RU2605483C2

RU2605483C2 - Усовершенствованный тепловой двигатель на основе органического цикла рэнкина

Info

Publication number: RU2605483C2
Application number: RU2014115707/06A
Authority: RU
Inventors: Джон Джозеф БЭННИСТЕР; Тимоти Нэтен БЭННИСТЕР; Нил Стаффорд БРАЙТ; Айан Джеймс ХЕНШО
Original assignee: Энерджетикс Дженлек Лимитед
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2016-12-20
Also published as: PL2766579T3; CN104040118B; RU2014115707A; DK2766579T3; WO2013041857A2; EP2766579B1; GB2494709A; EP2766579A2; GB201116158D0; WO2013041857A3; US9399930B2; ES2628845T3; US20140298812A1; CN104040118A; CA2848946C; KR20140062161A; JP2014530314A; CA2848946A1

Abstract

Изобретение относится к энергетике. Тепловой двигатель на основе органического цикла Рэнкина (ОЦР), содержит контур для рабочей текучей среды, включающий: испаритель для нагрева и испарения рабочей текучей среды; конденсатор для охлаждения и конденсации рабочей текучей среды и объемный расширитель-генератор, имеющий вход, сообщающийся по текучей среде с испарителем, и выход, сообщающийся по текучей среде с конденсатором, причем тепловой двигатель на основе ОЦР дополнительно содержит: систему управления, связанную с объемным расширителем-генератором, содержащим переключатель и приводное средство, причем переключатель переключается между первым состоянием и вторым состоянием, при этом в первом состоянии переключатель связан с приводным средством и объемный расширитель-генератор приводится в действие приводным средством, а во втором состоянии переключатель не связан с приводным средством или приводное средство отключено и объемный расширитель-генератор не приводится в действие приводным средством. Изобретение позволяет повысить эффективность эксплуатации двигателя. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Данное изобретение относится к тепловому двигателю на основе органического цикла Рэнкина (ОЦР) и, в частности, к усовершенствованному тепловому двигателю на основе ОЦР, имеющему систему управления для управления тепловым двигателем на основе ОЦР.

Уровень техники

Известны тепловые двигатели, такие как устройства теплоэлектростанций (ТЭС), которые основаны на модуле органического цикла Рэнкина (ОЦР). В тепловых двигателях этого вида используют устройства объемного вытеснения (объемные устройства), такие как спиральный расширитель, соединенный с генератором, таким как генератор с постоянными магнитами, при одноблочном исполнении. Такие ТЭС-устройства могут заменить стандартные газовые котлы, для подачи тепла для центрального отопления и нагрева воды, с электроэнергией, генерируемой в качестве побочного продукта.

Пример простого известного теплового двигателя 10 на основе ОЦР схематически показан на Фиг. 1A. ОЦР имеет контур 12 рабочей текучей среды, который включает испаритель 14, действующий как источник тепла для нагрева рабочей текучей среды, циркулирующей по контуру 12 для рабочей текучей среды, объемный расширитель-генератор 16, конденсатор-теплообменник 18, действующий как теплопоглощающее устройство для охлаждения рабочей текучей среды, и насос 20. Каждое из устройств, - испаритель-теплообменник 14, расширитель-генератор 16, конденсатор 18 и насос 20 имеют между собой сообщение по текучей среде и последовательно соединены с образованием контура 12 для рабочей текучей среды. Расширитель-генератор 16 имеет вход, сообщающийся по текучей среде с испарителем 14, и выход, сообщающийся по текучей среде с конденсатором 16. Насос 20 расположен в контуре 12 для рабочей текучей среды между конденсатором 18 и испарителем 14, но со стороны конденсатора 18, противоположной к расширителю-генератору 16.

При эксплуатации в стабильном состоянии, рабочая текучая среда испаряется в испарителе 14 при высоком давлении (давлении P1) и температуре T1. Испаритель 14 принимает входное тепло Q_in и производит работу W_in для повышения температуры рабочей текучей среды до температуры T1. Испаренную газофазную рабочую среду затем расширяют посредством расширителя-генератора 16, с получением, таким образом, электроэнергии W_e. Газ покидает расширитель-генератор 16 при более низком давлении P2 и температуре T2, а затем конденсируется назад в жидкую фазу в конденсаторе 18, где скрытая теплота конденсации передается контуру охлаждения (не показан). Конденсатор 18 принимает охлаждающий агент, для удаления энергии W_out и тепла Q_out из рабочей текучей среды. Жидкофазную рабочую текучую среду с низкой температурой T2' и низким давлением P2 затем откачивают назад к испарителю при высоком давлении P1 посредством насоса 20, завершая, таким образом, цикл.

После запуска теплового двигателя 10 на основе ОЦР согласно Фиг. 1A, нагрев Q_in и охлаждение Q_out подается, соответственно, на испаритель 14 и конденсатор 18, а насос 20 функционирует для подачи высокого давления P1 и потока рабочей текучей среды в испаритель 14. Исходно, расширитель-генератор 16 не поворачивается, так что поток рабочей текучей среды не циркулирует по контуру 12 для рабочей текучей среды. Расширитель-генератор 16 не начинает вращаться, когда насос 20 начинает функционировать, из-за трения в уплотнении и в опоре, а также в массе деталей генератора. Дополнительно, на расширителе-генераторе 16 начинает формироваться перепад отрицательного давления, поскольку расширитель пытается расширить карманы газа, давление в которых выравнивается с низким давлением рабочей текучей среды, когда она находится в состоянии покоя.

