RU2575674C2 - Heat engines with parallel cycle - Google Patents
Heat engines with parallel cycle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2575674C2 RU2575674C2 RU2013124072/06A RU2013124072A RU2575674C2 RU 2575674 C2 RU2575674 C2 RU 2575674C2 RU 2013124072/06 A RU2013124072/06 A RU 2013124072/06A RU 2013124072 A RU2013124072 A RU 2013124072A RU 2575674 C2 RU2575674 C2 RU 2575674C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working fluid
- heat
- heat exchanger
- mass
- turbine
- Prior art date
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 201
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 claims description 21
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract 2
- 230000001131 transforming Effects 0.000 abstract 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 9
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 4
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 3
- 230000002829 reduced Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 230000000670 limiting Effects 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 2
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 2
- MSSNHSVIGIHOJA-UHFFFAOYSA-N Pentafluoropropane Chemical compound FC(F)CC(F)(F)F MSSNHSVIGIHOJA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002051 biphasic Effects 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- -1 or HCFC (for example Chemical compound 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
[0001] Приоритет настоящей заявки заявляется по дате подачи заявки на патент США №13/212,631, поданной 18 августа 2011 года, приоритет которой заявляется по дате подачи американской предварительной заявки на патент №61/417,789, поданной 29 ноября 2010 года, содержание обеих включено в полном объеме в настоящую заявку посредством ссылки.[0001] The priority of this application is claimed by the filing date of US patent application No. 13/212,631 filed August 18, 2011, the priority of which is claimed by the filing date of US provisional patent application No. 61/417,789 filed November 29, 2010, both of which are included in full in the present application by reference.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Тепло часто создается как побочный продукт промышленных процессов, в которых протекающие потоки жидкостей, твердых веществ или газов, содержащих тепло, должны быть выпущены в окружающую среду или иным образом удалены из процесса, с тем, чтобы поддерживать рабочие температуры оборудования производственного процесса. Иногда промышленный процесс может использовать теплообменные устройства для захвата тепла и утилизации его обратно в процесс через другие потоки процесса. В других случаях не представляется возможным захватить и утилизировать это тепло, поскольку либо температура слишком низкая, либо нет легко доступных средств для непосредственного использования тепла. Этот вид тепла обычно называют «отработанным» теплом и, как правило, сбрасывают непосредственно в окружающую среду через, например, выводную трубу или, опосредованно, через охлаждающую среду, такую как вода. При других настройках такое тепло легко доступно из возобновляемых источников тепловой энергии, такое как тепло от солнца (которое может быть сконцентрировано или на которое можно воздействовать иным образом) или из геотермальных источников. Эти и другие источники тепловой энергии предназначены подпадать под определение «отработанное тепло», как этот термин используется в настоящем документе.[0002] Heat is often created as a by-product of industrial processes in which flowing liquids, solids or gases containing heat must be released into the environment or otherwise removed from the process in order to maintain the operating temperatures of the production equipment. Occasionally, an industrial process may use heat exchangers to capture heat and utilize it back into the process through other process streams. In other cases, it is not possible to capture and utilize this heat, because either the temperature is too low or there are no readily available means for the direct use of heat. This type of heat is usually called "waste" heat and is typically discharged directly into the environment through, for example, an outlet pipe or, indirectly, through a cooling medium such as water. In other settings, such heat is readily available from renewable heat sources, such as heat from the sun (which can be concentrated or otherwise affected) or from geothermal sources. These and other sources of thermal energy are intended to fall within the definition of “waste heat,” as the term is used herein.
[0003] Отработанное тепло может быть использовано турбогенераторными системами, которые для преобразования тепла в работу используют термодинамические способы, такие как цикл Ранкина. Как правило, этот способ основан на паровой фазе, в котором отработанное тепло используется для подъема пара в бойлере, который вращает турбину. Тем не менее, по меньшей мере одним из ключевых недостатков парового цикла Ранкина является потребность в высокой температуре, что не всегда возможно, так как это обычно требует потока отработанного тепла с относительно высокой температурой (например, 600 градусов по Фаренгейту (316 градусов по Цельсию) или выше) или очень большую суммарную энтальпию. Кроме того, сложность захвата тепла при различных уровнях температур кипящей водой при различных давлениях/температурах по мере охлаждения потока источника тепла является затратной, как в стоимости оборудования, так и в эксплуатационных трудозатратах. Кроме того, паровой цикл Ранкина не является реалистичным для потоков с малым расходом и/или при низкой температуре.[0003] Waste heat can be used by turbo-generating systems that use thermodynamic methods, such as the Rankin cycle, to convert heat into work. Typically, this method is based on the vapor phase in which the waste heat is used to lift steam in a boiler that rotates the turbine. However, at least one of the key drawbacks of Rankin's steam cycle is the need for high temperature, which is not always possible, as this usually requires a relatively high temperature waste heat stream (e.g. 600 degrees Fahrenheit (316 degrees Celsius) or higher) or a very large total enthalpy. In addition, the difficulty of capturing heat at different temperature levels with boiling water at different pressures / temperatures as the heat source stream cools is expensive, both in the cost of equipment and in operational labor. In addition, the Rankine steam cycle is not realistic for low flow rates and / or low temperatures.
[0004] Органический цикл Ранкина (ORC) решает недостатки парового цикла Ранкина, заменяя воду текучей средой с более низкой температурой кипения, такой как легкие углеводороды, например, пропан или бутан, или HCFC (например, R245fa). Тем не менее, ограничения по теплопередаче при кипении остаются, при этом добавляются новые проблемы, такие как тепловая неустойчивость, токсичность или горючесть текучей среды.[0004] The Rankine Organic Cycle (ORC) solves the disadvantages of the Rankine steam cycle by replacing water with a lower boiling point fluid such as light hydrocarbons, for example propane or butane, or HCFC (for example, R245fa). However, heat transfer limitations during boiling remain, while new problems are added, such as thermal instability, toxicity, or fluid combustibility.
[0005] Для решения этих недостатков были использованы энергетические циклы CO2 в сверхкритическом состоянии. CO2 в сверхкритическом состоянии обеспечивает улучшенную тепловую связь с несколькими источниками тепла. Например, благодаря использованию сверхкритической текучей среды, температурный гистерезис процесса теплообменника может быть более легко согласован. Тем не менее один цикл из энергетических циклов CO2 в сверхкритическом состоянии работает в ограниченном диапазоне перепада давлений, ограничивая, тем самым, величину снижения температуры, т.е. извлечения энергии через устройство преобразования мощности (обычно, турбины или детандер с положительным смещением). Степень расширения ограничена в основном из-за высокого давления паров текучей среды при обычно доступных температурах конденсации (например, комнатных). В результате максимальная выходная мощность, которая может быть достигнута с помощью одной ступени расширения, ограничена, при этом расширенная текучая среда сохраняет значительное количество потенциально полезной энергии. Тогда как часть этой остаточной энергии может быть рекуперирована в цикле с помощью теплообменника в качестве рекуператора, и, таким образом, предварительно нагревая текучую среду между насосом и рекуперационным теплообменником, такой подход ограничивает количество тепла, которое может быть извлечено в одном цикле из источника отработанного тепла.[0005] To solve these drawbacks, supercritical CO 2 energy cycles have been used. Supercritical CO 2 provides improved thermal bonding to multiple heat sources. For example, by using supercritical fluid, the temperature hysteresis of the heat exchanger process can be more easily matched. Nevertheless, one cycle of the energy cycles of CO 2 in the supercritical state operates in a limited range of pressure drops, thereby limiting the magnitude of the decrease in temperature, i.e. extracting energy through a power conversion device (typically a turbine or positive offset expander). The degree of expansion is limited mainly due to the high vapor pressure of the fluid at commonly available condensation temperatures (e.g. room). As a result, the maximum power output that can be achieved with one expansion stage is limited, while the expanded fluid retains a significant amount of potentially useful energy. While some of this residual energy can be recovered in a cycle using a heat exchanger as a recuperator, and thus pre-heating the fluid between the pump and the recovery heat exchanger, this approach limits the amount of heat that can be extracted in one cycle from the waste heat source .
[0006] Таким образом, в области техники существует потребность в системе, которая может эффективно производить электроэнергию не только из отработанного тепла, но также из широкого спектра источников тепла.[0006] Thus, in the art there is a need for a system that can efficiently produce electricity not only from waste heat, but also from a wide range of heat sources.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
[0007] Варианты выполнения изобретения могут обеспечивать систему для преобразования тепловой энергии в работу. Система может содержать насос, выполненный с возможностью циркуляции через контур для рабочей текучей среды рабочей текучей среды, которая ниже по потоку от насоса разделяется на первый массовый поток и второй массовый поток, и первый теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем первый теплообменник выполнен с возможностью приема первого массового потока и передачи тепла от источника тепла к первому массовому потоку. Система также может содержать первую турбину, проточно соединенную с первым теплообменником и выполненную с возможностью расширения первого массового потока, и первый рекуператор, проточно соединенный с первой турбиной и выполненный с возможностью передачи остаточной тепловой энергии из первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, к первому массовому потоку, направляемому к первому теплообменнику. Система может дополнительно содержать второй теплообменник, проточно соединенный с насосом, находящийся в тепловом контакте с источником тепла и выполненный с возможностью приема второго массового потока и передачи тепла от источника тепла ко второму массовому потоку, и вторую турбину, проточно соединенную со вторым теплообменником и выполненную с возможностью расширения второго массового потока.[0007] Embodiments of the invention may provide a system for converting thermal energy into operation. The system may comprise a pump configured to circulate through the working fluid circuit of the working fluid, which is downstream of the pump divided into a first mass stream and a second mass stream, and a first heat exchanger flow-coupled to the pump and in thermal contact with the source heat, and the first heat exchanger is configured to receive the first mass stream and transfer heat from the heat source to the first mass stream. The system may also include a first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger and configured to expand the first mass flow, and a first recuperator flow-wise connected to the first turbine and configured to transfer residual heat energy from the first mass flow discharged from the first turbine to the first mass flow directed to the first heat exchanger. The system may further comprise a second heat exchanger, flow-through connected to the pump, in thermal contact with the heat source and configured to receive a second mass flow and transfer heat from the heat source to the second mass flow, and a second turbine, flow-through connected to the second heat exchanger and made with the possibility of expanding the second mass flow.
