УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА
DEVICE AND METHOD OF THERMODYNAMIC CYCLE

[0001] Данное изобретение относится к устройству и способу термодинамического цикла, который, в частности, можно использовать для хранения энергии и/или хранения отработанного тепла и преобразования отработанного тепла в полезную энергию.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В области производства электроэнергии часто бывает несоответствие между подачей электроэнергии и спросом на электроэнергию в данный момент времени.
[0003] В качестве примера, часто бывает более эффективно непрерывно поддерживать работу электростанций, в отличие от периодического приведения в действие для соответствия спросу. Однако, при условии, что спрос на электроэнергию постоянно колеблется (в частности, ночью, когда падение спроса существенно), подача электроэнергии от электростанции часто может превышать уровень спроса. В качестве другого примера, возобновляемые электрогенераторы часто генерируют колеблющиеся уровни энергии, из-за непредсказуемой и изменчивой природы возобновляемых источников (например, энергии ветра, энергии волн, интенсивности солнечного излучения, и т.д.), и этот изменяющийся во времени выход редко соответствует спросу. Таким образом, существует необходимость в системах накопления энергии, которые можно использовать для хранения энергии, получаемой электрогенераторами (например, когда спрос на такую энергию низок), а следовательно, пригодных для преобразования сохраненной энергии назад в электроэнергию (например, когда спрос возрастает).
[0004] Некоторые системы сохранения энергии известны, и они включают в себя системы, которые преобразуют электроэнергию в тепловую энергию, которую впоследствии сохраняют для дальнейшего использования.
[0005] Гидроэлектроэнергия гидроаккумулирующей системы (pumped-storage hydroelectricity, PSH) часто бывает наиболее эффективным решением по накоплению энергии, пригодным в крупном промышленном масштабе. Однако, для PSH требуется наличие гор или озера/водохранилища, для получения преимущества от его высокой эффективности преобразования энергии. Обсуждаются и другие крупномасштабные решения по накоплению энергии, хотя для них часто требуются другие географически ограниченные признаки (например, соляные пещеры), сложные криогенные установки и батареи (которые не только обладают ограниченным эффективным сроком службы, что делает их экономическую выгоду сомнительной, но также требует наличия среды с регулируемым климатом, которая добавляет паразитные потери и вызывает значительные проблемы для безопасности) или обладают высокой стоимостью, связанной с выводом из эксплуатации и утилизацией опасных материалов в конце срока службы.
[0006] Многие промышленные и коммерческие процессы порождают неиспользованную энергию в форме тепла. Способность к захвату этого отходящего тепла и преобразованию его в полезную мощность обладает как финансовыми преимуществами, так и преимуществами для окружающей среды. Поэтому, существует необходимость, как в сохранении энергии, так и в захвате отходящего тепла.
[0007] Задачей определенных вариантов воплощения настоящего изобретения является преодоление определенных недостатков, связанных с уровнем техники.
[0008] Задачей определенных вариантов воплощения настоящего изобретения является сохранение энергии и/или захват отходящего тепла и преобразование отходящего тепла в полезную энергию.
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ РАСКРЫТИЯ
[0009] В соответствии с аспектом настоящего изобретения обеспечен устройство термодинамического цикла, содержащий:
(i) первый резервуар, содержащий первую среду для хранения;
(ii) второй резервуар, содержащий вторую среду для хранения;
(iii) тепловой насос, имеющий холодную сторону, термически связанную с первым резервуаром, для охлаждения первой среды для хранения, и горячую сторону, термически связанную со вторым резервуаром, для нагрева второй среды для хранения;
(iv) первый термодинамический контур первого рабочего вещества, причем первый термодинамический контур содержит:
- первый испаритель для испарения первого рабочего вещества, для создания первого сжатого пара;
- первый расширитель, установленный для расширения первого сжатого пара; и
- первый конденсатор, установленный для конденсации первого рабочего вещества, полученного из первого расширителя, и для подачи первого рабочего вещества в первый испаритель, причем первый конденсатор термически связан с первым резервуаром;
(v) второй термодинамический контур второго рабочего вещества, причем второй термодинамический контур содержит:
- второй испаритель для испарения второго рабочего вещества, для создания второго сжатого пара, причем второй испаритель термически связан со вторым резервуаром;
- второй расширитель, установленный для расширения второго сжатого пара; и
- второй конденсатор, установленный для конденсации второго рабочего вещества, полученного из второго расширителя, и для подачи второго рабочего вещества во второй испаритель;
(vi) вспомогательное средство теплоподвода, термически соединенное с первым термодинамическим контуром, вследствие чего вспомогательный нагрев может вносить вклад в создание первого сжатого пара; и
(vii) вспомогательное средство теплоотвода, термически соединенное со вторым термодинамическим контуром, вследствие чего второе рабочее вещество может отдавать тепло вспомогательному теплопоглотителю;
в котором первый термодинамический контур является термически независимым от второго термодинамического контура, и устройство может использоваться в режиме загрузки, в режиме хранения и в режиме разгрузки;
причем в режиме загрузки тепловой насос приводят в действие для охлаждения первой среды для хранения и для нагрева второй среды для хранения;
в режиме хранения охлажденную первую среду для хранения хранят в первом резервуаре, а нагретую вторую среду для хранения хранят во втором резервуаре; и
в режиме разгрузки первый сжатый пар расширяют с помощью первого расширителя, и/или второй сжатый пар расширяют с помощью второго расширителя.
[0010] В определенных вариантах воплощения любой или оба из первого расширителя и второго расширителя может содержать что-либо одно из турбины, спирального расширителя, винтового расширителя, турбины Тесла или поршневого двигателя. Дополнительно или в качестве альтернативы, любой или оба из первого расширителя и второго расширителя может содержать расширитель-генератор для генерирования электричества.
[0011] Любой или оба из первого и второго термодинамического контура может включать в себя насос для циркуляции первого или второго рабочего вещества. Первый конденсатор может быть установлен для подачи первого рабочего вещества в первый испаритель через насос первого термодинамического контура, и/или второй конденсатор может быть установлен для подачи второго рабочего вещества во второй испаритель через насос второго термодинамического контура. Насос первого термодинамического контура и/или насос второго термодинамического контура можно выбрать из: центробежного насоса, шиберного насоса, героторного насоса, героллерного насоса, шестеренного насоса, диафрагменного насоса, поршневого насоса, плунжерного насоса, перистальтического насоса или лопастного насоса. Устройство может содержать множество насосов, где множество насосов установлено на общем валу. Любой или оба из первого расширителя и второго расширителя могут быть установлены на общем валу, который может представлять собой общий вал одного или более насосов.
[0012] Устройство может дополнительно содержать источник вспомогательного нагрева для обеспечения вспомогательного нагрева для первого термодинамического контура через вспомогательное средство теплоподвода. Источник вспомогательного нагрева может содержать один или более из: источника внешнего окружающего воздуха, источника воздуха внутри здания, тепла, выделяемого из системы кондиционирования или охлаждения воздуха, источника окружающей воды, источника, связанного с землей, геотермального источника, солнечного теплового источника, солнечного пруда, биологически активного источника тепла, отходящей теплоты от производственного процесса и отходящей теплоты от технологии генерирования энергии.
[0013] Устройство может дополнительно содержать вспомогательный теплопоглотитель для приема тепла от второго термодинамического контура через вспомогательное средство теплоотвода. Вспомогательный теплопоглотитель может содержать один или более из: источника внешнего окружающего воздуха, источника воздуха внутри здания, источника окружающей воды, источника, связанного с землей, и источников охлаждения отходов.
[0014] Второй термодинамический контур может содержать дополнительное вспомогательное средство теплоподвода так, чтобы дополнительный вспомогательный нагрев мог вносить вклад в создание второго сжатого пара. Устройство может дополнительно содержать дополнительный источник вспомогательного нагрева для обеспечения дополнительного вспомогательного нагрева для второго термодинамического контура через дополнительное вспомогательное средство теплоподвода.
[0015] Устройство может дополнительно содержать первый пароперегреватель между первым испарителем и первым расширителем, причем первый пароперегреватель установлен для перегрева первого рабочего вещества.
[0016] Устройство может дополнительно содержать второй пароперегреватель между вторым испарителем и вторым расширителем, причем второй пароперегреватель установлен для перегрева второго рабочего вещества.
[0017] Устройство может дополнительно содержать подогреватель между вторым конденсатором и вторым испарителем, причем подогреватель сконфигурирован для нагрева второго рабочего вещества.
[0018] Любая или обе из первой среды для хранения и второй среды для хранения может содержать герметизированный материал с обратимыми фазами или негерметизированный материал с обратимыми фазами.
[0019] Холодная сторона теплового насоса может быть термически связана с первым резервуаром первым теплопередающим контуром первого теплоносителя. Первая среда для хранения может содержать негерметизированный материал с обратимыми фазами, а первый теплоноситель может не смешиваться с первой средой для хранения.
[0020] Горячая сторона теплового насоса может быть термически связана со вторым резервуаром вторым теплопередающим контуром второго теплоносителя. Вторая среда для хранения может содержать негерметизированный материал с обратимыми фазами, а второй теплоноситель может не смешиваться со второй средой для хранения.
[0021] Первый резервуар может быть термически связан с конденсатором первого термодинамического контура третьим теплопередающим контуром третьего теплоносителя. Третий теплоноситель может быть тем же, что и первый теплоноситель.
[0022] Второй резервуар может быть термически связан с испарителем второго термодинамического контура четвертым теплопередающим контуром четвертого теплоносителя. Четвертый теплоноситель может быть тем же, что и второй теплоноситель.
[0023] В определенных вариантах воплощения тепловой насос может содержать холодильный контур хладагента. Холодильный контур может включать в себя холодильный компрессор, холодильный испаритель, холодильный конденсатор или газоохладитель и холодильный расширитель для расширения хладагента, в котором холодная сторона теплового насоса содержит холодильный испаритель, а горячая сторона теплового насоса содержит холодильный конденсатор или газоохладитель. Холодильный расширитель может содержать расширительный клапан для охлаждения или расширитель хадагента.
[0024] Первая среда для хранения и/или вторая среда для хранения может содержать жидкость, которая не имеет фазового перехода в ходе эксплуатации устройства при любом из режимов, - загрузки, хранения или разгрузки. Устройство может содержать средство для перемешивания и/или рециркуляции первой среды для хранения, для выравнивания температуры в первом резервуаре и сдерживания перекоса температур, и/или содержать средство для перемешивания и/или рециркуляции второй среды для хранения, для выравнивания температуры во втором резервуаре и сдерживания перекоса температур.
[0025] Первый резервуар и/или второй резервуар каждый может содержать исходный сосуд и вторичный сосуд. Первая среда для хранения может представлять собой жидкость, которая может перемещаться из исходного первого сосуда во вторичный первый сосуд, когда устройство функционирует в режиме загрузки, и может перемещаться из вторичного первого сосуда в исходный первый сосуд, когда устройство функционирует в режиме разгрузки. Вторая среда для хранения может представлять собой жидкость, которая может перемещаться из исходного второго сосуда во вторичный второй сосуд, когда устройство функционирует в режиме загрузки, и может перемещаться из вторичного второго сосуда в исходный второй сосуд, когда устройство функционирует в режиме разгрузки.
[0026] Устройство может дополнительно содержать один или более теплообменников, установленных в первом резервуаре и/или во втором резервуаре.
[0027] Устройство может дополнительно содержать дополнительное вспомогательное средство теплопоглощения, установленное таким образом, чтобы дополнительный вспомогательный теплопоглотитель, термически соединенный с ним, мог вносить вклад в конденсацию первого сжатого пара. Устройство может дополнительно содержать дополнительный вспомогательный теплопоглотитель, термически соединенный с дополнительным вспомогательным средством теплопоглощения.
[0028] Устройство может дополнительно содержать дополнительное средство накопления энергии, установленное для выведения энергии независимо от энергии, выведенной первым расширителем и вторым расширителем. Дополнительное средство накопления энергии может включать в себя конденсатор, батарею, маховик или другое нетермическое электрическое или механическое средство накопления энергии.
[0029] В определенных вариантах воплощения любой или оба из первого и второго термодинамического контура может содержать цикл Ренкина, цикл Лоренца или цикл Калины.
[0030] Любая или обе из первой и второй сред хранения может быть сконфигурирована для хранения при температуре от -50°C до 200°C или от -30°C до 100°C.
[0031] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, обеспечен способ эксплуатации устройства термодинамического цикла, содержащего:
(a) обеспечение устройства термодинамического цикла, содержащего:
(i) первый резервуар, содержащий первую среду для хранения;
(ii) второй резервуар, содержащий вторую среду для хранения;
(iii) тепловой насос, имеющий холодную сторону, термически связанную с первым резервуаром, для охлаждения первой среды для хранения, и горячую сторону, термически связанную со вторым резервуаром, для нагрева второй среды для хранения;
(iv) первый термодинамический контур первого рабочего вещества, причем первый термодинамический контур содержит:
- первый испаритель для испарения первого рабочего вещества, для создания первого сжатого пара;
- первый расширитель, установленный для расширения первого сжатого пара; и
- первый конденсатор, установленный для конденсации первого рабочего вещества, полученного из первого расширителя, и для подачи первого рабочего вещества в первый испаритель, причем первый конденсатор термически связан с первым резервуаром; и
(v) второй термодинамический контур второго рабочего вещества, причем второй термодинамический контур содержит:
- второй испаритель для испарения второго рабочего вещества, для создания второго сжатого пара, причем второй испаритель термически связан со вторым резервуаром;
- второй расширитель, установленный для расширения второго сжатого пара; и
- второй конденсатор, установленный для конденсации второго рабочего вещества, полученного из второго расширителя, и для подачи второго рабочего вещества во второй испаритель;
(b) эксплуатацию устройства в режиме загрузки приведения в действие теплового насоса для охлаждения первой среды для хранения и для нагрева второй среды для хранения;
(c) эксплуатацию устройства в режиме хранения путем хранения охлажденной первой среды для хранения в первом резервуаре и хранения нагретой второй среды для хранения во втором резервуаре;
(d) эксплуатацию устройства в первом режиме разгрузки путем использования вспомогательного источника нагрева, для создания первого сжатого пара в первом испарителе, расширения первого сжатого пара с помощью первого расширителя и конденсации первого рабочего вещества в первом конденсаторе; и
(e) эксплуатацию устройства во втором режиме разгрузки путем использования тепла из второго резервуара, для создания второго сжатого пара во втором испарителе, расширения второго сжатого пара и использования вспомогательного теплопоглотителя для конденсации второго рабочего вещества во втором конденсаторе;
в котором этапы (d) и (e) можно выполнять, как одновременно, так и независимо друг от друга.
[0032] Любой или оба из первого расширителя и второго расширителя может содержать что-либо одно из турбины, спирального расширителя, винтового расширителя, турбины Тесла или поршневого двигателя, причем турбина может (не обязательно) представлять собой радиальную турбину, осевую турбину или импульсную турбину.
[0033] Любой или оба из первого расширителя и второго расширителя может содержать расширитель-генератор для генерирования электричества.
[0034] Любой или оба из первого и второго термодинамического контура может включать в себя насос для циркуляции первого или второго рабочего вещества.