Для преодоления этого исходного «статического трения», для запуска вращения требуется большое исходное входное давление. Это исходное высокое пусковое давление нагнетают насосом 20. Однако, поскольку расширитель-генератор 16 исходно не вращается, через насос 20 течет очень мало рабочей текучей среды. Эта ситуация наносит ущерб сроку службы и производительности насоса 20, поскольку насос 20 может перегреваться, и смазка в нем может исчезать.

Другая нежелательная ситуация, которая может возникнуть при запуске, состоит в том, что насос 20 начинает работать в сухом состоянии. Это может произойти, когда невращающийся расширитель-генератор 16 действует как закупоривающий объект на контуре 12 для рабочей текучей среды, и насос 20 работает на смещение рабочей текучей среды по направлению к испарителю 14. Без достаточной циркуляции рабочей текучей среды, весь объем рабочей текучей среды может прокачиваться в испаритель 14, заставляя насос 20 работать в сухом состоянии, повышая, таким образом, износ насоса и снижая его срок службы.

Для успешной замены стандартного газового котла с точки зрения оператора, тепловой двигатель на основе ОЦР, такой как ТЭС-оборудование, должен быть пригоден для функционирования при диапазоне температур и тепловых нагрузках, и должен быть пригоден для включения и отключения таким же образом, что и стандартная система газового котла.

Задачей настоящего изобретения является создание теплового двигателя на основе ОЦР, который является более совершенным, по сравнению с тепловыми двигателями на основе ОЦР согласно уровню техники, за счет наличия, например, повышенного времени запуска, повышенного компонента срока службы и производительности, или повышенной эффективности эксплуатации.

Краткое описание изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения создан тепловой двигатель на основе органического цикла Рэнкина (ОЦР), содержащий:

контур для рабочей текучей среды, содержащий:

- испаритель для нагрева и испарения рабочей текучей среды;

- конденсатор для охлаждения и конденсации рабочей текучей среды и

- объемный расширитель-генератор, имеющий вход, сообщающийся по текучей среде с испарителем, и выход, сообщающийся по текучей среде с конденсатором; причем тепловой двигатель на основе ОЦР дополнительно содержит:

систему управления, связанную с объемным расширителем-генератором, содержащую переключатель и приводное средство, причем переключатель выполнен с возможностью переключения между первым состоянием и вторым состоянием,

причем в первом состоянии переключатель связан с приводным средством и объемный расширитель-генератор управляется приводным средством, а во втором состоянии переключатель не связан с приводным средством или приводное средство отключено и объемный расширитель-генератор не управляется приводным средством.

Является предпочтительным, чтобы контур для рабочей текучей среды дополнительно содержал насос для повышения давления рабочей текучей среды, циркулирующей по контуру для рабочей текучей среды. Дополнительно или в качестве альтернативы, является предпочтительным, чтобы система управления дополнительно содержала сенсорное средство для выявления режима работы теплового двигателя на основе ОЦР.

Является предпочтительным, чтобы система управления дополнительно содержала средство обработки для переключения переключателя между первым и вторым состояниями, в ответ на ввод данных. В конкретном предпочтительном варианте воплощения средство обработки связано с сенсорным средством, а средство обработки сконфигурировано для переключения переключателя между первым и вторым состояниями, когда это отвечает заданному режиму работы.

Является предпочтительным, чтобы сенсорное средство содержало первое сенсорное средство и второе сенсорное средство, причем первое сенсорное средство сконфигурировано для обнаружения скорости вращения объемного расширителя-генератора и регулирования выходного сигнала приводного средства таким образом, чтобы, когда переключатель находится в первом состоянии, поддерживалась бы фактически фиксированная скорость вращения расширителя-генератора, и второе сенсорное средство сконфигурировано для обнаружения рабочего параметра приводного средства.

Является предпочтительным, чтобы, когда выходной сигнал приводного средства меньше или равен заданному пороговому значению, это бы отвечало заданному режиму работы.

В одном предпочтительном варианте воплощения объемный расширитель-генератор содержит расширитель и генератор, каждый из которых расположен на общем валу, и насос связан с расширителем-генератором на общем валу. В одном конкретном предпочтительном варианте воплощения насос установлен между расширителем и генератором.

Переключатель содержит электромеханический переключатель, и предпочтительно содержит электромеханический трехполюсный переключатель для двух цепей. В альтернативном варианте воплощения переключатель предпочтительно содержит один или более твердотельных реле или полупроводниковый переключатель.

Расширитель-генератор предпочтительно содержит спиральный расширитель, и предпочтительно содержит генератор с постоянными магнитами. Приводное средство предпочтительно содержит электродвигатель, а переключатель включает муфту для соединения и отсоединения электродвигателя от расширителя-генератора, где является предпочтительным, чтобы приводное средство содержало инвертор. Является предпочтительным, чтобы инвертор был сконфигурирован для приема мощности от шины постоянного тока и подавал трехфазный электрический ток на объемный расширитель-генератор, для приведения в действие объемного расширителя-генератора. Дополнительно или в качестве альтернативы, инвертор является переключаемым, чтобы он действовал как выпрямитель, вследствие чего, когда объемный расширитель-генератор генерирует трехфазный электрический ток, инвертор действует как выпрямитель, с преобразованием генерируемого трехфазного электрического тока в постоянный ток, для его подачи на шину постоянного тока. В этом предпочтительном варианте воплощения переключение инвертора происходит автоматически, когда объемный расширитель-генератор начинает генерировать ток, изменяя направление тока на обратное.