[0008] Варианты выполнения изобретения могут дополнительно обеспечивать другую систему для преобразования тепловой энергии в работу. Дополнительная система может содержать насос, выполненный с возможностью циркуляции через контур для рабочей текучей среды рабочей текучей среды, которая ниже по потоку от насоса разделяется на первый массовый поток и второй массовый поток, и первый теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем первый теплообменник выполнен с возможностью приема первого массового потока и передачи тепла от источника тепла к первому массовому потоку. Система также может содержать первую турбину, проточно соединенную с первым теплообменником и выполненную с возможностью расширения первого массового потока. Система также может содержать первый рекуператор, проточно соединенный с первой турбиной и выполненный с возможностью передачи остаточной тепловой энергии из первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, к первому массовому потоку, направляемому к первому теплообменнику, второй теплообменник, проточно соединенный с насосом, находящийся в тепловом контакте с источником тепла и выполненный с возможностью приема второго массового потока и передачи тепла от источника тепла ко второму массовому потоку, и вторую турбину, проточно соединенную со вторым теплообменником и выполненную с возможностью расширения второго массового потока, причем второй массовый поток выпускается из второй турбины и повторно объединяется с первым массовым потоком для получения объединенного массового потока. Система может дополнительно содержать второй рекуператор, проточно соединенный со второй турбиной и выполненный с возможностью передачи остаточной тепловой энергии из объединенного массового потока ко второму массовому потоку, направляемому во второй теплообменник, и третий теплообменник, находящийся в тепловом контакте с источником тепла и расположенный между насосом и первым теплообменником, причем третий теплообменник выполнен с возможностью приема и передачи тепла к первому массовому потоку перед пропусканием через первый теплообменник.[0008] Embodiments of the invention may further provide another system for converting thermal energy into operation. The additional system may include a pump configured to circulate through the circuit for the working fluid of the working fluid, which is downstream of the pump is divided into a first mass flow and a second mass flow, and a first heat exchanger, flow-through connected to the pump and in thermal contact with a heat source, wherein the first heat exchanger is configured to receive a first mass stream and transfer heat from a heat source to the first mass stream. The system may also include a first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger and configured to expand the first mass flow. The system may also include a first recuperator, flow-through connected to the first turbine and configured to transfer residual heat energy from the first mass flow discharged from the first turbine to the first mass flow directed to the first heat exchanger, a second heat exchanger flow-connected to the pump, located in thermal contact with a heat source and configured to receive a second mass stream and transfer heat from the heat source to the second mass stream, and a second turbine but connected to the second heat exchanger and configured to expand the second mass stream, the second mass stream being discharged from the second turbine and re-combined with the first mass stream to obtain a combined mass stream. The system may further comprise a second recuperator flow-coupled to the second turbine and configured to transfer residual heat energy from the combined mass stream to a second mass stream directed to the second heat exchanger, and a third heat exchanger in thermal contact with the heat source and located between the pump and a first heat exchanger, the third heat exchanger configured to receive and transfer heat to the first mass stream before passing through the first heat oobmennik.
[0009] Варианты выполнения настоящего изобретения могут также обеспечивать способ преобразования тепловой энергии в работу. Способ может включать циркуляцию рабочей текучей среды с помощью насоса через контур для рабочей текучей среды, разделение рабочей текучей среды в контуре для циркуляции рабочей текучую среды на первый массовый поток и второй массовый поток, и передачу тепловой энергии в первом теплообменнике от источника тепла к первому массовому потоку, причем первый теплообменник находится в тепловом контакте с источником тепла. Способ может также включать расширение первого массового потока в первой турбине, проточно соединенной с первым теплообменником, передачу остаточной тепловой энергии в первом рекуператоре от первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, к первому массовому потоку, направляемому в первый теплообменник, причем первый рекуператор проточно соединен с первой турбиной, и передачу тепловой энергии во втором теплообменнике от источника тепла ко второму массовому потоку, причем второй теплообменник находится в тепловом контакте с источником тепла. Способ может дополнительно включать расширение второго массового потока во второй турбине, проточно соединенной со вторым теплообменником.[0009] Embodiments of the present invention may also provide a method for converting thermal energy into operation. The method may include circulating the working fluid through a pump through the circuit for the working fluid, separating the working fluid in the circuit for circulating the working fluid into a first mass stream and a second mass stream, and transferring heat energy in the first heat exchanger from the heat source to the first mass flow, the first heat exchanger being in thermal contact with a heat source. The method may also include expanding the first mass flow in the first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger, transferring the residual heat energy in the first heat exchanger from the first mass flow discharged from the first turbine to the first mass flow directed to the first heat exchanger, the first heat exchanger being flow-coupled with the first turbine, and the transfer of thermal energy in the second heat exchanger from the heat source to the second mass flow, the second heat exchanger being in thermal contact with heat source. The method may further include expanding the second mass flow in a second turbine flow-wise coupled to the second heat exchanger.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0010] Настоящее изобретение лучше всего понятно из следующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи. Следует подчеркнуть, что, в соответствии со стандартной практикой в отрасли, различные признаки показаны не в масштабе. В самом деле, размеры различных элементов могут быть произвольно увеличены или уменьшены для ясности обсуждения.[0010] The present invention is best understood from the following detailed description with reference to the accompanying drawings. It should be emphasized that, in accordance with industry standard practice, various features are not shown to scale. In fact, the sizes of various elements can be arbitrarily increased or decreased for clarity of discussion.
[0011] Фиг.1 схематически иллюстрирует иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0011] Figure 1 schematically illustrates an illustrative embodiment of a parallel cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.
[0012] Фиг.2 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0012] Figure 2 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.
[0013] Фиг.3 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0013] Figure 3 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.
[0014] Фиг.4 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0014] FIG. 4 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel-cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.
[0015] Фиг.5 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0015] Figure 5 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.
[0016] Фиг.6 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0016] FIG. 6 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel-cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.
[0017] Фиг.7 схематически иллюстрирует иллюстративный вариант выполнения системы управления массой (MMS), которая может быть реализована с помощью теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0017] FIG. 7 schematically illustrates an exemplary embodiment of a mass control system (MMS) that can be implemented using a heat engine with a parallel loop configured in accordance with one or more of the disclosed embodiments.
[0018] Фиг.8 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения MMS, который может быть реализован с помощью теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0018] FIG. 8 schematically illustrates another illustrative embodiment of an MMS that may be implemented using a parallel-cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.
[0019] Фиг.9 и 10 схематически иллюстрируют различные конструкции системы для охлаждения во входном отверстии отдельного потока текучей среды (например, воздуха) путем использования рабочей текучей среды, которая может быть использована в тепловом двигателе с параллельным циклом, описанном в настоящем документе.[0019] FIGS. 9 and 10 schematically illustrate various designs of a system for cooling a separate fluid stream (eg, air) in the inlet by using a working fluid that can be used in a parallel-cycle heat engine described herein.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION
[0020] Следует понимать, что в последующем описании приведено несколько иллюстративных вариантов выполнения для реализации различных элементов, конструкций или функций настоящего изобретения. Иллюстративные варианты выполнения элементов, конструкций или функций описаны ниже для упрощения настоящего изобретения, однако, эти иллюстративные варианты выполнения приведены исключительно в качестве примеров и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Кроме того, в настоящем изобретении могут повторяться номера и/или буквы позиций в различных иллюстративных вариантах выполнения и во всех чертежах, представленных в настоящем документе. Это повторение приведено в целях простоты и ясности и само по себе не диктует отношения между различными иллюстративными вариантами выполнения и/или конфигурациями, обсуждаемыми на различных чертежах. Кроме того, выполнение первого элемента над вторым элементом или на нем в последующем описании может включать варианты выполнения, в которых первый и второй элементы выполнены в непосредственном контакте, и также может включать варианты выполнения, в которых дополнительные элементы могут быть выполнены промежуточными между первым и вторым элементом, так что первый и второй элементы могут и не находиться в непосредственном контакте друг с другом. Наконец, представленные ниже иллюстративные варианты выполнения могут быть объединены в любой комбинации, т.е. любой элемент из одного иллюстративного варианта выполнения может быть использован в любом другом иллюстративном варианте выполнения, без отклонения от объема настоящего изобретения.[0020] It should be understood that the following description provides several illustrative embodiments for implementing various elements, structures, or functions of the present invention. Illustrative embodiments of elements, structures, or functions are described below to simplify the present invention, however, these illustrative embodiments are provided solely as examples and are not intended to limit the scope of the present invention. Furthermore, in the present invention, the numbers and / or letters of the positions may be repeated in various illustrative embodiments and in all of the drawings presented herein. This repetition is provided for simplicity and clarity and does not in itself dictate the relationship between the various illustrative embodiments and / or configurations discussed in the various drawings. In addition, the execution of the first element on or on the second element in the following description may include embodiments in which the first and second elements are in direct contact, and may also include embodiments in which additional elements can be intermediate between the first and second element, so that the first and second elements may not be in direct contact with each other. Finally, the illustrative embodiments presented below can be combined in any combination, i.e. any element of one illustrative embodiment can be used in any other illustrative embodiment, without deviating from the scope of the present invention.
