УСТАНОВКА ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА
CLOSED-CYCLE PLANT

Область техники
Настоящее изобретение относится к установке, например, к установке с циклом Ренкина для выработки электрической и/или механической мощности посредством извлечения и преобразования тепла.
Настоящее изобретение может найти применение, например, на заводах по утилизации биогаза или биомассы для извлечения тепла из отходов в результате процесса когенерации, на геотермальных установках для полного использования тепла средних или небольших источников. На промышленных заводах для получения тепла из отходов (преобразованием неиспользованного тепла производственных процессов), в бытовых условиях для выработки электрической энергии и использования тепла для санитарно-технических нужд. Дополнительное использование такой установке может быть связано с системами - как с бытовым, так и с промышленными системами, - в которых источник тепла обеспечен в виде установок, воспринимающих солнечную энергию. Кроме того, можно обеспечить применения такой установке в области автомобильного транспорта, например, для извлечения тепла от двигателя (из воды и/или выхлопных газов).
Уровень техники
Как известно, источники тепла являются широкодоступными, особенно с низкими или средними температурами, - в настоящее время они распределены повсюду и поэтому пропадают впустую. В реальности, преобразование тепла, поставляемого упомянутыми источниками, в электроэнергию, к настоящему времени является доступными способами и процессами извлечения и преобразование тепла, но слишком дорогими по стоимости производимой энергии. Поэтому такие источники, даже если они и используются ограниченным образом для профессиональных приложений, едва ли используются обычными людьми и, в частности, в бытовых условиях.
Наиболее общие источники тепла, на которые в данном тексте делаются предпочтительные ссылки, представляют собой побочные продукты и активности человека, и природы, например, такие как тепло, содержащееся в отходах производства промышленных продуктов или тепло, содержащееся в биомассе, если последняя сжигается.
Известны несколько приложений цикла Ренкина для извлечения тепловой энергии и последующего производства электрической энергии. Предпочтительный вариант исполнения представляет собой использование турбины в качестве расширительной камеры. Однако такое решение имеет некоторые ограничения и недостатки, которые специалистам в данной области хорошо известны, и которыми являются:
- высокая стоимость турбины и связанных с ней элементов управления;
- необходимость частого технического обслуживания с последующим выполнением операций различного типа;
- достижение максимальной эффективности только при точно определенной скорости потока расширяющейся текучей среды и на определенной скорости вращения, - именно это, возможно, является наибольшим ограничением турбинных систем, поскольку, если скорость вращения подвержена даже небольшим изменениям относительно оптимальной величины, эффективность турбины резко падает.
В силу вышеуказанных причин совершенно очевидно, что паровые турбины не являются очень подходящими для работы со средне- или низкотемпературными источниками тепла, и имеют на входе чрезвычайно широкий разброс подачи тепла (как указано в вышеприведенных иллюстративных примерах), а поэтому не очень подходят для установок небольшого размера (например, имеющих подачу электрической энергии в менее, чем 50 кВт).
В документах JP 10252558, JP 10252557 и JP 10259966 представлены некоторые известные технические решения, использующие цикл Ренкина для различных объектов; однако ни одно из предложенных решений не является заметно преимущественным для производства электрической энергии, особенно если тепловая энергия обеспечивается в чрезвычайно изменяющемся диапазоне.
Для устранения вышеописанных недостатков, известно применение возвратно-поступательных или вращательных объемных расширителей. Такие расширители способны работать при относительно умеренных скоростях потока текучей среды без излишнего снижения мощности и эффективности. Кроме того, объемные расширители, работающие при небольших тепловых мощностях, работают при числе оборотов (циклах вращения), существенно меньших, чем скорости вращения турбин, исключая таким образом риск повреждения подвижных частей в том случае, когда в расширительную камеру протекает вода (капельки, образованные непредвиденным испарением рабочей текучей среды). Далее, вышеописанные объемные расширители имеют меньшую конструктивную сложность, чем конструктивная сложность турбин, с последующим уменьшением стоимости.
Помимо уменьшенной конструктивной сложности, объемные расширители являются гораздо более компактными, чем турбины, что, в свою очередь, облегчает их построение и сборку.
Пример объемного расширителя, использованного для преобразования тепловой энергии в электроэнергию посредством низкотемпературных источников тепла, описан в патентной заявке US 2012/0267898 А1.
Эта патентная заявка описывает машину с циклом Ренкина, содержащую цилиндр и связанный с ним поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндра. С поршнем связан главный вал, который, в свою очередь, соединен с генератором постоянного тока, образованным ротором и статором, при этом ротор соединен с главным валом и приводится от него. Цилиндр обеспечен впускным отверстием и выпускным отверстием, через которые протекает рабочая текучая среда. Для активизации поршня машина использует вращательный распределитель, обеспечивающий требуемую последовательность тактов ввода, расширения и выпуска текучей среды. Для того чтобы синхронизировать такие такты друг с другом, вращательный распределитель приводится во вращение посредством множества подсоединенных к главному валу элементов передачи движения.
Несмотря на то, что описанные решения (объемные расширители) в условиях низкотемпературных источников тепла являются лучшими по сравнению с турбинами, эти вышеописанные объемные расширители не лишены недостатков. В частности, настоящий Заявитель полагает, что известные объемные расширители, а также машина, описанная в патентной заявке US 2012/0267898 А1 поддаются дальнейшему усовершенствованию в различных аспектах.
Задача изобретения
Первой задачей изобретения является создание установки, например, с циклом Ренкина, которая может быть адаптирована к различным рабочим условиям, для того чтобы эффективно использовать имеющиеся источники тепла и подавать максимальную мощность с превосходной эффективностью.
Другая главная задача изобретения состоит в обеспечении установки, например, с циклом Ренкина, которая была бы пригодной для работы в течение длительных периодов без необходимости какого-либо технического обслуживания и выполнена в виде высокоинтегрированной и компактной установки.
Следующая цель изобретения заключается в том, чтобы обеспечить установку, например, с циклом Ренкина, которая являлась бы простой в изготовлении и легкой в установке, и, следовательно, характеризующуюся значительно сниженной производственной стоимостью, а также затратами на сборку и техническое обслуживание.
Наконец, задачей изобретения является разработать способ, позволяющий эффективно использовать вышеупомянутую установку.
Одна или более из вышеописанных задач, которые будут более понятны из нижеследующего описания, по существу обеспечиваются посредством установки с циклом Ренкина в соответствии с одним или более из приложенных пунктов формулы изобретения.
Сущность изобретения
Далее описаны объекты настоящего изобретения.
В 1-м объекте предложена установка (1) замкнутого цикла, в частности, цикла Ренкина, для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, содержащая:
замкнутый контур (2), внутри которого циркулирует по меньшей мере одна рабочая текучая среда в соответствии с заданным направлением циркуляции;
по меньшей мере один объемный расширитель (4), выполненный с возможностью принятия на впуске рабочей текучей среды в газообразном состоянии, при этом объемный расширитель (4) содержит:
- по меньшей мере один кожух (5), имеющий по меньшей мере один впуск (8) и один выпуск (9), предназначенные, соответственно, для ввода и выпуска рабочей текучей среды,
- активный элемент (6), размещенный в кожухе и предназначенный для образования - совместно с кожухом (5) - расширительной камеры (7) переменного объема,
- главный вал (11), связанный с активным элементом (6) и выполненный с возможностью вращательного движения вокруг оси,
- по меньшей мере один распределитель (10), работающий на впуске и на выпуске кожуха (5) и выполненный с возможностью выборочного открытия и закрытия упомянутых впуска и выпуска, чтобы обеспечить по меньшей мере одно состояние ввода, одно состояние расширения и одно состояние выпуска рабочей текучей среды из расширительной камеры (7),
по меньшей мере один генератор (12) электрической энергии, подсоединенный к главному валу (11),
отличающаяся тем, что распределитель (10) содержит по меньшей мере одно регулирующее устройство (14), выполненное с возможностью обеспечения изменения по меньшей мере одного из следующих параметров:
- продолжительности состояния ввода,
- максимального поперечного сечения прохода впуска (8).
