RU2795864C2

RU2795864C2 - Waste heat recovery system and method

Info

Publication number: RU2795864C2
Application number: RU2020144004A
Authority: RU
Inventors: Эрнесто НАСИНИ; Марко САНТИНИ; Фраческо БЕЛЛАНТОНЕ; Франческо КЬЕЗИ
Original assignee: НУОВО ПИНЬОНЕ ТЕКНОЛОДЖИ - С.р.л.
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2023-05-12

Abstract

FIELD: recovering waste heat.

SUBSTANCE: invention is related in particular to a composite closed Brayton thermal cycle system for recovering waste heat and a recovery method. The waste heat recovery system based on the Brayton cycle consists of a heater configured to circulate carbon dioxide vapor in heat exchange interaction with a hot fluid to heat the carbon dioxide vapor. The expander is connected to the heater and is configured to expand the carbon dioxide vapor.

EFFECT: compressor is configured to compress carbon dioxide vapor supplied through the refrigerator, and the heat exchanger is configured to circulate carbon dioxide vapor from the expander to the refrigerator in heat exchange interaction with carbon dioxide vapor from the compressor to the heater, moreover, the expander and compressor are mechanically connected volumetric devices.

15 cl, 10 dwg

Description

Область техникиTechnical field

[0001] Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, в целом относятся к области систем теплового цикла для рекуперации отходящего тепла, а в частности к составной замкнутой системе теплового цикла Брайтона для рекуперации отходящего тепла и способу рекуперации. [0001] The embodiments described herein generally relate to the field of heat cycle systems for recovering waste heat, and in particular to the composite Brayton closed loop system for recovering waste heat and the recovery method.

Уровень техникиState of the art

[0002] Огромные количества отходящего тепла генерируется самыми разнообразными промышленными и коммерческими процессами и операциями. Примеры источников отходящего тепла включают тепло от нагревательных узлов, паровых котлов, двигателей и систем охлаждения. Термин «отходящее тепло» включает в себя любое поступление остаточного тепла от первичных процессов, которые традиционно не используются в качестве источников энергии, включая, без ограничений, солнечную или геотермальную энергию.[0002] Huge amounts of waste heat are generated by a wide variety of industrial and commercial processes and operations. Examples of waste heat sources include heat from heating units, steam boilers, engines, and cooling systems. The term "waste heat" includes any residual heat from primary processes that are not traditionally used as energy sources, including, without limitation, solar or geothermal energy.

[0003] Некоторые системы генерирования энергии обеспечивают более высокую надежность и автономную работу с использованием альтернативных видов топлива, таких как биогаз или свалочный газ; примерами являются газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания, такие как микротурбины и поршневые двигатели. Двигатели внутреннего сгорания могут быть использованы для генерирования электричества с применением таких видов топлива, как бензин, природный газ, биогаз, растительное масло и дизельное топливо. Однако при этом могут выделяться загрязнители атмосферы, такие как оксиды азота, углекислый газ и твердые частицы.[0003] Some power generation systems provide higher reliability and autonomous operation using alternative fuels such as biogas or landfill gas; examples are gas turbines and internal combustion engines such as microturbines and reciprocating engines. Internal combustion engines can be used to generate electricity using fuels such as gasoline, natural gas, biogas, vegetable oil and diesel fuel. However, air pollutants such as nitrogen oxides, carbon dioxide and particulate matter may be released.

[0004] Одним из способов генерирования электричества из отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания без увеличения выбросов является применение парового цикла Ренкина с использованием отходящего тепла. Цикл Ренкина обычно включает турбогенератор, испаритель/бойлер, конденсатор и жидкостный насос. Однако паровые циклы Ренкина на основе воды не являются привлекательными в вышеупомянутой области низкой тепловой (а, следовательно, и электрической) мощности отходящего тепла из-за более высокой стоимости и необходимости непрерывного контроля в процессе работы. Пар, используемый в качестве рабочего тела, может быть оптимальным только для определенного диапазона температур и давлений цикла. В этом традиционном паровом цикле Ренкина с использованием отходящего тепла требуется конденсация при относительно низком давлении, что подразумевает большие объемы турбин и конденсаторов низкого давления. Таким образом, установка традиционной системы парового цикла Ренкина с использованием отходящего тепла является непропорционально громоздкой и сложной, учитывая относительно невысокую мощность и эффективность, производимые при использовании низкотемпературного отходящего тепла. Низкое давление конденсации пара создает другие сложности, такие как потребность в специальных деаэрационных установках для удаления атмосферного воздуха, который просачивается из окружающей среды внутрь аппаратов, находящихся под давлением ниже атмосферного.[0004] One way to generate electricity from the waste heat of an internal combustion engine without increasing emissions is to use the Rankine steam cycle using waste heat. The Rankine cycle typically includes a turbogenerator, an evaporator/boiler, a condenser and a liquid pump. However, water-based Rankine steam cycles are not attractive in the aforementioned area of low thermal (and hence electrical) waste heat output due to higher cost and the need for continuous monitoring during operation. The steam used as a working fluid may be optimal only for a certain range of temperatures and pressures of the cycle. This traditional Rankine steam cycle using waste heat requires condensation at relatively low pressure, which implies large volumes of low pressure turbines and condensers. Thus, the installation of a traditional Rankine steam cycle system using waste heat is disproportionately cumbersome and complex, given the relatively low power and efficiency produced by using low temperature waste heat. The low vapor condensing pressure creates other problems, such as the need for special deaeration units to remove atmospheric air that seeps from the environment into subatmospheric pressure vessels.

[0005] В случае органического цикла Ренкина (ORC), т.е. цикла Ренкина с применением органической текучей среды в качестве рабочего тела, производительность ограничивается несколькими факторами, такими как деградация и рабочие ограничения текучей среды, циркулирующей в ORC, вопросы охраны труда, окружающей среды и техники безопасности (ОТОСБ), касающиеся рабочего тела в связи с его химическим составом, и ограничения рабочего тела по теплообмену, что приводит к увеличению затрат на систему. Фактически, необходимость введения теплопередающей текучей среды, такой как диатермическое масло, снижает доступную энтальпию процесса и повышает сложность и стоимость установки.[0005] In the case of an organic Rankine cycle (ORC), i.e. Rankine cycle using an organic fluid as the working fluid, performance is limited by several factors such as degradation and operating limitations of the fluid circulating in the ORC, health, safety and environmental (HSE) issues related to the working fluid in connection with its chemical composition, and limitations of the working fluid in terms of heat transfer, which leads to an increase in the cost of the system. In fact, the need to introduce a heat transfer fluid, such as diathermic oil, reduces the available process enthalpy and increases the complexity and cost of the installation.

[0006] Было бы желательно иметь для практических задач малой мощности (0,1÷2 МВт) простую систему и способ эффективной рекуперации отходящего тепла, которые не имеют ограничений парообразного рабочего тела, циркулирующего в системе цикла Ренкина, с возможностью автоматической работы без обслуживающего персонала и необходимости контроля.[0006] It would be desirable to have, for low power (0.1÷2 MW) practical applications, a simple system and method for efficient waste heat recovery that does not have the limitations of the vaporous working fluid circulating in the Rankine cycle system, with the possibility of automatic operation without attendants and the need for control.