[0035] Способ может содержать использование насоса первого термодинамического контура для подачи первого рабочего вещества из первого конденсатора в первый испаритель и/или использование насоса второго термодинамического контура для подачи второго рабочего вещества из второго конденсатора во второй испаритель. Насос первого термодинамического контура и/или насос второго термодинамического контура можно выбрать из: центробежного насоса, шиберного насоса, героторного насоса, героллерного насоса, шестеренного насоса, диафрагменного насоса, поршневого насоса, плунжерного насоса, перистальтического насоса или лопастного насоса. Устройство может содержать множество насосов, где множество насосов установлено на общем валу. Любой или оба из первого расширителя и второго расширителя могут быть установлены на общем валу, который может включать или может не включать в себя один или более насосов.
[0036] Устройство может содержать источник вспомогательного нагрева для обеспечения вспомогательного нагрева для первого термодинамического контура через вспомогательное средство теплоподвода. Источник вспомогательного нагрева может содержать один или более из: источника внешнего окружающего воздуха, источника воздуха внутри здания, тепла, выделяемого из системы кондиционирования или охлаждения воздуха, источника окружающей воды, источника, связанного с землей, геотермального источника, солнечного теплового источника, солнечного пруда, биологически активного источника тепла, отходящей теплоты от производственного процесса и отходящей теплоты от технологии генерирования энергии.
[0037] Устройство может содержать вспомогательный теплопоглотитель, а способ содержит использование вспомогательного теплопоглотителя для приема тепла из второго термодинамического контура через вспомогательное средство теплоотвода. Вспомогательный теплопоглотитель может содержать один или более из: источника внешнего окружающего воздуха, источника воздуха внутри здания, источника окружающей воды, источника, связанного с землей, и источников охлаждения отходов. Второй термодинамический контур может содержать дополнительное вспомогательное средство теплоподвода так, чтобы дополнительный вспомогательный нагрев мог вносить вклад в создание второго сжатого пара. Устройство может содержать дополнительный вспомогательный источник нагрева, и способ может содержать использование тепла от источника вспомогательного нагрева, для внесения вклада в создание второго сжатого пара в любом из режимов, - загрузки, хранения, в первом режим или во втором режиме разгрузки.
[0038] Устройство может содержать первый пароперегреватель между первым испарителем и первым расширителем, а способ может содержать использование первого пароперегревателя для перегрева первого рабочего вещества.
[0039] Устройство может содержать второй пароперегреватель между вторым испарителем и вторым расширителем, а способ может содержать использование второго пароперегревателя для перегрева второго рабочего вещества.
[0040] Устройство может содержать подогреватель между вторым конденсатором и вторым испарителем, а способ может содержать использование подогревателя для нагрева второго рабочего вещества.
[0041] Любая или обе из первой среды для хранения и второй среды для хранения может содержать герметизированный материал с обратимыми фазами или негерметизированный материал с обратимыми фазами.
[0042] Первая среда для хранения может содержать негерметизированный материал, а способ может содержать хранение первой среды для хранения в виде взвеси или фрагментируемого твердого тела в конце эксплуатации режима загрузки.
[0043] Вторая среда для хранения может содержать негерметизированный материал, а способ может содержать хранение второй среды для хранения в виде взвеси или фрагментируемого твердого тела в конце эксплуатации второго режима разгрузки.
[0044] Холодная сторона теплового насоса может быть термически связана с первым резервуаром первым теплопередающим контуром первого теплоносителя. Первая среда для хранения может содержать негерметизированный материал с обратимыми фазами, а первый теплоноситель может не смешиваться с первой средой для хранения.
[0045] Горячая сторона теплового насоса может быть термически связана со вторым резервуаром вторым теплопередающим контуром второго теплоносителя. Вторая среда для хранения может содержать негерметизированный материал с обратимыми фазами, а второй теплоноситель может не смешиваться со второй средой для хранения.
[0046] Первый резервуар может быть термически связан с конденсатором первого термодинамического контура третьим теплопередающим контуром третьего теплоносителя. Третий теплоноситель может быть тем же, что и первый теплоноситель.
[0047] Второй резервуар может быть термически связан с испарителем второго термодинамического контура четвертым теплопередающим контуром четвертого теплоносителя. Четвертый теплоноситель может быть тем же, что и второй теплоноситель.
[0048] В определенных вариантах воплощения тепловой насос может содержать холодильный контур хладагента. Холодильный контур может включать в себя холодильный компрессор, холодильный испаритель, холодильный конденсатор или газоохладитель и холодильный расширитель для расширения хладагента, в котором холодная сторона теплового насоса содержит холодильный испаритель, а горячая сторона теплового насоса содержит холодильный конденсатор или газоохладитель. Холодильный расширитель может содержать расширительный клапан для охлаждения или расширитель хладагента.
[0049] Первая среда для хранения и/или вторая среда для хранения может содержать жидкость, которая не имеет фазового перехода в ходе эксплуатации устройства при любом из режимов, - загрузки, хранения или разгрузки.
[0050] Устройство может содержать средство для перемешивания и/или рециркуляции первой/второй среды для хранения, а способ может содержать перемешивание и/или рециркуляцию первой/второй среды для хранения, для выравнивания температуры в первом/втором резервуаре и сдерживания перекоса температур во время режима загрузки.
[0051] Первый резервуар и/или второй резервуар каждый может содержать исходный сосуд и вторичный сосуд.
[0052] В определенных вариантах воплощения первая среда для хранения может представлять собой жидкость, а способ может содержать перемещение первой среды для хранения из исходного первого сосуда во вторичный первый сосуд, когда устройство функционирует в режиме загрузки, и перемещение первой среды для хранения из вторичного первого сосуда в исходный первый сосуд, когда устройство функционирует в режиме разгрузки.
[0053] В определенных вариантах воплощения вторая среда для хранения может представлять собой жидкость, а способ может содержать перемещение второй среды для хранения из исходного второго сосуда во вторичный второй сосуд, когда устройство функционирует в режиме загрузки, и перемещение второй среды для хранения из вторичного второго сосуда в исходный второй сосуд, когда устройство функционирует в режиме разгрузки.
[0054] Устройство может содержать один или более теплообменников, установленных в первом резервуаре и/или во втором резервуаре.
[0055] Устройство может содержать дополнительное вспомогательное средство теплоотвода, установленное таким образом, чтобы дополнительный вспомогательный теплопоглотитель, термически соединенный с ним, мог вносить вклад в конденсацию первого сжатого пара. Устройство может содержать дополнительный вспомогательный теплопоглотитель, термически соединенный с дополнительным вспомогательным средством теплоотвода, и способ может содержать использование дополнительного вспомогательного теплопоглотителя для внесения вклада в конденсацию первого сжатого пара.
[0056] Первый термодинамический контур может содержать однопроходный теплообменник, и способ может содержать, при эксплуатации устройства в первом режиме разгрузки, выпуск первой среды для хранения через однопроходный теплообменник и допущение последующего расслаивания первой среды для хранения.
[0057] Второй термодинамический контур может содержать однопроходный теплообменник, и способ может содержать, при эксплуатации устройства во втором режиме разгрузки, выпуск второй среды для хранения через однопроходный теплообменник и допущение последующего расслаивания второй среды для хранения.
[0058] Устройство может содержать дополнительное средство накопления энергии, установленное для выведения энергии независимо от энергии, выведенной первым расширителем и вторым расширителем. Дополнительное средство накопления энергии может включать в себя конденсатор, батарею, маховик или другое нетермическое электрическое или механическое средство накопления энергии.
[0059] Способ может содержать использование дополнительное средство накопления энергии, для обеспечения выработки электрической энергии, до достижения энергией, выведенной посредством первого и/или второго режима разгрузки, заданной величины.
[0060] Способ может содержать приведение в действие первого расширителя и/или второго расширителя перед введением туда первого/второго рабочего вещества.
[0061] Устройство может содержать первый трубопровод, соединенный с входом первого расширителя, и способ может содержать создание избыточного давления в первом трубопроводе за счет газообразного первого рабочего вещества перед приведением в действие первого режима разгрузки.
[0062] Устройство может содержать второй трубопровод, соединенный с входом второго расширителя, и способ может содержать создание избыточного давления во втором трубопроводе за счет газообразного второго рабочего вещества перед приведением в действие второго режима разгрузки.
[0063] Любой или оба из первого и второго термодинамического контура может содержать цикл Ренкина, цикл Лоренца или цикл Калины.
[0064] Способ может содержать хранение любая или обе из первой и второй сред хранения при температуре от -50°C до 200°C, или от -30°C до 100°C в режиме хранения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0065] Варианты воплощения изобретения будут дополнительно описаны ниже, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
ФИГУРА 1 представляет собой схематическое представление устройства термодинамического цикла согласно варианту воплощения настоящего изобретения;
ФИГУРА 2 представляет собой схематическое представление устройства термодинамического цикла согласно альтернативному варианту воплощения настоящего изобретения;
ФИГУРА 3 представляет собой подробное представление устройства термодинамического цикла согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения;
ФИГУРА 4 представляет собой подробное представление устройства термодинамического цикла согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения;
ФИГУРА 5 представляет собой подробное представление устройства термодинамического цикла согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения;
ФИГУРА 6 представляет собой подробное представление устройства термодинамического цикла согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения;
ФИГУРА 7 представляет собой подробное представление устройства термодинамического цикла согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения;
ФИГУРА 8 представляет собой подробное представление устройства термодинамического цикла согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения;
ФИГУРА 9 представляет собой схематическое представление устройства термодинамического цикла согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения; и
ФИГУРА 10 представляет собой схематическое представление силовой электроники, которую можно использовать в вариантах воплощения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0066] Устройство 100 термодинамического цикла согласно варианту воплощения настоящего изобретения схематически показано на Фигуре 1. Устройство 100 термодинамического цикла содержит первый резервуар 2, содержащий первую среду для хранения, второй резервуар 3, содержащий вторую среду для хранения, и тепловой насос 1, имеющий холодную сторону, термически связанную с первым 2 резервуаром, для охлаждения первой среды для хранения, и горячую сторону, термически связанную со вторым 3 резервуаром для нагрева второй среды для хранения.
[0067] Как описано ниже в отношении дополнительных вариантов воплощения изобретения (показанных на Фигурах 3-8), тепловой насос 1 может представлять собой холодильный контур, включающий в себя холодильный компрессор 19, холодильный испаритель 20, холодильный конденсатор 21 и холодильный расширитель, который может присутствовать в форме расширительного клапана 22 (или расширителя хладагента) и содержать хладагент. В таких вариантах воплощения, холодная сторона теплового насоса 1 может содержать холодильный испаритель 20, а горячая сторона теплового насоса 1 может содержать холодильный конденсатор 21. В альтернативных вариантах воплощения, тепловой насос 1 может содержать подходящие альтернативные тепловой насосы и не обязательно ограничен конкретным тепловым насосом, описанным в настоящей работе применительно к Фигурам. Например, холодильный конденсатор 21 вышеописанного холодильного контура может представлять собой газоохладитель.
[0068] Устройство 100 термодинамического цикла дополнительно содержит первый 4 термодинамический контур первого рабочего вещества 23 и второй 5 термодинамический контур второго 24 рабочего вещества.
[0069] Первый термодинамический контур 4 содержит первый испаритель 9, первый расширитель 6 и первый конденсатор 7. В неограничивающих вариантах воплощения, показанных на Фигурах, первый термодинамический контур 4 включает в себя первый насос 8 для нагнетания первого рабочего вещества 23. Однако, в альтернативных вариантах воплощения могут быть обеспечены другие средства для циркуляции и создания перепада давления в первом рабочем веществе 23. Первый испаритель 9 установлен для испарения первого рабочего вещества 23, для создания первого сжатого пара. Первый расширитель 6 установлен для приема и расширения первого сжатого пара. В определенных вариантах воплощения первый расширитель 6 может представлять собой расширитель-генератор, пригодный для генерирования электрической энергии. В альтернативных вариантах воплощения, первый расширитель 6 может быть установлен для придания механической работы другим компонентам (например, валу). В определенных вариантах воплощения первый расширитель 6 может представлять собой осевую турбину, радиальную турбину, импульсную турбину (или другой тип турбины), спиральный расширитель, винтовой расширитель, турбину Тесла или поршневой двигатель. Первый конденсатор 7 установлен для конденсации первого рабочего вещества, полученного из первого расширителя 6 и подачи первого рабочего вещества 23 в первый испаритель 9 (через первый насос 8, в варианте воплощения, показанном на Фигуре 1), с завершением, таким образом, первого термодинамического контура 4. Первый конденсатор 7 термически связан с первым резервуаром 2, но первое рабочее вещество 23 отлично от первой среды для хранения, содержащейся в первом резервуаре 2.
[0070] Второй термодинамический контур 5 содержит второй испаритель 14, второй расширитель 11 и второй конденсатор 12. В неограничивающих вариантах воплощения, показанных на Фигурах, второй термодинамический контур 5 включает в себя второй насос 13 для нагнетания второго рабочего вещества 24. Однако, в альтернативных вариантах воплощения, могут быть обеспечены другие средства для циркуляции и создания перепада давления во втором рабочем веществе 24. Второй испаритель 14 установлен для испарения второго рабочего вещества 24, для создания второго сжатого пара. Второй испаритель 14 термически связан со вторым резервуаром 3, но второе рабочее вещество 24 отлично от второй среды для хранения, содержащейся во втором резервуаре 3. Второй расширитель 11 установлен для приема и расширения второго сжатого пара. В определенных вариантах воплощения второй расширитель 11 может представлять собой расширитель-генератор, пригодный для генерирования электрической энергии. В альтернативных вариантах воплощения, второй расширитель 11 может быть установлен для придания механической работы другим компонентам (например, валу). В определенных вариантах воплощения второй расширитель 11 может представлять собой радиальную турбину, осевую турбину, импульсную турбину (или другой тип турбины), спиральный расширитель, винтовой расширитель, турбину Тесла или поршневой двигатель. Второй конденсатор 12 установлен для конденсации второго рабочего вещества 24, полученного из второго расширителя 11, и подачи второго рабочего вещества 24 во второй испаритель 14 (через второй насос 13, в варианте воплощения, показанном на Фигуре 1).
[0071] Устройство 100 термодинамического цикла по Фигуре 1 включает в себя источник 10 вспомогательного нагрева, который термически соединен с первым термодинамическим контуром 4 через вспомогательное средство теплоподвода, вследствие чего вспомогательный нагрев может проходить от источника вспомогательного нагрева к первому рабочему веществу 23 и вносить вклад в создание первого сжатого пара. Источник 10 вспомогательного нагрева обеспечивает энергию для испарения первого рабочего вещества 23. В определенных вариантах воплощения источник 10 вспомогательного нагрева может представлять собой обильный и легкодоступный источник тепла, который может (не обязательно) представлять собой окружающий или природный источник тепла, такой как воздух, воздух внутри здания или жилого дома, течение реки, источник канала воды, от источника, связанного с землей, солнечные пруды, резервуары и озера, и т.п., тепло, отведенное из существующего контура кондиционирования или охлаждения воздуха, или отходящая теплота очень низкой марки. Сразу после извлечения тепла из источника 10 вспомогательного нагрева, результирующее охлаждение может быть использовано для охлаждения внутри здания или жилого дома. Например, если источник 10 вспомогательного нагрева представляет собой воздух внутри здания или жилого дома, тепло может быть извлечено из воздуха, а охлажденный воздух может быть возвращен внутрь здания или жилого дома, что, таким образом, действует как система кондиционирования воздуха.