Является предпочтительным, чтобы первое сенсорное средство было сконфигурировано для регулирования выходного сигнала инвертора путем регулировки электрического тока, подаваемого на инвертор, и при этом рабочим параметром инвертора, выявляемым вторым сенсорным средством, является электрический ток, подаваемый на инвертор.

В одном варианте воплощения является предпочтительным, чтобы, когда электрический ток, подаваемый на инвертор меньше или равен заданному пороговому значению, которое предпочтительно составляет примерно 0 A, это отвечало бы заданному режиму работы.

Является предпочтительным, чтобы тепловой двигатель на основе ОЦР согласно настоящему изобретению дополнительно содержал регенератор-теплообменник, установленный для облегчения обмена теплом между рабочей текучей средой, покидающей выход объемного расширителя-генератора, и рабочей текучей средой, входящей в испаритель.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения создана электрическая система, содержащая тепловой двигатель на основе ОЦР согласно первому аспекту настоящего изобретения, и электрическую нагрузку, установленную таким образом, чтобы она была электрически связана с расширителем-генератором, когда переключатель находится во втором состоянии, вследствие чего на электрическую нагрузку можно подавать мощность за счет электроэнергии, генерируемой расширителем-генератором.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения создана система управления для управления тепловым двигателем на основе ОЦР, содержащая:

инвертор;

переключатель, переключаемый между первым состоянием и вторым состоянием;

сенсорное средство, связанное с переключателем и сконфигурированное для выявления режима работы теплового двигателя на основе ОЦР; и

средство обработки, связанное с сенсорным средством, причем средство обработки сконфигурировано для переключения переключателя между первым и вторым состояниями, когда это отвечает заданному режиму работы;

причем в первом состоянии переключатель электрически связан с инвертором, а во втором состоянии переключатель электрически не связан с инвертором, вследствие чего, когда система управления соединена с тепловым двигателем, который содержит объемный расширитель-генератор, объемный расширитель-генератор приводится в действие инвертором, когда переключатель находится в первом состоянии, а когда переключатель находится во втором состоянии, объемный расширитель-генератор не приводится в действие инвертором.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения создан способ управления тепловым двигателем на основе ОЦР, содержащий этапы:

(i) обеспечения теплового двигателя на основе ОЦР согласно первой особенности настоящего изобретения переключателем, находящимся в первом состоянии;

(ii) эксплуатации приводного средства, для приведения в действие объемного расширителя-генератора и, следовательно, для обеспечения циркуляции рабочей текучей среды по контуру для рабочей текучей среды;

(iii) переключения переключателя из первого состояния во второе состояние таким образом, чтобы расширитель-генератор был приведен в действие циркулирующей рабочей текучей средой, а не приводным средством, и генерирует электроэнергию.

В предпочтительном варианте воплощения, контур для рабочей текучей среды теплового двигателя на основе ОЦР дополнительно содержит насос для повышения давления рабочей текучей среды, циркулирующей по контуру для рабочей текучей среды, и способ дополнительно содержит этап:

(iv) эксплуатации насоса для повышения давления циркулирующей рабочей текучей среды, перед выполнением этапа (iii).

Дополнительно является предпочтительным, чтобы объемный расширитель-генератор, принадлежащий тепловому двигателю на основе ОЦР, содержал расширитель и генератор, каждый из которых был расположен на общем валу, а насос был связан с расширителем-генератором на общем валу, и в котором этап (iv) выполняется одновременно с этапом (ii). Система управления теплового двигателя на основе ОЦР предпочтительно дополнительно содержит:

сенсорное средство для выявления режима работы теплового двигателя и

средство обработки, связанное с сенсорным средством.

Средство обработки автоматически исполняет этап (iii), когда это отвечает заданному режиму работы. В одном предпочтительном варианте воплощения, насос установлен между расширителем и генератором, хотя это не обязательно является случаем для других вариантов воплощения.

Дополнительно является предпочтительным, чтобы сенсорное средство содержало первое сенсорное средство и второе сенсорное средство,

причем первое сенсорное средство выявляет скорость вращения объемного расширителя-генератора и регулирует выходной сигнал приводного средства таким образом, чтобы, когда переключатель находится в первом состоянии, фактически поддерживалась бы фиксированная скорость вращения расширителя-генератора, а

второе сенсорное средство выявляет рабочий параметр приводного средства;

при этом, когда выходной сигнал приводного средства меньше или равен заданному пороговому значению, это отвечает заданному режиму работы.

В альтернативном варианте воплощения, сенсорное средство предпочтительно выявляет подъем давления в рабочей текучей среде, производимый насосом, и когда выявленный подъем давления больше или равен заданному пороговому значению, это отвечает заданному режиму работы.

В любых вариантах воплощения, является предпочтительным, чтобы способ дополнительно содержал этап соединения расширителя-генератора с электрической нагрузкой через переключатель, перед исполнением этапа (iii), причем вслед за этапом (iii) электроэнергию, генерируемую расширителем-генератором, подают на электрическую нагрузку через переключатель. Приводное средство предпочтительно содержит инвертор.