Краткое описание изобретенияBrief description of the invention

[0007] В соответствии с вариантом (-ами) осуществления, приведенными (-и) в настоящем документе, описаны система цикла рекуперации отходящего тепла и соответствующий способ. Пример системы цикла рекуперации тепла включает систему цикла Брайтона, содержащую нагреватель, выполненный с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой для нагрева пара диоксида углерода. В соответствии с примером осуществления, служащая примером система рекуперации отходящего тепла интегрирована (напрямую соединена) с источниками тепла для обеспечения более эффективной рекуперации отходящего тепла, преобразуемого в механическую энергию для генерирования электричества и/или механического применения, такого как приведение в действие насосов или компрессоров. Источники тепла могут включать двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, геотермальные, гелиотермальные, промышленные и бытовые источники тепла.[0007] According to the embodiment(s) provided herein, a waste heat recovery cycle system and method is described. An example of a heat recovery cycle system includes a Brayton cycle system comprising a heater configured to circulate carbon dioxide vapor in heat exchange interaction with a hot fluid to heat the carbon dioxide vapor. According to an exemplary embodiment, an exemplary waste heat recovery system is integrated (directly connected) with heat sources to provide more efficient recovery of waste heat converted into mechanical energy for electricity generation and/or mechanical applications such as driving pumps or compressors. Heat sources may include internal combustion engines, gas turbines, geothermal, solar thermal, industrial and domestic heat sources.

[0008] Таким образом, можно получить систему, которая обеспечивает:[0008] Thus, it is possible to obtain a system that provides:

[0009] высокоэффективное и экономичное решение (малогабаритное[0009] Highly efficient and economical solution (small

оборудование благодаря выбору CO2 в качестве рабочего тела) для преобразования отходящего тепла в механическую энергию, благодаря возможности прямого соединения (с большей разницей температур и, следовательно, более высокой эффективностью) рабочего тела с источником тепла, что невозможно осуществить в ORC из-за особенностей рабочего тела, таких как деградация и проблемы ОТОСБ; equipment due to the choice of CO2 as the working fluid) to convert waste heat into mechanical energy, thanks to the possibility of direct connection (with a larger temperature difference and therefore higher efficiency) of the working fluid with the heat source, which is not possible in ORC due to the nature of the working body, such as degradation and HSE issues;

[0010] безопасное и экологически приемлемое решение (CO2 не имеет проблем ОТОСБ); широкий эксплуатационный диапазон благодаря тому, что цикл предусматривает использование только одной фазы текучей среды, таким образом, на него не влияют условия окружающей среды, поскольку нет необходимости достигать конденсированной фазы при всех условиях окружающей среды, как это требуется в цикле Ренкина для рекуперации отходящего тепла с текучей средой в двух фазах;[0010] safe and environmentally friendly solution (CO2 has no HSE issues); wide operating range due to the fact that the cycle uses only one phase of the fluid, thus it is not affected by environmental conditions, since it is not necessary to reach the condensed phase at all environmental conditions, as is required in the Rankine cycle to recover waste heat from fluid medium in two phases;

[0011] решение, в котором не требуется конденсация, поэтому при высокой температуре окружающей среды оно по-прежнему подходит для охлаждения, что является существенным преимуществом благодаря меньшему размеру холодильников по сравнению с другими циклами Ренкина.[0011] A solution that does not require condensation, so it is still suitable for refrigeration at high ambient temperatures, which is a significant advantage due to the smaller size of coolers compared to other Rankine cycles.

[0012] Другое преимущество отсутствия конденсатора связано со схемой монтажа системы, поскольку нет необходимости как в рестрикциях и ограничениях, так и в специальных вспомогательных устройствах, таких как приемник горячего конденсата, сливной уклон, насосы с низким кавитационным запасом и т.д.[0012] Another advantage of not having a condenser is related to the system layout, since there is no need for restrictions and restrictions, as well as special ancillaries, such as a hot condensate receiver, drain slope, low NPSH pumps, etc.

[0013] Дополнительными преимуществами, связанными с настоящим[0013] Additional benefits associated with this

описанием, являются возможность построения установок Plug & Play на опорной раме с минимальным объемом действий на месте (ввод в эксплуатацию и испытание на месте работ); возможность эксплуатации источников отходящего тепла для выработки электроэнергии и/или в качестве механического привода в маломасштабных практических задачах (до 10 МВт) при соблюдении всех требований по охране окружающей среде, а также отсутствие воды в качестве кипящей текучей среды, которая требует присутствия оператора.description, are the possibility of building Plug & Play installations on a base frame with a minimum amount of work on site (commissioning and testing on site); the possibility of operating waste heat sources for power generation and/or as a mechanical drive in small-scale practical tasks (up to 10 MW) while meeting all environmental requirements, as well as the absence of water as a boiling fluid that requires the presence of an operator.

Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials

[0014] Настоящее описание станет более понятным из представленного ниже описания примеров осуществления, которые следует рассматривать в сочетании с прилагаемыми графическими материалами.[0014] The present description will become more apparent from the following description of exemplary embodiments, which should be read in conjunction with the accompanying drawings.

[0015] На Фиг. 1 представлена диаграмма T-S идеального цикла Брайтона.[0015] In FIG. 1 is a T-S diagram of an ideal Brayton cycle.

[0016] На Фиг. 2 представлен двигатель Брайтона.[0016] In FIG. 2 shows the Brayton engine.

[0017] На Фиг. 3 схематически показан модифицированный реальный цикл Брайтона в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.[0017] In FIG. 3 schematically shows a modified real Brayton cycle in accordance with the embodiments herein.

[0018] На Фиг. 4 представлена первая схема системы для рекуперации отходящего тепла в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.[0018] In FIG. 4 is a first diagram of a waste heat recovery system according to the embodiments herein.

[0019] На Фиг. 5 представлен пример конфигурации компрессора и детандера в системе в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.[0019] In FIG. 5 shows an example of a compressor and expander configuration in a system according to the embodiments herein.

[0020] На Фиг. 6 представлены примеры конфигураций комплектов[0020] In FIG. 6 shows examples of kit configurations

устройств, включающих одну или более муфт.devices comprising one or more couplings.

[0021] На Фиг. 7 представлены две конфигурации мотор-компрессора, приводимого в действие двигателем на СО2, в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.[0021] In FIG. 7 shows two configurations of a CO2 engine driven motor-compressor according to the embodiments herein.

[0022] На Фиг. 8 представлена блок-схема системы, используемой для распределения топлива.[0022] In FIG. 8 is a block diagram of a system used to distribute fuel.

[0023] На Фиг. 9 представлена структурная схема, иллюстрирующая операции способа в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.[0023] In FIG. 9 is a block diagram illustrating the operations of a method in accordance with the embodiments herein.

[0024] На Фиг. 10 представлена вторая схема системы для рекуперации отходящего тепла в соответствии с вариантами осуществления в настоящем документе.[0024] In FIG. 10 is a second diagram of a waste heat recovery system according to the embodiments herein.