Во 2-м объекте установка (1) в соответствии с объектом 1 содержит
- по меньшей мере один насос (13), помещенный в контур (2) и установленный для того, чтобы задавать рабочей текучей среды упомянутое заданное направление циркуляции,
- по меньшей мере один первый теплообменник (3), работающий в контуре (2) и расположенный после насоса (13) относительно направления циркуляции рабочей текучей среды, причем, упомянутый первый теплообменник (3) установлен для приема на впуске рабочей текучей среды и сконфигурирован, чтобы принимать тепло от горячего источника (Н) и обеспечивать возможность нагревать эту рабочую текучую среду до тех пор, пока не будет вызван ее переход из жидкого состояния в газообразное состояние,
причем, упомянутый объемный расширитель (4) подсоединен после первого теплообменника (3) относительно направления циркуляции рабочей текучей среды внутри контура (2) и сконфигурирован, чтобы принимать на впуске рабочую текучую среду в газообразном состоянии, образованную в первом теплообменнике (3).
В 3-м объекте в соответствии с любым из предыдущих объектов регулирующее устройство (14) содержит по меньшей мере одну диафрагму (15), подвижную относительно впуска (8), для обеспечения возможности изменения максимального поперечного сечения и определения регулирования объемной скорости потока рабочей текучей среды, входящей в расширительную камеру (7) во время наличия состояния ввода.
В 4-м объекте в соответствии предыдущим объектом распределитель (10) содержит:
- корпус (24) распределителя, имеющий по меньшей мере одно посадочное место (25) корпуса, имеющее по существу цилиндрическую форму, при этом корпус (24) распределителя (10) дополнительно содержит по меньшей мере один первый и один второй проходы (26, 27) установленные, соответственно, для включения посадочного места (25) корпуса в сообщение по текучей среды с впуском (8) и с выпуском (9) упомянутой расширительной камеры (7),
- по меньшей мере одно распределительное тело (28), вставленное с возможностью поворота внутрь посадочного места (25) корпуса, и содержащее:
- первый и второй каналы (29, 30),
- по меньшей мере одну первую и одну вторую полости (31, 32), расположенные на одной боковой стенке распределительного элемента и смещенные по углу одна по отношению к другой относительно оси вращения одного и того же распределительного элемента (28), причем, упомянутые первая и вторая полости (31, 32) сконфигурированы таким образом, чтобы соединять первый и второй каналы (29, 30) сообщением по текучей среды, соответственно, с первым и со вторым проходами (26, 27),
при этом распределительный элемент (28), следуя повороту внутри посадочного места (25) корпуса, является сконфигурированным с возможностью выборочного определения состояний ввода, расширения и вывода объемного расширителя (4).
В 5-м объекте в соответствии предыдущим объектом диафрагма (15) вставлена между первой полостью (31) распределительного элемента (28) и первым проходом (26) распределителя (10), причем, диафрагма (15) является подвижной относительно первого прохода (26), а именно, - относительно впуска (8) для определения изменения упомянутого максимального поперечного сечения.
В 6-м объекте в соответствии с 4-м и 5-м объектами диафрагма (15) содержит полуцилиндрический рукав, вставленный между посадочным местом (25) корпуса и распределительным элементом (28), причем, эта диафрагма (15) является вращательно подвижной вокруг оси вращения распределительного элемента (28).
В 7-м объекте в соответствии с любым из объектов с 3-го по 6-й диафрагма (15), следуя своему собственному угловому движению, определяет заданное количество степеней перекрытия впуска (8), при этом каждая степень перекрытия является определенной отношением площади максимального поперечного сечения впуска (8) без диафрагмы (15) к площади максимального поперечного сечения в присутствии диафрагмы (15).
В 8-м объекте в соответствии с предыдущим объектом степень перекрытия заключена между 1 и 3, более точно - между 1 и 2, а еще более точно - между 1 и 1,5.
В 9-м объекте в соответствии с любым из объектов с 3-го по 8-й регулирующее устройство (14) содержит:
- по меньшей мере один первый датчик (34) давления, работающий в контуре (2) и сконфигурированный для формирования первого сигнала определения относительно по меньшей мере одного параметра давления рабочей текучей среды в газообразном состоянии, входящей в объемный расширитель (4),
- по меньшей мере один второй датчик (35) давления, работающий в контуре (2) и сконфигурированный для формирования второго сигнала определения относительно по меньшей мере одного параметра давления рабочей текучей среды в жидком состоянии перед насосом (13), и
- блок (33) управления, подсоединенный к первому и ко второму датчикам 34, 35 и сконфигурированный для:
- приема от первого и второго датчиков (34, 35) соответствующих первого и второго сигналов определения;
- обработки сигнала, полученного от первого и второго датчиков (34, 35) для определения давления рабочей текучей среды, соответственно, на впуске объемного расширителя (4) и перед насосом (13); и
- позиционирования диафрагмы (15) относительно впуска как функции по меньшей мере одной, предпочтительно - двух величин упомянутых давлений рабочей текучей среды.
В 10-м объекте в соответствии с любым из объектов с 3-го по 9-й регулирующее устройство (14) содержит по меньшей мере один толкатель (44), подсоединенный с одной стороны - к концевому участку диафрагмы (15), а с другой стороны - к корпусу (24) распределителя, причем, упомянутый толкатель (44) сконфигурирован таким образом, чтобы сдвигаться относительно корпуса (14) распределителя для смещения диафрагмы (15) относительно впуска (8) во множество рабочих положений.
В 11-м объекте в соответствии с предыдущим объектом регулирующий элемент (14) содержит по меньшей мере один второй толкатель (45), подсоединенный с одной стороны - к концевому участку диафрагмы (15), а с другой стороны - к корпусу (24) распределителя, причем, упомянутый второй толкатель (45) помещен на противоположной стороне по отношению к диафрагме (15) и сконфигурирован таким образом, чтобы определять блокировочное положение диафрагмы в заданном рабочем положении, следуя за смещением последней.
В 12-м объекте в соответствии с предыдущим объектом каждый из упомянутых первого и второго толкателя (44, 45) содержит по меньшей мере один винт, установленный, чтобы толкать диафрагму (15) на ее выступающем конце, в соответствии с относительным вращением по отношению к корпусу 24 распределителя.
В 13-м объекте в соответствии с 11-м или 12-м объектом по меньшей мере один из упомянутых первого и второго толкателя (44, 45) содержит гидравлическое или пневматическое исполнительное устройство, подсоединенное к блоку (33) управления, причем, упомянутый блок (33) управления сконфигурирован таким образом, чтобы посылать сигнал управления на исполнительное устройство для определения относительного смещения диафрагмы (15) относительно впуска (8).
В 14-м объекте в соответствии с любым из объектов с 4-го по 13-й распределительное тело (28) активизировано посредством по меньшей мере одного подсоединенного к главному валу (11) элемента передачи движения и сконфигурировано с возможностью сохранения синхронизованного вращения распределительного тела (28) с вращением главного вала (11).
В 15-м объекте в соответствии с любым из предыдущих объектов объемный расширитель (4) содержит возвратно-поступательный объемный расширитель, в котором расширительная камера (7) имеет полое цилиндрическое гнездо (22), в то время как активный элемент (6) имеет поршень (23), соответствующий по форме гнезду (22) расширительной камеры (7) и являющийся скользяще подвижным внутри последней, или
при этом объемный расширитель (4) является вращательным объемным расширителем, в котором расширительная камера (7) имеет гнездо (22), имеющее эпитрохоидную форму с по меньшей мере двумя кулачками, а активный элемент (6) имеет поршень (23), являющийся поворотно подвижным внутри гнезда.
В 16-м объекте в соответствии с любым из объектов со 2-го по 15-й установка содержит по меньшей мере один второй теплообменник (16), работающий в контуре (2) и расположенный между расширитель (4) и насосом (13), причем, упомянутый второй теплообменник (16) предназначен для сквозного приема рабочей текучей среды, выходящей из упомянутого расширителя (4), упомянутый второй теплообменник (16) сконфигурирован таким образом, чтобы находиться в сообщении с источником (С) холода, и может конденсировать рабочей текучей среды до тех пор, пока она не будет принуждена к полному переходу из газообразного состояния в жидкое состояние.