Краткое описание чертежей

Варианты воплощения изобретения дополнительно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1A схематически показывает известный тепловой двигатель на основе органического цикла Рэнкина (ОЦР), а Фиг. 1B схематически показывает аналогичный тепловой двигатель на основе ОЦР, который включает регенератор-теплообменник; и

Фиг. 2 показывает тепловой двигатель на основе ОЦР согласно варианту воплощения настоящего изобретения, содержащего систему управления и подключенную нагрузку.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1A схематически показывает известный органический цикл Рэнкина (ОЦР) 10, который формирует основные компоненты теплового двигателя. Электрическая система согласно варианту воплощения настоящего изобретения, схематически показанная на Фиг. 2, содержит тепловой двигатель 100, имеющий систему 10 ОЦР (показанную лишь частично) и систему управления 22, а также подключенную электрическую нагрузку 30. Система 10 ОЦР согласно настоящему изобретению фактически идентична системе 10 ОЦР на Фиг. 1A и содержит те же компоненты, а именно контур для рабочей текучей среды 12, который включает испаритель 14, действующий как источник тепла для нагрева рабочей текучей среды, циркулирующей по контуру 12 для рабочей текучей среды, объемный расширитель-генератор 16, конденсатор-теплообменник 18, действующий как тепловая нагрузка для охлаждения рабочей текучей среды, и насос 20.

Фиг. 1B показывает модифицированный ОЦР 10', который может быть использован в качестве части настоящего изобретения. Модифицированный ОЦР 10' включает регенератор-теплообменник 32. Регенератор-теплообменник 32 представляет собой дополнительный теплообменник в системе, которая помогает повышать производительность системы. При идеальных условиях, наличие регенератора-теплообменника 32 тем не менее может не быть необходимым, поскольку в реальных системах часто невозможно совместить термодинамические свойства рабочих текучих сред с точными давлениями и температурами, встречающимися в ОЦР 10' в определенных точках. Например, в реальной системе рабочая текучая среда, выходящая из объемного расширителя-генератора 16, в момент расширения еще находится в перегретом состоянии. Напротив, в идеальной системе рабочая текучая среда может быть лишь слегка перегретой, или даже может представлять собой насыщенный пар. Регенератор 32 содержит некоторый избыток тепла, присутствующий в реальных системах по всему миру, и передает его (Q_ex) рабочей текучей среде на противоположной стороне цикла, перед ее попаданием в испаритель 14. При обеспечении этой корректирующей меры, регенератор 32 позволяет настраивать систему 10' до достижения оптимальной эффективности, за счет компенсации легкого несоответствия между выбранной рабочей текучей средой и идеализированной рабочей текучей средой. Поэтому регенератор 32 ослабляет нагрев до достижения коэффициента мощности системы 10', который является выгодным для комбинирования тепла и мощности в продукте на микроуровне.

Система управления 22 содержит инвертор 24, переключатель 26 и сенсорное средство 28. Система управления 22 связана с объемным расширителем-генератором 16 ОЦР 10/10'. Переключатель 26 переключается между первым состоянием и вторым состоянием. В первом состоянии, переключатель 26 электрически связан с инвертором 24, и объемный расширитель-генератор 16 приводится в действие инвертором, при подаче мощности P_in на инвертор. Во втором состоянии, переключатель 26 электрически не связан с инвертором 24, а объемный расширитель-генератор 16 не приводится в действие инвертором. Однако во втором состоянии переключатель 26 электрически связан с электрической нагрузкой 30 к расширителю-генератору 16, вследствие чего электроэнергия, генерируемая расширителем-генератором 16, может быть использована для энергоснабжения электрической нагрузки 30.

Хотя настоящее изобретение описано как имеющее инвертор в качестве части системы управления для выборочного приведения в действие расширителя-генератора, в альтернативных вариантах воплощения может быть использовано любое подходящее приводное средство, такое как электродвигатель, для выборочного приведения в действие расширителя-генератора, причем переключатель определяет, способно ли приводное средство приводить в действие расширитель-генератор, или нет.

Также известно, что инвертор может быть использован в качестве выпрямителя в некоторых системах. Некоторые инверторы включают диоды «муфты свободного хода» на переключающих транзисторах, как правило, полупроводниках типа IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), которые позволяют приводной машине переходить в состояние свободного хода. Когда приводная машина генерирует мощность, известно, что диоды муфты свободного хода могут быть использованы для выпрямления электроэнергии переменного тока от машины и преобразование ее в электроэнергию постоянного тока. Такие системы, как было описано, включают направляющую постоянного тока, которая подает на инвертор, связанный с сетью, выходной сигнал электроэнергии, генерируемой в ТЭС-системе, для главного источника тока в жилом доме. Таким образом, можно приводить в действие спираль с использованием инвертора и использовать тот же инвертор для выпрямления трехфазного выходного сигнала переменного тока от расширителя-генератора, с получением постоянного тока, как только его генерирование станет пригодным для его инвертирования и подачи в однофазную сеть электропитания.

Сенсорное средство 28 пригодно для выявления одного или более режимов работы теплового двигателя 100. В одном варианте воплощения, система управления 22 дополнительно содержит средство обработки (не показано) для переключения переключателя 26 между первым и вторым состояниями, в ответ на ввод данных. Ввод может представлять собой ввод пользователем или автоматический ввод, такой как, например, ввод от сенсорного средства 28. В предпочтительном варианте воплощения средства обработки устанавливают для переключения переключателя 26, когда это отвечает заданному режиму работы, выявленному сенсорным средством 28. В дополнительном предпочтительном варианте воплощения сенсорное средство 28 содержит первое сенсорное средство и второе сенсорное средство, где первое сенсорное средство сконфигурировано для обнаружения скорости вращения объемного расширителя-генератора 16 и регулирования электрического тока, подаваемого на инвертор 24, вследствие чего, когда переключатель 26 находится в первом состоянии, поддерживается фиксированная скорость вращения. Второе сенсорное средство сконфигурировано для обнаружения электрического тока, подаваемого на инвертор. При выявлении вторым сенсорным средством того, что электрический ток, подаваемый на инвертор 24, является меньшим или равным заданному пороговому значению (например, примерно 0 A), это отвечает заданному режиму работы, и процессор переключает переключатель 26 между первым и вторым состояниями.