Подробное описаниеDetailed description

[0025] В соответствии с первыми примерами осуществления, система рекуперации отходящего тепла на основе цикла Брайтона содержит нагреватель, выполненный с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой для нагрева пара диоксида углерода; детандер, соединенный с нагревателем и выполненный с возможностью расширения пара диоксида углерода; компрессор, выполненный с возможностью сжатия пара диоксида углерода, подаваемого через холодильник, и теплообменник, выполненный с возможностью осуществления циркуляции пара диоксида углерода из детандера в холодильник в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода, циркулирующего из компрессора в нагреватель, причем детандер и компрессор представляют собой механически соединенные устройства объемного действия, такие как, например, поршневые устройства, радиальные детандеры/компрессоры, осевые детандеры/компрессоры, винтовые детандеры/компрессоры, импульсные детандеры/компрессоры или их комбинации.[0025] According to the first embodiments, the Brayton cycle waste heat recovery system comprises a heater configured to circulate carbon dioxide vapor in heat exchange interaction with a hot fluid to heat the carbon dioxide vapor; an expander connected to the heater and configured to expand the carbon dioxide vapor; a compressor configured to compress carbon dioxide vapor supplied through the refrigerator, and a heat exchanger configured to circulate carbon dioxide vapor from the expander to the refrigerator in heat exchange interaction with carbon dioxide vapor circulating from the compressor to the heater, wherein the expander and compressor are mechanically coupled positive displacement devices such as, for example, piston devices, radial expanders/compressors, axial expanders/compressors, screw expanders/compressors, impulse expanders/compressors, or combinations thereof.

[0026] Для повышения КПД системы компрессор представляет собой многоступенчатый компрессор, содержащий множество последовательно расположенных ступеней компрессора, причем соответствующие межступенчатые теплообменники расположены между парами последовательно расположенных ступеней компрессора, при этом межступенчатые теплообменники выполнены с возможностью отвода тепла от сжатого пара диоксида углерода, циркулирующего от последовательных ступеней компрессора.[0026] To increase the efficiency of the system, the compressor is a multi-stage compressor containing a plurality of compressor stages arranged in series, wherein the respective inter-stage heat exchangers are located between pairs of successive compressor stages, while the inter-stage heat exchangers are configured to remove heat from the compressed carbon dioxide vapor circulating from the successive compressor stages.

[0027] Еще один вариант осуществления относится к способу рекуперации отходящего тепла, включающему циркуляцию пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой для нагрева пара диоксида углерода посредством нагревателя системы цикла Брайтона. Затем пар диоксида углерода сначала расширяют с помощью детандера, соединенного с нагревателем системы цикла Брайтона, а затем охлаждают с помощью холодильника. Затем пар диоксида углерода направляют в компрессор системы цикла Брайтона для сжатия, а затем он циркулирует из компрессора в нагреватель в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода из детандера для предварительного нагрева пара диоксида углерода. При этом этап сжатия включает сжатие пара диоксида углерода, циркулирующего в последовательных ступенях компрессора, после промежуточного охлаждения между ступенями для уменьшения мощности сжатия.[0027] Another embodiment relates to a waste heat recovery method comprising circulating carbon dioxide vapor in heat exchange interaction with a hot fluid to heat the carbon dioxide vapor via a Brayton cycle heater. The carbon dioxide vapor is then first expanded with an expander connected to a heater of the Brayton cycle system and then cooled with a condenser. The carbon dioxide vapor is then sent to the compressor of the Brayton cycle system for compression, and then it is circulated from the compressor to the heater in heat exchange interaction with the carbon dioxide vapor from the expander to preheat the carbon dioxide vapor. At the same time, the compression stage includes compressing the carbon dioxide vapor circulating in successive compressor stages after intermediate cooling between stages to reduce the compression power.

[0028] Идеальный цикл Брайтона содержит два изоэнтропийных и два изобарических процесса, как показано на диаграмме T-S, изображенной на Фиг. 1. Изобарические процессы относятся к нагреву и охлаждению технологической текучей среды, тогда как изоэнтропийные процессы относятся к расширению и сжатию технологической текучей среды.[0028] An ideal Brayton cycle contains two isentropic and two isobaric processes, as shown in the T-S diagram shown in FIG. 1. Isobaric processes refer to the heating and cooling of the process fluid, while isentropic processes refer to the expansion and contraction of the process fluid.

[0029] Как показано на Фиг. 2, на которой представлен пример двигателя Брайтона, технологическая текучая среда изоэнтропийно сжимается компрессором от точки 1 до точки 2 с помощью мощности сжатия Lc, изобарически нагревается от точки 2 до точки 3 нагревателем, обеспечивающим тепло Qin, изоэнтропийно расширяется детандером от точки 3 до точки 4, создающим мощность расширения Le, изобарически охлаждается от точки 4 до 1 холодильником с обменом тепла Qout.[0029] As shown in FIG. 2, which shows an example of a Brayton engine, the process fluid is compressed isentropically by the compressor from point 1 to point 2 with compression power Lc, heated isobarically from point 2 to point 3 by the heater providing heat Qin, isentropically expanded by the expander from point 3 to point 4 , which creates the expansion power Le, is cooled isobarically from point 4 to 1 by a refrigerator with heat exchange Qout.

[0030] Поскольку компрессор и детандер механически соединены, полезная мощность, которую способно произвести оборудование, составляет Ln=Le-Lc. КПД η представляет собой соотношение полезной мощности Ln и тепла Qin, которое может быть представлено как:[0030] Since the compressor and expander are mechanically connected, the useful power that the equipment is capable of producing is Ln=Le-Lc. The efficiency η is the ratio of useful power Ln and heat Qin, which can be represented as:

[0031] где T₁ и Т₂ - температура, соответственно, до и после сжатия, β - коэффициент сжатия p₂/p₁=р₃/р₄, ϕ=1-1/k, где k - отношение удельной теплоты технологической текучей среды при постоянном давлении С_р и постоянном объеме C_v.[0031] where T ₁ and T ₂ are the temperature, respectively, before and after compression, β is the compression ratio p ₂ /p ₁ =p ₃ /p ₄ , ϕ=1-1/k, where k is the ratio of the specific heat of the process fluid at constant pressure C _p and constant volume C _v .

[0032] Полезная мощность Ln может быть выражена как функция β и T₁, Т₃следующим образом:[0032] The useful power Ln can be expressed as a function of β and T ₁ , T ₃ as follows:

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

[0033] When differentiating, it can be shown that the maximum useful power is obtained when

[0034] Авторы изобретения обнаружили, что диоксид углерода в качестве технологической текучей среды по сравнению с другими газами, такими как N₂, Не, Ne, Ar, Хе, имеет очень хороший уровень соотношения «полезная мощность / мощность сжатия» Ln/Lc (0,716), но низкий КПД η (0,28). Например, азот имеет идеальный КПД 0,37, но низкий уровень соотношения Ln/Lc (0,343). У гелия еще больший идеальный КПД (0,47), но очень низкий уровень соотношения Ln/Lc (0,109). Это означает, что для получения 1 МВт полезной мощности требуется 1,4 МВт мощности сжатия (при идеальных условиях) с использованием СО₂ по сравнению с 2,9 МВт для азота и 9,2 МВт для гелия.[0034] The inventors have found that carbon dioxide as a process fluid, compared with other gases such as N ₂ , He, Ne, Ar, Xe, has a very good level of useful power / compression power ratio Ln / Lc ( 0.716), but low efficiency η (0.28). For example, nitrogen has an ideal efficiency of 0.37 but a low Ln/Lc ratio (0.343). Helium has an even higher ideal efficiency (0.47), but a very low Ln/Lc ratio (0.109). This means that 1.4 MW of compression power (under ideal conditions) using CO ₂ is required to produce 1 MW of usable power, compared to 2.9 MW for nitrogen and 9.2 MW for helium.