[0072] Дополнительно, устройство 100 термодинамического цикла по Фигуре 1 включает в себя вспомогательный теплопоглотитель 15, который термически соединен со вторым термодинамическим контуром 5 через вспомогательное средство теплоотвода, вследствие чего второе рабочее вещество 24 может отдавать тепло вспомогательному теплопоглотителю 15. Вспомогательные средства теплоподвода и/или вспомогательные средство теплоотвода могут представлять собой теплообменники или любые другие подходящие средства для перемещения тепловой энергии, соответственно, между первым и вторым рабочим веществом 23,24 и источником 10 вспомогательного нагрева и вспомогательным теплопоглотителем 15. Вспомогательный теплопоглотитель 15 обеспечивает средство для отведения тепла из второго рабочего вещества 24 после выхода второго расширителя 11, где такие потери тепла вносят вклад (по меньшей мере, частично) в конденсацию второго рабочего вещества 24. В определенных предпочтительных вариантах воплощения, вспомогательный теплопоглотитель 15 в идеале имеет настолько низкую температуру, насколько это возможно, и обладает большой способностью к поглощению тепла. Примеры подходящих вспомогательных теплопоглотителей 15 включают в себя, но не ограничены окружающими или природными источниками тепла, такими как воздух, воздух внутри здания или жилого дома, течение реки, источник канализированной воды, источник, связанный с землей, и резервуары и озера, и т.п.. В вариантах воплощения, где в качестве вспомогательного теплопоглотителя 15 используют воздух внутри здания или жилого дома, воздух впоследствии нагревается, и его можно возвращать в здание или в жилой дом для обеспечения нагрева внутри него. В таких вариантах воплощения, устройство 100 может отчасти служить в качестве нагревателя пространства для здания или жилого дома.
[0073] В определенных вариантах воплощения первый термодинамический контур 4 является термически независимым от второго термодинамического контура 5 в той степени, в которой отсутствуют средства для обмена теплом между ними.
[0074] Устройство 100 термодинамического цикла может использоваться в режиме загрузки, в режиме хранения и в режиме разгрузки. В режиме загрузки, тепловой насос 1 приводят в действие для охлаждения первой среды для хранения в первом резервуаре 2 и нагрева второй среды для хранения во втором резервуаре 3. То есть, обеспечена энергия (например, электрическая и/или механическая) для приведения в действие теплового насоса 1. Энергия, подаваемая к тепловому насосу 1, является энергией, предназначенной для аккумулирования устройством 100. В режиме хранения, охлажденную первую среду для хранения хранят в первом резервуаре, а нагретую вторую среду для хранения хранят во втором резервуаре. Первый и/или второй резервуары 2,3 могут быть термически изолированы для снижения тепловых потерь из них во время режима хранения. В режиме разгрузки первый сжатый пар расширяют с помощью первого расширителя 6, и/или второй сжатый пар расширяют с помощью второго  расширителя 11. Таким образом, энергию можно вводить в устройство 100 термодинамического цикла в режиме загрузки, сохранять в режиме хранения и выпускать, когда потребуется, в режиме разгрузки, за счет эксплуатации любого или обоих из первого расширителя 6  и второго расширителя 11. То есть, первый режим разгрузки может позволить разгружать первый резервуар 2 (при эксплуатации первого термодинамического контура 4, и в частности, первого расширителя 6), а второй режим разгрузки может позволить разгружать второй резервуар (при эксплуатации второго термодинамического контура 5, и в частности, второго расширителя 11), где первый режим разгрузки и второй режим разгрузки можно использовать вместе или по отдельности друг от друга. Если первый расширитель 6 и/или второй расширитель 11 представляют собой расширители-генераторы, электрическую энергию можно восстанавливать из устройства 100. В альтернативных вариантах воплощения, энергию можно восстанавливать в различных формах (например, в виде механической энергии).
[0075] Тепловое взаимодействие между первым конденсатором 7 и первым резервуаром 2 приводит к снижению температуры первого термодинамического контура 4, определяемой по температуре первого резервуара 2. Поскольку первый резервуар 2 охлаждается тепловым насосом 1 в режиме загрузки, холодный первый резервуар 2 содействует конденсации первого рабочего вещества 23 в первом режиме разгрузки. Источник 10 вспомогательного нагрева обеспечивает энергию для испарения первого рабочего вещества 23, а в варианте воплощения по Фигуре 1 определяет верхнюю температуру первого 4 термодинамического контура.
[0076] Тепловое взаимодействие между вторым резервуаром 3 и вторым испарителем 14 позволяет перемещать тепло от второго резервуара 3 ко второму испарителю 14, содействуя испарению второго рабочего вещества 24, при работе во втором режиме разгрузки. В варианте воплощения, показанном на Фигуре 1, верхняя температура второго термодинамического контура 5 будет определяться температурой второго резервуара 3 (которая будет повышаться тепловым насосом 1 при работе в режиме загрузки). Нижняя температура второго термодинамического контура 5 определяется вспомогательным теплопоглотителем 15.
[0077] Первый термодинамический контур 4 и/или второй термодинамический контур 5 может содержать контур, допускающий эксплуатацию любого подходящего термодинамического цикла, включая, но не ограниченного, цикл Ренкина, цикл Лоренца или цикл Калины.
[0078] Фигура 2 показывает вариант 200 устройства 100 термодинамического цикла по Фигуре 1 согласно альтернативному варианту воплощения настоящего изобретения. Устройство 200 по Фигуре 2 идентичен устройству 100 по Фигуре 1, но дополнительно включает в себя первый 16 пароперегреватель, второй 17 подогреватель и второй 18 пароперегреватель.
[0079] Первый 16 пароперегреватель расположен в первом 4 термодинамическом цикле между первым испарителем 9 и первым расширителем 6. Первый пароперегреватель 16 установлен для подачи тепла первому рабочему веществу 23 после того, как оно покидает первый испаритель 9 и перед тем, как его расширяют с помощью первого расширителя 6. Тепло, обеспечиваемое первым пароперегревателем 16, может представлять собой отходящую теплоту или поступать из вторичного источника тепла.
[0080] Второй подогреватель 17 расположен во втором термодинамическом контуре 5 между вторым конденсатором 12 и вторым испарителем 14 (а точнее, между вторым насосом 13 и вторым испарителем 14). Второй подогреватель 17 установлен для подогрева второго рабочего вещества 24 перед тем, как оно попадает во второй испаритель 14. Второй подогреватель 17 может использовать отходящую теплоту или может представлять собой вторичный источник тепла.
[0081] Второй пароперегреватель 18 расположен во втором термодинамическом контуре 5 между вторым испарителем 14 и вторым расширителем 11. Второй пароперегреватель 18 установлен для нагрева второго рабочего вещества 24 после того, как он покинул второй испаритель 14 и перед тем, как его расширяют с помощью второго расширителя 11. Тепло, обеспечиваемое вторым пароперегревателем 18, может представлять собой отходящую теплоту или поступать из вторичного источника тепла.
[0082] Дополнительные варианты воплощения согласно настоящему изобретению описаны ниже со ссылкой на Фигуры 3-9. Во всех описанных вариантах воплощения, одинаковые номера ссылок соответствуют одинаковым компонентам и признакам.
[0083] Фигура 3 показывает устройство 300 термодинамического цикла согласно варианту воплощения настоящего изобретения. В варианте воплощения по Фигуре 3, герметизированные материалы с обратимыми фазами (phase change materials, PCM) используют в качестве первой и второй среды хранения, соответственно в первом и во втором резервуаре 2,3. PCM пригодны для хранения или передачи тепла при относительно постоянной температуре, поскольку PCM меняет фазу с жидкой на твердую, или наоборот.
[0084] Первый («холодная сторона») PCM в первом резервуаре 3 представляет собой герметизированный материал с обратимыми фазами, вследствие чего первое рабочее вещество 23 не входит непосредственно в контакт с PCM, а PCM не вымывается из первого резервуара 2 в ходе эксплуатации. Герметизация сконфигурирована таким образом, чтобы она предусматривала хороший тепловой контакт первого рабочего вещества 23 с PCM-материалом (например, несколько герметизированных сфер, плоских пластин, пакетов труб, сот, и т.д.) и существенно не препятствовала потоку первого рабочего вещества 23 через первый резервуар 2 в ходе эксплуатации. В этом варианте воплощения, первый резервуар 2 также служит в качестве первого 7 конденсатора.
[0085] Перед эксплуатацией в режиме загрузки, клапан 27 устанавливают для отклонения первого рабочего вещества 23 к холодильному испарителю 20 из первого резервуара 2, при функционировании первого 8 насоса. PCM холодной стороны на этой стадии будет полностью жидким, если первый резервуар 2 был полностью опорожнен (т.е., за счет использования первого режима разгрузки) в ходе его первой эксплуатации, и является предпочтительным, чтобы она находилась при своей температуре плавления, хотя в некоторых конфигурациях она может быть слегка выше температуры плавления.
[0086] Второй («горячая сторона») PCM во втором 3 резервуаре представляет собой герметизированный материал с обратимыми фазами, вследствие чего второе рабочее вещество 24 не входит непосредственно в контакт с PCM, а PCM не перемещается из второго резервуара 3 в ходе эксплуатации. Герметизация сконфигурирована так, что она предусматривает хороший тепловой контакт второго 24 рабочего вещества с PCM-материалом (например, несколько герметизированных сфер, плоских пластин, пакетов труб, сот, и т.д.) и существенно не препятствует течению второго 24 рабочего вещества через второй резервуар 3 в ходе эксплуатации. В этом варианте воплощения, второй резервуар 3 также служит в качестве второго испарителя 14.
[0087] Перед работой в режиме загрузки, необязательные изоляционные клапаны 40 и 42 могут быть открыты (если имеются), а необязательные изоляционные клапаны 41 и 43 могут быть закрыты (если имеются). Необязательные трехходовые клапаны 32 и 33 могут быть установлены для отклонения второго 24 рабочего вещества лишь в холодильный конденсатор 21, либо в подходящее местоположение, если через теплообменник 31 также должен использоваться некоторый дополнительный источник тепла из второго резервуара 3 (когда насос 29 функционирует для циркуляции второго 24 рабочего вещества). PCM горячей стороны на этой стадии будет полностью твердым, если второй резервуар 3 был полностью опорожнен (т.е., при эксплуатации второго режима разгрузки) в ходе его предыдущей эксплуатации, и с тех пор через теплообменник 31 не было добавлено никакого дополнительного тепла. Является предпочтительным, чтобы PCM горячей стороны находился при своей температуре плавления, хотя в некоторых конфигурациях она может быть слега ниже точки плавления.
[0088] При работе в режиме загрузки тепловой насос 1 соединен с источником электрической или механической энергии и снабжается электропитанием для приведения в действие холодильного компрессора 19. Он нагнетает газообразный хладагент в тепловом насосе 1 и повышает его температуру перед его попаданием в холодильный конденсатор 21. Следовательно, тепло подается во второе рабочее вещество 24, которое подвергается циркуляции насосом 29 через другую сторону холодильного конденсатора 21. Отдавая тепло второму рабочему веществу 24, хладагент конденсируется в жидкую фазу. Жидкофазный хладагент затем попадает в расширительный клапан 22, который снижает его давление и соответственно его точку кипения. Хладагент, попадающий в испаритель 20 хладагента, закипает, поскольку он извлекает тепло из первого рабочего вещества 23, циркулирующего через другую сторону испарителя 20 хладагента посредством насоса 8.
[0089] Является предпочтительным, хотя это и не является необходимым, чтобы устройство 300 работало в режиме загрузки, пока весь PCM холодной стороны не затвердеет. Это можно выявить по заметному падению температуры первого рабочего вещества 23, поскольку тепло, извлекаемое из первого рабочего вещества 23, больше не исходит из скрытой теплоты плавления PCM холодной стороны.
[0090] Представляется возможным, но не существенным, регулировать массу PCM горячей стороны во втором резервуаре 3 таким образом, чтобы при затвердевании всего PCM холодной стороны, весь PCM горячей стороны одновременно расплавился. В определенных вариантах воплощения (например, предусматривающих накопление необязательной отходящей теплоты и ее восстановление из альтернативных источников), масса PCM горячей стороны может превышать такое «настроенное» значение, не воздействуя никоим образом на быстродействие системы.
[0091] В определенных вариантах воплощения режим загрузки может прерывать работу при, или до достижения точки, в которой весь PCM холодной стороны затвердевает, вследствие чего никакая энергия не задействуется для придания «ощутимого охлаждения» PCM холодной стороны. Таким образом, на тепловом насосе 1 может поддерживаться фиксированный перепад температур, а следовательно, коэффициент полезного действия, с обеспечением, таким образом, конструкции теплового насоса 1 и выбора хладагента, оптимизированного для единственного рабочего режима.
[0092] Когда устройство 300 функционирует в режиме хранения, тепловой насос 1 не работает и не является компонентом в первом 4 термодинамическом контуре.
[0093] Если устройство 300 функционирует исключительно как система накопления энергии, без восстановления дополнительных источников тепла, во втором 5 термодинамическом контуре не будет работать ни один компонент.
[0094] Если имеются дополнительные источники тепла, второй резервуар 3 может непрерывно загружаться за счет установления необязательных трехходовых клапанов 32 и 33 в таких позициях, в которых работа насоса 29 позволяет отклонять второе рабочее вещество 24 через теплообменник 31, позволяя использовать непрерывно или периодически источник тепла во время эксплуатации режима хранения.
[0095] Разгрузку горячей и холодной стороны системы можно осуществлять независимо друг от друга или одновременно, в зависимости от местной потребляемой мощности. То есть, первый режим разгрузки может позволить разгружать первый резервуар 2, а второй режим разгрузки может позволить разгружать второй резервуар 3. Первый и второй расширители 6,11 могут находиться в состоянии покоя перед эксплуатацией соответствующих режимов разгрузки, или они могут быть приведены в действие так, чтобы они находились при своей рабочей скорости перед введением, соответственно, первого и второго рабочего вещества 23,24. В некоторых применениях может потребоваться мгновенное энергоснабжение, и этого можно достигнуть путем использования емкостного накопителя 53, который может быть включен в управляющую/силовую электронику 52, для обеспечения мгновенной подачи питания (см. Фигуру 10). В альтернативных вариантах воплощения, могут быть обеспечены другие дополнительные нетермические средства накопления, которые могут быть, например, механическими или электрическими. Например, дополнительное нетермическое средство накопления энергии может представлять собой маховик или батарею.
[0096] Перед приведением в действие первого режима разгрузки, трехходовой клапан 27 размещают таким образом, чтобы эксплуатация насоса 8 позволяла отклонять первое рабочее вещество 23 через первый испаритель 9.