При запуске системы, расширитель-генератор 16 подключается к инвертору 24 посредством переключателя 26. Первоначально, инвертор 24 приводит в действие расширитель-генератор 16 при относительно медленной (например, примерно 800 оборотов в минуту), но фиксированной скорости вращения, по сравнению с рабочей скоростью расширителя-генератора 16 (например, 3600 оборотов в минуту). Когда расширитель-генератор 16 вращается, он не действует как закрытый клапан в контуре для рабочей текучей среды 12, и термодинамическая рабочая текучая среда может циркулировать по контуру 12. При запуске, эта схема приведения в действие позволяет теплу из испарителя 14 проходить по системе ОЦР 10/10', нагревая ее быстрее, чем имело бы место в случае, если бы расширитель-генератор 16 не вращался, или если бы система ОЦР 10/10' была бы нагрета через конденсатор 18 посредством низкотемпературного контура подогрева. Также, этот процесс быстро нагревает области системы ОЦР 10/10', которые являются горячими при рабочем состоянии прогона, а не при нагреве конденсатора 18, который при его рабочем состоянии прогона является более холодным. Поэтому рабочие состояния прогона системы ОЦР 10/10' достигаются быстрее.

Как только система ОЦР 10/10' была существенно нагрета, или как только был достигнут заданный уровень частичного охлаждения, можно включить насос 20 для повышения давления рабочей текучей среды и обеспечения подъема давления, повышая, таким образом, давление на входе расширителя-генератора 16. При наличии небольшого потока по контуру для рабочей текучей среды 12, вращающийся расширитель-генератор 16 действует как объемный насос, который эффективно снабжает насос 20 рабочей текучей средой. Это предохраняет насос 20 от работы всухую, минимизируя, таким образом, износ насоса и повышая срок службы насоса.

Когда поток рабочей текучей среды начнет приводить в действие расширитель-генератор 16, инвертору 24 потребуется придавать меньший крутящий момент, для поддержания фиксированной скорости вращения. Для поддержания почти фиксированной скорости, первое сенсорное средство выявляет скорость вращения расширителя-генератора 16 и регулирует электрический ток, подаваемый на инвертор 24, если скорость вращения слегка выше или ниже желаемой скорости вращения. Эта регулировка обратной связи для тока, подаваемого на инвертор 24, позволяет поддерживать скорость вращения расширителя-генератора почти постоянной на желаемом уровне.

Поскольку расширитель-генератор 16 начинает все больше и больше приводиться в действие циркулирующей рабочей текучей средой, а не инвертором 24, ток от инвертора 24 начинает падать. В точке, где расширитель-генератор 16 приводится в действие в основном рабочей текучей средой (которая приводится в действие насосом 20), ток, подаваемый на инвертор 24, будет падать до нулевого или до низкого уровня. Заданный режим работы, такой как, например, режим приравнивания тока инвертора или его понижения ниже заданного порогового значения, такого как 0 A, может определять «критическую точку переключения» для системы, вследствие чего переключатель 26 переключается из первого состояния во второе состояние. Переключение переключателя 26 может быть приведено в действие посредством процессора, когда это отвечает заданному режиму работы. В альтернативных вариантах воплощения, заданные режимы работы, отличные от режима тока инвертора, могут определять критическую точку переключения. Например, среди других возможных параметров, заданный режим работы, относящийся к крутящему моменту инвертора или к напряжению на инверторе, может быть использован для определения критической точки переключения. В других вариантах воплощения заданный режим работы может относиться к времени, истекшему после запуска системы.

Поскольку переключатель 26 переключается из первого состояния во второе, расширитель-генератор 16 быстро отсоединяется от инвертора 24 и соединяется с нагрузкой 30. Если была выбрана подходящая точка переключения (т.е. заданное состояние), расширитель-генератор 16 будет продолжать вращаться, благодаря циркуляции рабочей текучей среды, и будет генерировать электроэнергию W_e, которая поступает на нагрузку 30 через переключатель 26. Является важным переключать расширитель-генератор 16 в точке, где термодинамический поток через расширитель-генератор 16 является достаточным для поддержания его во вращающемся состоянии, сразу после отсоединения расширителя-генератора 16 от инвертора 24 и соединения его с нагрузкой 30. Сразу после переключения, расширитель-генератор 16 может быть ускорен до достижения его оптимальной рабочей скорости.

Особо предпочтительный и воспроизводимый способ критического переключения состоит в использовании заданного режима работы, который относится к перепаду давлений, генерируемому насосом 20. При первом включении насоса 20 при низкой скорости, он начинает вызывать подъем давления. Поскольку скорость насоса повышается, подъем давления также повышается. Существует минимальный подъем давления, который таков, что если инвертор отключается или отсоединяется от расширителя-генератора 16, расширитель-генератор 16 будет продолжать вращаться, благодаря подъему давления, порождаемому насосом 20. Это минимальное давление отображает самую раннюю критическую точку переключения. Если инвертор 24 отключается или отсоединяется от расширителя-генератора 16, когда давление рабочей текучей среды находится при минимальном давлении или выше него, расширитель-генератор 16 будет продолжать вращаться, благодаря циркуляции рабочей текучей среды.