[0035] При переходе от идеальных условий к реальным работа сжатия увеличивается, а работа расширения уменьшается; таким образом, для низких значений Ln/Lc полезная мощность может составить очень низкий процент от работы сжатия или даже отрицательную величину. Отсюда выбор углекислого газа в качестве технологической текучей среды в вариантах осуществления в настоящем документе, предпочтительно с использованием средств, способных повысить КПД.[0035] When moving from ideal conditions to real conditions, the work of compression increases, and the work of expansion decreases; thus, for low values of Ln/Lc, the net power can be a very low percentage of the compression work, or even a negative value. Hence the choice of carbon dioxide as the process fluid in the embodiments herein, preferably using means capable of increasing efficiency.

[0036] Использование диоксида углерода в качестве рабочего тела имеет дополнительные преимущества: он негорючий, не вызывает коррозии, нетоксичен и способен выдерживать высокие температуры в цикле (например, выше 400 градусов Цельсия). Диоксид углерода также может быть нагрет до сверхкритического состояния до высоких температур без риска химического разложения.[0036] The use of carbon dioxide as the working fluid has the added benefit of being non-flammable, non-corrosive, non-toxic, and capable of withstanding high cycle temperatures (eg, above 400 degrees Celsius). Carbon dioxide can also be heated to the supercritical state at high temperatures without the risk of chemical decomposition.

[0037] Поскольку КПД представляет собой соотношение между полезной мощностью и теплом, которым технологическая текучая среда обменивается с горячим источником, в одной конфигурации КПД повышают за счет уменьшения такого тепла путем предварительного нагрева подаваемого компрессором диоксида углерода до достижения им нагревателя. Преимуществом является то, что этого можно достичь за счет использования части тепла, присутствующего в текучей среде, выходящей из детандера, т.е. путем использования так называемого регенератора, что будет объяснено ниже.[0037] Because efficiency is the ratio between net power and the heat that the process fluid exchanges with the hot source, in one configuration, efficiency is increased by reducing such heat by preheating the carbon dioxide supplied by the compressor to reach the heater. The advantage is that this can be achieved by using some of the heat present in the fluid exiting the expander, i.e. by using a so-called regenerator, which will be explained below.

[0038] В другой конфигурации КПД повышают путем уменьшения мощности сжатия за счет промежуточного охлаждения.[0038] In another configuration, the efficiency is increased by reducing the compression power due to intercooling.

[0039] Влияние комбинации двух конфигураций, которые очевидно могут существовать независимо друг от друга, показано на диаграмме T-S на Фиг. 3.[0039] The effect of the combination of two configurations, which obviously can exist independently of each other, is shown in the T-S diagram in FIG. 3.

[0040] Регенерация отражена на горизонтальной пунктирной линии от точки 4'г до точки 2'г, а охлаждение между ступенями компрессора представлено средней изобарой от точки 1'г до точки 1''г. Здесь изображен реальный цикл, в котором изоэнтропийные кривые, показанные на Фиг. 1, заменены наклонными (политропными) кривыми для учета того, что при реальном расширении и сжатии всегда происходит обмен некоторого количества тепла.[0040] Regeneration is represented by a horizontal dotted line from point 4'd to point 2'd, and cooling between compressor stages is represented by the middle isobar from point 1'd to point 1''d. Here is a real cycle in which the isentropy curves shown in FIG. 1 are replaced by sloping (polytropic) curves to take into account the fact that during real expansion and contraction, some heat is always exchanged.

[0041] На Фиг. 4 показана система рекуперации отходящего тепла в соответствии с примером осуществления.[0041] In FIG. 4 shows a waste heat recovery system according to an embodiment.

[0042] Нагреватель 16 соединен с источником тепла, например выхлопным устройством теплогенерирующей системы (например, двигателя). В процессе работы нагреватель 16 получает тепло от горячей текучей среды, например отработавшего газа, генерируемого из источника тепла, который нагревает пар диоксида углерода, проходящий через трубу, соединенную с нагревателем. В одном конкретном варианте осуществления пар диоксида углерода, выходящий из нагревателя 16, может находиться при первой температуре приблизительно 410 градусов Цельсия и при первом давлении приблизительно 260 бар. Выходя из нагревателя, горячий пар диоксида углерода идет в детандер 18 и проходит через него для расширения пара диоксида углерода. При расширении находящегося под давлением горячего пара диоксида углерода он вращает вал, который выполнен с возможностью приведения в действие первого генератора 26, который генерирует электроэнергию. При расширении пара диоксида углерода также происходит охлаждение и сброс давления по мере его расширения. Соответственно, в конкретном варианте осуществления пар диоксида углерода может выходить из детандера 18 при второй, более низкой температуре около 230 градусов Цельсия, и втором, более низком, давлении около 40 бар.[0042] The heater 16 is connected to a heat source, such as an exhaust device of a heat generating system (eg, an engine). In operation, heater 16 receives heat from a hot fluid such as exhaust gas generated from a heat source that heats carbon dioxide vapor passing through a pipe connected to the heater. In one particular embodiment, the carbon dioxide vapor exiting heater 16 may be at a first temperature of about 410 degrees Celsius and a first pressure of about 260 bar. Leaving the heater, the hot carbon dioxide vapor enters and passes through expander 18 to expand the carbon dioxide vapor. As the pressurized hot carbon dioxide vapor expands, it rotates a shaft which is configured to drive a first generator 26 which generates electricity. As the carbon dioxide vapor expands, it also cools and depressurizes as it expands. Accordingly, in a particular embodiment, carbon dioxide vapor may exit expander 18 at a second lower temperature of about 230 degrees Celsius and a second lower pressure of about 40 bar.

[0043] При рассмотрении конструкции детандера можно увидеть, что в одном варианте осуществления детандер имеет множество последовательно расположенных ступеней детандера. Каждая ступень детандера может иметь один или более детандеров, таких как поршневые детандеры, или может быть образована из них. В других вариантах осуществления каждая ступень детандера может включать в себя единственный объемный детандер. В качестве иллюстрации, но не ограничения, вариант осуществления, показанный на Фиг. 4, содержит две последовательно расположенные ступени детандера, обозначенные 181, 182, в котором каждая из ступеней детандера 181, 182 имеет один детандер.[0043] When considering the design of the expander, it can be seen that in one embodiment, the expander has a plurality of sequentially arranged expander stages. Each expander stage may have one or more expanders, such as piston expanders, or may be formed from them. In other embodiments, each expander stage may include a single volumetric expander. By way of illustration, and not limitation, the embodiment shown in FIG. 4 comprises two successive expander stages, designated 181, 182, in which each of the expander stages 181, 182 has one expander.

