Узел генерации пара для органического цикла Ренкина

Область техники
Полезная модель относится к области систем регенерации теплоты, отходящей от низкотемпературного стороннего источника, и может быть использована в установках утилизации тепловой энергии на базе органического цикла Ренкина (ОЦР) для преобразования отходящей теплоты от ее источника в механическую энергию МПК F01K 25/00; F01K 25/02, F01K 25/04.
Уровень техники
Известные установки, работающие по циклу ОЦР, представляют собой замкнутый контур с двухфазным органическим текучим рабочим телом, содержащий жидкостный насос для обеспечения циркуляции рабочего тела в контуре последовательно через узел генерации пара, включающий по меньшей мере один испаритель, находящийся в тепловом контакте с источником теплоты для испарения жидкого рабочего тела, через расширитель, например турбину, в котором тепловая энергия, переданная рабочему телу в испарителе, преобразуется в полезную механическую энергию, и, наконец, через узел охлаждения пара, включающий, по меньшей мере, один конденсатор, находящийся в тепловом контакте с охлаждающей средой, например водой или окружающим воздухом, для преобразования газообразного рабочего тела в жидкое рабочее тело, которое подается насосом в испаритель для следующего рабочего цикла. В указанных установках рабочее тело на выходе из испарителя узла генерации пара обычно представляет собой слабо перегретый или насыщенный пар. В случае ОЦР с выходом из испарителя влажного пара со степенью сухости, близкой к 1, известны установки (Features Design of Organic Rankine Cycle Journal of Siberian Federal University. Engineering &Technologies, 2019, 12(6), 733-745 DenisI. Karabarin and Sergei A. Mihailenko), в которых после испарителя добавляется сепаратор для отделения пара от жидкой фазы и последующей подачей пара в расширитель. Цикл испаритель-сепаратор-ресивер-питательный насос является пусковым, как только температура рабочего тела становится равной расчетной, рабочее тело поступает на расширитель, минуя сепаратор.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является система органического цикла Ренкина, аппаратура управления и метод для нее, патент WO 2014171623A1 МПК F01K 25/00; F01K 25/02; F01K 7/00 опубл. 23.10.2014, в котором система органического цикла Ренкина, управляющая аппаратура и способ для нее включают: паровой/жидкостный сепаратор, предусмотренный между испарителем и турбиной; датчик уровня, предусмотренный в сепараторе паров/жидкостей для контроля уровня насыщенной жидкости в сепараторе паров/жидкости; и управляющая часть для управления условиями эксплуатации испарителя по уровню датчика уровня, тем самым непрерывно снабжая турбину органической рабочей жидкостью насыщенного парового состояния.
К недостаткам данной системы относятся ее пониженная тепловая эффективность и отсутствие возможности управления (регулирования) работой испарителя на режимах докризисного кипения рабочего тела.
Раскрытие изобретения
Известно, что в процессе парообразования жидкости в испарителе у известных ОЦР наблюдается явление кризиса кипения, связанное с переходом от пузырькового режима кипения к пленочному. При этом происходит резкое падение теплоотдачи и рост температуры теплоотдающей поверхности, что может привести к ее разрушению (Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов, изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: «Энергия», 1975. - 488 с). Следовательно, для надежной и эффективной работы испарителя целесообразно осуществлять его эксплуатацию в докризисных режимах кипения. Для дальнейшей подачи в расширитель органического цикла Ренкина насыщенного пара рабочего тела требуется его сепарация из парожидкостной смеси, выходящей из испарителя.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является изменение конструкции узла генерации пара с целью увеличения надежности эксплуатации и повышение тепловой эффективности его испарителя.
Указанный технический результат достигается установкой в узел генерации пара непосредственно за испарителем сепаратора пара вихревого типа для постоянного разделения паровой и жидкой фаз. Для повышения аэродинамической эффективности подачи парожидкостной смеси в сепаратор внутренняя поверхность крышки испарителя на выходе парожидкостной смеси спрофилирована по лемнискате Бернулли. В крышке устанавливается контролирующий уровень паросодержания датчик паросодержания, связанный с регулятором расхода рабочего тела и управляемого регулятором регулирующего клапанного элемента на входе в испаритель. Указанные устройства обеспечивают возможность управления (регулирования) работой испарителя на режимах докризисного кипения рабочего тела и подачу в расширитель сухого насыщенного пара рабочего тела.
Узел генерации пара для органического цикла Ренкина, включающий испаритель поверхностного типа, впускной трубопровод с регулирующим клапанным элементом и системой его управления, выпускной трубопровод. Для повышения надежности эксплуатации и эффективности испарителя на выходе рабочего тела из испарителя дополнительно установлен датчик паросодержания, связанный с регулятором расхода осуществляющим управление расположенным на входе в испаритель по ходу движения рабочего тела регулирующим клапанным элементом, и тем самым обеспечивающим управление работой испарителя без выхода рабочего тела за пределы режима докризисного кипения. Кроме того, на выходе рабочего тела из испарителя установлен сепаратор пара вихревого типа, а внутренняя поверхность крышки испарителя для повышения аэродинамической эффективности подачи парожидкостной смеси в сепаратор спрофилирована по лемнискате.
Краткое описание чертежа
На фиг. 1 представлена принципиальная схема узла генерации пара.
1 - испаритель;
2 - сепаратор;
3 - крышка испарителя
4 - датчик паросодержания;
5 - регулятор расхода;
6 - клапанный элемент;
Осуществление полезной модели
Циркулирующее в контуре установки рабочее тело нагревается от отходящей теплоты стороннего низкотемпературного источника в испарителе 1, закипает и выходит из него в состоянии влажного пара требуемого паросодержания. Далее пар поступает в сепаратор 2, где происходит отделение паровой фазы от жидкой. Насыщенный пар из сепаратора направляется в расширитель, а жидкая фаза рабочего тела возвращается в испаритель. Датчик паросодержания 4, регулятор расхода 5 и регулирующий клапанный элемент 6 предназначены для поддержания в испарителе паросодержания рабочего тела, соответствующего докризисному неразвитому пузырьковому режиму кипения. При повышении в испарителе паросодержания рабочего тела, во избежание кризиса кипения регулятор расхода 5, получает сигнал от датчика 4 и увеличивает расход рабочего тела в испарителе через регулирующий клапанный элемент 6. При снижении паросодержания регулятор расхода 5 уменьшает расход газа через регулирующий клапанный элемент 6. Внутренняя поверхность крышки 3 испарителя для повышения аэродинамической эффективности подачи парожидкостной смеси в сепаратор спрофилирована по лемнискате.