В 17-м объекте в соответствии с предыдущим объектом установка содержит по меньшей мере один накопительный резервуар (17), работающий в контуре (2) и вставленный между насосом (13) и вторым теплообменником (16), причем, упомянутый накопительный резервуар (17) сконфигурирован, чтобы содержать рабочую текучую среду в жидком состоянии, выходящую из упомянутого второго теплообменника (16).
В 18-м объекте в соответствии с предыдущим объектом насос (13) подсоединен к этому накопительному резервуару (17) и предназначен для посылки рабочей текучей среды в жидком состоянии в направлении первого теплообменника (3).
В 19-м объекте в соответствии с любым из объектов со 2-го по 18-й установка содержит по меньшей мере один третий теплообменник (18), функционально работающий в контуре (2) до первого теплообменника (3) и предназначенный для сквозного приема упомянутой рабочей текучей среды, причем, упомянутый третий теплообменник (16) дополнительно сконфигурирован для приема тепла от горячего источника (Н) и обеспечивать возможность дополнительного нагрева рабочей текучей среды до ввода последней в первый теплообменник.
В 20-м объекте в соответствии с предыдущим объектом третий теплообменник (18) сконфигурирован таким образом, чтобы предварительно нагревать рабочую текучую среду до насыщенного жидкого состояния.
В 21-м объекте в соответствии с предыдущим объектом первый теплообменник (3) предназначен для приема рабочей текучей среды в насыщенном жидком состоянии и для подачи на впускное отверстие рабочей текучей среды в насыщенном парообразном состоянии.
В 22-м объекте в соответствии с любым из объектов с 19-го по 21-й первый и третий теплообменники (3, 18) размещены сразу же и последовательно друг за другом в соответствии с направлением циркуляции рабочей текучей среды, причем упомянутые первый и третий теплообменники (3, 18) сконфигурированы для приема тепла от одного и того же горячего источника (Н).
В 23-м объекте в соответствии с любым из объектов с 19-го по 22-й установка (1) содержит нагревательную контур (19), проходящий между впуском (20) и выпуском (21), а внутри которой находится по меньшей мере одна предназначенная для циркуляции нагревательная текучая среда от упомянутого горячего источника (Н), причем, упомянутые первый и третий теплообменники (3, 18) являются функционально работающими в нагревательном контуре (19) и размещены между впуском (20) и выпуском (21) нагревательного контура (19), а нагревательная текучая среда, циркулирующая от впуска (20) в направлении выпуска (21), последовательно протекает через первый и третий теплообменники (3, 18).
В 24-м объекте в соответствии с предыдущим объектом рабочая текучая среда, входящая в первый теплообменник (3), имеет температуру, меньшую чем 150°С, более точно - заключенную между 25°С и 100°С, еще более точно - заключенную между 25°С и 85°С.
В 25-м объекте в соответствии с любым из объектов с 17-го по 24-й насос (13) расположен после объемного расширителя (4) относительно направления циркуляции рабочей текучей среды, а именно, - расположен между накопительным резервуаром (17) и первым теплообменником (3).
В 26-м объекте в соответствии с любым из объектов со 2-го по 25-й насос (13) сконфигурирован таким образом, чтобы создавать скачок давления, заключенный между 4 бар и 30 бар, более точно - между 4 бар и 25 бар, а еще более точно - между 7 бар и 25 бар.
В 27-м объекте в соответствии с любым из предшествующих объектов установка содержит в качестве рабочей текучей среды по меньшей мере одну текучую среду органического типа.
В 28-м объекте в соответствии с предшествующим объектом органическая текучая среда рабочей текучей среды представлена процентным содержанием между 90% и 99%, более точно - между 95% и 99%, а еще более точно - около 98%.
В 29-м объекте в соответствии с 27-м или 28-м объектом органическая текучая среда содержит по меньшей мере одну из выбранной из группы следующих текучих сред: R134A, 245FA, R1234Y, R1234FZ.
В 30-м объекте в соответствии с любым из предшествующих объектов установка содержит в качестве рабочей текучей среды органическую текучую среду, содержащую один или более углеводородов, предпочтительно - галогенизированные углеводороды, более предпочтительно - фторированные углеводороды, при этом упомянутая рабочая текучая среда имеет:
- температуру плавления при атмосферном давлении, заключенную между -110°С и -95°С;
- температуру кипения при атмосферном давлении, заключенную между -30°С и -20°С;
3
3
- плотность, заключенную между 1,15 г/см и 1,25 г/см при температуре 25°С;
- давление пара, заключенное между 600.000 Па и 700.000 Па при температуре 25°С.
В 31-м объекте обеспечен способ для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, включающий в себя следующие этапы:
- обеспечение установки по любому из предшествующих объектов;
- циркулирование рабочей текучей среды внутри контура (2);
- нагревание - посредством первого теплообменника (3) - рабочей текучей среды, проходящей от последнего, до тех пор, пока эта текучая среда не будет принуждена к испарению и будет находиться в состоянии насыщенного пара;
- расширение рабочей текучей среды внутри объемного расширителя для движения активного элемента (6) внутри кожуха с последующим вращением главного вала (11) и выработки электроэнергии посредством упомянутого генератора;
- конденсация рабочей текучей среды, выходящей из объемного расширителя (4);
- посылка рабочей текучей среды к первому теплообменнику (3),
при этом способ включает в себя по меньшей мере один этап регулирования объемной скорости потока рабочей текучей среды, входящей в расширительную камеру (7), выполняемый регулирующим устройством (14) для изменения по меньшей мере одного из продолжительности состояния ввода и максимального поперечного сечения прохода впуска (8).
В 32-м объекте в соответствии с предыдущим объектом этап регулирования объемной скорости потока рабочей текучей среды включает в себя относительное движение диафрагмы (15) для изменения максимального поперечного сечения прохода рабочей текучей среды, входящей в расширительную камеру (7).
В 33-м объекте в соответствии с 31-м или 32-м объектом этап регулирования включает в себя по крайней мере следующие подэтапы:
- определение посредством блока (33) управления давления рабочей текучей среды в газообразном состоянии до расширителя (4);
- определение посредством блока (33) управления давления рабочей текучей среды в жидком состоянии до насоса (13);
- сравнение величины давления до расширителя (4) и (или) до насоса (13) с соответствующей опорной величиной;
- позиционирование диафрагмы (15) относительно впуска (8) в функции по меньшей мере одной, предпочтительно - двух из величин упомянутых давлений рабочей текучей среды.
В 34-м объекте в соответствии любым из объектов с 31-го по 33-й способ содержит по меньшей мере один этап конденсации рабочей текучей среды, выходящей из расширителя (4), посредством второго теплообменника (16), при этом способ, далее, содержит этап сбора рабочей текучей среды, конденсированной внутри накопительного резервуара (17), этап посылки рабочей текучей среды в первый теплообменник, содержит подэтап извлечения посредством насоса (13) рабочей текучей среды, присутствующей в жидком состоянии внутри накопительного резервуара (17).
В 35-м объекте в соответствии любым из объектов с 31-го по 34-й этап нагревания рабочей текучей среды, позволяет - посредством первого теплообменника (3) довести последнюю до температуры меньше чем 150°С, более точно - меньше чем 90°С, еще более точно - заключенную между 25°С и 85°С.
В 36-м объекте в соответствии любым из объектов с 31-го по 35-й этап нагревания рабочей текучей среды содержит подэтап предварительного нагрева рабочей текучей среды посредством третьего теплообменника (18), перед вводом последней в первый теплообменник (3), при этом этап предварительного нагрева доводит рабочую текучую среду до температуры, заключенной между 25°С и 130°С, более точно - между 15°С и 85°С, и при этом этап нагрева позволяет удерживать последнюю в насыщенном жидком состоянии.
В 37-м объекте в соответствии любым из объектов с 32-го по 37-й этап посылки текучей среды делает возможным создание - посредством насоса (13) - скачка давления в рабочей текучей среды, заключенного между 4 бар и 30 бар, более точно - между 4 бар и 25 бар, а еще более точно - между 7 бар и 25 бар.