[0044] Продолжая описание рабочего цикла новой системы, отметим, что охлажденный диоксид углерода со сброшенным давлением, который по-прежнему находится при вторых температуре и давлении, проходит из единственного детандера 18 или последнего детандера 182 в холодильник 20 низкого давления (НД) и через него. Холодильник 20 НД выполнен с возможностью дополнительного переохлаждения пара диоксида углерода до третьей температуры (ниже первой температуры или второй температуры по отдельности или в совокупности), составляющей около 40-50°С. Пар диоксида углерода выходит из холодильника 20 НД и поступает и проходит через компрессор 22, который работает для сжатия и нагрева пара диоксида углерода до существенно более высокой четвертой температуры и четвертого давления. Одновременно следует отметить, что четвертое давление может быть приблизительно таким же или равным первому давлению, описанному выше. Таким образом, только в качестве примера, в одном варианте осуществления теперь дважды нагретый пар диоксида углерода, выходящий из компрессора 22, имеет четвертую температуру, равную приблизительно 110°С и четвертое давление, равное приблизительно 260 бар.[0044] Continuing to describe the operating cycle of the new system, cooled depressurized carbon dioxide, which is still at a second temperature and pressure, passes from the single expander 18 or the last expander 182 to the low pressure (LP) cooler 20 and through him. Refrigerator 20 ND is configured to additionally supercool carbon dioxide vapor to a third temperature (below the first temperature or the second temperature individually or in combination) of about 40-50°C. The carbon dioxide vapor exits the HP cooler 20 and enters and passes through a compressor 22 which operates to compress and heat the carbon dioxide vapor to a substantially higher fourth temperature and fourth pressure. At the same time, it should be noted that the fourth pressure may be approximately the same or equal to the first pressure described above. Thus, by way of example only, in one embodiment, the now doubly heated carbon dioxide vapor exiting compressor 22 has a fourth temperature of approximately 110° C. and a fourth pressure of approximately 260 bar.

[0045] Ниже представлено дополнительное описание компрессора 22. В одном варианте осуществления компрессор 22 может представлять собой многоступенчатый компрессор с промежуточным холодильником, расположенным между каждой ступенью многоступенчатого компрессора. Система может содержать множество последовательно расположенных ступеней компрессора, причем каждая ступень компрессора содержит один или более поршневых компрессоров. В некоторых вариантах осуществления каждая ступень компрессора может содержать единственный поршневой компрессор. Вариант осуществления, показанный на Фиг. 4, содержит две последовательно расположенные ступени компрессора, обозначенные 221, 222, каждая из которых содержит один компрессор.[0045] The following is a further description of compressor 22. In one embodiment, compressor 22 may be a multi-stage compressor with an intercooler located between each stage of the multi-stage compressor. The system may comprise a plurality of compressor stages arranged in series, with each compressor stage comprising one or more reciprocating compressors. In some embodiments, each compressor stage may comprise a single reciprocating compressor. The embodiment shown in FIG. 4 contains two consecutive compressor stages, designated 221, 222, each containing one compressor.

[0046] В схематическом представлении на Фиг. 4 две ступени компрессора 221, 222 образуют пару. Каждая пара противоположно расположенных ступеней компрессора приводится в действие общим валом. В одном варианте осуществления коробка передач соединяет различные валы с детандером 18. Конечно, возможны и другие конфигурации.[0046] In the schematic representation of FIG. 4, two compressor stages 221, 222 form a pair. Each pair of opposite compressor stages is driven by a common shaft. In one embodiment, the gearbox connects the various shafts to the expander 18. Of course, other configurations are possible.

[0047] Возобновляя рассмотрение рабочего цикла системы, вернемся к месту, где пар диоксида углерода входит в первую ступень 221 компрессора в точке 1r (при третьем давлении и третьей температуре, описанных выше) и выходит из указанной первой ступени 221 компрессора в точке 1'r. Путь 13 потока может проходить от выходной стороны ступени 221 компрессора до входной стороны ступени 222 компрессора. По пути 13 потока предусмотрен межступенчатый теплообменник или холодильник 15. Указанный межступенчатый холодильник обозначен ниже в настоящем документе как межступенчатый теплообменник 15. Следовательно, сжатый (теперь) пар диоксида углерода, протекающий по пути 13 потока, также протекает через межступенчатый теплообменник 15 и охлаждается охлаждающей текучей средой, например воздухом, который протекает через канал (не показан) по отдельному пути и через этот путь попадает в промежуточный теплообменник 15. В некоторых вариантах осуществления воздух может поступать в межступенчатый теплообменник 15 при температуре около 30°С и выходить из теплообменника 15 при температуре около 50-60°С, что означает, что воздух абсорбировал приблизительно 20°С+тепла из сжатого пара диоксида углерода, тем самым охлаждая (или по меньшей мере снижая температуру, которой пар диоксида углерода достигал бы в противном случае). Эти значения приведены только в качестве примера и не должны рассматриваться как ограничивающие объем объекта изобретения, описанного в настоящем документе.[0047] Resuming consideration of the operating cycle of the system, let's return to the place where carbon dioxide vapor enters the first compressor stage 221 at point 1r (at the third pressure and third temperature described above) and exits said first compressor stage 221 at point 1'r . The flow path 13 may extend from the outlet side of the compressor stage 221 to the inlet side of the compressor stage 222. An interstage heat exchanger or cooler 15 is provided along the flow path 13. Said interstage cooler is referred to hereinafter as the interstage heat exchanger 15. Therefore, the (now) compressed carbon dioxide vapor flowing through the flow path 13 also flows through the interstage heat exchanger 15 and is cooled by the cooling fluid. medium, such as air, which flows through a channel (not shown) along a separate path and enters the interstage heat exchanger 15 through this path. about 50-60°C, which means that the air has absorbed approximately 20°C+heat from the compressed carbon dioxide vapor, thereby cooling (or at least lowering the temperature that the carbon dioxide vapor would otherwise reach). These values are given by way of example only and should not be construed as limiting the scope of the subject matter described herein.

[0048] Теперь наполовину охлажденный диоксид углерода поступает во вторую ступень 222 компрессора и выходит из указанной ступени 222 компрессора в точке 2r.[0048] The now half-cooled carbon dioxide enters the second compressor stage 222 and exits said compressor stage 222 at point 2r.

[0049] В одном варианте осуществления система содержит теплообменник 17, также называемый регенератором, который выполнен с возможностью осуществления циркуляции части охлажденного, расширенного пара диоксида углерода при более низком давлении из детандера 18 в холодильник 20 НД таким образом, что происходит теплообменное взаимодействие по отношению к пару диоксида углерода, выходящего из компрессора 22 и поступающего в нагреватель 16 для обеспечения предварительного нагрева пара диоксида углерода до 160°С перед повторной подачей в нагреватель и запуском нового цикла.[0049] In one embodiment, the system comprises a heat exchanger 17, also referred to as a regenerator, which is configured to circulate a portion of the cooled, expanded carbon dioxide vapor at lower pressure from the expander 18 to the HP cooler 20 such that heat exchange interaction occurs with respect to a vapor of carbon dioxide leaving the compressor 22 and entering the heater 16 to preheat the carbon dioxide vapor to 160° C. before being re-fed to the heater and starting a new cycle.

[0050] Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, также относятся к двигателю с циклом Брайтона на СО₂, содержащему промежуточное охлаждение путем впрыскивания жидкости (например, воды или ее смесей) внутрь цилиндров сжатия.[0050] The embodiments described herein also relate to a CO ₂ Brayton cycle engine containing intercooling by injecting liquid (eg, water or mixtures thereof) into the compression cylinders.