[0097] При эксплуатации первого режима разгрузки, насос 8 нагнетает первое рабочее вещество 23 из первого резервуара 2 в первый испаритель 9, где оно нагревается и испаряется за счет источника тепла. В определенных неограничивающих вариантах воплощения, источник тепла, термически соединенный с первым 9 испарителем, может представлять собой окружающий или природный источник тепла. Первое рабочее вещество 23 затем проходит через необязательный теплообменник 36 (если имеется) для приема любого остаточного тепла от второго рабочего вещества 24, поскольку оно покидает второй расширитель 11 (если также функционирует второй режим разгрузки). Это может привести к дополнительному нагреву газообразного первого рабочего вещества 23 (например, к его перегреву), или, в качестве альтернативы, может привести к повышению температуры, при которой первое рабочее вещество 23 испаряется, за счет вдавливания жидкости/пара в теплообменник 36 (если это термодинамически выгодно) до определенного уровня, до того, как оно попадет в первый расширитель 6.
[0098] Перед попаданием в первый расширитель 6, первое рабочее вещество 23 может проходить через необязательный теплообменник 16, если имеется дополнительный источник тепла 30. Это также может приводить к нагреву газообразного первого рабочего вещества 23 (например, к его перегреву), или, в качестве альтернативы, может привести к повышению температуры, при которой первое рабочее вещество 23 испаряется за счет вдавливания жидкости/пар в теплообменник 16 (если это термодинамически выгодно) до определенного уровня, до того, как оно попадет в первый расширитель 6.
[0099] Газообразное первое рабочее вещество 23 попадает в первый расширитель 6 и из-за перепада давлений на первом расширителе 6 (который задается давлением конденсации в первом резервуаре 2 и в источнике тепла, используемом для испарения первого рабочего вещества 23), первое рабочее вещество 23 приводит в действие первый расширитель 6, поскольку он расширяется, с преобразованием, таким образом, энергии, извлеченной из источника тепла в первом испарителе 9 (и, - необязательно, в теплообменниках 36 и 16), в электрическую или механическую энергию.
[00100] Первое рабочее вещество 23 покидает первый расширитель 6 в газообразном состоянии и возвращается в первый резервуар 2, где оно входит в контакт с герметизированный PCM холодной стороны и конденсируется, поскольку PCM поглощает скрытую теплоту, требуемую для этого. Этот процесс постепенно расплавляет PCM холодной стороны с разгрузкой первого резервуара 2.
[00101] Первый режим разгрузки может функционировать для частичного или полного расплавления PCM холодной стороны, и еще для обеспечения запуска эксплуатации следующего режима загрузки с PCM холодной стороны, еще и при его температуре замерзания. В качестве альтернативы, может быть предпочтительным продолжать исполнять первый режим разгрузки и после того, как расплавится весь PCM холодной стороны, если еще будет генерироваться значительная мощность. Тогда это означает, что тепловой насос 1 будет функционировать в температурном диапазоне в ходе следующей эксплуатации режима загрузки. В любом случае, указание на то, что PCM холодной стороны полностью расплавился, может быть получено путем измерения повышения температуры первого рабочего вещества 23 в первом резервуаре 2 или на выходе из него.
[00102] Перед эксплуатацией второго режима разгрузки, необязательные изоляционные клапаны 41 и 43 могут быть открыты (если имеются). Необязательные изоляционные клапаны 40 и 42 могут быть закрыты (если имеются), если в ходе эксплуатации второго режима разгрузки отсутствует какой-либо дополнительный теплоподвод через теплообменник 31. Если имеются дополнительные источники тепла, то второй резервуар 3 можно непрерывно загружать путем регулирования необязательных трехходовых клапанов 32 и 33. В частности, необязательные трехходовые клапаны 32 и 33 могут быть установлены в таких положениях, чтобы использование насоса 29 позволяло отклонять второе рабочее вещество 24 через теплообменник 31 (необязательные изоляционные клапаны 40 и 42 можно оставить открытыми). Это позволяет использовать постоянный (не обязательный) источник тепла в ходе эксплуатации второго режима разгрузки, а следовательно, позволяет одновременно загружать и разгружать второй резервуар 3, без использования теплового насоса 1.
[00103] При эксплуатации второго режима разгрузки, открытие клапана 41 создает падение давления во втором 3 резервуаре, где второе рабочее вещество 24 было накоплено в состоянии насыщения при давлении, установленном по температуре плавления (или температура близка к этой точке) PCM горячей стороны. Падение давления, таким образом, стимулирует закипание второго 24 рабочего вещества, а следовательно, извлечение тепла из PCM горячей стороны, для преодоления скрытой теплоты испарение второго 24 рабочего вещества, требуемой для этого.
[00104] Между выходом из второго резервуара 3 и попаданием во второй расширитель 11, газообразное второе рабочее вещество 24 может проходить через необязательный теплообменник 18, если имеется дополнительный источник тепла. Это также может приводить к дополнительному нагреву газообразного второго 24 рабочего вещества (например, к добавлению перегрева), или, в качестве альтернативы, это можно использовать для повышения температуры, при которой второе рабочее вещество 24 испаряется, за счет вдавливания жидкости/пара в этот теплообменник 18 (если это термодинамически выгодно) до определенного уровня, перед его попаданием во второй расширитель 11.
[00105] Газообразное второе рабочее вещество 24 попадает во второй расширитель 11 и из-за перепада давлений на втором 11 расширителе (заданным давлением конденсации второго 24 рабочего вещества во втором конденсаторе 12 и в источнике тепла, используемым для испарения второго 24 рабочего вещества), второе рабочее вещество 24 приводит в действие второй расширитель 11, с его расширением, и преобразует энергию, извлеченную из второго резервуара 3 (и, необязательно, - теплообменника 18), в электрическую или механическую энергию.
[00106] При выходе из второго 11 расширителя, второе рабочее вещество 24 еще остается газообразным и может попадать в необязательный теплообменник 36, где оно может обмениваться любым остаточным теплом, которое может быть термодинамически выгодным для первого рабочего вещества 23 (если также задействован первый режим разгрузки). Необязательный теплообменник 36 отсутствует в вариантах воплощения, в которых первый 4 термодинамический контур термически независим от второго 5 термодинамического контура.
[00107] Второе рабочее вещество 24 затем попадает во второй 12 конденсатор (действуя как вспомогательное средство теплоотвода), где оно конденсируется вспомогательным теплопоглотителем 15.
[00108] В качестве альтернативы, если это является термодинамически выгодным, устройство 300 может быть сконфигурирован так, чтобы второе рабочее вещество 24 конденсировалось в необязательном теплообменнике 36, а затем переохлаждалось во втором конденсаторе 12.
[00109] Сконденсированное рабочее вещество 24 горячей стороны затем втягивается в сторону всасывания насоса 13 и нагнетается назад в теплоаккумулятор 3 горячей стороны через необязательный теплообменник 17, где альтернативный/отработанный источник тепла 30 может подогревать рабочее вещество 24, при его наличии. Этот процесс продолжается, с постепенным затвердеванием PCM горячей стороны при поглощении тепла рабочим веществом 24 горячей стороны из него при испарении.
[00110] Эксплуатацию второго режима разгрузки можно осуществлять для частичного или полного отверждения PCM горячей стороны, а также для обеспечения запуска следующей эксплуатации режима загрузки с PCM горячей стороны, находящимся при своей температуре плавления, или в некоторых обстоятельствах может быть предпочтительным применение второго режима разгрузки до тех пор, пока не будет достигнута точка, при которой затвердевает весь PCM горячей стороны, если еще может генерироваться достаточная мощность. Последний вариант означает, что тепловой насос 1 будет работать в температурном диапазоне в ходе следующей эксплуатации режима загрузки. В любом случае, указание на то, что PCM горячей стороны полностью затвердел, может быть получено по измеримому падение температуры второго 24 рабочего вещества во втором 3 резервуаре или на выходе из него.
[00111] Фигура 4 показывает устройство 400 термодинамического цикла согласно варианту воплощения настоящего изобретения.
[00112] Первый теплоноситель 25 используют для осуществления термического связывания и теплообмена между тепловым насосом 1 и первым 2 резервуаром, а также первым 2 резервуаром и первым 7 конденсатором. Дополнительно, второй теплоноситель 28 используют для осуществления термического связывания и теплообмена между тепловым насосом 1 и вторым 3 резервуаром, а также вторым 3 резервуаром и вторым 14 испарителем. Первый и второй теплоносители 25, 28 образуют теплопередающие контуры. В альтернативных вариантах воплощения, один или более отдельных теплопередающих контуров (где каждый имеет, например, отдельный теплоноситель) можно использовать для термического связывания любой пары из теплового насоса 1 и первого резервуара 2, первого резервуара 2 и первого 7 конденсатора, теплового насоса 1 и второго резервуара 3, и второго резервуара 3 и второго испарителя 14.
[00113] PCM холодной стороны в первом резервуаре 2 представляет собой герметизированный материал с обратимыми фазами, вследствие чего Первый теплоноситель 25 не входит в непосредственный контакт с PCM, а PCM не вымывается из первого резервуара 2 в ходе эксплуатации.
[00114] Герметизация сконфигурирована таким образом, чтобы она предусматривала хороший тепловой контакт первого теплоносителя 25 с PCM-материалом (например, несколько герметизированных сфер, плоских пластин, пакетов труб, сот, и т.д.) и существенно не препятствовала течению первого теплоносителя 25 через первый резервуар 2 в ходе эксплуатации.
[00115] Перед работой в режиме загрузки, клапан 27 устанавливают таким образом, чтобы он отклонял первый теплоноситель 25 к тепловому насосу посредством испарителя 20 из первого резервуара 2, при функционировании насоса 26. На этой стадии, PCM холодной стороны будет полностью жидким (если первый резервуар 2 был полностью разгружен в ходе предыдущей эксплуатации режима разгрузки, т.е., в ходе эксплуатации первого режима разгрузки), и является предпочтительным, чтобы он находился при своей температуре плавления, хотя в некоторых конфигурациях она может быть чуть выше точки плавления.
[00116] PCM горячей стороны во втором 3 резервуаре представляет собой герметизированный PCM, вследствие чего второй теплоноситель 28 не входит в непосредственный контакт с PCM, а PCM не вымывается из второго резервуара 3 в ходе эксплуатации. Герметизация сконфигурирована таким образом, чтобы она предусматривала хороший тепловой контакт второго теплоносителя 28 с PCM-материалом (например, несколько герметизированных сфер, плоских пластин, пакетов труб и т.д.) и существенно не препятствовала течению второго теплоносителя 28 через второй резервуар 3 в ходе эксплуатации.
[00117] Перед эксплуатацией в режиме загрузки, необязательные изоляционные клапаны 40 и 42 могут быть открыты (если имеются), а необязательные изоляционные клапаны 41 и 43 могут быть закрыты (если имеются). Необязательные трехходовые клапаны 32 и 33 устанавливают для отклонения второго теплоносителя 28 исключительно к холодильному конденсатору 21, либо к подходящему местоположению, если некий дополнительный источник тепла также необходимо использовать через теплообменник 31, - от второго резервуара 3, при функционировании насоса 29. PCM горячей стороны на этой стадии будет полностью твердым (если второй резервуар 3 был полностью опорожнен в ходе предыдущей эксплуатация режима разгрузки, т.е., в ходе эксплуатации второго режима разгрузки), и никакое дополнительное тепло не добавляется, начиная с теплообменника 31. Является предпочтительным, чтобы PCM горячей стороны находился при своей температуре плавления, хотя в некоторых конфигурациях она может быть слегка ниже точки плавления.
[00118] При работе в режиме загрузки, тепловой насос 1 приводят в действие (например, соединяют с источником электрической или механической энергии) для приведения в действие холодильного компрессора 19. Это способствует нагреву и сжатию газообразного хладагента в тепловом насосе 1 перед его попаданием в холодильный конденсатор 21. Следовательно, тепло поступает во второй теплоноситель 28, т.е., циркулирует под действием насоса 29 через другую сторону холодильного конденсатора 21. При прекращении нагрева второго теплоносителя 28, хладагент теплового насоса конденсируется в жидкую фазу, которая затем попадает в расширительный клапан 22, и это снижает его давление, а следовательно, его точку кипения. Хладагент, попадающий в холодильный испаритель 20, закипает, с извлечением тепла из первого теплоносителя 25, циркулирующего через другую сторону холодильного испарителя 20 посредством насоса 26.
[00119] Является предпочтительным (хотя это и не является необходимым), чтобы эксплуатацию режима загрузки можно было продолжать до наступления момента затвердевания всего PCM холодной стороны. Это можно выявить по существенному падению температуры первого теплоносителя 25, поскольку тепло, извлекаемое из первого резервуара 2, больше не поступает от скрытой теплоты плавления PCM холодной стороны.
[00120] В определенных предпочтительных вариантах воплощения, массу PCM горячей стороны во втором 3 резервуаре можно регулировать так, чтобы момент, в который весь PCM холодной стороны затвердеет, совпадал с моментом, в который весь PCM горячей стороны расплавится. В практическом смысле, и для обеспечения восстановления необязательной отходящей теплоты из альтернативных источников, масса PCM горячей стороны может превышать это отрегулированное значение, никоим образом не влияя на быстродействие системы.
[00121] В определенных вариантах воплощения эксплуатация режима загрузки прекращается при или до достижения точки, при которой весь PCM холодной стороны затвердевает, вследствие чего для обеспечения «значительного охлаждения» PCM холодной стороны никакая энергия не используется. Таким образом, на тепловом насосе 1 может поддерживаться фиксированный перепад температур, а следовательно, и коэффициент полезного действия, что способствует оптимизации теплового насоса и выбор хладагента для в пределах одной рабочей точки.
[00122] В определенных вариантах воплощения в ходе эксплуатации режима хранения, тепловой насос 1 может не работать, равно как и любой компонент в первом 4 термодинамическом контуре.
[00123] Если устройство 400 работает лишь как система накопления энергии без какого-либо восстановления дополнительных источников тепла, ни один компонент во втором 5 термодинамическом контуре также не должен работать.
[00124] Если доступны дополнительные источники тепла, второй резервуар 3 можно непрерывно загружать за счет установки необязательных трехходовых клапанов 32 и 33 в таких местоположениях, чтобы использование насоса 29 позволяло отклонять второй 25 теплоноситель через теплообменник 31, позволяя непрерывно или периодически использовать источник тепла в ходе эксплуатации режима загрузки.
[00125] Как и для варианта воплощения, описанного выше применительно к Фигуре 3, разгрузку первого и второго термодинамического контура 4,5 можно осуществлять независимо друг от друга или одновременно, в зависимости от локальной номинальной мощности. То есть, первый режим разгрузки может позволить разгружать первый 4 термодинамический контура, а второй режим разгрузки может позволить разгружать второй 5 термодинамический контур. Первый и второй расширители 6,11 могут бездействовать перед эксплуатацией режимов разгрузки, или они могут быть приведены в действие так, чтобы они работали при рабочей скорости перед введением первого и второго рабочего вещества 23,24. В вариантах воплощения, где может потребоваться мгновенная мощность, емкостной накопитель 53 может быть включен в управляющую/силовую электронику 52, для обеспечения мгновенной подачи электропитания (см. Фигуру 10). В альтернативных вариантах воплощения, могут быть обеспечены другие дополнительные нетермические средства накопления энергии, которые могут быть, например, механическими или электрическими. Например, дополнительное нетермическое средство накопления энергии может представлять собой маховик или батарею.