Краткое описание чертежей
Далее будут описаны некоторые варианты исполнения и некоторые объекты настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, приведенные как взятые в качестве примера и поэтому не являющиеся ограничивающими, на которых:
фиг. 1 представляет собой принципиальную схему установки с замкнутым циклом в соответствии с первым вариантом исполнения по настоящему изобретению;
фиг. 2 представляет собой принципиальную схему установки с замкнутым циклом по второму варианту исполнения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 3 представляет собой вид в перспективе установки с замкнутым циклом в соответствии с предпочтительным вариантом исполнения настоящего изобретения;
фиг. 4, 5 и 6 представляют собой виды в перспективе некоторых элементов установки по фиг. 2;
фиг. 7 представляет собой неограничивающий схематичный вид предпочтительного варианта объемного расширителя, связанного с предпочтительным видом распределителя;
фиг. 7А представляет собой покомпонентный вид регулирующего устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 8 и 9 представляют собой виды поперечного сечения регулирующего устройства, помещенного, соответственно, в различные рабочие положения;
фиг. 10 и 11 представляют собой виды частичные виды снизу в перспективе вырезанного участка регулирующего устройства, расположенного, соответственно, в двух разных рабочих положениях;
фиг. 12 представляет собой вид продольного сечения предпочтительного вида расширителя и распределителя по фиг. 7;
фиг. 13 представляет собой вид поперечного сечения предпочтительного вида расширителя и распределителя по фиг. 7;
фиг. 14 представляет собой вид в перспективе следующего варианта исполнения объемного расширителя в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 15 представляет собой вид поперечного сечения объемного расширителя по фиг. 14;
фиг. 16 представляет подробности конструктивных признаков объемного расширителя по фиг. 14 и 15.
Подробное описание изобретения
Общий вариант исполнения установки с замкнутым циклом для выработки электроэнергии
Позицией 1 обозначена, в целом, установка с замкнутым циклом, в частности, с циклом Ренкина для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Установка 1 находит применение, например, на заводах сжигания биогаза или биомассы для извлечения тепла из отходов в результате процесса когенерации, на геотермальных установках для использования тепла средних или небольших источников, на промышленных установках для извлечения тепла из отходов (преобразованием выходного тепла производственных процессов), в бытовом окружении для выработки электроэнергии и использования тепла для санитарно-технических нужд. Дальнейшее использование установки 1 может рассматриваться в виде как гражданских, так и промышленных систем, в которых тепловой источник обеспечен посредством систем, поглощающих солнечную энергию. Далее, применения такой установки обеспечены в области автомобильного транспорта, например, для получения тепла от двигателя (из воды и (или) выхлопных газов).
Как видно из фиг. 1, установка 1 содержит замкнутый контур 2, внутри которого циркулирует рабочая текучая среда; характеристики рабочей текучей среды будут описаны ниже.
Как это видно, например, на схематичных видах фиг. 1 и фиг. 2, установка 1 содержит по меньшей мере один помещенный в контуре 2 насос 13, предназначенный для задания рабочей текучей среды заданного направления циркуляции. В предпочтительном, но не ограничивающем варианте исполнения установки 1 насос 13 выполнен в виде шестеренчатого насоса. Входящая в насос 13 рабочая текучая среда находится в жидком состоянии под определенным давлением, соответствующем минимальному давлению, контура. Насос 13 сконфигурирован с возможностью приложения к рабочей текучей среды в контуре 2 заданного скачка давления и доведения ее до максимального давления. Скачок давления, приложенный насосом 13, зависит от размеров последнего и является большим чем или равным 5 бар предпочтительно заключен между 5 бар и 25 бар, еще более предпочтительно - между 5 бар и 20 бар.
Из-за приложенного насосом 13 скачка давления рабочая текучая среда циркулирует в контуре 2 и, в частности, выходя из последнего, текучая среда достигает первого действующего в контуре 2 теплового расширителя или испарителя 3. Фактически, поданная насосом 13 рабочая текучая среда вводится внутрь испарителя 3, который сконфигурирован, чтобы нагревать упомянутую рабочую текучую среду до тех пор, пока она не будет принуждена к переходу из жидкого состояния в газообразное состояние. Более конкретно, испаритель 3 установлен для приема проходящей рабочей текучей среды, а затем - для восприятия тепла от горячего источника Н (фиг. 1 и 2), предназначенного для обеспечения возможности нагревать упомянутую текучую среду до изменения состояния: выходящая из испарителя 3 рабочая текучая среда находится в состоянии насыщенного пара.
С конструктивной точки зрения испаритель 3 может, например, содержать один теплообменник, предназначенный для обработки, как горячий источник Н, дополнительной рабочей текучей среды, поставляемой другой промышленной установкой. Альтернативно, испарителя 3 может содержать паровой котел, предназначенный для обеспечения возможности изменения состояния рабочей текучей среды посредством горячего источника Н, образованного процессом сжигания.
Снова следуя вдоль направления циркуляции рабочей текучей среды, можно видеть, что эта рабочая текучая среда, исходящая из первого теплообменника 3 в газообразном состоянии, входит в объемный расширитель 4, сконфигурированный для преобразования тепловой энергии рабочей текучей среды в механическую энергию (фиг. 1 и 2).
Объемный расширитель 4 содержит по меньшей мере один кожух 5, вмещающий в себя активный элемент 6, предназначенный для определения - вместе с упомянутым кожухом 5 - расширительной камеры 7 переменного объема (см. например, фиг. 12). Далее, объемный расширитель 4 содержит передающий элемент 37, с одной стороны подсоединенный к активному элементу 6, а с другой стороны связанный с главным валом 11, сконфигурированным для вращательного движения вокруг оси X (см. фиг. 12). Кожух 5 имеет впуск 8 и выпуск 9, соответственно, предназначенные для обеспечения возможности подавать рабочую текучую среду в расширительную камеру 7 и выпускать ее из нее. В частности, объемный расширитель 4 содержит по меньшей мере один распределитель 10, сконфигурированный, чтобы выборочно вводить рабочую текучую среду в расширительную камеру 7 и выпускать ее из нее через впуск 8 и выпуск 9 и создавать движение активного элемента 6 - таким образом можно вращать главный вал 11 вокруг оси. Объемный расширитель 4 будет конкретно описан далее.
Как видно, например, на фиг. 1 и 2, установка содержит, далее, по меньшей мере один генератор 12 электрической мощности, подсоединенный к главному валу 11, который предназначен для преобразования вращения последнего в электрическую мощность. Генератор 12, в частности, может содержать по меньшей мере один соединенный с главным валом 11 ротор, который является вращательно подвижным по отношению к статору. Относительное движение между ротором и статором дает возможность генерировать заданное количество электрической мощности.
Продолжая далее следовать в направлении циркуляции рабочей текучей среды, можно видеть, что установка 1 содержит, далее, по меньшей мере один второй теплообменник или конденсор 16, работающий в контуре 2 (см. фиг. 1 и 2). Этот конденсор 16, как видно, например, на фиг. 1, вставлен между расширителем 4 и насосом 13; второй теплообменник 16 предназначен для приема проходящей рабочей текучей среды, выходящей из расширителя 4, и обеспечения возможности ее изменения из газообразного состояния в жидкое. Более конкретно, - конденсор 16 сконфигурирован, чтобы принимать проходящую рабочую текучую среду и затем - сообщаться с источником С холода, который предназначен для извлечения тепла из текучей среды, протекающей через упомянутый второй теплообменник 16. Выходящая из конденсора 16 рабочая текучая среда снова заходит в насос 13; определенный таким образом контур представляет собой замкнутый цикл, а именно замкнутый цикл Ренкина.