[0021] Кроме того, некоторые термины используются во всем последующем описании и формуле изобретения для ссылки на конкретные элементы. Специалисту в настоящей области техники будет понятно, что различные объекты могут относиться к одному и тому же элементу под разными названиями и, таким образом, наименование для элементов, описанных в настоящем изобретении, не предназначено для ограничения объема изобретения, если только иначе конкретно не определено в настоящем изобретении. Кроме того, используемые в настоящем изобретении наименования не предназначены для различий между элементами, которые отличаются по названию, но не по функциям. Кроме того, в последующем описании и в формуле изобретения термины «включающий» и «содержащий» используются в неограниченном режиме и, следовательно, должны интерпретироваться, чтобы означать «включая, но не ограничиваясь этим». Все численные значения в этом описании могут быть точными или приблизительными, если иначе специально не оговорено. Соответственно, различные варианты выполнения изобретения могут отклоняться от чисел, значений и диапазонов, описанных в настоящем изобретении, без отклонения от предопределенного объема изобретения. Кроме того, как используется в формуле изобретения или в описании, термин «или» предназначен для обозначения как исключающих и включающих случаев, т.е. выражение «А или В» подразумевается синонимом выражения «по меньшей мере один из А и В», если иначе явным образом не указано в настоящем документе.[0021] In addition, some terms are used throughout the following description and claims to refer to specific elements. One of ordinary skill in the art will understand that different objects may refer to the same element under different names and, therefore, the name for the elements described in the present invention is not intended to limit the scope of the invention, unless otherwise specifically defined in the present invention. In addition, the names used in the present invention are not intended to distinguish between elements that differ in name but not in function. In addition, in the following description and in the claims, the terms “including” and “comprising” are used in an unlimited manner and therefore should be interpreted to mean “including, but not limited to”. All numerical values in this description may be exact or approximate unless otherwise expressly stated. Accordingly, various embodiments of the invention may deviate from the numbers, values and ranges described in the present invention without deviating from a predetermined scope of the invention. In addition, as used in the claims or in the description, the term “or” is intended to mean both exclusive and inclusive cases, i.e. the expression “A or B” is intended to be synonymous with the expression “at least one of A and B” unless otherwise expressly indicated herein.
[0022] Фиг.1 иллюстрирует иллюстративный термодинамический цикл 100, выполненный в соответствии с одним или несколькими вариантами выполнения изобретения, который может быть использован для преобразования тепловой энергии в работу путем теплового расширения рабочей текучей среды. Цикл 100 характеризуется как цикл Ранкина и может быть реализован в устройстве теплового двигателя, которое содержит несколько теплообменников, находящихся в проточном сообщении с источником отработанного тепла, несколько турбин для производства электроэнергии и/или электропитания насоса, а также несколько рекуператоров, расположенных ниже по потоку от турбины (турбин).[0022] Figure 1 illustrates an illustrative thermodynamic cycle 100, made in accordance with one or more variants of the invention, which can be used to convert thermal energy into work by thermal expansion of the working fluid. Cycle 100 is characterized as a Rankin cycle and can be implemented in a heat engine device that contains several heat exchangers in fluid communication with the waste heat source, several turbines for generating electricity and / or power to the pump, as well as several recuperators located downstream of turbines (turbines).
[0023] В частности, термодинамический цикл 100 может содержать контур 110 рабочей текучей среды, находящийся в тепловом контакте с источником 106 тепла через первый теплообменник 102 и второй теплообменник 104, расположенные последовательно. Следует понимать, что в комбинации с одним или несколькими источниками тепла может быть использовано любое количество теплообменников. В одном иллюстративном варианте выполнения указанные первый и второй теплообменники 102, 104 могут представлять собой теплообменники отработанного тепла. В других иллюстративных вариантах выполнения первый и второй теплообменники 102, 104 могут содержать первую и вторую ступени, соответственно, одного или комбинированного теплообменника отработанного тепла.[0023] In particular, the thermodynamic cycle 100 may comprise a working fluid circuit 110 in thermal contact with a
[0024] Источник 106 тепла может извлекать тепловую энергию из различных источников высокой температуры. Например, источник 106 тепла может представлять собой поток отработанного тепла, такого как, но не ограничиваясь этим, выхлопа газовой турбины, выхлопа технологического потока или других выхлопных потоков продуктов сгорания, таких как выхлопных потоков из печи или котла. Соответственно, термодинамический цикл 100 может быть выполнен с возможностью преобразования отработанного тепла в электричество для приложений, начиная от нижних циклов в газовых турбинах, стационарных дизель-генераторных двигателей, рекуперации промышленного отработанного тепла (например, на нефтеперерабатывающих заводах и компрессорных станциях), а также в гибридных альтернативах двигателя внутреннего сгорания. В других иллюстративных вариантах выполнения изобретения источник 106 тепла может извлекать тепловую энергию из возобновляемых источников тепловой энергии, таких как, но не ограничиваясь этим, солнечных и геотермальных источников.[0024] The
[0025] Тогда как источник 106 тепла может представлять собой поток текучей среды из самого источника высокой температуры, в других иллюстративных вариантах выполнения источник 106 тепла может представлять собой теплоноситель, находящийся в контакте с источником высокой температуры. Теплоноситель может доставлять тепловую энергию к теплообменникам 102, 104 отработанного тепла для передачи энергии к рабочей текучей среде в контуре 100.[0025] While the
[0026] Как показано, первый теплообменник 102 может служить в качестве теплообменника высокой температуры, или относительно более высокой температуры, выполненного с возможностью приема начального или первичного потока источника 106 тепла. В различных иллюстративных вариантах выполнения изобретения начальная температура источника 106 тепла, поступающая в цикл 100, может быть в диапазоне от приблизительно 400 градусов Фаренгейта до более чем приблизительно 1200 градусов Фаренгейта (от приблизительно 204 градусов Цельсия до более чем приблизительно 650 градусов Цельсия). В показанном иллюстративном варианте выполнения исходный поток источника 106 тепла может иметь температуру около 500 градусов Цельсия или выше. Второй теплообменник 104 может затем принимать источник 106 тепла через последовательное соединение 108 ниже по потоку от первого теплообменника 102. В одном иллюстративном варианте выполнения температура источника 106 тепла, доставляемого ко второму теплообменнику 104, может быть равна приблизительно 250-300 градусов Цельсия. Следует отметить, что иллюстративные рабочие температуры, давления и скорости потока, как показано на чертежах, являются чисто иллюстративными и ни в коей мере не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.[0026] As shown, the
[0027] Как можно видеть, большее количество тепловой энергии передается от источника 106 тепла через последовательно расположенные первый и второй теплообменники 102, 104, причем первый теплообменник 102 передает тепло в относительно более высоком температурном спектре в поток 106 отработанного тепла, чем второй теплообменник 104. Следовательно, использование связанных турбин или расширительных устройств приводит к генерации большего количества электроэнергии, как будет более подробно описано ниже.[0027] As you can see, a larger amount of thermal energy is transferred from the
[0028] Рабочая текучая среда, циркулирующая в контуре 110 для рабочей текучей среды и в других иллюстративных контурах, описанных ниже в настоящем изобретении, может представлять собой диоксид углерода (СО2). Диоксид углерода в качестве рабочей текучей среды для циклов выработки электроэнергии имеет много преимуществ. Он не вызывает парникового эффекта или является или нейтральной рабочей текучей средой в отношении парникового эффекта, что дает такие преимущества, как отсутствие токсичности, негорючесть, доступность, низкая цена и отсутствие необходимости утилизации. Отчасти благодаря его относительно высокому рабочему давлению, система с CO2 может быть выполнена гораздо более компактной, чем системы, использующие другие рабочие текучие среды. Высокая плотность и объемная теплоемкость CO2 относительно других рабочих текучих сред делает его более «энергетически плотным», что означает, что размеры всех элементов системы можно значительно уменьшить без потери производительности. Следует отметить, что использование термина «диоксид углерода» в настоящем изобретении не предназначено для ограничения CO2 тем или иным типом, чистотой или классом. Например, в по меньшей мере одном иллюстративном варианте выполнения, без отступления от объема изобретения, может быть использован CO2 промышленного типа.[0028] The working fluid circulating in the working fluid circuit 110 and in the other illustrative circuits described below in the present invention may be carbon dioxide (CO 2 ). Carbon dioxide as a working fluid for power generation cycles has many advantages. It does not cause a greenhouse effect or is either a neutral working fluid with respect to the greenhouse effect, which provides benefits such as no toxicity, incombustibility, affordability, low cost and no need for disposal. Due in part to its relatively high operating pressure, a CO 2 system can be made much more compact than systems using other working fluids. The high density and volumetric heat capacity of CO 2 relative to other working fluids makes it more “energetically dense”, which means that the dimensions of all elements of the system can be significantly reduced without loss of performance. It should be noted that the use of the term “carbon dioxide” in the present invention is not intended to limit CO 2 to a particular type, purity or class. For example, in at least one illustrative embodiment, without departing from the scope of the invention, industrial-type CO 2 can be used.
[0029] В других иллюстративных вариантах выполнения рабочая текучая среда в контуре 10 может представлять собой двойные, тройные или другие смеси рабочих текучих сред. Смесь или комбинация рабочих текучих сред может быть выбрана для уникальности свойств, которыми обладает комбинация текучих сред в системе рекуперации тепла, как описано в настоящем изобретении. Например, одна такая комбинация текучих сред содержит смесь жидкого абсорбента и CO2, обеспечивая комбинации этих текучих сред возможность перекачки в жидком состоянии в состояние высокого давления с меньшей подводимой энергией, чем необходимо для сжатия CO2. В другом иллюстративном варианте выполнения рабочая текучая среда может представлять собой комбинацию CO2 или сверхкритического диоксида углерода (ScCO2) и одной или нескольких других смешивающихся текучих сред или химических соединений, В других иллюстративных вариантах выполнения рабочая текучая среда может представлять собой комбинацию из CO2 и пропана, или из CO2 и аммиака, без отхода от объема настоящего изобретения.[0029] In other illustrative embodiments, the working fluid in circuit 10 may be double, triple, or other mixtures of working fluids. A mixture or combination of working fluids can be selected to uniqueness the properties of a combination of fluids in a heat recovery system, as described in the present invention. For example, one such combination of fluids contains a mixture of a liquid absorbent and CO 2 , allowing combinations of these fluids to pump in a liquid state to a high pressure state with less energy input than is necessary to compress CO 2 . In another illustrative embodiment, the working fluid may be a combination of CO 2 or supercritical carbon dioxide (ScCO 2 ) and one or more other miscible fluids or chemical compounds. In other illustrative embodiments, the working fluid may be a combination of CO 2 and propane, or from CO 2 and ammonia, without departing from the scope of the present invention.