[00126] Перед приведением в действие первого режима разгрузки, трехходовой клапан 27 размещают таким образом, чтобы работа насоса 26 позволяла отклонять Первый теплоноситель 25 через первый конденсатор 7.
[00127] При эксплуатации первого режима разгрузки, насос 8 нагнетает первое рабочее вещество 23 в первый 9 испаритель, где он нагревается и испаряется под действием источника тепла. В определенных неограничивающих вариантах воплощения, источник тепла может представлять собой окружающий источник тепла. Первое рабочее вещество 23 затем проходит через необязательный теплообменник 36, для получения любого остаточного тепла из второго 24 рабочего вещества, когда оно покидает второй расширитель 11 (если функционирует второй режим разгрузки). Это приводит к дополнительному нагреву газообразного первого рабочего вещества 23 (например, к его перегреву), или, в качестве альтернативы, его можно использовать для подъема температуры, при котором первое рабочее вещество 23 испаряется за счет нагнетания жидкости/пара в данный теплообменник 36 (если это термодинамически выгодно) до определенного уровня, перед его попаданием в первый расширитель 6.
[00128] Перед попаданием в первый расширитель 6, первое рабочее вещество 23 может проходить через необязательный теплообменник 16, если имеется дополнительный источник тепла 30. Это приводит к дополнительному нагреву газообразного первого рабочего вещества 23 (например, к его перегреву), или, в качестве альтернативы, можно использовать для подъема температуры, при которой первое рабочее вещество 23 испаряется за счет нагнетания жидкости/пара в этот теплообменник 16 (если это термодинамически выгодно), до достижения определенного уровня, перед попаданием в первый расширитель 6.
[00129] Газообразное первое рабочее вещество 23 попадает в первый расширитель-генератор 6 и из-за перепада давлений на расширителе, заданного давлением конденсации в первом конденсаторе 7, и в источнике тепла, используется для испарения первого рабочего вещества 23, причем первое рабочее вещество 23 приводит в действие расширитель-генератор 6, при его расширении, с преобразованием энергии, извлеченной из источника тепла в первом испарителе 9 (и, - необязательно, - из теплообменников 36 и 16), в электрическую или механическую энергию.
[00130] Первое рабочее вещество 23 покидает первый расширитель 6, оставаясь еще в газообразном состоянии, и попадает в первый конденсатор 7. Насос 26 нагнетает первый теплоноситель 25 из первого резервуара 2 в первый конденсатор 7. Это приводит первое рабочее вещество 23 в тепловой контакт с первым резервуаром 2, в котором первое рабочее вещество 23 конденсируется, с поглощением первым теплоносителем 25 тепла из него. Сконденсированное первое рабочее вещество 23 затем может (не обязательно) сначала попадать в буферное хранилище 37 (если имеются), а затем попадать в насос 8, или его можно втягивать непосредственно в насос 8 для продолжения цикла. Первый теплоноситель 25, покидающий первый конденсатор 7, возвращается в первый резервуар 2, где он обменивается теплом с PCM холодной стороны, вызывая его общее расплавление при функционировании первого режима разгрузки.
[00131] Эксплуатацию первого режима разгрузки можно осуществлять для частичного или полного расплавления PCM холодной стороны, а также для обеспечения начала следующей эксплуатации режима загрузки с PCM холодной стороны, когда он еще находится при своей температуре замерзания. В качестве альтернативы, в некоторых вариантах воплощения может быть предпочтительным применять первый режим разгрузки до тех пор, пока весь PCM холодной стороны не расплавится, если еще можно будет генерировать значительную мощность, и это тогда означает, что тепловой насос 1 будет работать в температурном диапазоне в ходе следующей эксплуатации режима загрузки. В любом случае, указание на то, что PCM холодной стороны полностью расплавился, может быть предоставлено по измеримому повышению температуры первого теплоносителя 25 в первом резервуаре 2 или на выходе из него.
[00132] Перед эксплуатацией второго режима разгрузки, необязательные изоляционные клапаны 41 и 43 могут быть открыты (если имеются). Необязательные изоляционные клапаны 40 и 42 могут быть закрыты (если имеются), если в ходе эксплуатации второго режима разгрузки нет никакого дополнительного теплоотвода через теплообменник 31. Если имеются дополнительные источники тепла, то второй резервуар 3 можно непрерывно загружать путем установки необязательных трехходовых клапанов 32 и 33 в таких положениях, чтобы работа насоса 29 позволяла отклонять второй теплоноситель 28 через теплообменник 31, для использования постоянного источника тепла в ходе эксплуатации второго режима разгрузки, и путем оставления открытыми необязательных изоляционных клапанов 40 и 42. Это предусматривает одновременную загрузку второго резервуара 3 и применение второго режима разгрузки, без использования теплового насоса 1.
[00133] При эксплуатации второго режима разгрузки, насос 39 функционирует для циркуляции второго теплоносителя 28 из второго резервуара 3 во второй испаритель 14. После выхода из второго испарителя 14, второй теплоноситель 28 возвращается во второй резервуар 3, для обеспечения непрерывной циркуляции. Насос 13 функционирует для нагнетания второго рабочего вещества 24 в другую сторону второго испарителя 14, где он испаряется, с использованием тепла от второго теплоносителя 28.
[00134] Второе рабочее вещество 24 покидает второй испаритель 14, и перед попаданием во второй расширитель 11, он может проходить через необязательный теплообменник 18, если имеется дополнительный/отработанный источник тепла 30. Это приводит к дополнительному нагреву газообразного второго рабочего вещества 24 (например, к усилению перегрева), или, в качестве альтернативы, его можно использовать для подъема температуры, при которой второе рабочее вещество 24 испаряется за счет вдавливания жидкости/пара в этот теплообменник 18 (если это термодинамически выгодно) до достижения определенного уровня, перед его попаданием во второй расширитель 11.
[00135] Газообразное второе рабочее вещество 24 попадает во второй расширитель 11, и из-за перепада давлений на втором расширителе 11 (заданного давлением конденсации второго рабочего вещества 24 во втором конденсаторе 12 и в источнике тепла, используемом для испарения второго рабочего вещества 24), второе  рабочее вещество 24 приводит в действие расширитель 11 (поскольку он расширяется), преобразующий энергию, извлеченную из второго теплоносителя 28 (и, необязательно, теплообменника 18), в электрическую или механическую энергию.
[00136] При выходе из второго расширителя 11 второе рабочее вещество 24 еще остается газообразным и может затем попадать в необязательный теплообменник 36, где оно может обмениваться любым остаточным теплом, что может быть термодинамически выгодным, с первым рабочим веществом 23, если также функционирует первый режим разгрузки.
[00137] Второе рабочее вещество 24 затем попадает во второй конденсатор 12, где оно конденсируется вспомогательным теплопоглотителем 15 на другой стороне второго конденсатора 12. В определенных неограничивающих вариантах воплощения, вспомогательный теплопоглотитель 15 может представлять собой внешний теплоотвод.
[00138] В качестве альтернативы, если это является термодинамически выгодным, устройство 400 может быть сконфигурировано так, чтобы второе рабочее вещество 24 конденсировалось в необязательном теплообменнике 36, а затем переохлаждалось во втором конденсаторе 12.
[00139] Сконденсированное второе рабочее вещество 24 затем может (не обязательно) сначала попадать в буферное хранилище 38 (если имеется), а затем попадать в насос 13, или втягиваться непосредственно в насос 13 для продолжения цикла и нагнетаться назад во второй испаритель 14 (через необязательный теплообменник 17), где альтернативный/отработанный источник тепла 30, если он имеется, может подогревать второе рабочее вещество 24.
[00140] Этот процесс может продолжаться и вызывать постепенное затвердевание PCM горячей стороны, с поглощением вторым рабочим веществом 24 тепла из него (через второй теплоноситель 28), при его испарении.
[00141] Эксплуатацию второго режима разгрузки можно осуществлять для частичного или полного отверждения PCM горячей стороны, а также обеспечения начала следующей эксплуатации режима загрузки с PCM горячей стороны, еще при его температуре плавления. В качестве альтернативы, в некоторых обстоятельствах может быть предпочтительным использовать второй режим разгрузки до достижения момента затвердевания всего PCM горячей стороны, если еще можно генерировать значительную мощность. Тогда это означает, что тепловой насос 1 будет функционировать в температурном диапазоне в ходе следующей эксплуатации режима загрузки. В любом случае, указание на то, что PCM горячей стороны полностью затвердел, может быть предоставлено по измеримому падению температуры второго теплоносителя 28 во втором 3 резервуаре или на выходе из него.
[00142] Фигура 5 показывает устройство 500 термодинамического цикла согласно варианту воплощения настоящего изобретения.
[00143] В варианте воплощения по Фигуре 5, в первом и во втором резервуаре 2,3 используют негерметизированные PCM, для сохранения или испускания тепла при относительно постоянной температуре, с изменением фазы PCM с жидкой на твердую, или наоборот.
[00144] PCM холодной стороны в первом резервуаре 2 никоим образом негерметизирован. Первый теплоноситель 25 находится в непосредственном контакте с PCM холодной стороны. Два вещества выбирают таким образом, чтобы они не смешивались и обладали различной удельной массой, так, чтобы они легко не смешивались и разделялись под действием силы тяжести, когда PCM находится, как в жидкой, так и в твердой фазе. Из-за этого естественного разделения, можно разместить всасывающее отверстие так, чтобы в ходе эксплуатации режима загрузки из первого резервуара 2 вытягивался только первый теплоноситель 25, при одновременном обеспечении оптимального теплового контакта с PCM холодной стороны.
[00145] Это естественное разделение также предусматривает размещение всасывающего отверстия так, чтобы в ходе эксплуатации первого режима разгрузки из первого резервуара 2 вытягивалась только смесь твердых частиц/жидкой суспензии PCM холодной стороны. Следует учитывать, что могут остаться следы первого теплоносителя 25, захваченного во взвесь, но эти следы будут минимальными.
[00146] Перед эксплуатацией режима загрузки, PCM холодной стороны будет полностью жидким (если первый резервуар 2 был полностью опорожнен в ходе предыдущей эксплуатации первого режима разгрузки), и является предпочтительным, чтобы он находился при своей температуре плавления, хотя в некоторых вариантах воплощения она может быть слегка выше точки плавления.
[00147] PCM горячей стороны во втором резервуаре 3 никоим образом негерметизирован. Второй теплоноситель 28 находится в непосредственном контакте с PCM горячей стороны. Два вещества выбирают так, чтобы они не смешивались и обладали различной удельной массой, так, чтобы они легко не смешивались и разделялись под действием силы тяжести, когда PCM присутствует, как в жидкой, так и в твердой фазе. Из-за этого естественного разделения, можно размещать всасывающее отверстие так, чтобы в ходе эксплуатации второго режима разгрузки, из второго резервуара 3 вытягивался только второй теплоноситель 28, при одновременном обеспечении оптимального теплового контакта с PCM горячей стороны.
[00148] Это естественное разделение также предусматривает размещение всасывающего отверстия так, чтобы в ходе эксплуатации режима загрузки из второго резервуара 3 вытягивалась только смесь 44 твердых частиц/жидкой взвеси PCM горячей стороны. Следует учитывать, что могут присутствовать следы второго теплоносителя 28, захваченного во взвесь, но эти следы будет минимальными.
[00149] Перед эксплуатацией режима загрузки, необязательные изоляционные клапаны 40 и 42 могут быть открыты (если имеются), а необязательные изоляционные клапаны 41 и 43 могут быть закрыты (если имеются). Необязательные трехходовые клапаны 32 и 33 устанавливают для отклонения взвеси 44 PCM горячей стороны лишь к холодильному конденсатору 21, или к подходящему месту, если также должен быть использован некий дополнительный источник тепла (через теплообменник 31), от второго резервуара 3, при функционировании насоса 29. PCM горячей стороны на этой стадии будет присутствовать в виде взвеси твердые частицы/жидкость, где точное отношение твердой фазы к жидкой будет зависеть от того, как долго функционировал предыдущий второй режим разгрузки, и было ли добавлено какое-либо дополнительное тепло, начиная с теплообменника 31. Является предпочтительным, чтобы PCM горячей стороны находился при своей температуре плавления.
[00150] В ходе эксплуатации режима загрузки, тепловой насос 1 включают для приведения в действие холодильного компрессора 19. Это приводит к нагреву и сжатию газообразного хладагента в тепловом насосе 1 перед его поступлением в холодильный конденсатор 21. Тепло, таким образом, подается к взвеси 44 PCM горячей стороны, т.е., циркулирует посредством насоса 29 через другую сторону холодильного конденсатора 21. Отдача тепла горячей взвеси 44 PCM приводит к конденсации хладагента теплового насоса в жидкую фазу, которая затем попадает в расширительный клапан 22 для охлаждения, который снижает ее давление, а следовательно, ее точку кипения. Хладагент, попадающий в холодильный испаритель 20, закипает, с извлечением тепла из первого теплоносителя 25, циркулирующего через другую сторону холодильного испарителя 20 посредством насоса 26.
[00151] В ходе этой фазы, первый теплоноситель 25 возвращается в первый резервуар 2 после выхода из холодильного испарителя 20 в точке, где он будет немедленно приведен в контакт с жидкой фазой PCM холодной стороны. Если жидкая фаза PCM холодной стороны уже находится при своей температуре плавления, ее мелкие твердые частицы будут формироваться в контакте с первым теплоносителем 25, повторно поступающим в первый резервуар 2. Из-за несмешиваемости веществ и их различной удельной массы, они будут разделяться, позволяя первому теплоносителю 25 непрерывно откачиваться из первого резервуара 2 и проходить через холодильный испаритель 20 в ходе эксплуатации режима загрузки. Затвердевшие частицы PCM холодной стороны будут подниматься или погружаться в жидкую фазу PCM холодной стороны, в зависимости от свойств вещества. Это вызывает накопление взвеси PCM холодной стороны, с ее концентрированием в первом резервуаре 2. Является предпочтительным, чтобы эксплуатацию режима загрузки можно было продолжать до момента, когда вся взвесь PCM холодной стороны достигнет максимальной желаемой плотности твердых частиц в первом резервуаре 2.
[00152] В ходе эксплуатации режима загрузки, взвесь 44 горячего PCM, которая проходит через холодильный конденсатор 21 и/или необязательный теплообменник 31, будет непрерывно расплавляться, поскольку тепловой насос 1 подает в нее тепло.
[00153] Можно, но не является обязательным, регулировать массу второго PCM во втором резервуаре 3 таким образом, чтобы, когда наступит момент, при котором плотность твердых частиц во взвеси PCM холодной стороны станет максимальной, он совпадал бы с моментом, когда весь PCM горячей стороны расплавится. В практическом смысле, и для обеспечения восстановления необязательной отходящей теплоты из альтернативных источников, масса PCM горячей стороны может превышать это значение, никоим образом не воздействуя на быстродействие системы.
