связи со вторым контуром и предназначенное для пропускания теплообменной текучей среды.

16. Когенеративная система по любому из пп.1-10, в которой первый контур сформирован так, что указанный генератор производит до 10 кВт электрической мощности, и/или часть электрической мощности, производимой генератором, используется для приведения в действие указанного насоса и/или конденсатор способен передавать до 60 кВт тепловой мощности.

17. Когенеративная система по п.1, которая дополнительно содержит контроллер, предназначенный для контроля и изменения по выбору степени перегрева указанной органической текучей рабочей среды.

18. Когенеративная система по п.17, в которой для определения степени перегрева органической текучей рабочей среды контроллер сравнивает температурные сигналы от указанного испарителя и от указанного детандера.

19. Когенеративная система по п.18, которая дополнительно содержит, по меньшей мере, один переключатель, реагирующий на уровень указанной органической текучей рабочей среды на выходе указанного конденсатора, причем этот, по меньшей мере, один переключатель соединен с указанным контроллером.

20. Когенеративная система по п.18 или 19, которая дополнительно включает набор клапанов, которые при выполнении заранее заданного условия обеспечивают протекание органической текучей рабочей среды в обход указанного детандера, причем этим заранее заданным условием может быть отключение электрической сети, переходный процесс при включении системы или переходный процесс при выключении системы.

21. Когенеративная система по п.1, которая находится в теплообменной связи с контуром горячего водоснабжения и/или предназначена для выработки горячей воды, отопления помещений и выработки электроэнергии с использованием цикла Ренкина.

22. Когенеративная система по п.21, в которой указанная теплообменная связь между указанной когенеративной системой и указанным контуром бытового горячего водоснабжения осуществляется в накопительном резервуаре, расположенном во втором контуре, и указанный второй контур предназначен для пропускания теплообменной текучей среды.

23. Когенеративная система по п.22, которая дополнительно содержит нагревательный элемент, расположенный в указанном накопительном резервуаре для воды, причем этот нагревательный элемент нагревается электроэнергией, производимой указанным генератором.

24. Когенеративная система по любому из пп.21-23, в которой указанная теплообменная связь между указанной когенеративной системой и указанным контуром бытового горячего водоснабжения осуществляется в указанном конденсаторе.

Images