[0030] Использование термина «рабочая текучая среда» не предназначено для ограничения состояния или фазового состояния вещества, в котором находится рабочая текучая среда. Другими словами, рабочая текучая среда может находиться в жидком фазовом состоянии, газообразном фазовом состоянии, в сверхкритическом фазовом состоянии, докритическом фазовом состоянии или в любом другом фазовом состоянии в любой одной или нескольких точках в цикле текучей среды. Рабочая текучая среда может находиться в сверхкритическом состоянии в определенных частях контура 110 («на стороне повышенного давления»), и в докритическом состоянии в других частях контура 110 («на стороне пониженного давления»). В других иллюстративных вариантах выполнения весь контур 110 рабочей текучей среды может работать и управляться таким образом, что рабочая текучая среда находится в сверхкритическом или докритическом состоянии в течение всей работы контура 110.[0030] The use of the term "working fluid" is not intended to limit the state or phase state of the substance in which the working fluid is located. In other words, the working fluid may be in a liquid phase state, a gaseous phase state, in a supercritical phase state, a subcritical phase state, or in any other phase state at any one or more points in the fluid cycle. The working fluid may be in a supercritical state in certain parts of the circuit 110 (“on the pressure side”), and in a subcritical state in other parts of the circuit 110 (“on the pressure side”). In other illustrative embodiments, the entire working fluid circuit 110 may be operated and controlled so that the working fluid is in a supercritical or subcritical state during the entire operation of the circuit 110.
[0031] Теплообменники 102, 104 расположены последовательно в источнике 106 тепла, но расположены параллельно в контуре 110 рабочей текучей среды. Первый теплообменник 102 может быть проточно соединен с первой турбиной 112, а второй теплообменник 104 может быть проточно соединен со второй турбиной 114. В свою очередь, первая турбина 112 может быть проточно соединена с первым рекуператором 116, а вторая турбина 114 может быть проточно соединена со вторым рекуператором 118. Одна или обе турбины 112, 114 могут представлять собой силовые турбины, выполненные с возможностью обеспечения электрической энергией вспомогательных систем и процессов. Рекуператоры 116, 118 могут быть расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура 110, и параллельно на высокотемпературной стороне контура 110. Рекуператоры 116, 118 разделяют контур 110 на высокотемпературную и низкотемпературную стороны. Например, высокотемпературная сторона контура 110 содержит части контура 110, расположенные ниже по потоку от каждого рекуператора 116, 118, откуда рабочая текучая среда направляется в теплообменники 102, 104. Низкотемпературная сторона контура 110 содержит части контура, расположенные ниже по потоку от каждого рекуператора 116, 118, откуда рабочая текучая среда направляется от теплообменников 102, 104.[0031]
[0032] Контур 110 рабочей текучей среды может дополнительно содержать первый насос 120 и второй насос 122, находящиеся в проточном сообщении с элементами контура 110 текучей среды и выполнен с возможностью циркуляции рабочей текучей среды. Первый и второй насосы 120, 122 могут представлять собой турбонасосы или могут приводиться в действие независимо одним или несколькими внешними механизмами или такими устройствами, как двигатель. В одном иллюстративном варианте выполнения первый насос 120 может быть использован для обеспечения циркуляции рабочей текучей среды во время нормальной работы цикла 100, тогда как второй насос 122 может номинально приводиться в действие и использоваться только для запуска цикла 100. По меньшей мере в одном иллюстративном варианте выполнения вторая турбина 114 может быть использована для приведения в действие первого насоса 120, но в других вариантах выполнения первая турбина 112 может быть использована для приведения в действие первого насоса 120, или же первый насос 120 может номинально приводиться в действие электродвигателем (не показан).[0032] The working fluid circuit 110 may further comprise a
[0033] Первая турбина 112 может работать при более высокой относительной температуре (например, более высокой температуре на входе турбины), чем вторая турбина 114, из-за перепада температур в источнике 106 тепла, которое имеет место в первом теплообменнике 102. В одном или нескольких иллюстративных вариантах выполнения, однако, каждая турбина 112, 114 может быть выполнена с возможностью работы с тем же самым или по существу таким же давлением на входе. Это может быть достигнуто путем разработки контура и управления контуром 110, включая, но не ограничиваясь этим, управление первым и вторым насосом 120, 122 и/или использование многоступенчатого насоса для оптимизации давления на входе каждой турбины 112, 114 для соответствующих температур на входе контура 110.[0033] The
[0034] В одном или нескольких иллюстративных вариантах выполнения входное давление на первом насосе 120 может превышать давление паров рабочей текучей среды на малую величину, достаточную для предотвращения испарения рабочей текучей среды в локальных областях низкого давления и/или высокой скорости. Это особенно в случае высокоскоростных насосов, таких как турбонасосы, которые могут быть использованы в различных вариантах выполнения, описанных в настоящем изобретении. Таким образом, традиционная система статического давления, такая как та, которая использует уравнительный резервуар, который только обеспечивает дополнительное давление силы тяжести относительно давления паров текучей среды, может оказаться недостаточной для иллюстративных вариантов выполнения, описанных в настоящем изобретении.[0034] In one or more illustrative embodiments, the inlet pressure at the
[0035] Контур 110 рабочей текучей среды может дополнительно содержать конденсатор 124, находящийся в проточном сообщении с одним или обоими первым и вторым рекуператорами 116, 118. Выпуск рабочей текучей среды низкого давления на выходе из каждого рекуператор 116, 118 может быть направлен через конденсатор 124 для охлаждения, чтобы возвратиться в низкотемпературную сторону контура 110 и в либо первый, либо второй насос 120, 122.[0035] The working fluid circuit 110 may further comprise a
[0036] Во время работы рабочая текучая среда в контуре 110 рабочей текучей среды разделяется в точке 126 на первый массовый поток m1 и второй массовый поток m2. Первый массовый поток m1 направляется через первый теплообменник 102, а затем расширяется в первой турбине 112. После первой турбины 112 первый массовый поток m1 проходит через первый рекуператор 116 для того, чтобы передать остаточное тепло обратно в первый массовый поток m1, когда тот направляется в первый теплообменник 102. Второй массовый поток m2 может быть направлен через второй теплообменник 104, а затем расширен во второй турбине 114. После второй турбины 114 второй массовый поток m2 проходит через второй рекуператор 118 для передачи остаточного тепла во второй массовый поток m2, когда тот направляется во второй теплообменник 104. Второй массовый поток m2 затем повторно объединяется в контуре 110 рабочей текучей среды с первым массовым потоком m1 в точке 128 для получения объединенного массового потока m1+m2. Объединенный массовый поток m1+m2 может быть направлен через конденсатор 124 и обратно к насосу 120 для начала повторного цикла. По меньшей мере в одном из вариантов выполнения рабочая текучая среда на входе насоса 120 является сверхкритической.[0036] During operation, the working fluid in the working fluid circuit 110 is separated at a point 126 into a first mass stream m 1 and a second mass stream m 2 . The first mass stream m 1 is directed through the
[0037] Как можно видеть, каждая ступень теплообменника с источником 106 тепла может быть включена в контур 110 рабочей текучей среды, где она наиболее эффективно используется в полном термодинамическом цикле 100. Например, путем разделения теплообмена на несколько ступеней, либо с отдельными теплообменниками (например, первым и вторым теплообменниками 102, 104), либо с одним или несколькими теплообменниками с несколькими ступенями, из источника 106 тепла может быть извлечено дополнительное тепло для более эффективного использования в расширении и, прежде всего, чтобы получить от источника 106 тепла несколько расширений.[0037] As you can see, each stage of the heat exchanger with the
[0038] Кроме того, при использовании нескольких турбин 112, 114 при тех же или по существу аналогичных степенях расширения, большая часть имеющегося источника 106 тепла может быть эффективно использована путем использовании остаточного тепла от каждой турбины 112, 114 через рекуператоры 116, 118, так что остаточное тепло не теряется или не уменьшается. Расположение рекуператоров 116, 118 в контуре 110 рабочей текучей среды может быть оптимизировано с источником 106 тепла для максимизации выходной мощности нескольких температурных расширений в турбинах 112, 114. Путем выборочного слияния параллельных потоков рабочей текучей среды указанные две стороны любого из рекуператоров 116, 118 могут быть сбалансированы, например, путем согласования теплоемкости, С=m*cp, где С - теплоемкости, m - скорость массового потока рабочей текучей среды, а cp - удельная теплоемкость при постоянном давлении.[0038] Furthermore, when using
[0039] На Фиг.2 показан другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 200, выполненный в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения. Цикл 200 может быть аналогичен в некоторых отношениях термодинамическому циклу 100, описанному выше со ссылкой на Фиг.1. Соответственно, термодинамический цикл 200 можно лучше понять со ссылкой на Фиг.1, на котором одинаковые номера позиций соответствуют одинаковым элементам, и поэтому снова не будут описаны подробно. Цикл 200 содержит первый и второй теплообменники 102, 104, снова расположенные последовательно в тепловом контакте с источником 106 тепла, но параллельно с контуром 210 рабочей текучей среды. Первый и второй рекуператоры 116 и 118 расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура 210 и параллельно на высокотемпературной стороне контура 210.[0039] Figure 2 shows another illustrative embodiment of a
[0040] В контуре 210 рабочая текучая среда разделяется в точке 202 на первый массовый поток m1 и второй массовый поток m2. Первый массовый поток m1 в конечном счете направляется через первый теплообменник 102, а затем расширяется в первой турбине 112. Первый массовый поток m1 затем проходит через первый рекуператор 116 для передачи остаточного тепла обратно к первому массовому потоку m1, циркулирующему через состояние 25, и в первый рекуператор 116. Второй массовый поток m2 может быть направлен через второй теплообменник 104, а затем расширен во второй турбине 114. После второй турбины 114 второй массовый поток m2 повторно объединяется с первым массовым потоком m1 в точке 204, чтобы создать объединенный массовый поток m1+m2. Объединенный массовый поток m1+m2 может быть направлен через второй рекуператор 118 для передачи остаточного тепла к первому массовому потоку m1, проходящему через второй рекуператор 118.[0040] In