Предпочтительный вариант исполнения установки с замкнутым циклом для выработки электрической мощности
На фиг. 2 проиллюстрирован неограничивающий предпочтительный вариант исполнения установки 1. Последняя, в дополнение к общему варианту исполнения установки 1, содержит экономайзер 36, помещенный после и насоса 13, и объемного расширителя 4. Более конкретно, экономайзер 36 содержит теплообменник, предназначенный для приема рабочей текучей среды, выходящей из объемного расширителя 4, и рабочей текучей среды, выходящей из насоса 13. На самом деле, экономайзер 36 позволяет производить предварительный нагрев рабочей текучей среды, выходящей из насоса 13, посредством тепла, извлеченного из рабочей текучей среды, выходящей из объемного расширителя 4. Как это также видно на фиг. 2, установка 1 дополнительно содержит третий теплообменник или предварительный нагреватель 18, работающий в контуре 2 до первого теплообменника 3, и в частности, вставленного между экономайзером 36 и испарителем 3. Этот третий теплообменник 18 сконфигурирован, чтобы принимать проходящую рабочую текучую среду, выходящую из насоса 13 и предварительно нагретую экономайзером 36. Кроме того, третий теплообменник сконфигурирован, чтобы принимать тепло от горячего источника Н и обеспечивать возможность дополнительного предварительного нагрева рабочей текучей среды до ввода последней в первый теплообменник 3.
В вариантах исполнения, проиллюстрированных на приложенных чертежах, третий теплообменник 18 содержит - неограничивающим образом - элемент, отличный (независимый) от экономайзера 36 и испарителя 3. Альтернативно, предварительный нагреватель 18 мог бы быть встроен в испаритель 3, образуя по существу "интегрированный" обменник (эта конструкция на приложенных чертежах не показана); в этой последней описанной конструкции установка 1 может содержать только два обменника ("интегрированный" обменник и экономайзер 36) или всего один обменник (только "интегрированный" обменник), если отказаться от извлечения тепла посредством экономайзера 36.
Предпочтительно, установка 1 содержит по меньшей мере один нагревательный контур 19 (см. фиг. 2) с сообщением по текучей среды как с первым теплообменником 3, так и с третьим теплообменником 18; контур 19 предназначен для обеспечения возможности циркуляции по меньшей мере одной нагревательной текучей среды от горячего источника Н. Нагревательный контур 19 содержит - неограничивающим образом - жидкостной контур, проходящий между впуском 20 и выпуском 21. Горячий источник Н может содержать, например, источник нагретой воды, предназначенной для циркуляции от впуска 20 до момента, когда она выходит из контура 19 через выпуск 21. Предпочтительно, направление циркуляции нагревательной текучей среды горячего источника Н (в предпочтительном виде - нагретая вода) является противоположным направлением относительно направления циркуляции рабочей текучей среды в контуре 2. В варианте исполнения по фиг. 2 испаритель 3 на самом деле является жидкостным (горячая вода) и газовым (рабочая текучая среда в газообразном состоянии) теплообменником. Третий теплообменник 18 также работает в нагревательном контуре 19 и использует тепло от того же самого горячего источника Н, что и используется для испарителя 3 рабочей текучей среды. Поскольку рабочая текучая среда в контуре 2 имеет направление, противоположное по отношению к нагревательной текучей среды (нагретая вода) контура 19, то последняя текучая среда имеет температуру, которая уменьшается при прохождении от испарителя 3 к предварительному нагревателю 18. Предпочтительно в "интегрированной" конструкции объединение предварительного нагревателя 18 с испарителем 3 дает возможность образовать только один теплообменник, который обеспечивает возможность по существу снизить потери нагрузки на стороне нагревательного контура 19.
Нагревательная текучая среда, входящая в контур 19, имеет температуру, меньше чем 150°С, в частности, заключенную между 25°С и 130°С. Такая температура нагревательной текучей среды пригодна для того, чтобы обеспечить испарение рабочей текучей среды. На выпускном отверстии испарителя 3 нагревательная текучая среда имеет температуру, меньшую, чем температура этой же жидкости, входящей от упомянутого испарителя; такое снижение температуры вызвано теплом, отданным нагревательной текучей средой рабочей текучей среды. А именно, входящая в третий теплообменник 18 нагревательная текучая среда имеет температуру, меньшую чем 100°С, в частности заключенную между 20°С и 90°С.
Первый и третий теплообменники 3, 18 наделены такими конструктивными размерами, что проходящая от последнего рабочая текучая среда поддерживается внутри этого третьего теплообменника 18 в насыщенном жидком состоянии, в то время как изменение состояния рабочей текучей среды из жидкостного в газообразное состояние происходит только в первом теплообменнике 3.
Как видно на фиг. 2, установка 1, предпочтительно, содержит по меньшей мере один первый температурный датчик 39, работающий в нагревательном контуре 19 и введенный между впуском 20 и теплообменником 3. Этот первый температурный датчик 39 сконфигурирован для определения сигнала управления, касающегося температуры горячей текучей среды, входящей в теплообменник 3. Кроме того, установка 1 может содержать второй температурный датчик 40, работающий в нагревательном контуре 19 и введенный между выпуском 21 и предварительным нагревателем 18. Этот второй температурный датчик 40 сконфигурирован для определения сигнала управления, касающегося температуры горячей текучей среды, выходящей из предварительного нагревателя 18.
Как видно на фиг. 2, установка 1 предпочтительно содержит первый датчик 34 давления, работающий в контуре 2 и введенный между испарителем 3 и объемным расширителем 4. Этот первый датчик 34 давления сконфигурирован для формирования сигнала управления, касающегося давления рабочей текучей среды, входящей в объемный расширитель 4, другими словами, максимального давления в контуре 2. Как это также видно на фиг. 2, установка 1 содержит второй датчик 35 давления, помещенный до насоса 13 и сконфигурированный, чтобы формировать сигнал управления, касающийся давления рабочей текучей среды, входящей в последний, другими словами, касающийся минимального давления в контуре.
Установка 1 предпочтительно содержит блок 33 управления, который подсоединен к первому и второму температурным датчикам 39, 40, а также к первому и ко второму датчикам 34, 35 давления. Этот блок 33 управления сконфигурирован для приема сигналов управления датчиков 39 и 40 и определения температуры горячего источника Н на впуске и на выпуске, соответственно - от испарителя 3 и предварительного нагревателя 18: таким образом блок 33 управления может следить за тепловым источником Н и, следовательно, за теплом, подаваемым на теплообменники. Как говорилось ранее, блок 33 управления дополнительно подсоединен к первому и ко второму датчикам 34, 35 давления, при этом упомянутый блок 33 сконфигурирован для приема сигналов управления датчиков 34 и 35 для определения давления рабочей текучей среды, входящей и выходящей, соответственно в объемный расширитель 4 и из насоса 13, другими словами, - максимального и минимального давления в контуре 2. Таким образом, блок 33 управления может следить за величинами давления рабочей текучей среды в контуре 2. Блок 33 управления, предпочтительно, дополнительно сконфигурирован для сравнения давления на впуске объемного расширителя 4 с заданной опорной величиной, например, отнесенной к величине минимального требуемого давления, и определения необходимости вмешательства или объявления состояния неисправности в том случае, когда величина измеренного давления меньше, чем опорная величина. На самом деле выполняемое блоком управления слежение предназначено для ввода разницы между температурой насыщения и рабочей температурой текучей среды и управления ею, другими словами, - для определения, находится ли рабочая текучая среда в состоянии насыщенного пара или все еще находится в состоянии смены фазы (перехода из жидкой фазы в газообразную).
Установка 1 предпочтительно может быть обеспечена обходным контуром 41, находящимся в сообщении по текучей среды с контуром 2 и предназначенным для обеспечения обхода объемного расширителя 4. Более конкретно, обходной контур 41 подсоединен до и после расширителя 4 и, благодаря наличию прерывающих элементов 42 (электромагнитные вентили) как в контуре 2, так и в обходном контуре 41, можно управлять путем рабочей текучей среды и, возможно, обходить объемный расширитель 4.
Предпочтительно, к прерывающим элементам 42 подсоединен блок 33 управления; вследствие слежения за давлениями, блок 33 управления сконфигурирован для определения возможной ситуация необходимости вмешательства (как это описано выше с примером ситуации, при которой максимальное давление рабочей текучей среды меньше, чем заданная граница) и выдачи команды на обход расширителя 4 - до тех пор, пока давление циркуляции рабочей текучей среды не превысит предварительно установленный уровень, - таким образом, можно предотвратить ввод рабочей текучей среды в расширитель 4 при слишком низком давлении.