[00154] Эксплуатацию режима загрузки можно прервать в момент или перед ним, когда взвесь PCM холодной стороны достигает максимальной допустимой плотности твердых частиц, вследствие чего для обеспечения «значительного охлаждения» PCM холодной стороны никакая энергия не используется. Таким образом, фиксированный перепад температур, а следовательно, и коэффициент полезного действия может поддерживаться на тепловом насосе 1, позволяя оптимизировать конструкцию теплового насоса и выбор хладагента в пределах одной рабочей точки.
[00155] В определенных вариантах воплощения в ходе эксплуатации режима хранения, тепловой насос 1 не работает, и не является компонентом в первом термодинамическом контуре.
[00156] Если устройство 500 работает лишь как система накопления энергии без какого-либо восстановления дополнительных источников тепла, устройство 500 может находиться в покое без каких-либо компонентов, активных во втором термодинамическом контуре.
[00157] Если имеются дополнительные источники тепла 30, второй резервуар 3 можно непрерывно загружать путем установления необязательных трехходовых клапанов 32 и 33 в таких положениях, чтобы работа насоса 29 позволяла отклонять взвесь 44 PCM горячей стороны через теплообменник 31, позволяя непрерывно или периодически использовать источник тепла в ходе фазы аккумулирования.
[00158] Как и для вариантов воплощения, описанных выше применительно к Фигурам 3 и 4, разгрузку первого и второго резервуаров 2,3 можно осуществлять независимо или в зависимости от локальной номинальной мощности. То есть, первый режим разгрузки может позволить разгружать первый резервуар 2, а второй режим разгрузки может позволить разгружать второй резервуар 3. Первый и второй расширители 6,11 могут находиться в состоянии покоя перед разгрузкой, или они могут быть приведены в действие так, чтобы они находились при своей рабочей скорости перед введением первого и второго рабочих веществ 23,24. В вариантах воплощения, где может потребоваться мгновенная мощность, емкостной накопитель 53 может быть включен в управляющую/силовую электронику 52 для обеспечения мгновенной подачи электропитания (см. Фигуру 10). В альтернативных вариантах воплощения, могут быть обеспечены другие дополнительные нетермические средства накопления энергии, которые могут быть, например, механическими или электрическими. Например, дополнительное нетермическое средство накопления энергии может представлять собой маховик или батарею.
[00159] При эксплуатации первого режима разгрузки, насос 8 нагнетает первое рабочее вещество 23 в первый 9 испаритель, где он нагревается и испаряется под действием источника 10 вспомогательного нагрева. В определенных неограничивающих вариантах воплощения, источник вспомогательного нагрева может представлять собой окружающий источник тепла. Первое рабочее вещество 23 затем проходит через необязательный теплообменник 36, для получения любого остаточного тепла от второго рабочего вещества 24, когда оно покидает второй расширитель 11 (если также функционирует второй режим разгрузки). Это приводит к дополнительному нагреву газообразного первого рабочего вещества 23 (например, к его перегреву), или, в качестве альтернативы, это можно использовать для подъема температуры, при которой первое рабочее вещество 23 испаряется за счет нагнетания жидкости/пара в этот теплообменник 36 (если это термодинамически выгодно) до достижения определенного уровня, перед его попаданием в первый расширитель 6.
[00160] Перед попаданием в первый расширитель 6, первое рабочее вещество 23 может проходить через необязательный теплообменник 16, если имеется дополнительный источник тепла 30. Это приводит к дополнительному нагреву газообразного первого рабочего вещества 23 (например, к его перегреву), или, в качестве альтернативы, это можно использовать для подъема температуры, при которой первое рабочее вещество 23 испаряется за счет нагнетания жидкости/пара в этот теплообменник 16 (если это термодинамически выгодно), до достижения определенного уровня, перед его попаданием в первый расширитель 6.
[00161] Газообразное первое рабочее вещество 23 попадает в первый расширитель 6 и из-за перепада давлений на первом расширителе 6 (заданном давлением конденсации в первом конденсаторе 7 и в источнике тепла, используемом для испарения первого рабочего вещества 23), первое рабочее вещество 23 приводит в действие расширитель 6 (когда он расширяется), с преобразованием энергии, извлеченной из источника вспомогательного нагрева в первом испарителе 9 (и, - не обязательно, в теплообменниках 36 и 16), в электрическую или механическую энергию.
[00162] Первое рабочее вещество 23 покидает первый расширитель 6, находясь еще в газообразном состоянии, и попадает в первый конденсатор 7. Насос 46 нагнетает взвесь 45 PCM холодной стороны из первого резервуара 2 в первый конденсатор 7. Это приводит первое рабочее вещество 23 в тепловой контакт с взвесью 45 PCM холодной стороны, что приводит к конденсации первого рабочего вещества 23, поскольку холодная взвесь 45 PCM поглощает из него тепло и плавится. Сконденсированное первое рабочее вещество 23 затем может (не обязательно) сначала попадать в буферное хранилище 37 (если имеются), а затем попадать в насос 8 или снова непосредственно втягиваться в насос 8, для продолжения цикла. PCM холодной стороны, покидающий первый конденсатор 7, возвращается в первый резервуар 2 полностью в виде жидкости или с большей долей жидкости. Это процесс постепенно расплавляет взвесь 45 PCM холодной стороны, когда функционирует первый режим разгрузки.
[00163] Эксплуатацию первого режима разгрузки можно осуществлять для частичного или полного расплавления взвеси 45 PCM холодной стороны, а также для обеспечения начала следующей эксплуатации режима загрузки с PCM холодной стороны, находящимся еще при своей температуре замерзания. В качестве альтернативы, в некоторых вариантах воплощения может быть предпочтительным осуществление первого режима разгрузки после достижения точки, при которой вся взвесь 45 PCM холодной стороны плавится, если еще можно генерировать заметную мощность. Тогда это означает, что тепловой насос 1 будет функционировать в температурном диапазоне в ходе следующей эксплуатации режима загрузки. В любом случае, указание на то, что PCM холодной стороны полностью расплавился, можно обнаружить по повышению температуры PCM холодной стороны в первом резервуаре 2 или на выходе из него.
[00164] Перед эксплуатацией второго режима разгрузки, необязательные изоляционные клапаны 41 и 43 могут быть открыты (если имеются). Необязательные изоляционные клапаны 40 и 42 могут быть закрыты (если имеются), если в ходе стадии разгрузки нет никакого дополнительного теплоотвода через теплообменник 31. Если имеются дополнительные источники тепла, то второй резервуар 3 можно непрерывно загружать за счет установки необязательных трехходовых клапанов 32 и 33 в такие положения, чтобы работа насоса 29 позволяла отклонять взвесь 44 PCM горячей стороны через теплообменник 31, позволяя использовать непрерывный источник тепла в ходе эксплуатации второго режима разгрузки, и за счет оставления необязательных изоляционных клапанов 40 и 42 открытыми. Это предусматривает одновременную загрузку второго резервуара 3 и эксплуатацию второго режима разгрузки, без использования теплового насоса 1.
[00165] При эксплуатации второго режима разгрузки, насос 39 функционирует для циркуляции второго теплоносителя 28 из второго резервуара 3 во второй испаритель 14. При выходе из второго испарителя 14, второй теплоноситель 28 возвращается во второй резервуар 3 в точке, где он немедленно входит в контакт с жидкой фазой PCM горячей стороны, для обеспечения непрерывной циркуляции и охлаждения PCM горячей стороны. Насос 13 функционирует для нагнетания второго 24 рабочего вещества в другую сторону второго испарителя 14, где оно испаряется, с использованием тепла от второго теплоносителя 28.
[00166] Второе рабочее вещество 24 покидает второй испаритель 14, и перед попаданием во второй расширитель 11, оно может проходить через необязательный теплообменник 18, если имеется дополнительный источник тепла 30. Это приводит к дополнительному нагреву газообразного второго рабочего вещества (например, к добавлению перегрева), или, в качестве альтернативы, это можно использовать для подъема температуры, при которой второе рабочее вещество 24 испаряется за счет вдавливания жидкости/пара в этот теплообменник 18 (если это термодинамически выгодно) до достижения определенного уровня, перед его попаданием во второй расширитель 11.
[00167] Газообразное второе рабочее вещество 24 попадает во второй расширитель 11, и из-за перепада давлений на расширителе (заданного давлением конденсации второго 24 рабочего вещества во втором конденсаторе 12 и теплом, используемым для испарения второго рабочего вещества 24), второе рабочее вещество 24 приводит в действие расширитель 11 (когда он расширяется), с преобразованием энергии, извлеченной из второго теплоносителя 28 (и, - не обязательно, из теплообменника 18), в электрическую или механическую энергию.
[00168] При выходе из второго расширителя 11, второе рабочее вещество 24 еще остается газообразным и может затем попадать в необязательный теплообменник 36, где оно может обмениваться любым остаточным теплом, что может быть выгодным для первого рабочего вещества 23, если в то же время функционирует первый режим разгрузки.
[00169] Второе рабочее вещество 24 затем попадает во второй конденсатор 12, где оно конденсируется вспомогательным теплопоглотителем 15 на другой стороне второго конденсатора. В определенных неограничивающих вариантах воплощения, вспомогательный теплопоглотитель 15 может представлять собой внешний теплопоглотитель.
[00170] В качестве альтернативы, если это термодинамически выгодно, устройство 500 может быть сконфигурировано так, чтобы второе рабочее вещество 24 конденсировалось в необязательном теплообменнике 36, а затем переохлаждалось во втором конденсаторе 12.
[00171] Сконденсированное второе рабочее вещество 24 затем может (не обязательно) сначала попадать в буферное хранилище 38 (если имеются), затем попадать в насос 13 или втягиваться непосредственно в насос 13 для продолжения цикла и нагнетаться назад во второй испаритель 14 (через необязательный теплообменник 17), где альтернативный/отработанный источник тепла 30, если он имеется, может подогревать второе рабочее вещество 24.
[00172] Поскольку второй теплоноситель 28 покидает второй испаритель 14 и снова попадает во второй резервуар 3, он имеет охлаждающий эффект во втором резервуаре 3. Сразу при достижении PCM-материалом горячей стороны своей температуры замерзания, любое дополнительное охлаждение через второй теплоноситель 28 будет вызывать формирование мелких частиц затвердевшего PCM горячей стороны в контакте со вторым 28 теплоносителем, повторно поступающим во второй резервуар 3.
[00173] Из-за несмешиваемости веществ и их различной удельной массы, они будут разделяться, что позволяет непрерывно откачивать второй теплоноситель 28 из второго резервуара 3 и через второй испаритель 14 в ходе эксплуатации второго режима разгрузки. Затвердевшие частицы PCM горячей стороны будут подниматься или погружаться в жидкую фазу PCM горячей стороны, в зависимости от свойств вещества. Это заставляет накопленную взвесь PCM горячей стороны концентрироваться во втором 3 резервуаре. Является предпочтительным, но это не является необходимым, чтобы эксплуатацию второго режима разгрузки можно было продолжать до момента, когда взвесь PCM горячей стороны достигнет максимальной желаемой плотности твердых частиц во втором 3 резервуаре.
[00174] Эксплуатацию второго режима разгрузки можно осуществлять до частичного или полного затвердевания взвеси PCM горячей стороны до достижения максимальной желаемой плотности твердых частиц, а также до обеспечения запуска следующей эксплуатации режима загрузки с PCM горячей стороны, находящимся еще при своей температура плавления во втором резервуаре 3.
[00175] Фигура 6 показывает устройство 600 термодинамического цикла согласно варианту воплощения настоящего изобретения.
[00176] В варианте воплощения по Фигуре 6, первая и вторая среда хранения, соответственно, в первом и во втором резервуаре 2, 3 содержат жидкие среды, которые не изменяют свою фазу при нормальных рабочих температурах. То есть, первая среда для хранения представляет собой первую жидкость для аккумулирования тепла (или «холодную сторону), а вторая среда для хранения представляет собой вторую жидкость для аккумулирования тепла (или «горячую сторону»).
[00177] Первая жидкость для аккумулирования тепла в первом резервуаре 2 представляет собой жидкость, которая предпочтительно обладает высокой удельной теплоемкостью, и является предпочтительным, чтобы она не претерпевала фазового превращения при охлаждении. В этом варианте воплощения, первая жидкость для аккумулирования тепла и Первый теплоноситель 25 представляют собой одно и ту же среду.
[00178] Перед эксплуатацией режима загрузки, клапан 27 устанавливают для отклонения первого теплоносителя 25 к холодильному испарителю 20 из первого резервуара 2, при функционировании насоса 26. Жидкость для аккумулирования тепла холодной стороны будет находиться полностью при своей максимальной температуре хранения, если первый резервуар 2 был полностью опорожнен в ходе предыдущей эксплуатации первого режима разгрузки (т.е., в ходе эксплуатации первого режима разгрузки).
[00179] Вторая жидкость для аккумулирования тепла во втором 3 резервуаре представляет собой жидкость, которая предпочтительно обладает высокой удельной теплоемкостью и, предпочтительно, не будет подвергаться фазовому превращению при нагреве. В этом варианте воплощения вторая жидкость для аккумулирования тепла и второй теплоноситель 28 представляют собой одну и ту же среду.
[00180] Перед эксплуатацией режима загрузки, необязательные изоляционные клапаны 40 и 42 могут быть открыты (если имеются), а необязательные изоляционные клапаны 41 и 43 могут быть закрыты (если имеются). Необязательные трехходовые клапаны 32 и 33 могут быть установлены для отклонения второго теплоносителя 28 исключительно к холодильному конденсатору 21, либо к подходящим местоположениям, если также должен быть использован некий дополнительный источник тепла (через теплообменник 31), из второго резервуара 3, при функционировании насоса 29. Теплоаккумулирующая жидкость горячей стороны будет полностью находиться при своей минимальной температуре хранения, если второй резервуар 3 был полностью опорожнен в ходе предыдущей эксплуатации второго режима разгрузки (т.е., в ходе эксплуатации второго режима разгрузки), и если, начиная с теплообменника 31, не было добавлено никакого дополнительного тепла.
[00181] При эксплуатации в режиме загрузки, тепловой насос 1 запускают для приведения в действие холодильного компрессора 19. Это приводит к нагреву и сжатию газообразного хладагента в тепловом насосе 1 перед его попаданием в холодильный конденсатор 21 и поступлением тепла во второй теплоноситель 28, который циркулирует посредством насоса 29 через другую сторону холодильного конденсатора 21. Отведение тепла ко второму 28 теплоносителю приводит к конденсации хладагента теплового насоса в жидкую фазу, которая затем попадает в расширительный клапан 22 для охлаждения, который снижает ее давление, а следовательно, ее точку кипения. Хладагент, попадающий в холодильный испаритель 20, закипает, поскольку он извлекает тепло из первого теплоносителя 25, циркулирующего через другую сторону холодильного испарителя 20 посредством насоса 26.
[00182] Является предпочтительным, чтобы эксплуатацию режима загрузки можно было продолжать до момента, когда вся теплоаккумулирующая жидкость холодной стороны достигнет своей минимальной температуры хранения. Это будет обозначено (а следовательно, и поддается обнаружению) по температуре первого теплоносителя 25, достигающей заданного уровня.