[0041] Расположение рекуператоров 116, 118 обеспечивает поступление объединенного массового потока m1+m2 во второй рекуператор 118 прежде, чем тот достигнет конденсатора 124. Как можно видеть, это может увеличить термический коэффициент полезного действия контура 210 рабочей текучей среды, обеспечивая лучшее согласование теплоемкостей, как определено выше.[0041] The location of the
[0042] Как показано на чертеже, вторая турбина 114 может быть использована для приведения в действие первого или основного насоса 120 рабочей текучей среды. В других вариантах выполнения, однако, первая турбина 112 может быть использована для приведения в действие насоса 120, без отхода от объема настоящего изобретения. Как будет описано более подробно ниже, первая и вторая турбины 112, 114 могут работать при общем давлении на входе в турбину, или с различными давлениями на входе в турбину, путем управления соответствующими скоростями массовых потоков в соответствующих состояниях 41 и 42.[0042] As shown in the drawing, a
[0043] Фиг.3 иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 300, выполненный в соответствии с одним или несколькими вариантами выполнения настоящего изобретения. Цикл 300 может в некоторых отношениях быть аналогичен термодинамическим циклам 100 и/или 200 тем самым цикл 300 можно лучше понять со ссылкой Фиг.1 и 2, на которых одинаковые ссылочные позиции соответствуют одинаковым элементам, и поэтому не будут описаны подробно повторно. Термодинамический цикл 300 может содержать контур 310 рабочей текучей среды, использующий третий теплообменник 302 в тепловом контакте с источником 106 тепла. Третий теплообменник 302 может представлять собой теплообменник такого типа, который похож на первый и второй теплообменники 102, 104, как описано выше.[0043] FIG. 3 illustrates another illustrative embodiment of a
[0044] Теплообменники 102, 104, 302 могут быть расположены последовательно в тепловом контакте с потоком источника 106 тепла и расположены параллельно в контуре 310 рабочей текучей среды. Соответствующий первый и второй рекуператоры 116, 118 расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура 310 с конденсатором 124, и параллельно на высокотемпературной стороне контура 310. После того, как рабочая текучая среда в точке 304 разделилась на первый и второй массовые потоки m1 и m2, третий теплообменник 302 может быть выполнен с возможностью приема первого массового потока m1 и передачи тепла от источника 106 тепла к первому массовому потоку m1 перед тем, как достичь первой турбины 112 для расширения. После расширения в первой турбине 112 первый массовый поток m1 направляется через первый рекуператор 116 для передачи остаточного тепла к первому массовому потоку m1, выпущенного из третьего теплообменника 302.[0044] The
[0045] Второй массовый поток m2 направляется через второй теплообменник 104, а затем расширяется во второй турбине 114. После второй турбины 114 второй массовый поток m2 повторно объединяется с первым массовым потоком m1 в точке 306, чтобы генерировать объединенный массовый поток m1+m2, который передает остаточное тепло во второй массовый поток m2 во втором рекуператоре 118.[0045] The second mass stream m 2 is guided through the
[0046] Вторая турбина 114 снова может быть использована для приведения в действие первого или основного насоса 120, или она может быть приведена в действие другими средствами, как описано в настоящем изобретении. Второй, или запускающий, насос 122 может быть предусмотрен на низкотемпературной стороне контура 310 и обеспечивает циркуляцию рабочей текучей среды через параллельный контур теплообменника, включая второй и третий теплообменники 104, 302. В одном иллюстративном варианте выполнения первый и третий теплообменники 102, 302 могут иметь по существу нулевой поток во время запуска цикла 300. Контур 310 рабочей текучей среды может также содержать дроссельный клапан 308, такой как дроссельный клапан привода насоса, и запорный клапан 312 для управления потоком рабочей текучей среды.[0046] The
[0047] Фиг.4 изображает другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 400, выполненный в соответствии с одним или несколькими раскрытыми иллюстративными вариантами выполнения. Цикл 400 может в некоторых отношениях быть аналогичен термодинамическим циклам 100, 200 и/или 300, и, таким образом, цикл 400 можно лучше понять со ссылкой на Фиг.1-3, на которых одинаковые номера позиций соответствуют одинаковым элементам, и поэтому не будут описаны подробно повторно. Термодинамический цикл 400 может содержать контур 410 рабочей текучей среды, в котором первый и второй рекуператоры 116, 118 объединены или иным образом заменены одним рекуператором 402. Рекуператор 402 может иметь тот же тип, что и рекуператоры 116, 118, описанные в настоящем изобретении, или может представлять собой рекуператор или теплообменник другого типа, известного специалистам в этой области техники.[0047] FIG. 4 depicts another illustrative embodiment of a
[0048] Как показано, рекуператор 402 может быть выполнен с возможностью передачи тепла к первому массовому потоку m1 на входе первого теплообменника 102 и получения тепла от первого массового потока m1 на выходе первой турбины 112. Рекуператор 402 может также передавать тепло во второй массовый поток m2, когда тот входит во второй теплообменник 104, и получать тепло от второго массового потока m2 на выходе из второй турбины 114. Объединенный массовый поток m1+m2 вытекает из рекуператора 402 к конденсатору 124.[0048] As shown, the
[0049] В других иллюстративных вариантах выполнения рекуператор 402 может быть увеличен, как показано пунктирными линиями, показанными на Фиг.4, или иным образом выполнен с возможностью получения первого массового потока m1, входящего в третий теплообменник 302 и выходящего из него. Следовательно, дополнительная тепловая энергия может быть извлечена из рекуператора 304 и направлена в третий теплообменник 302, чтобы повысить температуру первого массового потока m1.[0049] In other illustrative embodiments, the
[0050] Фиг.5 изображает другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 500, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Цикл 500 может в некоторых отношениях быть аналогичен термодинамическому циклу 100, и, таким образом, может быть лучше понят со ссылкой на приведенный выше Фиг.1, на котором одинаковые номера позиций соответствуют одинаковым элементам, которые не будут описаны еще раз. Термодинамический цикл 500 может содержать контур 510 рабочей текучей среды, по существу аналогичный контуру 110 рабочей текучей среды, показанному на Фиг.1, но с другим расположением первого и второго насосов 120, 122. Как показано на Фиг.1, каждый из параллельных циклов имеет один независимый насос (соответственно, насос 120 для высокотемпературного цикла и насос 122 для низкотемпературного цикла) для подачи потока рабочей текучей среды во время нормальной работы. Для сравнения, в термодинамическом цикле 500, изображенном на Фиг.5, используется основной насос 120, который может приводиться в действие второй турбиной 114, чтобы обеспечивать протекание рабочей текучей среды для обоих параллельных циклов. Запускающий насос 122 на Фиг.5 работает только в процессе запуска теплового двигателя, поэтому при нормальной работе насоса с приводом от двигателя не требуются.[0050] Figure 5 depicts another illustrative embodiment of a
[0051] Фиг.6 изображает другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 600, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Цикл 600 может в некоторых отношениях быть аналогичен термодинамическому циклу 300, и, таким образом, его можно лучше понять со ссылкой на описанный выше Фиг.3, на котором одинаковые номера позиций соответствуют одинаковым элементам и, поэтому, не будут описаны более подробно повторно. Термодинамический цикл 600 может иметь контур 610 рабочей текучей среды, по существу аналогичный контуру 310 рабочей текучей среды, изображенному на Фиг.3, но с добавлением третьего рекуператора 602, который извлекает дополнительную тепловую энергию из объединенного массового потока m1+m2, выпущенного из второго рекуператора 118. Соответственно, температура первого массового потока m1, поступающего в третий теплообменник 302, может быть увеличена еще до получения остаточного тепла, передаваемого от источника 106 тепла.[0051] FIG. 6 depicts another illustrative embodiment of a
[0052] Как показано, рекуператоры 116, 118, 602 могут работать в качестве отдельных теплообменников. В других вариантах выполнения, однако, рекуператоры 116, 118, 602 могут быть объединены в единый рекуператор, аналогичный рекуператору 406, описанному выше со ссылкой на Фиг.4.[0052] As shown,
[0053] Как проиллюстрировано каждым иллюстративным термодинамическим циклом 100-600, описанным в настоящем изобретении (т.е. в циклах 100, 200, 300, 400, 500 и 600), параллельный теплообменный цикл и конструкция, включенные в каждый контур 110-610 рабочей текучей среды (означая контура 110, 210, 310, 410, 510 и 610) обеспечивает возможность генерации большего количества энергии из заданного источника 106 тепла за счет повышения входной температуры силовой турбины до уровней, недостижимых в одном цикле, что приводит к более высоким тепловым коэффициентам полезного действия для каждого иллюстративного цикла 100-600. добавление низкотемпературных теплообменных циклов посредством второго и третьего теплообменников 104, 302 обеспечивает возможность рекуперации более высокой доли доступной энергии из источника 106 тепла. кроме того, степень расширения для каждого отдельного теплообменного цикла может быть оптимизирована для дополнительного улучшения теплового коэффициента полезного действия.[0053] As illustrated by each illustrative thermodynamic cycle 100-600 described in the present invention (ie, cycles 100, 200, 300, 400, 500 and 600), a parallel heat exchange cycle and structure included in each circuit 110-610 working fluid (meaning
[0054] Другие варианты, которые могут быть реализованы в любом из раскрытых иллюстративных вариантов выполнения, включают, без ограничения, использование двухступенчатого или многоступенчатого насоса 120, 122 для оптимизации давления на входе для турбин 112, 114 для любой конкретной соответствующей температуры на входе любой из турбин 112, 114. В других иллюстративных вариантах выполнения турбины 112, 114 могут быть соединены друг с другом, как, например, с использованием дополнительных ступеней турбины, параллельно на общем валу силовой турбины. Другие варианты, рассматриваемые в настоящем изобретении, представляют собой, но не ограничиваются этим, использование дополнительных ступеней турбины в параллели на валу насоса с приводом от турбины; соединение турбин через редуктор; использование различных конструкций рекуператора для оптимизации общего коэффициента полезного действия; и использование поршневых детандеров и насосов вместо турбин. Кроме того, можно соединить выход второй турбины 114 с генератором или генерирующим электроэнергию устройством, приводимым в движение первой турбиной 112, или даже интегрировать первую и вторую турбины 112, 114 в один агрегат турбомашин, например многоступенчатую турбину, использующую отдельные лопатки/диски на общем валу, или как отдельные ступени радиальной турбины, приводящие в действие главное зубчатое колесо с использованием отдельных шестерен для каждой радиальной турбины. Тем не менее, предусмотрены и другие иллюстративные варианты выполнения, в которых первая и/или вторая турбины 112, 114 соединены с основным насосом 120 и двигатель-генератором (не показан), который служит как в качестве стартового двигателя, так и в качестве генератора.[0054] Other options that may be implemented in any of the disclosed illustrative embodiments include, but are not limited to, using a two-stage or