[0051] В цилиндре компрессора двойного действия при движении поршня давление повышается на одном конце (например, поршневой полости) и уменьшается на другом конце. На противоположном ходе давление меняется в обратную сторону по формуле: Р * V^∧n=const. Температура повышается вместе с давлением по формуле TP^∧[(1-n)/n]=const.[0051] In a double-acting compressor cylinder, as the piston moves, the pressure rises at one end (eg, the piston chamber) and decreases at the other end. On the opposite course, the pressure changes in the opposite direction according to the formula: P * V ^∧ n=const. The temperature rises with the pressure according to the formula TP ^∧ [(1-n)/n]=const.

[0052] Таким образом, ограничение повышения температуры в цилиндре и, следовательно, ограничение соответствующего увеличения удельного объема и объемного расхода приведет к уменьшению работы сжатия (пропорциональной интегралу PdV) при повышении общего КПД цикла.[0052] Thus, limiting the temperature increase in the cylinder, and therefore limiting the corresponding increase in specific volume and volumetric flow, will reduce the work of compression (proportional to the PdV integral) while increasing the overall cycle efficiency.

[0053] Для ограничения повышения температуры в цилиндре и соответствующего увеличения удельного объема, распыленная жидкость (например, смесь воды) может впрыскиваться непосредственно в сторону активного действия цилиндра для уменьшения работы сжатия.[0053] To limit the temperature increase in the cylinder and the corresponding increase in specific volume, an atomized liquid (eg, a mixture of water) can be injected directly into the active side of the cylinder to reduce compression work.

[0054] Давление жидкости должно быть выше фактического давления газа, чтобы преодолеть сопротивление и способствовать распылению жидкости, тогда как температура распыляемой жидкости должна быть минимальной допустимой условиями окружающей среды. Расход жидкости таков, что ее парциальное давление после испарения всегда ниже давления ее пара, соответствующего ожидаемой температуре газа (т.е. температуре газа после охлаждения), для предотвращения каких-либо следов капель жидкости, которые могут представлять опасность для компонентов цилиндра (например, компрессорных клапанов). Впрыскиваемая жидкость после выхода из цилиндров сжатия включается в состав смеси, до охлаждения и конденсации в межступенчатом и конечном холодильнике. Затем впрыскиваемая жидкость сжимается насосом и впрыскивается повторно, т.е. работает в замкнутом контуре.[0054] The pressure of the liquid must be higher than the actual gas pressure in order to overcome the resistance and promote the atomization of the liquid, while the temperature of the atomized liquid must be the minimum allowable environmental conditions. The flow rate of the liquid is such that its partial pressure after evaporation is always lower than its vapor pressure corresponding to the expected gas temperature (i.e. gas temperature after cooling), in order to prevent any trace of liquid droplets that could be hazardous to cylinder components (for example, compressor valves). The injected liquid, after leaving the compression cylinders, is included in the composition of the mixture, before cooling and condensing in the interstage and final cooler. The injected liquid is then compressed by the pump and re-injected, i.e. works in a closed loop.

[0055] Энергопотребление жидкостного насоса пренебрежимо мало по сравнению с общим увеличением мощности системы.[0055] The power consumption of the fluid pump is negligible compared to the overall increase in system power.

[0056] Поскольку мольная доля пара жидкости в смеси с CO2 увеличивается с температурой смеси и уменьшается с давлением смеси, впрыск распыленной жидкости более эффективен при более низких давлениях и более высоких температурах. Таким образом, по мере увеличения ступеней сжатия необходимо тщательно оценивать применение впрыска распыленной жидкости.[0056] Since the mole fraction of liquid vapor in a CO2 mixture increases with mixture temperature and decreases with mixture pressure, atomized liquid injection is more efficient at lower pressures and higher temperatures. Thus, as the compression stages increase, the application of atomized fluid injection must be carefully evaluated.

[0057] На диаграмме T-s системы работа сжатия уменьшается благодаря снижению объемного расхода и повышению политропного КПД; увеличивается вся площадь цикла, а также общий КПД. Тепловая нагрузка межступенчатого холодильника не меняется, и меньшая средняя эффективная разность температур (EMTD) вследствие более низкой температуры смеси на входе теплообменника компенсируется увеличением общего коэффициента теплопередачи вследствие конденсации Н20 в смеси.[0057] In the T-s diagram of the system, the work of compression is reduced due to the reduction in volume flow and the increase in polytropic efficiency; the entire cycle area increases, as well as the overall efficiency. The heat load of the interstage cooler does not change, and the lower average effective temperature difference (EMTD) due to the lower mixture temperature at the heat exchanger inlet is compensated by the increase in the overall heat transfer coefficient due to the condensation of H20 in the mixture.

[0058] Схема описанного выше двигателя с циклом Брайтона на CO₂, содержащего промежуточное охлаждение, представлена на Фиг. 10. Встроенные сепараторные барабаны 23, 24 размещены ниже по потоку после межступенчатых теплообменников или холодильников 15, 20 для отделения и сбора конденсированной жидкости перед ее сжатием в насосе 25 для последующего повторного впрыска в ступени 221, 222 компрессора.[0058] A diagram of the intercooled CO ₂ Brayton cycle engine described above is shown in FIG. 10. Built-in separator drums 23, 24 are placed downstream of interstage heat exchangers or coolers 15, 20 to separate and collect condensed liquid before it is compressed in pump 25 for subsequent re-injection into compressor stages 221, 222.

[0059] Объемный детандер и объемный компрессор, образующие двигатель на диоксиде углерода, могут быть любого известного типа и механически соединены любым известным способом. Например, они могут представлять собой поршневые устройства, радиальные детандеры/компрессоры, осевые детандеры/компрессоры, винтовые детандеры/компрессоры, импульсные детандеры/компрессоры или их комбинации.[0059] The positive displacement expander and positive displacement compressor forming the carbon dioxide engine may be of any known type and mechanically connected in any known manner. For example, they may be piston devices, radial expanders/compressors, axial expanders/compressors, screw expanders/compressors, impulse expanders/compressors, or combinations thereof.

[0060] Пример показан на Фиг. 5. Здесь пара компрессор/детандер содержит первый цилиндр 51, в котором первый поршень 53 выполнен с возможностью скользящего перемещения. Дополнительно предусмотрен второй цилиндр 55, ориентированный под углом, например 90°, относительно цилиндра 51. Второй поршень 57 расположен с возможностью скольжения во втором цилиндре 55.[0060] An example is shown in FIG. 5. Here, the compressor/expander pair comprises a first cylinder 51 in which a first piston 53 is slidably movable. Additionally, a second cylinder 55 is provided, oriented at an angle, for example 90°, relative to the cylinder 51. The second piston 57 is slidably located in the second cylinder 55.

[0061] Первый шатун 59 соединяет первый поршень 53 с шатунной шейкой 61 коленчатого вала, образуя часть выходного вала 63. Коленчатый вал предпочтительно установлен в раме с возможностью вращения. Второй шатун 65 соединяет второй поршень 57 с тем же выходным валом 63. На выходном валу 63 может быть установлено маховое колесо 67. Таким образом, детандер и компрессор представляют собой механически соединенные устройства объемного действия, соединенные с возможностью передачи приводного усилия с по меньшей мере одной из указанных шатунных шеек, таким образом, что мощность, вырабатываемая двигателем Брайтона, приводит в движение по меньшей мере одно цилиндропоршневое устройство сжатия.[0061] The first connecting rod 59 connects the first piston 53 to the crankpin 61 of the crankshaft, forming part of the output shaft 63. The crankshaft is preferably rotatably mounted in the frame. A second connecting rod 65 connects a second piston 57 to the same output shaft 63. A flywheel 67 may be mounted on the output shaft 63. Thus, the expander and compressor are positive displacement mechanically coupled devices coupled with the possibility of transmitting a driving force to at least one of said connecting rod journals, such that the power generated by the Brayton engine drives at least one piston-cylinder compression device.