Сам по себе переключатель 26 может представлять собой электромеханический трехполюсный переключатель для двух цепей (3PCO), переключатель типа твердотельного реле, полупроводниковый переключатель или любой другой подходящий переключатель, или сочетание переключателей, что позволяет избирательно соединять расширитель-генератор 16 с инвертором 24 и нагрузкой 30.

В альтернативном варианте воплощения изобретения расширитель и генератор расширителя-генератора 16 связаны друг с другом на общем валу, а насос 20 связан с расширителем-генератором 16 на том же общем валу, таким образом, чтобы насос 20 был расположен между расширителем и генератором. Является предпочтительным, чтобы расширитель-генератор 16 и насос 20 были теплоизолированы друг от друга, предпочтительно, посредством магнитной муфты.

В этом альтернативном варианте воплощения инвертор 24 может быть использован для приведения в действие расширителя-генератора 16 при запуске, перед образованием гидростатического напора. Из-за связи между собой расширителя-генератора 16 и насоса 20, вращение расширителя-генератора 16 также заставляет насос 20 вращаться и функционировать, и, таким образом, заставляет рабочую текучую среду циркулировать по контуру для рабочей текучей среды при скорости, пропорциональной скорости вращения расширителя-генератора 16 и насоса 20.

Поскольку давление рабочей текучей среды возрастает до минимального уровня, при котором для поддержания вращения расширителя-генератора 16 никакой движущей силы, передаваемой расширителю-генератору 16 инвертором 24, не требуется, требуемый ток инвертора 24 падает до нуля, и инвертор 24 может быть отключен или отсоединен от расширителя-генератора, поскольку давление рабочей текучей среды, генерируемое в испарителе 14, является достаточным, чтобы заставить расширитель-генератор 16 продолжить вращаться и, в свою очередь, привести в действие насос 20. Как и для первого варианта воплощения, описанного выше, сенсорное средство может быть использовано как часть системы обратной связи для снижения тока, подаваемого на инвертор 24, поскольку инвертор 24 требует меньше тока для поддержания вращения расширителя-генератора 16 почти при постоянной скорости, и средство обработки может быть использовано для переключения переключателя 26 таким образом, чтобы расширитель-генератор 16 отсоединился от инвертора 24 (или чтобы инвертор 24 отключился) и соединился с электрической нагрузкой 30, когда это отвечает заданному режиму. Средство обработки может функционировать на основе алгоритма управления, который учитывает параметры, измеренные сенсорным средством.

В любом варианте воплощения настоящее изобретение обладает преимуществом, состоящим в обеспечении подпрограммы запуска, которая обеспечивает то, чтобы насос 20 для рабочей текучей среды не работал при неблагоприятных ситуациях, которые вредны для срока службы и производительности насоса. Следовательно, чем меньше смазки потребуется в рабочей текучей среде, тем, следовательно, выше будет эффективность системы, и, в частности, выше будет электрический коэффициент полезного действия. Время запуска теплового двигателя, в соответствии с настоящим изобретением, фактически снижено, по сравнению с установками согласно уровню техники. Например, тепловой двигатель, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, пригоден для эксплуатации приблизительно при 90% от его полной допустимой мощности в течение 3 минут после запуска (из холодного состояния). При использовании только процедуры предварительного нагрева, типичному тепловому двигателю согласно уровню техники потребуется более 10 минут для достижения того же уровня эксплуатации. Предварительный нагрев двигателя перед эксплуатацией обладает преимуществом, состоящим в том, что как только его эксплуатация начинается, испаренная рабочая текучая среда не может затем сконденсироваться на поверхность контакта с холодными компонентами двигателя и выйти из строя, проникая насквозь к стороне системы ОЦР 10/10' с низким давлением. Это предохраняет насос 20 от нехватки рабочей текучей среды на стороне всасывания, что может произойти, если нагретая до газообразного состояния рабочая текучая среда попадет в холодный стационарный двигатель. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что предварительный нагрев может быть легко достигнут за счет электрического нагрева двигателя путем множества подходящих альтернативных способов.

Настоящее изобретение требует меньшего количества механических компонентов, по сравнению с тепловыми двигателями с использованием предварительных процедур нагрева, и, таким образом, общая стоимость системы согласно настоящему изобретению становится меньшей, а ее надежность повышается. Настоящее изобретение сводит на нет предыдущие требования для начального давления, обеспечиваемого насосом 20 для рабочей текучей среды, со снижением, таким образом, эксплуатационного износа, повышением эксплуатационных характеристик и повышением срока службы насоса 20. Дополнительно, при наличии точки переключения, которая определяется заданным режимом работы, появляется больше определенности в знании о том, когда начнется выработка электроэнергии расширителем-генератором 16. Кроме того, настоящее изобретение позволяет упростить протокол запуска, при условии отсутствия требуемых различий между «холодным запуском, когда система не работала в течение недавнего времени, и «горячим перезапуском», когда систему перезапускают.

На протяжении всего описания и формулы изобретения для этого описания изобретения, слова «включает» и «содержит» и их варианты означают «включает, но не ограничен этим», и они не предназначены для исключения (и не исключают) наличия других частей, добавок, компонентов, величин или этапов. На протяжении всего описания и формулы изобретения к этому описанию, единичное число охватывает множественное, если из контекста не следует иное.