[0055] Каждый из описанных циклов 100-600 может быть реализован в различных физических вариантах выполнения, включая, но не ограничиваясь этим, стационарными или интегрированными установками, или в качестве автономного устройства, такого как портативный двигатель или «модуль» отработанного тепла. Иллюстративный модуль двигателя отработанного тепла может организовать объединенными в виде единого блока каждый контур 110-610 циркуляции рабочей текучей среды и связанные с ним элементы, такие как турбины 112, 114, рекуператоры 116, 118, конденсаторы 124, насосы 120, 122, клапаны, источник рабочей текучей среды и системы управления, и механические и электронные элементы управления. Иллюстративный модуль двигателя отработанного тепла описан и проиллюстрирован в совместно рассматриваемой заявке на патент США №12/631,412, озаглавленной «Устройство преобразования тепловой энергии», поданной 9 декабря 2009 года, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в части, не противоречащей настоящему изобретению.[0055] Each of the described cycles 100-600 can be implemented in various physical embodiments, including, but not limited to, stationary or integrated installations, or as a stand-alone device, such as a portable engine or a "module" of waste heat. An illustrative engine of the waste heat engine can organize, combined as a single unit, each circuit 110-610 of the working fluid circulation and associated elements, such as
[0056] Иллюстративные варианты выполнения, раскрытые в настоящем изобретении, могут дополнительно содержать включение и использование системы управления массой (MMS), в соединении с или интегрированной в описанные термодинамические циклы 100-600. MMS может быть предусмотрена для управления давлением на входе первого насоса 120 путем добавления и удаления массы (т.е. рабочей текучей среды) из контура 100-600 рабочей текучей среды, повышая, тем самым, коэффициент полезного действия цикла 100-600. В одном иллюстративном варианте выполнения MMS работает с циклом 100-600 полуактивно и использует датчики для контроля давлений и температур на стороне повышенного давления (от выходного отверстия насоса 120 до входного отверстия в детандер 116, 118) и на стороне пониженного давления (от выходного отверстия детандера 112, 114 до входного отверстия в насос 120) контура 110-610. MMS может также содержать клапаны, нагреватели резервуара или другое оборудование для облегчения перемещения рабочей текучей среды в контуры 110-610 рабочей текучей среды и из них, и резервуар управления массой для хранения рабочей текучей среды. Иллюстративные варианты выполнения MMS проиллюстрированы и описаны в совместно рассматриваемой заявке на патент США №12/631,412, №12/631,400 и №12/631,379, каждая из которых была подана 4 декабря 2009, заявке на патент США №12/880,428, поданной 13 сентября 2010 года, и заявке PCT/US 2011/029486, поданной 22 марта 2011. Содержание каждого из вышеизложенного случаев включено в настоящее изобретение в качестве ссылки, в той степени, в которой оно не противоречит настоящему изобретению.[0056] The illustrative embodiments disclosed in the present invention may further comprise incorporating and using a mass control system (MMS) in conjunction with or integrated into the described thermodynamic cycles 100-600. MMS can be provided to control the inlet pressure of the
[0057] Со ссылкой теперь на Фиг.7 и 8 представлены иллюстративные системы управления массой, соответственно, 700 и 800, которые могут быть использованы в одном или нескольких иллюстративных вариантах выполнения совместно с термодинамическими циклами 100-600, описанными в настоящем изобретении. Точки А, В, и С врезки системы, как показано на Фиг.7 и 8 (на Фиг.8 показаны только точки А и С) соответствуют точкам А, В, и С врезки системы, показанным на Фиг.1-6. Соответственно, как MMS 700, так и MMS 800 может быть проточно соединена с термодинамическими циклами 100-600, изображенными на Фиг.1-6, в соответствующих точках А, В, и С врезки системы (если применимо). Иллюстративная MMS 800 удерживает рабочую текучую среду при низкой (ниже температуры окружающей среды) температуре и, следовательно, низком давлении, а иллюстративная MMS 700 удерживает рабочую текучую среду при температуре окружающей среды или вблизи этой температуры. Как обсуждалось выше, рабочая текучая среда может представлять собой CO2, но также может представлять собой и другие рабочие текучие среды, без отступления от объема изобретения.[0057] With reference now to FIGS. 7 and 8, illustrative mass control systems, 700 and 800, respectively, that can be used in one or more illustrative embodiments in conjunction with the thermodynamic cycles 100-600 described in the present invention are presented. System insert points A, B, and C, as shown in FIGS. 7 and 8 (only points A and C are shown in FIG. 8) correspond to system insert points A, B, and C shown in FIGS. 1-6. Accordingly, both the
[0058] Во время иллюстративной работы MMS 700 резервуар 702 хранения рабочей текучей среды находится под давлением путем выпуска рабочей текучей среды из контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды через первый клапан 704 в точке А врезки. При необходимости дополнительная рабочая текучая среда может быть добавлена в контур(ы) 110-610 рабочей текучей среды путем открытия второго клапана 706, расположенного в нижней части резервуара 702, для того, чтобы обеспечить возможность протекания дополнительной рабочей текучей среды через точку С врезки, расположенную вверх по потоку от насоса 120 (Фиг.1-6). Добавление рабочей текучей среды в контур(ы) 110-610 в точке С врезки может содействовать повышению давления на входе первого насоса 120. Для извлечения текучей среды из контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды и, тем самым, уменьшению давления на входе первого насоса 120, третий клапан 708 может быть открыт для обеспечения вхождения охлажденной текучей среды под давлением в резервуар через точку В врезки. Хотя это и не является необходимым в каждом приложений, MMS 700 может также содержать перекачивающий насос 710, выполненный с возможностью удаления рабочей текучей среды из резервуара 702 и введения ее в контур(ы) 110-610 рабочей текучей среды.[0058] During the illustrative operation of
[0059] MMS 800, изображенная на Фиг.8, использует только две точки врезки системы или точки А и С интерфейса. Управляемый клапаном интерфейс А не используется во время фазы управления (например, нормального функционирования устройства), и обеспечивается только для предварительного создания давления в контуре(ах) 110-610 рабочей текучей среды с помощь пара, так что температура контура(ов) 110-610 во время заполнения остается выше минимального порогового значения. Может быть включен испаритель, использующий тепло окружающей среды, для преобразования рабочей текучей среды в жидкой фазе в рабочую текучую среду в паровой фазе приблизительно при температуре окружающей среды. Без испарителя система могла бы резко снизить температуру при заполнении. Испаритель также подает пар обратно в резервуар 702, чтобы компенсировать потерянный объем жидкости, который был извлечен, и, тем самым, выступает в качестве средства повышения давления. По меньшей мере в одном варианте выполнения испаритель может быть нагрет электрически или нагрет вторичной текучей средой. В процессе работы, когда требуется повысить давление всасывания первого насоса 120 (Фиг.1-6), рабочая текучая среда может быть избирательно добавлена в контур(ы) 110-610 рабочей текучей среды путем ее перекачки с помощью перекачивающего насоса 802, предусмотренного в точке С врезки или вблизи нее. Если требуется уменьшить давление всасывания насоса 120, рабочая текучая среда избирательно извлекается из системы на интерфейсе С и расширяется посредством одного или нескольких клапанов 804 и 806 до относительно более низкого давления хранения резервуара 702 хранения.[0059] The
[0060] В большинстве случаев расширенная текучая среда после клапанов 804, 806 будет двухфазной (т.е. пар + жидкость). Чтобы предотвратить превышение допустимого уровня давления в резервуаре 702, может быть предусмотрен небольшой холодильный цикл сжатия пара, включающий компрессор 808 пара и сопровождающий его конденсатор 810. В других вариантах выполнения конденсатор может использоваться в качестве испарителя, в котором вода из конденсатора используется в качестве источника тепла, а не теплоотвода. Холодильный цикл может быть выполнен с возможностью уменьшения температуры рабочей текучей среды и конденсации пара в достаточной степени, чтобы поддерживать давление в резервуаре 702 на расчетном уровне. Как должно быть понятно, холодильный цикл сжатия пара может быть интегрирован в MMS 800 или может быть автономным циклом сжатия пара с независимым холодильным контуром.[0060] In most cases, the expanded fluid after
[0061] Рабочая текучая среда, содержащаяся в резервуаре 702 хранения, будет иметь тенденцию к расслоению с рабочей текучей средой более высокой плотности, находящейся в нижней части резервуара 702, и рабочей текучей средой более низкой плотности, находящейся в верхней части резервуара 702. Рабочая текучая среда может находиться в жидкой фазе, паровой фазе, или в обеих фазах, или в сверхкритическом состоянии; причем, если рабочая текучая среда находится в обеих фазах - паровой фазе и жидкой фазе, то будет иметься граница раздела фаз, отделяющая одну фазу рабочей текучей среды от другой, при этом более плотная рабочая текучая среда будет находиться в нижней части резервуара 702. Таким образом, MMS 700, 800 может быть выполнена с возможностью доставки в контуры 110-610 самой плотной рабочей текучей среды, имеющейся в резервуаре 702 хранения.[0061] The working fluid contained in the
[0062] Все различные описанные управления или изменения в состоянии рабочей текучей среды и состояние всех контуров 110-610 рабочей текучей среды, включая температуру, давление, направление потока и скорость, и работу компонентов, таких как насосы 120, 122 и турбины 112, 114, может контролироваться и/или управляться системой 712 управления, в общем виде изображенной на Фиг.7 и 8. Иллюстративные системы управления, совместимые с вариантами выполнения настоящего изобретения, описаны и проиллюстрированы в одновременно рассматриваемой заявке на патент США, серийный номер 12/880,428, озаглавленной «Тепловой двигатель и системы и способы преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью системы заполнения рабочей текучей средой», поданной 13 сентября 2010, и включенной в настоящий документ посредством ссылки, как указано выше.[0062] All of the various described controls or changes in the state of the working fluid and the condition of all circuits 110-610 of the working fluid, including temperature, pressure, flow direction and speed, and the operation of components such as