Следующий дополнительный компонент установки на фиг. 2 представлен накопительным резервуаром 17; последний работает в контуре 2 между конденсором 16 и насосом 13. Этот накопительный резервуар 17 имеет своей функцией сбор и содержание рабочей текучей среды, выходящей из конденсора 16 в жидком состоянии, для того чтобы обеспечить насосу 13 высоту всасывания жидкости. Более конкретно, резервуар 17 предотвращает подачу рабочей текучей среды, заполненной воздушными пузырьками, которые могут вызвать неисправности внутри установки 1.
Объемный расширитель (4)
Объемный расширитель 4 по настоящему изобретению содержит по меньшей мере один кожух или цилиндр 5, содержащий активный элемент 6, предназначенный для определения - совместно с кожухом 5 - расширительной камеры 7 переменного объема. Приложенные иллюстрации представляют - неограничивающим образом - объемный расширитель 4, имеющий кожух 5, содержащий гнездо 22 цилиндрической формы, внутри которого находится с возможностью совершать скользящие движения поршень 23 плунжерного типа, также имеющий, по крайней мере, частично, форму (цилиндрическую), ответную гнезду 22 - таким образом расширитель 4 определяет объемный расширитель 4 возвратно-поступательного типа.
В первом варианте исполнения, показанном на фиг. 6, расширитель 4, предпочтительно, содержит шесть цилиндров, расположенных парами (цилиндры упорядочены попарно), смещенных в угловом направлении друг от друга относительно оси вращения Х главного вала 11. В предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения расширитель 4 содержит девять цилиндров (это расположение на приложенных чертежах не показано); однако не исключена возможность использования отличного количества цилиндров, например, двенадцати цилиндров или всего лишь двух цилиндров.
В только что описанном расположении каждый активный элемент 6 подсоединен к одному и тому же главному валу 11, который образован участками типа "гусиная шея" (см. фиг. 12), известным образом несущими на себе один или более активных элементов 6 (поршней).
Другой вариант исполнения плунжерного расширителя 4 показан на фиг. 14-16, в котором расширитель по существу определяет расширитель с радиальными или звездообразно расположенными цилиндрами, в котором цилиндры расположены вокруг главного вала 11 по радиальным линям. В случае, показанном на фиг. 14-16, радиальный расширитель, предпочтительно, выполнен в виде только одной "звезды", образованной тремя радиальными цилиндрами, однако расширитель может состоять из нескольких "звезд", то есть, может быть образован несколькими независимыми сериями цилиндров (эта конструкция на приложенных чертежах не показана).
Помимо использования возвратно-поступательного расширителя, можно реализовать расширитель 4 вращательного типа, в котором расширительная камера 7 имеет гнездо, имеющее эпитрохоидную форму с двумя или более кулачками, внутри которой находится с возможностью совершения вращательных движений поворотный поршень 23.
В следующем альтернативном варианте исполнения установка 1 может использовать расширители, имеющие конфигурации "свободных поршней", или может использовать расширитель, сконфигурированный с возможностью получения исключительно прямолинейного переменного движения, приложенного к генераторам линейного типа.
Как говорилось ранее применительно к передаче движения от активного элемента к главному валу, расширитель 4 содержит - независимо от типа используемого расширителя 4 - передающий элемент 37 (например, стержень, в случае возвратно-поступательного объемного расширителя, как показано на фиг. 12), подсоединенный с одной стороны к активному элементу 6, а с противоположной стороны связанный, в частности, петлевой подвеской, с главным валом 11, который предназначен для вращения вокруг оси X (снова см. фиг. 12); такое соединение позволяет активному элементу 6 определить вращение главного вала 11 вокруг оси X и тем самым преобразовывать тепловую энергию рабочей текучей среды в механическую энергию.
Как описано выше, кожух 5 имеет по меньшей мере один впуск 8 и один выпуск 9, предназначенные, соответственно, для обеспечения возможности подавать и выпускать рабочую текучую среду, поступающую в расширительную камеру 7 из испарителя 3. Объемный расширитель 4 состоит в сообщении по текучей среды с контуром 2 посредством упомянутых впуска 8 и выпуска 9, которые предназначены, соответственно, для обеспечения возможности подавать рабочую текучую среду в расширительную камеру 7, а затем - выпускать ее.
Для определения движения каждого активного элемента 6 следует регулировать циркуляцию рабочей текучей среды, проходящей от объемного расширителя, в частности, - от расширительной камеры 7. По этой причине объемный расширитель 4 содержит распределитель 10, расположенный - неограничивающим образом - снаружи расширительной камеры 7 (по существу определяя головную часть кожуха 5) и сконфигурированный с возможностью обеспечения выборочного ввода рабочей текучей среды в расширительную камеру 7 и выпускания ее. Более конкретно, - распределитель 10 сконфигурирован таким образом, чтобы определять внутри расширительной камеры 7 заданные рабочие состояния, такие как:
- состояния ввода, которые позволяют текучей среды течь от впуска 8 при одновременном предотвращении вытекания текучей среды из выпуска 9;
- состояния расширения, которые предотвращают вытекание текучей среды и из впуска 8, и из выпуска 9 расширительной камеры 7;
- состояния выпуска, которые предотвращают вытекание текучей среды из впуска 8 при одновременном обеспечении вытекания текучей среды из выпуска 9.
На основании того, что было сказано, можно видеть, что рабочая текучая среда, выходящая из первого теплообменника или испарителя 3, не состоит в прямом сообщении по текучей среды с рабочей текучей средой, выходящей из расширителя 4, поскольку поток прерван из-за закрытия впуска и выпуска определением состояния расширения. Последовательность вышеописанных состояний определяет рабочий цикл текучей среды внутри расширительной камеры. Чередованием состояний ввода, расширения и вывода распределитель 10 обеспечивает активному элементу 6 возможность двигаться внутри кожуха (возвратно-поступательное скольжение в случае поршневого испарителя или вращательное - в случае вращательного испарителя). С этой точки зрения расширитель 4 по существу определяет двухтактовый двигатель, выполняющий полный цикл ввода и вывода всего лишь за один оборот главного вала.
Распределитель 10, для того чтобы обеспечить вращение главного вала 11, должен синхронизировать состояния расширения внутри двух кожухов 5 таким образом, чтобы эти состояния не могли иметь место одновременно (временная синхронизация активного элемента 6). Более конкретно, распределитель 10 содержит корпус 24 распределителя, представляющий посадочное место 25 корпуса, имеющее - неограничивающим образом - по существу цилиндрическую форму. Корпус 24 распределителя 10, далее, содержит по меньшей мере один первый и один второй проходы 26, 27 (фиг. 12), предназначенные, соответственно, для включения посадочного места 25 корпуса в сообщение по текучей среды с впуском 8 и с выпуском 9 расширительной камеры 7. Распределитель 10, далее, содержит по меньшей мере один распределительный элемент 28 (фиг. 12), сконфигурированный таким образом, что является ограниченным в своем движении внутри посадочного места 25 корпуса. Фактически, распределительный элемент 28 имеет форму, которая - неограничивающим образом - по крайней мере частично выполнена как ответная форма посадочному месту 25 корпуса (имеющему по существу цилиндрическую форму) и "сцеплен" с возможностью вращения внутри последнего, тем самым существу определяя поворотный распределитель. Распределительный элемент 28 содержит первый и второй каналы 29, 30 (фиг. 7А), соответственно, определяющие впускной проход или проход ввода и выпускной проход. Такой элемент 28 имеет в боковой стенке по меньшей мере одну первую и одну вторую полости 31, 32, смещенные по углу одна по отношению к другой относительно оси вращения распределительного элемента 28.