[0062] Мощность, доступная на выходном валу 63, может быть использована для приведения в действие электрического генератора или любого другого оборудования, например компрессорной линии, как описано в WO 2015/113951А1, который считается включенным в настоящий документ путем ссылки.[0062] The power available on output shaft 63 can be used to drive an electrical generator or any other equipment, such as a compressor line, as described in WO 2015/113951A1, which is hereby incorporated by reference.

[0063] Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, также относятся к двигателю с циклом Брайтона на CO₂, содержащему нагреватель 16, который в процессе работы выполнен с возможностью осуществления циркуляции и нагрева пара диоксида углерода посредством теплообмена с горячей текучей средой; пар диоксида углерода подают в детандер 18, соединенный с нагревателем 16 и выполненный с возможностью охлаждения и снижения давления пара диоксида углерода, который после этого сначала подают в теплообменник 17, затем в холодильник 20 НД, а затем в компрессор 22, выполненный с возможностью повышения давления и температуры пара диоксида углерода, подаваемого через холодильник. Теплообменник 17, также называемый регенератором, выполнен с возможностью осуществления циркуляции и предварительного охлаждения пара диоксида углерода из детандера в холодильник 20 НД в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода из компрессора в главный теплообменник 16 для обеспечения предварительного нагрева пара диоксида углерода до 160°С перед повторной подачей в главный теплообменник 16 и запуском нового цикла. Детандер и компрессор представляют собой механически соединенные устройства объемного действия, соединенные с возможностью передачи приводного усилия с по меньшей мере одной из указанных шатунных шеек, таким образом, что мощность, вырабатываемая указанным двигателем Брайтона, приводит в движение по меньшей мере одно цилиндропоршневое устройство сжатия, соединенное с шатунной шейкой.[0063] The embodiments described herein also relate to a CO ₂ Brayton cycle engine comprising a heater 16 that, in operation, is configured to circulate and heat carbon dioxide vapor by heat exchange with a hot fluid; carbon dioxide vapor is supplied to the expander 18 connected to the heater 16 and configured to cool and reduce the pressure of the carbon dioxide vapor, which is then first fed to the heat exchanger 17, then to the ND cooler 20, and then to the compressor 22, configured to increase the pressure and the temperature of the carbon dioxide vapor supplied through the condenser. The heat exchanger 17, also referred to as the regenerator, is configured to circulate and pre-cool the carbon dioxide vapor from the expander to the ND cooler 20 in heat exchange interaction with the carbon dioxide vapor from the compressor to the main heat exchanger 16 to preheat the carbon dioxide vapor to 160° C. before reheating. feeding into the main heat exchanger 16 and starting a new cycle. The expander and the compressor are mechanically coupled positive displacement devices coupled with the possibility of transmitting a driving force from at least one of the specified connecting rod journals, so that the power generated by the specified Brayton engine drives at least one cylinder-piston compression device connected with crank neck.

[0064] Варианты осуществления также относятся к способу эксплуатации двигателя Брайтона. Как показано на структурной схеме на Фиг. 9, операции этого способа включают этап циркуляции пара диоксида углерода через нагреватель системы цикла Брайтона, в котором происходит теплообмен между горячей текучей средой и паром диоксида углерода; затем следующий этап расширения пара диоксида углерода посредством детандера, соединенного с нагревателем системы цикла Брайтона, например от 260 бар±10% до 40 бар±15% в диапазоне температур от 400°С±15% до 230°С±15%; затем еще один этап охлаждения пара диоксида углерода из детандера посредством холодильника системы цикла Брайтона; затем еще один этап сжатия пара диоксида углерода, подаваемого через холодильник, посредством компрессора системы цикла Брайтона. Такой этап сжатия обычно выбирают таким образом, чтобы довести пар диоксида углерода от давления 40 бар±10% до 260 бар±15% в диапазоне температур от 50°С±15% до 110°С±15%. Затем осуществляют конечный этап по циркуляции пара диоксида углерода из компрессора в нагреватель в теплообменном взаимодействии с паром диоксида углерода из детандера для предварительного нагрева пара диоксида углерода, например от 110°С±15% до 160°С±15%.[0064] Embodiments also relate to a method of operating a Brayton engine. As shown in the block diagram in FIG. 9, the steps of this method include the step of circulating carbon dioxide vapor through the heater of the Brayton cycle system, in which heat exchange occurs between the hot fluid and the carbon dioxide vapor; then the next step of expanding the carbon dioxide vapor by means of an expander connected to the heater of the Brayton cycle system, for example from 260 bar±10% to 40 bar±15% in the temperature range from 400°C±15% to 230°C±15%; then another step of cooling the carbon dioxide vapor from the expander by means of a Brayton cycle cooler; then another step of compressing the carbon dioxide vapor supplied through the condenser by means of the compressor of the Brayton cycle system. This compression step is usually chosen to bring carbon dioxide vapor from 40 bar±10% to 260 bar±15% over a temperature range of 50°C±15% to 110°C±15%. Then, the final stage is carried out for the circulation of carbon dioxide vapor from the compressor to the heater in heat exchange interaction with carbon dioxide vapor from the expander to preheat the carbon dioxide vapor, for example from 110°C±15% to 160°C±15%.

[0065] В одном варианте осуществления этап сжатия осуществляют путем сжатия пара диоксида углерода, циркулирующих в последовательных ступенях компрессора после промежуточного охлаждения между ступенями для снижения мощности сжатия и, таким образом, повышения КПД.[0065] In one embodiment, the compression step is performed by compressing the carbon dioxide vapor circulating in successive compressor stages after interstage cooling to reduce compression power and thus increase efficiency.

[0066] Циркуляция пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой может преимущественно включать нагревание пара диоксида углерода источниками отходящего тепла, включая, например, двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, геотермальные, гелиотермальные, промышленные и бытовые источники тепла или т.п. Источники отходящего тепла могут нагревать диоксид углерода либо непосредственно, либо посредством вспомогательной текучей среды.[0066] Circulating the carbon dioxide vapor in heat exchange interaction with the hot fluid may advantageously include heating the carbon dioxide vapor by waste heat sources including, for example, internal combustion engines, gas turbines, geothermal, solar thermal, industrial and domestic heat sources, or the like. The waste heat sources may heat the carbon dioxide either directly or with an auxiliary fluid.

[0067] В альтернативном варианте осуществления циркуляция пара диоксида углерода в теплообменном взаимодействии с горячей текучей средой может включать нагревание пара диоксида углерода с помощью горелки. Это позволяет реализовать очень компактный и мощный двигатель на диоксиде углерода для применения в различных областях, таких как, например, сжатие текучей среды в распределителе топлива.[0067] In an alternative embodiment, circulating the carbon dioxide vapor in heat exchange interaction with the hot fluid may include heating the carbon dioxide vapor with a burner. This makes it possible to realize a very compact and powerful carbon dioxide engine for various applications such as, for example, fluid compression in a fuel distributor.