[0063] В одном иллюстративном варианте выполнения система 712 управления может содержать один или несколько пропорциональных интегрально-дифференциальных (PID) контроллеров в качестве петли обратной связи системы управления. В другом иллюстративном варианте выполнения система 712 управления может представлять собой любую микропроцессорную систему, выполненную с возможностью хранения управляющей программы и выполнения управляющей программы для получения входных сигналов датчика и генерации сигналов управления в соответствии с заранее заданным алгоритмом или таблицей. Например, система 712 управления может представлять собой основанный на микропроцессоре компьютер с выполняемой управляющей программой программного обеспечения, хранящейся на машиночитаемом носителе. Программное обеспечение может быть выполнено с возможностью приема входных сигналов датчика из различных датчиков давления, температуры, потока и т.п., расположенных во всех контурах 110-610 рабочей текучей среды, и генерации управляющих сигналов, причем указанные управляющие сигналы генерируются с возможностью оптимизации и/или избирательного управления работой контуров 110-610.[0063] In one illustrative embodiment, the
[0064] Каждая MMS 700, 800 может быть соединена с возможностью обмена данными с такой системой 712 управления таким образом, что управление различными клапанами и другим оборудованием, описанным в настоящем изобретении, автоматизировано или полуавтоматизировано и реагирует на данные о производительности системы, полученные с помощью различных датчиков, расположенных по всем контурам 110-610, а также реагирует на окружающие условия и условия окружающей среды. То есть система 712 управления может находиться в состоянии обмена данными с каждым из компонентов MMS 700, 800 и может быть выполнена с возможностью управления его работой, чтобы более эффективно выполнять функцию термодинамического цикла(ов) 100-600. Например, система 712 управления может осуществлять связь (через провода, ВЧ-сигнал и т.д.) с каждым из клапанов, насосов, датчиков и т.д. в системе, и выполнена с возможностью управления работой каждого из элементов, в соответствии с управляющим программным обеспечением, алгоритмом, или другим заранее заданным механизмом управления. Это может оказаться преимущественным для управления температурой и давлением рабочей текучей среды на входе первого насоса 120, чтобы активным образом увеличивать давление всасывания первого насоса 120 за счет уменьшения сжимаемости рабочей текучей среды. Это может предотвратить повреждение первого насоса 120, а также увеличить суммарную степень сжатия термодинамического цикла(ов) 100-600, повышая, тем самым, коэффициент полезного действия и выходную мощность.[0064] Each
[0065] В одном или нескольких иллюстративных вариантах выполнения может оказаться выгодным поддерживать давление всасывания насоса 120 выше давления кипения рабочей текучей среды на входе в насос 120. Один способ управления давлением рабочей текучей среды на низкотемпературной стороне контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды заключается в управлении температурой рабочей текучей среды в резервуаре 702 хранения, изображенном на Фиг.7. Это может быть достигнуто путем поддержания температуры резервуара 702 хранения на более высоком уровне, чем температура на входе в насос 120. Чтобы достичь этого, MMS 700 может включать использование нагревателя и/или спирали 714 в резервуаре 702. Нагреватель/спираль 714 может быть выполнена с возможностью добавления или удаления тепла из текучей среды/пара в резервуаре 702. В одном иллюстративном варианте выполнения температура резервуара 702 хранения может управляться с использованием прямого электрического нагрева. В других иллюстративных вариантах выполнения, однако, температура резервуара 702 хранения может управляться с помощью других устройств, например, но не ограничиваясь этим, спиралью теплообменника с выпущенной насосом текучей средой (которая находится при более высокой температуре, чем на входе в насос), спиралью теплообменника с отработанной охлаждающей водой из охладителя/конденсатора (также при более высокой температуре, чем на входе в насос), или их комбинации.[0065] In one or more illustrative embodiments, it may be advantageous to maintain the suction pressure of the
[0066] Со ссылкой теперь на Фиг.9 и 10, системы охлаждения, соответственно, 900 и 1000, также могут быть использованы в связи с любым из описанных выше циклов, для того, чтобы обеспечить охлаждение в других областях промышленного процесса, в том числе, но не ограничиваясь этим, предварительным охлаждением воздуха на входе газовой турбины или других воздушно-реактивных двигателей, обеспечивая тем самым более высокую выходную мощность двигателя. Точки В и D или С и D врезки системы, показанные на Фиг.9 и 10, могут соответствовать точкам В, С, D врезки системы, изображенным на Фиг.1-6. Соответственно, каждая система 900, 1000 охлаждения может быть проточно соединена с одним или несколькими контурами 110-610 рабочей текучей среды, показанными на Фиг.1-6, в соответствующих точках В, С и/или D врезки системы (где это применимо).[0066] With reference now to FIGS. 9 and 10, cooling systems, respectively, 900 and 1000, can also be used in connection with any of the above cycles in order to provide cooling in other areas of the industrial process, including , but not limited to, pre-cooling the air at the inlet of a gas turbine or other jet engines, thereby providing a higher engine power output. Points b and D or C and D tie-in system shown in Fig.9 and 10 may correspond to points B, C, D tie-in system shown in Fig.1-6. Accordingly, each cooling
[0067] В системе 900 охлаждения, изображенной на Фиг.9, часть рабочей текучей среды может быть извлечена из контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды в точке С врезки системы. Давление этой части текучей среды уменьшается за счет расширительного устройства 902, которое может представлять собой клапан, отверстие или расширитель текучей среды, такой как турбина или детандер с положительным смещением. Этот процесс расширения снижает температуру рабочей текучей среды. Затем тепло добавляют к рабочей текучей среде в теплообменнике 904 испарителя, который снижает температуру текучей среды внешнего процесса (например, воздуха, воды и т.д.). Давление рабочей текучей среды затем повторно увеличивают за счет использования компрессора 906, после чего ее снова вводят в контур(ы) 110-610 рабочей текучей среды через точку D врезки системы.[0067] In the
[0068] Компрессор 906 может либо представлять собой компрессор с приводом от двигателя, либо управляться турбиной либо от любой специально предназначенной для этого турбины, либо от дополнительного колеса, добавленного к основной турбине системы. В других иллюстративных вариантах выполнения компрессор 906 может быть объединен с основным(и) контуром(ами) 110-610 циркуляции рабочей текучей среды. В других вариантах выполнения компрессор 906 может принимать форму эжектора текучей среды, причем рабочую текучую среду подают из точки А врезки системы и выпускают в точке D врезки системы, вверх по потоку от конденсатора 124 (Фиг.1-6).[0068]
[0069] Система 1000 охлаждения, изображенная на Фиг.10, может также содержать компрессор 1002, по существу аналогичный компрессору 906, описанному выше. Компрессор 1002 может принимать форму эжектора текучей среды, причем рабочую текучую среду подают из контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды через точку А врезки (не показанной, но соответствующей точке, показанной на Фиг.1-6) и выпускают в контур(ы) 110-610 через точку D врезки. В показанном иллюстративном варианте выполнения рабочую текучую среду извлекают из контура(ов) 110-610 через точку В врезки и предварительно охлаждают теплообменником 1004 прежде, чем осуществить расширение в расширительном устройстве 1006, аналогичном расширительному устройству 902, описанному выше. В одном иллюстративном варианте выполнения теплообменник 1004 может содержать теплообменник типа вода-CO2 или воздух-CO2. Как можно видеть, добавление теплообменника 1004 может обеспечивать дополнительную охлаждающую способность, выше той, которая возможна с системой 900 охлаждения, показанной на Фиг.9.[0069] The
[0070] Термины «выше по потоку» и «ниже по потоку», используемые в настоящем изобретении, предназначены для более четкого описания различных иллюстративных вариантов выполнения и конфигураций настоящего изобретения. Например, термин «выше по потоку» обычно означает в направлении по или в направлении против потока рабочей текучей среды во время нормальной работы, а термин «ниже по потоку» обычно означает вместе с или в направлении потока рабочей текучей среды во время нормальной работы.[0070] The terms “upstream” and “downstream” used in the present invention are intended to more clearly describe various illustrative embodiments and configurations of the present invention. For example, the term “upstream” generally means in the direction of upstream or downstream of the working fluid during normal operation, and the term “downstream” usually means together with or in the direction of flow of the working fluid during normal operation.
[0071] Вышеизложенное в чертах описало характеристики нескольких вариантов выполнения, так что специалистам в данной области техники смогут лучше понять настоящее изобретение. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что они могут легко использовать настоящее изобретение в качестве основы для разработки или изменения других процессов и конструкций для достижения тех же целей и/или для достижения таких же преимуществ указанных в настоящем документе вариантов выполнения. Специалисты в этой области техники должны понимать, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы сущности и объема настоящего изобретения, и что в настоящем изобретении они могут сделать различные изменения, замены и перестановки без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.[0071] The foregoing has described the characteristics of several embodiments so that those skilled in the art will better understand the present invention. Those of skill in the art would understand that they can easily use the present invention as a basis for developing or modifying other processes and designs to achieve the same objectives and / or to achieve the same advantages of the embodiments described herein. Those skilled in the art should understand that such equivalent constructions do not fall within the spirit and scope of the present invention, and that in the present invention they can make various changes, replacements, and permutations without departing from the spirit and scope of the present invention.