[00183] Можно, хотя это не является необходимым, регулировать массу теплоаккумулирующей жидкости горячей стороны во втором 3 резервуаре так, чтобы момент, когда вся теплоаккумулирующая жидкость холодной стороны полностью охладится, совпадал с моментом, когда вся теплоаккумулирующая жидкость горячей стороны полностью нагреется. В практическом смысле, и для обеспечения восстановления необязательной отходящей теплоты из альтернативных источников, масса теплоаккумулирующей жидкости горячей стороны может превышать это значение, никоим образом не влияя на быстродействие системы.
[00184] Является предпочтительным, хотя и не необходимым, чтобы температура в первом и во втором резервуаре 2,3 была выровнена на всем протяжении эксплуатации режима загрузки. Этого можно достигнуть путем взбалтывания первого и второго резервуаров 2,3, например, путем рециркуляции первого и второго теплоносителя 25,28, или с помощью других средств (аэрации, механических мешалок, и т.д.), а также регулирования эксплуатации теплового насоса 1 так, чтобы температура конденсации в тепловом насосе 1 была минимально выше средней температуры по массе для второго резервуара 3 в любой точке, а температура испарения в тепловом насосе 1 была минимально ниже средней температуры по массе для первого резервуара 2 в любой точке. Этот процесс загрузки будет обеспечивать, чтобы средний коэффициент полезного действия теплового насоса 1 на всем протяжении загрузки был как можно более высоким, для максимизации эффективности преобразования энергии.
[00185] В определенных вариантах воплощения в ходе эксплуатации режима хранения, тепловой насос 1 может не работать, равно как и любой компонент в первом термодинамическом контуре 4.
[00186] Если устройство 600 работает лишь как система накопления энергии без какого-либо восстановления дополнительных источников тепла, устройство 600 может находиться в состоянии покоя, без какого-либо действующего компонента во втором термодинамическом контуре 5.
[00187] Если имеются дополнительные источники тепла, второй резервуар 3 можно непрерывно загружать путем установления необязательных трехходовых клапанов 32 и 33 в таких положениях, чтобы работа насоса 29 позволяла отклонять второй теплоноситель 28 через теплообменник 31, позволяя непрерывно или периодически использовать источник тепла в ходе стадии аккумулирования.
[00188] Как и для вариантов воплощения, описанных выше применительно к Фигурам 3, 4 и 5, разгрузку первого и второго термодинамического контура 4,5 можно осуществлять независимо или одновременно, в зависимости от локальной номинальной мощности. То есть, первый режим разгрузки может позволить разгружать первый 4 термодинамический контур, а второй режим разгрузки может позволить разгружать второй термодинамическим контур 5. Первый и второй расширители 6,11 могут находиться в состоянии покоя перед разгрузкой, или они могут быть приведены в действие таким образом, чтобы они находились при рабочей скорости перед введением первого и второго рабочего вещества 23,24. В вариантах воплощения, где может потребоваться мгновенная мощность, в управляющую/силовую электронику 52 для обеспечения мгновенной подачи электропитания может быть включен емкостной накопитель 53 (см. Фигуру 10). В альтернативных вариантах воплощения, могут быть обеспечены другие дополнительные нетермические средства накопления энергии, которые могут быть, например, механическими или электрическими. Например, дополнительное нетермическое средство накопления энергии может представлять собой маховик или батарею.
[00189] Перед приведением в действие первого режима разгрузки, трехходовой клапан 27 размещают таким образом, чтобы работа насоса 26 позволяла отклонять Первый теплоноситель 25 через первый конденсатор 7.
[00190] При эксплуатации первого режима разгрузки, насос 8 нагнетает первое рабочее вещество 23 в первый испаритель 9, где он нагревается и испаряется под действием тепла из первого вспомогательного источника 10. В определенных неограничивающих вариантах воплощения, источник 10 вспомогательного нагрева может представлять собой окружающий источник тепла. Первое рабочее вещество 23 затем проходит через необязательный теплообменник 36, для получения любого остаточного тепла от второго рабочего вещества 24, когда оно покидает второй расширитель 11 (если также функционирует второй режим разгрузки). Это приводит к дополнительному нагреву газообразного первого рабочего вещества 23 (например, к его перегреву), или, в качестве альтернативы, это можно использовать для подъема температуры, при которой первое рабочее вещество 23 испаряется при вдавливании жидкости/пара в этот теплообменник 36 (если это термодинамически выгодно) до определенного уровня, перед его попаданием в первый расширитель 6.
[00191] Перед попаданием в первый расширитель 6, первое рабочее вещество 23 может проходить через необязательный теплообменник 16, если имеется дополнительный источник тепла 30. Это приводит к дополнительному нагреву газообразного первого рабочего вещества 23 (например, к его перегреву), или, в качестве альтернативы, это можно использовать для подъема температуры, при которой первое рабочее вещество 23 испаряется за счет нагнетания жидкости/пара в этот теплообменник 16 (если это термодинамически выгодно), до достижения определенного уровня, перед попаданием в первый расширитель 6.
[00192] Газообразное первое рабочее вещество 23 попадает в первый расширитель 6 и из-за перепада давлений на первом расширителе 6 (заданного давлением конденсации в первом конденсаторе 7 и в источнике тепла, используемом для испарения первого рабочего вещества 23), первое рабочее вещество 23 приводит в действие первый расширитель 6 (поскольку он расширяется), с преобразованием энергии, извлеченной из источника тепла в первом испарителе 9 (и, - не обязательно, в теплообменниках 36 и 16), в электрическую или механическую энергию.
[00193] Первое рабочее вещество 23 покидает первый расширитель 6, находясь еще в газообразном состоянии, и попадает в первый конденсатор 7. Насос 26 нагнетает первый теплоноситель 25 из первого резервуара 2 в первый конденсатор 7. Это приводит первое рабочее вещество 23 в тепловой контакт с первым 2 резервуаром, в котором первое рабочее вещество 23 конденсируется в виде холодного 25 теплоносителя, поглощающего из него тепло. Сконденсированное первое рабочее вещество 23 затем может (не обязательно) сначала попадать в буферное хранилище 37 (если имеются), а затем попадать в насос 8 или снова втягиваться в насос 8 для продолжения цикла. Первый теплоноситель 25, покидающий первый конденсатор 7, возвращается в первый резервуар 2, где он обменивается теплом и нагревает теплоаккумулирующую жидкость холодной стороны, при функционировании первого режима разгрузки.
[00194] Первый режим разгрузки можно осуществлять для частичного или полного нагрева теплоаккумулирующей жидкости холодной стороны, а также для обеспечения запуска следующей эксплуатации режима загрузки, начиная с любой средней температуры по массе, достигнутой при выравнивании. В любом случае, полное истощение первого резервуара 2 может быть выявлено по обнаружению повышения температуры первого теплоносителя 25 в первом резервуаре 2 или на выходе из него.
[00195] Является выгодным, но не обязательным, чтобы теплоаккумулирующая жидкость холодной стороны вытягивалась из нижней части первого резервуара 2 (который может представлять собой, например, бак) в ходе эксплуатации первого режима разгрузки и возвращалась в верхнюю часть первого резервуара 2 при расходе, который позволяет теплоаккумулирующей жидкости в первом резервуаре 2 расслаиваться таким образом, чтобы вытягиваемая жидкость всегда находилась при самой низкой температуре хранения, и возвращается в первый резервуар 2 при самой высокой температуре хранения. Это приведет к минимально возможному давлению конденсации для первого рабочего вещества 23 в первом конденсаторе 7, а следовательно, к максимизации изменения энтальпии на первом расширителе 6.
[00196] Перед эксплуатацией второго режима разгрузки, необязательные изоляционные клапаны 41 и 43 могут быть открыты (если имеются). Необязательные изоляционные клапаны 40 и 42 могут быть закрыты (если имеются), если в ходе эксплуатации второго режима разгрузки нет никакого дополнительного теплоотвода через теплообменник 31. Если имеются дополнительные источники тепла, то второй резервуар 3 можно непрерывно загружать путем установки необязательных трехходовых клапанов 32 и 33 в такие положения, чтобы работа насоса 29 позволяла отклонять второй теплоноситель 28 через теплообменник 31, позволяя использовать непрерывный источник тепла в ходе эксплуатации второго режима разгрузки, и путем оставления открытыми необязательные изоляционные клапаны 40 и 42. Это предусматривает одновременную загрузку второго резервуара 3 и эксплуатацию второго режима разгрузки, без использования теплового насоса 1.
[00197] При эксплуатации второго режима разгрузки, насос 39 функционирует для циркуляции второго теплоносителя 28 из второго резервуара 3 во второй испаритель 14. После выхода из второго испарителя 14, второй теплоноситель 28 возвращается во второй резервуар 3, с обеспечением непрерывной циркуляции. Насос 13 функционирует для нагнетания второго 24 рабочего вещества в другую сторону второго испарителя 14, где оно испаряется, с использованием тепла от второго теплоносителя 28.
[00198] Второе рабочее вещество 24 покидает второй испаритель 14, и перед попаданием во второй расширитель 11, оно может проходить через необязательный теплообменник 18, если имеется дополнительный/отработанный источник 30 тепла. Это приводит к дополнительному нагреву газообразного второго 24 рабочего вещества (например, к добавлению перегрева), или, в качестве альтернативы, это можно использовать для подъема температуры, при которой второе рабочее вещество 24 испаряется за счет вдавливания жидкости/пара в этот теплообменник 18 (если это термодинамически выгодно) до достижения определенного уровня, перед его попаданием во второй расширитель 11.
[00199] Газообразное второе рабочее вещество 24 попадает во второй расширитель 11 и из-за перепада давлений на расширителе (заданного давлением конденсации второго рабочего вещества 24 во втором конденсаторе 12 и в источнике тепла, используемом для испарения второго рабочего вещества 24), второе рабочее вещество 24 приводит в действие второй расширитель 11 (когда он расширяется), с преобразованием энергии, извлеченной из второго теплоносителя 28 (и, - не обязательно, - теплообменника 18), в электрическую или механическую энергию.
[00200] После выхода из второго 11 расширителя, второе рабочее вещество 24 еще остается газообразным и может затем попадать в необязательный теплообменник 36, где оно может обмениваться любым остаточным теплом, что может быть выгодным, с первым рабочим веществом 23, если в то же время функционирует первый режим разгрузки.
[00201] Второе рабочее вещество 24 затем попадает во второй 12 конденсатор, где оно конденсируется вспомогательным теплопоглотителем 15 на другой стороне второго конденсатора 12. В определенных неограничивающих вариантах воплощения, вспомогательный теплопоглотитель может представлять собой окружающий теплопоглотитель.
[00202] В качестве альтернативы, если это термодинамически выгодно, устройство 600 может быть сконфигурирован так, чтобы второе рабочее вещество 24 конденсировалось в необязательном теплообменнике 36, а затем переохлаждалось во втором конденсаторе 12.
[00203] Сконденсированное второе рабочее вещество 24 затем может (не обязательно) сначала попадать в буферное хранилище 38 (если имеется), а затем попадать в насос 13, или втягиваться непосредственно в насос 13 для продолжения цикла и нагнетаться назад во второй испаритель 14 через необязательный теплообменник 17, где альтернативный/отработанный источник тепла 30, если он имеется, может подогревать рабочее вещество 24.
[00204] Эксплуатация второго режима разгрузки постепенно вызывает охлаждение теплоаккумулирующей жидкости горячей стороны, поскольку второе рабочее вещество 24 поглощает из нее тепло через второй теплоноситель 28, когда он испаряется.
[00205] Эксплуатацию второго режима разгрузки можно осуществлять для частичного или полного охлаждения второго резервуара 3 и обеспечения начала следующей эксплуатация режима загрузки, начиная с любой средней температуры по массе, достигнутой при выравнивании. В любом случае, полное истощение второго резервуара 3 может быть обозначено (а следовательно, и выявлено) по падению температуры второго теплоносителя 28 во втором резервуаре 3 или на выходе из него.
[00206] Является выгодным, но это не является необходимым, чтобы теплоаккумулирующая жидкость горячей стороны вытягивалась из верхней части второго резервуара 3 (который может представлять собой, например, бак), в ходе эксплуатации второго режима разгрузки, и возвращалась в нижнюю часть второго резервуара 3 при расходе, который позволяет теплоаккумулирующей жидкости во втором резервуаре 3 расслаиваться таким образом, чтобы жидкость всегда вытягивалась при максимальной температуре хранения, и возвращалась во второй резервуар 3 при минимальной температуре хранения. Это приведет к максимальному возможному давлению испарения для второго рабочего вещества 24 во втором испарителе 14 и, таким образом, максимизирует изменение энтальпии на втором расширителе 11.
[00207] Фигура 7 показывает устройство термодинамического цикла 700 согласно варианту воплощения настоящего изобретения. В варианте воплощения по Фигуре 7, первый резервуар 2 содержит два отдельных первых сосуда 2a,2b, а второй резервуар 3 содержит два отдельных вторых сосуда 3a,3b. Первая и вторая среда хранения представляют собой жидкости, которые не меняют фазу в ходе нормальной работы устройства 700. Таким образом, тепловая энергия может быть сохранена за счет значительного нагрева и охлаждения в первом и во втором сосуде 2a,2b,3a,3b. Поскольку первая среда для хранения нагревается и охлаждается, ее перемещают (например, нагнетают) взад и вперед между двумя первыми сосудами 2a,2b. Аналогично, поскольку вторая среда для хранения нагревается и охлажденный, ее перемещают (например, нагнетают) взад и вперед между двумя вторыми сосудами 3a,3b.
[00208] Фигура 8 показывает устройство 800 термодинамического цикла согласно варианту воплощения настоящего изобретения. В варианте воплощения по Фигуре 8, обеспечен третий 50 резервуар, который служит в качестве промежуточного отрегулированного теплоаккумулятора. Каждый из первого резервуара 2, второго резервуара 3 и третьего 50 резервуара содержит сборный бак с одним или более теплообменников внутри. В варианте воплощения по Фигуре 8 приведен пример, как, с некоторым упрощением, размещение теплообменников в баках позволяет устранить некоторые нагрузки, связанные со вспомогательным нагнетанием. Дополнительно, отходящая теплота, покидающая второй резервуар 3, может быть захвачена в третий 50 резервуар. Эти признаки могут быть включены в любой из вышеописанных вариантов воплощения. В конкретном варианте воплощения по Фигуре 8, первая и вторая среда хранения представляют собой жидкие среды, которые не имеют фазового перехода в ходе нормальной работы устройства 800. Таким образом, тепловая энергия может быть сохранена путем значительного нагрева и охлаждения в первом и во втором резервуаре 2,3.
[00209] Фигура 9 схематически показывает устройство 900 термодинамического цикла согласно варианту воплощения настоящего изобретения. Устройство 900 по Фигуре 9 идентичен устройству 100 по Фигуре 1, но дополнительно включает в себя источник 54 тепла и теплопоглотитель 55. Дополнительные компоненты 54 и 55 как таковые и соответствующая эксплуатация (описанная ниже) может быть включена в любой из вышеописанных вариантов воплощения.