Первая и вторая полости 31, 32 (фиг. 7А) расположены на распределительном элементе 28 таким образом, что в состоянии сцепления последнего с корпусом 24 распределителя (вставкой внутрь посадочного места 25 корпуса) первый и второй каналы 29, 30 конфигурируются для установления сообщения по текучей среды с первым и вторым проходами 26, 27. Распределительный элемент 28, следуя повороту внутри посадочного места 25 корпуса, сконфигурирован с возможностью выборочного создания состояний ввода, расширения и вывода объемного расширителя 4, и поэтому определяет перемещение активного элемента 6, в частности, поршня 23 внутри кожуха 5. Во время наличия состояния ввода рабочей текучей среда внутри расширительной камеры 7 имеет место заданное позиционирование первой и второй полостей 31, 32. В частности, во время наличия этого состояния первая полость 31 определяет впускное отверстие 31а (фиг. 7А), направленное в сторону впуска кожуха 5: при некотором и заданном поворотном положении распределительного элемента 28 впускное отверстие 31а сдвигается в положение перед первым проходом 26, а именно, - перед впуском 8. При этом же самом состоянии ввода вторая полость 32 определяет выпускное отверстие 32а (фиг. 7А), направленное в сторону выпуска 9 кожуха 5, против второго прохода 27, а именно, - перед выпуском 9. В ином образом случае, - при наличие состоянии вывода впускное отверстие 31а направлено от кожуха 5, будучи расположено на противоположной части по отношению к первому проходу 26, а именно, - к впуску 8. В этом же самом положении элемента 28 его выпускное отверстие 32а направлено в сторону кожуха 5, сообщающегося по каналу текучей среды со вторым проходом 27, а именно, - выпуском 9. Поэтому во время поворота распределительного элемента 28 расширительная камера 7 цилиндра 5 находится в сообщение по текучей среды с внешним окружением альтернативным путем, посредством первой и второй полостей 31 и 32, в частности, - посредством соответствующих отверстий 31а и 32а. По этой причине рабочая текучая среда в газообразном состоянии, следуя из испарителя 3, может входить в расширительную камеру 7, протекая через посадочное место 25 корпуса, первый канал 29, первую полость 31, первый проход 26 и впуск 8, затекая, наконец, внутрь расширительной камеры 7.
Имея в виду выходной путь рабочей текучей среды из внутренней части расширительной камеры 7 наружу, очевидно, можно реализовать аналогичное решение. Из внутренней части расширительной камеры 7 та же рабочая текучая среда может выходить, протекая последовательно через выпуск 9, второй проход 27, вторую полость 32, второй канал 30. Кроме того, имеются средства для управления распределительным элементом 28 (поворотный распределитель), которые, когда скомбинированы с расположением, размерами и формой описанных элементов, являются сконфигурированными для вынуждения впускного отверстия 31а при каждом полном повороте главного вала 11 проворачиваться на короткое расстояние, содержащееся в этом же полном повороте, устанавливаясь перед впуском, чтобы временно установить камеру 7 кожуха 5 в сообщение по текучей среды с испарителем 3. В следующем интервале этого же поворота распределительный элемент 28 закрывает впуск 8 и устанавливает камеру 7 в сообщение по текучей среды с выпуском 9. Расширительная камера 7 по существу попеременно устанавливается в сообщение по текучей среды с первым и вторым проходами 26 и 27 для ввода и вывода рабочей текучей среды в соответствии с последовательностью, синхронизованной с движением и положением активного элемента 6, и такие последовательности открывания/закрывания впуска 8 и открывания/закрывания выпуска 9 управляются главным валом 11 и заключены в одном и том же и единственном его повороте. Поэтому введение рабочей текучей среды в газообразном состоянии при соответствующем давлении и при поясненных выше состояниях внутрь расширительной камеры 7 создает внутри кожуха заданное возвратно-поступательное или вращательное движение активного элемента 6; такое движение преобразует это движение во вращательное движение упомянутого вала 11, которое может быть использовано для активации электрического генератора 12, как показано на приложенных иллюстрациях, состоящего из ротора, соединенного с упомянутым главным валом 11, и статора, что само по себе известно. Поэтому электрический генератор генерирует одно или более электрических напряжений, пригодных для подачи посредством обычных, не показанных электрических соединений, используя устройства, которые могут иметь широкое разнообразие форм, применений и типов.
Как говорилось ранее, установка содержит блок 33 управления; такой блок 33, предпочтительно, подсоединен к распределительному элементу 28 и (или) к главному валу 11, и сконфигурирован для отслеживания положения и движения последнего.
Как видно на приложенных чертежах, установка 1, далее, содержит регулирующее устройство 14, сконфигурированное для обеспечения возможности изменять по меньшей мере один из следующих параметров: продолжительность состояния ввода, максимальное поперечное сечение прохода впуска 8. Более конкретно, регулирующее устройство 14 предназначено для управления объемной скоростью потока рабочей текучей среды, вводимой в расширительную камеру 7 при наличии состояния ввода. На самом деле, регулирующее устройство 14 позволяет управлять этапом ввода рабочей текучей среды и поэтому, кроме того, и регулировать длительность этапа изобарического расширения активного элемента 6 (поршня). Очевидно, регулировки будут зависеть от размера активного элемента 6 и, в частности, от общего рабочего хода последнего внутри кожуха. В предпочтительном варианте исполнения изобретения регулирующее устройство 14 содержит по меньшей мере одну диафрагму 15, подвижную относительно впуска 8 для обеспечения возможности изменения максимального поперечного сечения прохода последнего, для того чтобы определять регулирование объемной скорости потока рабочей текучей среды, входящей в расширительную камеру 7 при наличии определенного распределителем 10 состояния ввода. Более конкретно, - диафрагма 15 размещена между первой полостью 31 распределительного элемента 28 и первым проходом 26 распределителя 10; эта диафрагма 15, будучи подвижной относительно первого прохода 26, в частности, впуска 8, позволяет изменять поперечное сечение прохода текучей среды через первый проход 26 и, следовательно, - изменять объемную скорость потока рабочей текучей среды, входящей в камеру 7.
Диафрагма 15 содержит - неограничивающим образом - полуцилиндрический рукав, вставленный между посадочным местом 25 корпуса и распределительным элементом 28. В такой конфигурации диафрагма 15 является вращательно подвижной вокруг оси вращения распределительного элемента 28 с возможностью расположения себя во множество угловых положений по отношению к первому проходу 26. диафрагма 15 может содержать полуцилиндрическую пластинку, продолжающуюся между первым и вторым выходными концами (как показано на покомпонентном виде фиг. 7); при такой конструкции изменение поперечного сечения прохода будет определено положением упомянутых концов относительно первого прохода 26. Альтернативно, диафрагма 15 может содержать по меньшей мере одно "седло" прохода (такая конструкция на приложенных чертежах не показана), имеющее заданную форму, - при такой конструкции изменение поперечного сечения прохода будет определено положением упомянутых "седел" по отношению к первому проходу 26.
При обоих вышеописанных состояниях имеется возможность изменять заданную степень перекрытия поперечного сечения прохода рабочей текучей среды на впуске 8. Более конкретно, - диафрагма 15, следуя своему собственному угловому движению, определяет заданное количество степеней перекрытия впуска 8, при этом каждая степень перекрытия определена отношением площади максимального поперечного сечения впуска 8 без диафрагмы 15 к этой же площади максимального поперечного сечения в присутствии диафрагмы 15. Степень перекрытия заключена между 1 и 3, более точно - между 1 и 2, а еще более точно - между 1 и 1,5. На самом деле, подвижная диафрагма 15 на основании степеней перекрытия определяет точку, в которой заканчивается этап ввода газа, которая отмечает следующий за этим этап расширения. В предпочтительном проиллюстрированном варианте исполнения диафрагма 15 имеет полукруговую форму, однако не исключена возможность использования диафрагмы в форме пластины, продолжающейся вдоль преобладающей плоскости своего продолжения и предназначенной для перемещения вдоль заданного направления между первым проходом 26 и первой полостью 31.