Claims (49)
насос, выполненный с возможностью циркуляции рабочей текучей среды через контур рабочей текучей среды, причем ниже по потоку от насоса рабочая текучая среда разделяется на первый массовый поток и второй массовый поток, при этом рабочая текучая среда содержит диоксид углерода и находится в сверхкритическом состоянии по меньшей мере в части контура рабочей текучей среды;
первый теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем первый теплообменник выполнен с возможностью приема первого массового потока и передачи тепла от источника тепла к первому массовому потоку;
первую турбину, проточно соединенную с первым теплообменником и выполненную с возможностью расширения первого массового потока;
первый рекуператор, проточно соединенный с первой турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии из первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, к первому массовому потоку, направляемому в первый теплообменник;
второй теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем второй теплообменник выполнен с возможностью приема второго массового потока и передачи тепла от источника тепла ко второму массовому потоку; и
вторую турбину, проточно соединенную со вторым теплообменником и выполненную с возможностью расширения второго массового потока.1. A system for converting thermal energy into work, comprising:
a pump configured to circulate the working fluid through the circuit of the working fluid, wherein downstream of the pump, the working fluid is divided into a first mass flow and a second mass flow, wherein the working fluid contains carbon dioxide and is in a supercritical state of at least in the part of the circuit of the working fluid;
a first heat exchanger flow-wise connected to the pump and in thermal contact with a heat source, the first heat exchanger configured to receive a first mass stream and transfer heat from the heat source to the first mass stream;
a first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger and configured to expand the first mass flow;
a first recuperator flow-coupled to the first turbine and configured to transfer residual heat energy from the first mass stream discharged from the first turbine to the first mass stream directed to the first heat exchanger;
a second heat exchanger flow-wise connected to the pump and in thermal contact with the heat source, the second heat exchanger configured to receive a second mass stream and transfer heat from the heat source to the second mass stream; and
a second turbine flow-wise connected to the second heat exchanger and configured to expand the second mass flow.
насос, выполненный с возможностью циркуляции рабочей текучей среды в контуре рабочей текучей среды, причем рабочая текучая среда ниже по потоку от насоса разделяется на первый массовый поток и второй массовый поток, при этом рабочая текучая среда содержит диоксид углерода и находится в сверхкритическом состоянии по меньшей мере в части контура рабочей текучей среды;
первый теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем первый теплообменник выполнен с возможностью приема первого массового потока и передачи тепла от источника тепла к первому массовому потоку;
первую турбину, проточно соединенную с первым теплообменником и выполненную с возможностью расширения первого массового потока;
первый рекуператор, проточно соединенный с первой турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии из первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, в первый массовый поток, направляемый в первый теплообменник;
второй теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем второй теплообменник выполнен с возможностью приема второго массового потока и передачи тепла от источника тепла ко второму массовому потоку;
вторую турбину, проточно соединенную со вторым теплообменником и выполненную с возможностью расширения второго массового потока, причем второй массовый поток, выходящий из второй турбины, повторно объединяется с первым массовым потоком для формирования объединенного массового потока;
второй рекуператор, проточно соединенный со второй турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии из объединенного массового потока во второй массовый поток, направляемый во второй теплообменник; и
третий теплообменник, находящийся в тепловом контакте с источником тепла и расположенный между насосом и первым теплообменником, причем третий теплообменник выполнен с возможностью приема и передачи тепла к первому массовому потоку перед его пропусканием через первый теплообменник.13. A system for converting thermal energy into work, comprising:
a pump configured to circulate the working fluid in the working fluid circuit, wherein the working fluid downstream of the pump is divided into a first mass flow and a second mass flow, wherein the working fluid contains carbon dioxide and is in a supercritical state of at least in the part of the circuit of the working fluid;
a first heat exchanger flow-wise connected to the pump and in thermal contact with a heat source, the first heat exchanger configured to receive a first mass stream and transfer heat from the heat source to the first mass stream;
a first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger and configured to expand the first mass flow;
a first recuperator flow-coupled to the first turbine and configured to transfer residual heat energy from the first mass stream discharged from the first turbine to the first mass stream directed to the first heat exchanger;
a second heat exchanger flow-wise connected to the pump and in thermal contact with the heat source, the second heat exchanger configured to receive a second mass stream and transfer heat from the heat source to the second mass stream;
a second turbine flow-coupled to the second heat exchanger and configured to expand the second mass stream, the second mass stream exiting the second turbine being re-combined with the first mass stream to form a combined mass stream;
a second recuperator flow-coupled to the second turbine and configured to transfer residual heat energy from the combined mass stream to a second mass stream directed to the second heat exchanger; and
a third heat exchanger in thermal contact with the heat source and located between the pump and the first heat exchanger, the third heat exchanger configured to receive and transfer heat to the first mass stream before passing it through the first heat exchanger.
циркуляцию рабочей текучей среды с помощью насоса через контур рабочей текучей среды, при этом рабочая текучая среда содержит диоксид углерода и находится в сверхкритическом состоянии по меньшей мере в части контура рабочей текучей среды;
разделение рабочей текучей среды в контуре циркуляции рабочей текучей среды на первый массовый поток и второй массовый поток;
передачу тепловой энергии в первом теплообменнике от источника тепла в первый массовый поток, причем первый теплообменник находится в тепловом контакте с источником тепла;
расширение первого массового потока в первой турбине, проточно соединенной с первым теплообменником;
передачу остаточной тепловой энергии в первом рекуператоре от первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, в первый массовый поток, направляемый в первый теплообменник, причем первый рекуператор проточно соединен с первой турбиной;
передачу тепловой энергии во втором теплообменнике от источника тепла во второй массовый поток, причем второй теплообменник находится в тепловом контакте с источником тепла; и
расширение второго массового потока во второй турбине, проточно соединенной со вторым теплообменником.27. A method of converting thermal energy into work, including:
the circulation of the working fluid using a pump through the circuit of the working fluid, while the working fluid contains carbon dioxide and is in a supercritical state at least in part of the circuit of the working fluid;
dividing the working fluid in the circulation circuit of the working fluid into a first mass stream and a second mass stream;
transferring heat energy in the first heat exchanger from the heat source to the first mass stream, the first heat exchanger being in thermal contact with the heat source;
expanding the first mass flow in a first turbine flow-wise coupled to the first heat exchanger;
transferring the residual heat energy in the first recuperator from the first mass stream discharged from the first turbine to the first mass stream directed to the first heat exchanger, the first recuperator being connected to the first turbine by flow;
transfer of thermal energy in the second heat exchanger from the heat source to the second mass stream, the second heat exchanger being in thermal contact with the heat source; and
expansion of the second mass flow in a second turbine flow-wise connected to the second heat exchanger.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US41778910P | 2010-11-29 | 2010-11-29 | |
US61/417,789 | 2010-11-29 | ||
US13/212,631 US9284855B2 (en) | 2010-11-29 | 2011-08-18 | Parallel cycle heat engines |
US13/212,631 | 2011-08-18 | ||
PCT/US2011/062198 WO2012074905A2 (en) | 2010-11-29 | 2011-11-28 | Parallel cycle heat engines |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013124072A RU2013124072A (en) | 2015-01-10 |
RU2575674C2 true RU2575674C2 (en) | 2016-02-20 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2772306C1 (en) * | 2018-07-23 | 2022-05-18 | Хавьер Карлос ВЕЛЬОСО МОЭДАНО | Installation for generating mechanical energy using a combined energy cycle |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3830062A (en) * | 1973-10-09 | 1974-08-20 | Thermo Electron Corp | Rankine cycle bottoming plant |
RU2029880C1 (en) * | 1989-08-24 | 1995-02-27 | Станислав Степанович Меньшиков | Power plant |
RU2171385C2 (en) * | 1994-06-14 | 2001-07-27 | Ормат Индастриз Лтд | Gas-turbine system with heat recuperation cycle and method of its operation |
JP2007198200A (en) * | 2006-01-25 | 2007-08-09 | Hitachi Ltd | Energy supply system using gas turbine, energy supply method and method for remodeling energy supply system |
US20080053095A1 (en) * | 2006-08-31 | 2008-03-06 | Kalex, Llc | Power system and apparatus utilizing intermediate temperature waste heat |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3830062A (en) * | 1973-10-09 | 1974-08-20 | Thermo Electron Corp | Rankine cycle bottoming plant |
RU2029880C1 (en) * | 1989-08-24 | 1995-02-27 | Станислав Степанович Меньшиков | Power plant |
RU2171385C2 (en) * | 1994-06-14 | 2001-07-27 | Ормат Индастриз Лтд | Gas-turbine system with heat recuperation cycle and method of its operation |
JP2007198200A (en) * | 2006-01-25 | 2007-08-09 | Hitachi Ltd | Energy supply system using gas turbine, energy supply method and method for remodeling energy supply system |
US20080053095A1 (en) * | 2006-08-31 | 2008-03-06 | Kalex, Llc | Power system and apparatus utilizing intermediate temperature waste heat |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2772306C1 (en) * | 2018-07-23 | 2022-05-18 | Хавьер Карлос ВЕЛЬОСО МОЭДАНО | Installation for generating mechanical energy using a combined energy cycle |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2820606C (en) | Parallel cycle heat engines | |
US8869531B2 (en) | Heat engines with cascade cycles | |
US8857186B2 (en) | Heat engine cycles for high ambient conditions | |
EP2550436B1 (en) | Heat engines with cascade cycles | |
US8613195B2 (en) | Heat engine and heat to electricity systems and methods with working fluid mass management control | |
US9759096B2 (en) | Supercritical working fluid circuit with a turbo pump and a start pump in series configuration | |
WO2012074940A2 (en) | Heat engines with cascade cycles | |
US8783034B2 (en) | Hot day cycle | |
RU2551458C2 (en) | Combined heat system with closed loop for recuperation of waste heat and its operating method | |
AU2013240243B2 (en) | System and method for recovery of waste heat from dual heat sources | |
US9540961B2 (en) | Heat sources for thermal cycles | |
RU2575674C2 (en) | Heat engines with parallel cycle | |
RU2701973C1 (en) | Organic rankine cycle for conversion of waste heat of heat source into mechanical energy and cooling system using such cycle |