[00210] Источник 54 тепла позволяет тепловому насосу 1 функционировать и нагревать второй резервуар 3, без отведения тепла из первого резервуара 2. Это расположение можно использовать, если устройство 900 ранее работал во втором режиме разгрузки, без использования первого режима разгрузки (т.е., для «перезагрузки» второго резервуара 3).
[00211] Теплопоглотитель 53 позволяет тепловому насосу 1 функционировать для охлаждения первого 2 резервуара, без нагрева второго резервуара 3. Это расположение можно использовать, если устройство 900 ранее работал в первом режиме разгрузки, без использования второго режима разгрузки (т.е., для «перезагрузки» первого резервуара 2).
[00212] Фигура 10 схематически показывает силовую электронику 52, которую можно использовать в определенных вариантах воплощения настоящего изобретения. Силовая электроника 52 показана электрически соединенной с расширителем-генератором, который может включать в себя любой из первого 6 расширителя или второго 11 расширителя. Силовая электроника 52 сконфигурирована для модифицирования энергоснабжения генератора расширителя-генератора 6,11 и управления любыми протоколами подключения к локальной сети. Обеспечен емкостной накопитель 53 (например, конденсатор), и он может служить для сокращения времени между запросом мощности и подачей мощности, где между ступенями имеется шина напряжения постоянного тока. Силовую электронику 52 также можно использовать для приведения в действие расширителя-генератора 6,11, для обеспечения более быстрого запуска в моменты, когда запрашивается мощность. В альтернативных вариантах воплощения, вместо, или в дополнение к емкостному накопителю 53 могут быть обеспечены другие дополнительные нетермические средства накопления энергии, которые могут быть, например, механическими или электрическими. Например, дополнительное нетермическое средство накопления энергии может представлять собой маховик, сжатый воздух (или другой газ) или батарею.
[00213] В определенных вариантах воплощения температуры хранения первой и второй среды хранения (в первом и во втором резервуаре 2,3) могут составлять 200°C или менее, 100°C или менее, -50°C или более и/или -30°C или более. В определенных вариантах воплощения разность между температурой хранения первой среды для хранения и температурой хранения второй среды для хранения может составлять 30-120°C. В определенных вариантах воплощения разность между температурой хранения первой среды для хранения и температурой хранения второй среды для хранения может составлять 30-60°C, или приблизительно 50°C, или 80-120°C, или приблизительно 100°C. Например, температура хранения в первом резервуаре может составлять примерно 0°C, а температура хранения во втором резервуаре может составлять примерно 50°C. Поэтому, варианты воплощения настоящего изобретения могут функционировать при умеренных, ощутимых температурах, в отличие от многих установок согласно предыдущему уровню техники, которые требуют высоких температур в несколько сотен градусов Цельсия и низких температур при -100°C или ниже. Настоящее изобретение может достигать этого, с использованием в определенных вариантах воплощения изобильных и легкодоступных источников тепла, таких как окружающая, природная и отходящая теплота. В таких вариантах воплощения, низкая полнота превращения энергии изобильного источника тепла позволяет преодолевать термодинамические потери, возникающие при работе при относительно умеренных температурах. При обеспечении возможности независимой разгрузки энергии, аккумулированной в первом резервуаре, относительно энергии, хранящейся во втором резервуаре, конструирование устройства сильно упрощается. Это означает, что такой устройство может быть собран из легкодоступных компонентов, и он обеспечивает привлекательную эффективность преобразования энергии при низких капитальных затратах.
[00214] В определенных неограничивающих вариантах воплощения, источники тепла, используемые для подачи тепла в компоненты 9, 16, 31, 18 (которые являются теплообменниками), можно выбрать из: источников внешнего окружающего воздуха, источников воздуха изнутри зданий и жилых домов с кондиционированием воздуха, тепла, отведенного из существующих систем кондиционирования или охлаждения воздуха, источников окружающей воды (например, соленой воды, морской воды, жесткой воды, озер, прудов, рек, каналов, акведуков), источников, связанных с землей, геотермальных источников, солнечного тепла, солнечных прудов, биологически активных источников тепла (например, анаэробных перегнивателей, илоперегнивателей, компостных куч, навозных куч, потоков сточных вод, вторичных осадков сточных вод), отходящей теплоты от производственных процессов и отходящей теплоты от других технологий генерирования (например, ПГТ, паровых турбин, и т.д.).
[00215] В вариантах воплощения, в которых использовано «окружающее» тепло в качестве источника и поглотителя для первого 9 испарителя и второго 12 конденсатора, они не обязательно должны представлять собой один и тот же окружающий источник или находиться при одной и той же температуре (т.е., использование течения реки для вспомогательного теплопоглотителя 15 может привести к снижению температуры, по сравнению с источником воздуха, который может быть использован в качестве источника 10 вспомогательного нагрева).
[00216] В определенных вариантах воплощения первый и/или второй расширители 6,11 можно выбрать из: радиальных, аксиальных или импульсных (или других) турбин/турборасширителей, спиральных расширителей, винтовых расширителей, турбин Тесла и поршневых двигателей.
[00217] В определенных вариантах воплощения каждый из вышеописанных насосов 26, 8, 46, 29, 39, 13, 49 может представлять собой насос, выбранный из: центробежных насосов, шиберных насосов, героторных насосов, героллерных насосов, шестеренных насосов, диафрагменных насосов, поршневых насосов, плунжерных насосов, перистальтических насосов и лопастных насосов.
[00218] В определенных вариантах воплощения (например, если одновременная загрузка и разгрузка второго резервуара 3 не требуется), в варианте воплощения, описанном выше применительно к Фигуре 3, насосы 29 и 13 можно заменить одним насосом, или в вариантах воплощения, описанных выше применительно к Фигурам 4, 5, 6 и 7, насосы 29 и 39 можно заменить одним насосом.
[00219] В определенных вариантах воплощения (например, где независимая загрузка первого и второго резервуаров 2,3, а также независимые первый и второй режимы разгрузки не требуются) первый и второй расширители 6,11 могут быть связаны на общем валу с одним генератором.
[00220] В некоторых вариантах воплощения, насосы, которые требуется привести в действие в ходе эксплуатации режима разгрузки, могут быть связаны на общем валу с одним или обоими расширителями 6,11, для повышения кпд системы.
[00221] В предпочтительных вариантах воплощения, герметизирующие материалы для PCM и любых текучих сред, которые входят в контакт с ними, могут быть выбраны так, чтобы они были совместимы друг с другом.
[00222] Для предотвращения попадания жидкофазных рабочих веществ в первый и/или во второй расширитель 6,11, устройства согласно определенным вариантам воплощения могут работать с первым и вторым рабочим веществом, вводимыми в их соответствующие расширители 6,11 с регулируемым допуском перегрева.
[00223] Уровни рабочего вещества в первом и во втором термодинамическом контуре можно регулировать для обеспечения достаточного переохлаждения, для предотвращения кавитационного повреждения насосов.
[00224] Критерии для выбора подходящих PCM могут включать в себя любой или все из: их точки плавления, химической совместимости с любыми материалами, с которыми они могут входить в контакт, химической инертности, стабильности, стоимости и безопасности.
[00225] Критерии для выбора подходящего первого и второго рабочего вещества могут включать в себя любой или все из: температур источников и поглотителей тепла, температур хранения PCM, стоимости, безопасности, стабильности, инертности, химической совместимости и их температурно-энтропийных характеристик в качестве хладагента.
[00226] В определенных вариантах воплощения устройство может быть модульным. Любой или оба из первого резервуара 2 или второго резервуара 3 может содержать два или более баков, которые могут быть соединены вместе трубопроводом, для получения наращиваемой сети.
[00227] В применениях, где могут быть доступны дополнительные источники охлаждения (например, отработанный холод от промышленных или криогенных процессов, от расширения газов), дополнительные теплообменники могут быть включены после второго 12 конденсатора во втором 5 термодинамическом контуре, после первого 7 конденсатора в вариантах воплощения, описанных выше применительно к Фигурам 4, 5, 6, 7 и 8, и перед входом в насос 8 в варианте воплощения, описанном выше применительно к Фигуре 3, для дополнительного снижения давления конденсации соответствующих рабочих веществ, либо для придания дополнительного переохлаждения рабочим веществам перед их попаданием в насосы для рабочего вещества.
[00228] Если источник тепла доступен в применении, которое работает при температуре, значительно превышающей температуру хранения во втором 3 резервуаре, можно использовать дополнительный теплоаккумулятор или накопители (т.е., один или более дополнительных резервуаров или сосудов-резервуаров), для сохранения этого источника тепла при более высокой температуре, с использованием среды для хранения с более высокой температурой (температурами) хранения. Это затем можно использовать так, чтобы исходный второй сосуд-резервуар нагревал жидкое второе рабочее вещество до температуры, при которой оно еще остается жидким, затем осуществляют испарение второго рабочего вещества, с использованием тепла, накопленного во вторичном втором сосуде-резервуаре. В качестве альтернативы, это можно использовать так, чтобы исходный второй резервуар был использован для испарения второго рабочего вещества, а затем вторичный второй сосуд-резервуар используют для перегрева второго рабочего вещества перед его попаданием во второй расширитель. Это также можно использовать в качестве дополнительного источника тепла для испарения или перегрева первого рабочего вещества.
[00229] Если в используемом применении имеются источники охлаждения, температура которого значительно ниже температуры первого резервуара 2 для хранения, для его хранения можно использовать дополнительный теплоаккумулятор или хранилища (т.е., один или более дополнительных резервуаров или сосудов-резервуаров), при более низкой температуре, с использованием среды для хранения с более низкой температура хранения. Это затем можно использовать так, чтобы исходный первый сосуд-резервуар были использован для охлаждения первого рабочего вещества до температуры, где оно остается газообразным, а затем вторичный первый сосуд-резервуар используют для конденсации первого рабочего вещества до достижения более низкого давления конденсации. В качестве альтернативы, это можно использовать так, чтобы в исходном первом сосуде-резервуаре конденсировалось первое рабочее вещество, а во вторичном первом сосуде-резервуаре оно переохлаждалось перед попаданием в насосы. Это также можно использовать в качестве дополнительного теплопоглотителя для конденсации или переохлаждения второго рабочего вещества. В определенных вариантах воплощения охлаждение отходов можно использовать для дополнительного охлаждения (а следовательно, и «загрузки») первого резервуара 2.
[00230] В вариантах воплощения, где первая и/или вторая среды хранения содержит негерметизированный PCM, негерметизированный PCM можно хранить в виде фрагментируемого твердого вещества (в отличие, например, от взвеси). Фрагментируемое твердое вещество является твердым, т.е., пригодным для фрагментации таким образом, чтобы его можно было разделять.
[00231] В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, тепловой насос 1 можно приводить в действие электрически. Однако, в других вариантах воплощения, устройство можно использовать для накапливания энергии в других формах, при условии, что такие другие формы можно использовать для энергоснабжения теплового насоса (например, механическая энергия, газоприводные системы, и т.д.).
[00232] В определенных вариантах воплощения, для содействия более быстрому запуску с быстрым откликом расширителей-генераторов, линии/трубопроводы к первому/второму расширителю можно поддерживать с газообразным первым/вторым рабочим веществом под давлением так, чтобы при открытых регуляторах/клапанах 34 и 35, не было никаких задержек переноса газа, достигающего первого/второго расширителя.
[00233] Любая подходящая комбинация вышеописанных вариантов воплощения может быть реализовано в рамках объема настоящего изобретения, и, таким образом, предусмотрена защита для таких комбинаций. Например, конкретные комбинации и варианты воплощения («конфигурации») перечислены в Таблице ниже, где «холодная сторона» содержит признаки, термически соединенные с холодной стороной теплового насоса 1, а «горячая сторона» содержит признаки, термически соединенные с горячей стороной теплового насоса 1. Ссылки на Фигуры указывают признаки холодной/горячей стороны, отображенные на рассматриваемой Фигуре, и/или признаки, описанные выше применительно к рассматриваемой Фигуре.
Холодная сторона
Горячая сторона
Конфигурация 1
ФИГУРА 3
ФИГУРА 3
Конфигурация 2
ФИГУРА 3
ФИГУРА 4
Конфигурация 3
ФИГУРА 3
ФИГУРА 5
Конфигурация 4
ФИГУРА 3
ФИГУРА 6
Конфигурация 5
ФИГУРА 3
ФИГУРА 7
Конфигурация 6
ФИГУРА 4
ФИГУРА 3
Конфигурация 7
ФИГУРА 4
ФИГУРА 4
Конфигурация 8
ФИГУРА 4
ФИГУРА 5
Конфигурация 9
ФИГУРА 4
ФИГУРА 6
Конфигурация 10
ФИГУРА 4
ФИГУРА 7
Конфигурация 11
ФИГУРА 5
ФИГУРА 3
Конфигурация 12
ФИГУРА 5
ФИГУРА 4
Конфигурация 13
ФИГУРА 5
ФИГУРА 5
Конфигурация 14
ФИГУРА 5
ФИГУРА 6
Конфигурация 15
ФИГУРА 5
ФИГУРА 7
Конфигурация 16
ФИГУРА 6
ФИГУРА 3
Конфигурация 17
ФИГУРА 6
ФИГУРА 4
Конфигурация 18
ФИГУРА 6
ФИГУРА 5
Конфигурация 19
ФИГУРА 6
ФИГУРА 6
Конфигурация 20
ФИГУРА 6
ФИГУРА 7
Конфигурация 21
ФИГУРА 7
ФИГУРА 3
Конфигурация 22
ФИГУРА 7
ФИГУРА 4
Конфигурация 23
ФИГУРА 7
ФИГУРА 5
Конфигурация 24
ФИГУРА 7
ФИГУРА 6
Конфигурация 25
ФИГУРА 7
ФИГУРА 7
[00234] По всему описанию и формуле изобретения для данной спецификации, слова «включает в себе» и «содержит» и из разновидности означают «включает в себя, но не ограничен», и их не следует рассматривать как исключающие других веществ, добавок, компонентов, целых чисел или этапов. По всему описанию и формуле изобретения для данной спецификации, единственное число охватывает множественное, пока из контекста не потребуется иное. В частности, там, где используется единственное число, спецификацию следует понимать как предполагающее и некое множество, а также единичность, пока из контекста не потребуется иное.
[00235] Признаки, целые числа, характеристики, соединения, химические вещества или группы, описанные применительно к конкретному аспекту, варианту воплощения или примеру изобретения, следует понимать как применимые для любого другого аспекта, варианта воплощения или примера, описанного в настоящей работе, пока они не окажутся несовместимыми с ними. Все признаки, раскрытые в данной спецификации (включающие в себя любое из прилагаемой формулы изобретения, реферата и чертежей), 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 любого из вышеописанных вариантов воплощения. Изобретение распространяется на любой новый вариант воплощения или на любое новое сочетание признаков, раскрытых в данной спецификации (включающей в себя любое из прилагаемой формулы изобретения, реферата и чертежей), или на любой новый признак или на любое новое сочетание, на этапы любого способа или процесса, раскрытого указанным образом.
Внимание читателя привлечено ко всем статьям и документам, поданным одновременно или ранее данной спецификации, применительно к данной заявке, и которые предоставлены в открытый доступ вместе с данной спецификацией, и содержание всех таких статей и документов включено в настоящую работу в виде ссылки.