Признаки, величины, характеристики, соединения, химические частицы или группы, описанные применительно к конкретной особенности, варианту воплощения или примеру изобретения, следует понимать как применимые для любой другой особенности, варианта воплощения или примера, описанного в настоящей работе, до тех пор, пока это не станет несовместимым. Все признаки, раскрытые в данном описании (включая любой из прилагаемых пунктов формулы изобретения, реферат и чертежи), и/или все этапы любого способа или процесса, раскрытого указанным образом, могут быть скомбинированы в любом сочетании, за исключением сочетаний, где, по меньшей мере, некоторые из таких признаков и/или этапов являются взаимоисключающими. Изобретение не ограничено деталями какого-либо из вышеописанных вариантов воплощения. Изобретение распространяется на любой новый из них, или на любое новое сочетание признаков, раскрытых в данном описании (включая любой из прилагаемых пунктов формулы изобретения, реферат и чертежи), или на любой новый признак, или на любое новое сочетание этапов любого способа или процесса, раскрытого указанным образом.

Внимание читателя обращается на все статьи и документы, которые поданы одновременно с настоящим описанием, или до него, применительно к данной заявке, и которые находятся в открытом доступе, наряду с настоящим описанием, и содержимое всех таких статей и документов включены в настоящую работу в виде ссылок.

Claims

1. Тепловой двигатель на основе органического цикла Рэнкина (ОЦР), содержащий:
контур для рабочей текучей среды, содержащий:
- испаритель для нагрева и испарения рабочей текучей среды;
- конденсатор для охлаждения и конденсации рабочей текучей среды; и
- объемный расширитель-генератор, имеющий вход, сообщающийся по текучей среде с испарителем, и выход, сообщающийся по текучей среде с конденсатором,
причем тепловой двигатель на основе ОЦР дополнительно содержит:
систему управления, связанную с объемным расширителем-генератором, содержащим переключатель и приводное средство, причем переключатель выполнен с возможностью переключения между первым состоянием и вторым состоянием,
при этом в первом состоянии переключатель связан с приводным средством и объемный расширитель-генератор приводится в действие приводным средством, а во втором состоянии переключатель не связан с приводным средством или приводное средство отключено и объемный расширитель-генератор не приводится в действие приводным средством;
причем система управления дополнительно содержит сенсорное средство для определения режима работы теплового двигателя на основе ОЦР и средство обработки для переключения переключателя между первым и вторым состояниями в ответ на ввод данных, при этом средство обработки связано с сенсорным средством и выполнено с возможностью переключения переключателя между первым и вторым состояниями, когда это отвечает заданному режиму работы;
причем заданный режим работы является режимом работы, при котором термодинамический поток через объемный расширитель-генератор является достаточным для поддержания его во вращающемся состоянии, сразу после отсоединения объемного расширителя-генератора от приводного средства и соединения с электрической нагрузкой.

2. Тепловой двигатель по п. 1, в котором контур для рабочей текучей среды дополнительно содержит насос для повышения давления рабочей текучей среды, циркулирующей по контуру для рабочей текучей среды.

3. Тепловой двигатель по п. 1, в котором сенсорное средство включает в себя первое сенсорное средство и второе сенсорное средство,
причем первое сенсорное средство сконфигурировано для выявления скорости вращения объемного расширителя-генератора и регулирования выходного сигнала приводного средства таким образом, чтобы, когда переключатель находится в первом состоянии, поддерживалась по существу фиксированная скорость вращения расширителя-генератора,
при этом второе сенсорное средство сконфигурировано для определения рабочего параметра приводного средства.

4. Тепловой двигатель по п. 1, в котором сенсорное средство включает в себя первое сенсорное средство и второе сенсорное средство,
причем первое сенсорное средство сконфигурировано для выявления скорости вращения объемного расширителя-генератора и регулирования выходного сигнала приводного средства таким образом, чтобы, когда переключатель находится в первом состоянии, поддерживалась по существу фиксированная скорость вращения расширителя-генератора,
при этом второе сенсорное средство сконфигурировано для определения рабочего параметра приводного средства,
причем заданный режим работы является установленным, когда выходной сигнал приводного средства является меньшим или равным заданному пороговому значению.

5. Тепловой двигатель по п. 2, в котором объемный расширитель-генератор содержит расширитель и генератор, каждый из которых находится на общем валу, и насос, связанный с расширителем-генератором на общем валу.

6. Тепловой двигатель по п. 1, в котором переключатель представляет собой электромеханический переключатель.

7. Тепловой двигатель по п. 6, в котором переключатель представляет собой электромеханический трехполюсный переключатель для двух цепей.

8. Тепловой двигатель по п. 1, в котором переключатель содержит одно или более твердотельных реле.

9. Тепловой двигатель по п. 1, в котором переключатель представляет собой полупроводниковый переключатель.

10. Тепловой двигатель по п. 1, в котором расширитель-генератор содержит спиральный расширитель.

11. Тепловой двигатель по п. 1, в котором расширитель-генератор содержит генератор с постоянными магнитами.

12. Тепловой двигатель по п. 1, в котором приводное средство содержит электродвигатель, а переключатель включает в себя муфту для соединения и отсоединения электродвигателя от расширителя-генератора.

13. Тепловой двигатель по п. 1, в котором приводное средство содержит инвертор.

14. Тепловой двигатель по п. 13, в котором инвертор сконфигурирован таким образом, чтобы он принимал мощность от шины постоянного тока и подавал трехфазный электрический ток на объемный расширитель-генератор, для приведения в действие объемного расширителя-генератора.