[0068] Идея настоящего описания может найти применение в нескольких областях. Пример относится к распределению топлива, как показано на Фиг. 8, где двигатель на С02 используют для приведения в действие компрессора сжатого природного газа (СПГ). Здесь нагреватель представляет собой камеру сгорания, в которую подается природный газ из трубопровода. Система является очень компактной и может быть легко упакована в ящик в различных конфигурациях, как, например, показано на Фиг. 7.[0068] The teachings of the present disclosure may find application in several areas. The example relates to fuel distribution as shown in FIG. 8 where a CO2 engine is used to drive a compressed natural gas (CNG) compressor. Here, the heater is a combustion chamber into which natural gas is supplied from a pipeline. The system is very compact and can be easily boxed in various configurations, as shown in FIG. 7.

[0069] На Фиг. 6 показаны другие возможные конфигурации комплектов устройств, включая одну или более муфт, в соответствии с описанием, например в US 2016/0341187А1, US 2016/0341188, US 2016/0348661, которые считаются частью настоящего описания.[0069] In FIG. 6 shows other possible configurations of device kits, including one or more couplings, as described in, for example, US 2016/0341187A1, US 2016/0341188, US 2016/0348661, which are considered part of this description.

[0070] Варианты осуществления настоящего изобретения могут содержаться в частях формулы изобретения, изложенных ниже, или в любой их комбинации.[0070] Embodiments of the present invention may be contained in the parts of the claims set forth below, or in any combination thereof.

[0071] Хотя в настоящем документе проиллюстрированы и описаны лишь некоторые признаки описанного варианта осуществления, специалистам в данной области будут очевидны многие модификации и изменения. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения должна охватывать все такие модификации и изменения, которые находятся в пределах истинной сущности настоящего описания.[0071] Although only some features of the described embodiment are illustrated and described herein, many modifications and changes will be apparent to those skilled in the art. Thus, it is to be understood that the appended claims are to cover all such modifications and alterations that are within the true spirit of the present disclosure.

[0072] Ссылка в данном описании на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены в по меньшей мере один вариант осуществления описанного объекта изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте осуществления», «в варианте осуществления» в различных местах по всему данному описанию не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики можно комбинировать любым приемлемым способом в одном или более вариантах осуществления. В описании примеров осуществления даны ссылки на сопроводительные графические материалы. Одинаковые номера позиций на различных рисунках обозначают те же самые или подобные элементы. Настоящее подробное описание не ограничивает настоящее изобретение. Вместо этого объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.[0072] Reference herein to "one embodiment" or "an embodiment" means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with an embodiment is included in at least one embodiment of the described subject matter. Thus, the appearance of the phrases "in one embodiment", "in an embodiment" in various places throughout this specification does not necessarily refer to the same embodiment of the invention. In addition, specific features, structures, or characteristics can be combined in any suitable manner in one or more embodiments. In the description of the exemplary embodiments, references are made to the accompanying drawings. Like reference numerals in different figures refer to the same or similar elements. The present detailed description does not limit the present invention. Instead, the scope of the present invention is defined by the appended claims.

Claims

1. Waste heat recovery system, comprising:

Brayton cycle system containing:

a heater (16) configured to circulate the carbon dioxide vapor in heat exchange interaction with the hot fluid to heat the carbon dioxide vapor;

an expander (18) connected to the heater (16) and configured to expand the carbon dioxide vapor; refrigerator (20);

a compressor (22) configured to compress the carbon dioxide vapor supplied through the condenser (20); And

heat exchanger (17) configured to circulate carbon dioxide vapor from expander (18) to cooler (20) in heat exchange interaction with carbon dioxide vapor from compressor (22) to heater (16),

in which the expander (18) and the compressor (22) are mechanically connected positive displacement devices,

characterized in that the compressor is a multi-stage compressor containing a plurality of successively arranged stages (221, 222) of the compressor, and the corresponding interstage heat exchangers (15, 20) are located between pairs of successively arranged compressor stages, while the interstage heat exchangers (15, 20) are made with the possibility of removing heat from the compressed steam of carbon dioxide circulating from successive stages of the compressor.

2. The system of claim 1 wherein the displacement devices are selected from the group consisting of: piston devices, radial expanders/compressors, axial expanders/compressors, screw expanders/compressors, impulse expanders/compressors, or combinations thereof.

3. System according to claim 1 or 2, in which the interstage heat exchangers (15, 20) are liquid cooled.

4. The system according to the preceding paragraph, containing separator drums (23, 24) located downstream after the interstage heat exchangers (15, 20) and configured to separate and collect condensed coolant; a pump (25) configured to compress the coolant from the separator drums (23, 24) and inject the compressed fluid into the compressor stages (221, 222).

5. A system according to claim 3 or 4, wherein the liquid is water or an aqueous mixture.

6. The system according to one of the preceding claims, in which the compressor and expander are configured to operate between the isobars 40 bar ± 10% and 260 bar ± 15% in the temperature range from 50 ° C ± 15% to 410 ° C ± 15% of the Brayton cycle .

7. The system according to one of the preceding claims, in which the compressor and expander are configured to operate in the range of entropy values from 1.5 kJ/(kg⋅K)±15% to 2.5 kJ/(kg⋅K)±15% .

8. The system according to one of the preceding claims, wherein the heater is configured to be connected to waste heat sources such as internal combustion engines, gas turbines, geothermal, solar thermal, industrial and domestic heat sources.

9. A system according to one of the preceding claims, wherein the heater is a burner to which fuel is supplied to realize a carbon dioxide engine.

10. A system according to one of the preceding claims, in which the expander is mechanically connected to the operating device, with or without clutches, to take the generated power.

11. A reciprocating compressor system, comprising:

frame;

a crankshaft rotatably mounted in said frame and consisting of a plurality of connecting rod journals;

at least one compressor, consisting of a compression cylinder and a compression piston reciprocating in it and connected with the possibility of transmitting a drive force to the corresponding one of the specified connecting rod journals; And

system according to one of the preceding paragraphs.

12. Waste heat recovery method, including:

circulating the carbon dioxide vapor in heat exchange interaction with the hot fluid to heat the carbon dioxide vapor by the Brayton cycle heater;

expansion of the carbon dioxide vapor by means of an expander connected to a heater of the Brayton cycle system;

cooling the carbon dioxide vapor from the expander by means of a Brayton cycle cooler;

compressing the carbon dioxide vapor supplied through the condenser by means of a compressor of the Brayton cycle system;

circulating carbon dioxide vapor from the compressor to the heater in heat exchange interaction with carbon dioxide vapor from the expander to preheat the carbon dioxide vapor,

characterized in that the compression step includes compressing the carbon dioxide vapor circulating in successive compressor stages after intermediate cooling between stages to reduce the compression power.

13. The method of claim 12, wherein the compression step comprises compressing carbon dioxide vapor from 40 bar±15% to 260 bar±15% over a temperature range of 50°C±15% to 110°C±15%.

14. The method according to claim 12 or 13, wherein the expansion comprises expanding carbon dioxide vapor from 260 bar±10% to 40 bar±15% over a temperature range of 400°C±15% to 230°C±15%.

15. The method according to one of paragraphs. 12-14, wherein the preheating comprises heating the carbon dioxide vapor from 110°C±15% to 160°C±15%.