15. Тепловой двигатель по п. 13, в котором инвертор является переключаемым, действуя как выпрямитель, таким образом, чтобы, когда объемный расширитель-генератор генерирует трехфазный электрический ток, инвертор действовал как выпрямитель, для преобразования генерируемого трехфазного электрического тока в постоянный ток, для его подачи на шину постоянного тока.

16. Тепловой двигатель по п. 3, в котором приводное средство содержит инвертор, причем первое сенсорное средство сконфигурировано для регулирования выходного сигнала инвертора путем регулировки электрического тока, подаваемого на инвертор, при этом рабочий параметр инвертора, определяемый вторым сенсорным средством, представляет собой электрический ток, подаваемый на инвертор.

17. Тепловой двигатель по п. 16, в котором система управления дополнительно содержит средство обработки для переключения переключателя между первым и вторым состояниями в ответ на ввод данных,
причем система управления дополнительно содержит сенсорное средство для определения режима работы теплового двигателя на основе ОЦР, при этом средство обработки связано с сенсорным средством, а средство обработки сконфигурировано для переключения переключателя между первым и вторым состояниями, когда это отвечает заданному режиму работы,
причем заданный режим работы является установленным, когда электрический ток, подаваемый на инвертор, меньше или равен заданному пороговому значению.

18. Тепловой двигатель по п. 1, дополнительно содержащий регенератор-теплообменник, установленный для обеспечения теплообмена между рабочей текучей средой, выходящей из выхода объемного расширителя-генератора, и рабочей текучей средой, входящей в испаритель.

19. Электрическая система, содержащая тепловой двигатель на основе ОЦР по п. 1 и электрическую нагрузку, установленную таким образом, чтобы она была электрически связана с расширителем-генератором, когда переключатель находится во втором состоянии, вследствие чего электрическая нагрузка может получать энергоснабжение за счет электроэнергии, генерируемой расширителем-генератором.

20. Система управления для управления тепловым двигателем на основе ОЦР, содержащая:
инвертор;
переключатель, выполненный с возможностью переключения между первым состоянием и вторым состоянием;
сенсорное средство, связанное с переключателем и выполненное с возможностью определения режима работы теплового двигателя на основе ОЦР; и
средство обработки, связанное с сенсорным средством и выполненное с возможностью переключения переключателя между первым и вторым состояниями, когда это отвечает заданному режиму работы;
при этом в первом состоянии переключатель электрически связан с инвертором, а во втором состоянии переключатель электрически не связан с инвертором, вследствие чего, когда система управления соединена с тепловым двигателем, который содержит объемный расширитель-генератор, объемный расширитель-генератор приводится в действие инвертором, когда переключатель находится в первом состоянии, и объемный расширитель-генератор не приводится в действие инвертором, когда переключатель находится во втором состоянии;
причем заданный режим работы является режимом работы, при котором термодинамический поток через объемный расширитель-генератор является достаточным для поддержания его во вращающемся состоянии, сразу после отсоединения объемного расширителя-генератора от приводного средства и соединения с электрической нагрузкой.

21. Способ управления тепловым двигателем на основе ОЦР, при котором:
(i) обеспечивают тепловой двигатель на основе ОЦР по п. 1 переключателем, находящимся в первом состоянии;
(ii) приводят в действие приводное средство для приведения в действие объемного расширителя-генератора и, таким образом, осуществляют циркуляцию рабочей текучей среды по контуру для рабочей текучей среды;
(iii) переключают переключатель из первого состояния во второе состояние таким образом, чтобы расширитель-генератор был приведен в действие за счет циркуляции рабочей текучей среды, а не за счет приводного средства, и генерировал электроэнергию, причем средство обработки автоматически выполняет этап (iii), когда это отвечает заданному режиму работы.

22. Способ по п. 21, при котором контур для рабочей текучей среды теплового двигателя на основе ОЦР дополнительно содержит насос для повышения давления рабочей текучей среды, циркулирующей по контуру для рабочей текучей среды, при этом способ дополнительно содержит этап, на котором:
(iv) приводят в действие насос для повышения давления циркулирующей рабочей текучей среды перед выполнением этапа (iii).

23. Способ по п. 22, при котором объемный расширитель-генератор, принадлежащий тепловому двигателю на основе ОЦР, содержит расширитель и генератор, каждый из которых расположен на общем валу, а насос связан с расширителем-генератором, расположенным на общем валу, при этом этап (iv) выполняют одновременно с этапом (ii).

24. Способ по п. 21, при котором сенсорное средство содержит первое сенсорное средство и второе сенсорное средство,
причем первое сенсорное средство определяет скорость вращения объемного расширителя-генератора и регулирует выходной сигнал приводного средства таким образом, чтобы, когда переключатель находится в первом состоянии, поддерживалась бы по существу фиксированная скорость вращения расширителя-генератора,
при этом второе сенсорное средство определяет рабочий параметр приводного средства;
причем, когда выходной сигнал приводного средства меньше или равен заданному пороговому значению, устанавливается заданный режим работы.

25. Способ по п. 22, при котором сенсорное средство определяет подъем давления в рабочей текучей среде, производимый насосом, и заданный режим работы устанавливается, когда определяемый подъем давления больше или равен заданному пороговому значению.

26. Способ по п. 21, дополнительно включающий этап соединения расширителя-генератора с электрической нагрузкой через переключатель перед выполнением этапа (iii), причем вслед за этапом (iii) электроэнергию, генерируемую расширителем-генератором, подают на электрическую нагрузку через переключатель.

27. Способ по п. 21, при котором приводное средство содержит инвертор.