Как видно из фиг. 8-13, регулирующее устройство 14 дополнительно содержит исполнительное устройство 43, воздействующее во время работы на диафрагму 15 и сконфигурированное таким образом, чтобы, чтобы активизировать последнюю и обеспечивать возможность ее движения. Исполнительное устройство 43, предпочтительно, содержит по меньшей мере один поршень, на который действуют два давления: с одной стороны - "давление испарения" (давление на впуске испарителя), с противоположной стороны - давление конденсации рабочей текучей среды. В этой последней описанной ситуации поршень автоматически смещается в требуемое положение, основанное на соотношении между этими давлениями, которое представляет собой также коэффициент расширения расширителя 4. На самом деле, такая конфигурация позволяет автоматически регулировать положение поршня, основанное на коэффициенте расширения объемного расширителя 4, для того чтобы определить динамическое регулирование, которое по существу является "последовательным". Приложенные чертежи иллюстрируют предпочтительный вариант исполнительного устройства 43, содержащего - неограничивающим образом - толкатель 44, сцепленный с одной стороны с корпусом 24 распределителя 10, а с другой стороны - с концевым участком диафрагмы 15. Толкатель 44 содержит - неограничивающим образом - один или более винтов, сконфигурированных с возможностью воздействовать на концевые участки диафрагмы 15, в соответствии с относительным вращением относительно корпуса 24 распределителя 10. На приложенных чертежах показан предпочтительный вариант исполнения, в котором исполнительное устройство 43 содержит первый и второй толкатели 44, 45 (два толкателя) для каждой диафрагмы 15 (фиг. 8-11). диафрагма 15 может быть отрегулирована вручную посредством механического воздействия на толкатели (винты). Предпочтительно, чтобы такая регулировка (вращение диафрагмы 15) выполнялась автоматически блоком 33 управления. В этом последнем случае можно обеспечить, электродвигатель или пневматическую цепь, или гидравлическую цепь (которую можно видеть, например, на фиг. 13), предназначенную для воздействия с целью смещения диафрагмы 15, управление которой отдано блоку 33 управления.
Чтобы лучше понять параметры, эффективные для регулирования положения диафрагмы 15, полезно проанализировать рабочий цикл расширителя 4. При наличии состояния ввода рабочая текучая среда на самом деле вводится в расширительную камеру 7 при заданной температуре, установленной в испарителе 3. Далее, эта рабочая текучая среда имеет заданное давление, по существу равное давлению рабочей текучей среды, выходящей из насоса 13 (максимальное давление контура 2). Основываясь на характеристиках текучей среды, таких как, например, давление, температура и объемная скорость потока, можно получить заданную силу воздействия на активный элемент и, следовательно, - заданную величину получаемой работы. Более конкретно, получаемая работа дается разностью давления на впуске и выпуске расширительной камеры 7 для переменного объема последней. Давление рабочей текучей среды, входящей в расширитель 4, является максимальным давлением, которое рабочая текучая среда достигает внутри контура, и зависит от характеристик насоса 13: именно насос 13 определяет скачок давления. Давление рабочей текучей среды, выходящей из расширителя 4, есть давление выпуска. Для того чтобы максимизировать достижимую работу, давление выпуска на выходе из расширителя 4 должно быть по существу равно давлению конденсации текучей среды, другими словами, - давлению рабочей текучей среды, входящей в насос 13, в частности внутрь накопительного резервуара 17. Очевидно, что объем кожуха 5 остается постоянным и, следовательно, для максимизации работы необходимо максимизировать скачок давления. Как говорилось ранее, максимальное давление в контуре зависит от характеристик насоса 13; в отличие от этого, что касается минимального давления (давления конденсации), - этот параметр является переменным, зависящим от атмосферных состояний внешнего окружения.
Для того чтобы максимизировать получаемую работу при одном и том же максимальном давлении, обеспечиваемом насосом 13, давление выпуска на выпуске расширителя 4 должно быть по существу равным минимальному давлению. Целью является - повысить мощность или эффективность всей установки. На самом деле, если в нижней мертвой точке (н.м.т.) активного элемента 6 давление рабочей текучей среды (газа) равно давлению в конденсоре, то рабочий цикл будет иметь максимальную эффективность, поскольку он охватывает весь этап расширения без отдачи избыточного тепла в конденсор и без выполнения отрицательной работы на рабочем ходе вниз. И наоборот, если давление рабочей текучей среды в н.м.т. больше, чем давление конденсации, то на выпускном отверстии расширителя потенциально имеет место потеря полезного тепла, которое будет сброшено (потеряно) в конденсор (имеет место падение эффективности и потеря мощности). Фактически, если давление выпуска рабочей текучей среды, выходящей из расширителя, больше чем давление конденсации, то будет происходить потеря мощности, равная разности между последними двумя давлениями.
Более того, если давление рабочей текучей среды будет меньше, чем давление конденсации, прежде чем активный элемент достигнет н.м.т., то этот активный элемент 6 (поршень) будет выполнять отрицательную работу, поскольку после той точки, в которой давление рабочей текучей среды становится равным давлению конденсации, и до н.м.т. он будет работать против системы; такая работа выполняется системой с активным элементом 6 и представляет собой фазу отрицательной работы, которая вычитается из общей положительной фазы цикла (уменьшение энергии, подаваемой установкой 1).
Регулирующее устройство 14 сконфигурировано таким образом, чтобы, чтобы обеспечивать возможность вводить внутрь расширительной камеры 7 какое-то количество рабочей текучей среды, так чтобы по окончании состояния расширения давление выпуска последней было по существу равно давлению конденсации рабочей текучей среды (давление рабочей текучей среды в жидком состоянии, поступающей в насос 13). Фактически, регулирующее устройство 14 предназначено для обеспечения возможности расширителю 4 отслеживать тенденцию изменения давления конденсации, для того чтобы максимизировать достижимую работу. Для того чтобы выполнять динамическое управление давлением выпуска расширителя 4, установка 1 может использовать блок 33 управления, который посредством датчиков 34, 35, 39 и 40 может отслеживать давления и температуры рабочей текучей среды и, следовательно, посредством соединения с исполнительным устройством 43 - управлять диафрагмой 15.
Рабочая текучая среда
Рабочая текучая среда, используемая внутри установки 1, предпочтительно, содержит по меньшей мере одну органическую текучую среду (ORC-текучая среда). Рабочая текучая среда предпочтительно содержит количество органической текучей среды, заключенное между 90% и 99%, более точно - между 95% и 99%, а еще более точно - около 98%. Использование органической текучей среды особенно выгодно для этой установки из-за превосходной способности по переносу тепла от горячего источника к холодному источнику. Органическая текучая среда смешена с по крайней мере маслом, сконфигурированным для обеспечения возможности смазывать подвижные элементы расширителя 4 (активный элемент 6); присутствие масла позволяет еще более улучшать уплотнение и должную работу теплообменников. Например, используемые органические текучие среды могут содержать по меньшей мере одну из выбранных из группы следующих текучих сред: R134A, 245FA, R1234Y, R1234FZ.
Способ получения электрический энергии
Целью настоящего изобретения, кроме того, является способ для превращения тепловой энергии в электрический энергию.
Способ включает в себя этап обеспечения циркуляции рабочей текучей среды, движение которой вызывается насосом 13. Рабочая текучая среда, приведенная в движение насосом 13, поступает в испаритель 3, который, благодаря горячему источнику Н, нагревает рабочую текучую среду до тех пор, пока она не будет испаряться (состояние, показанное на схеме по фиг. 1). Вызванный насосом 13 скачок давления является по существу тем скачком, который требуется рабочему циклу в зависимости от рабочих состояний. Другими словами, в насос 13 подается текучая среда в жидком состоянии под давлением конденсации, исключая недоохлаждение. Давление на выпуске зависит от давления испарения, которое равно давлению испарения рабочей текучей среды, другими словами, - зависит от температуры горячего источника, исключая перегрев. Массовая скорость потока рабочей текучей среды зависит от имеющейся тепловой мощности и от установленного перегрева. Способ может включать в себя дополнительные этапы нагрева текучей среды перед этапами испарения. Более конкретно, - способ может включать в себя этап извлечения тепла посредством экономайзера 36: такой этап позволяет нагревать рабочую текучую среду, выходящую из насоса, посредством рабочей текучей среды, выходящей из расширителя. Более того, способ может включать в себя этап предварительного нагрева рабочей текучей среды, выходящей из экономайзера 36, посредством третьего теплообменника 18. Этап предварительного нагрева позволяет нагревать рабочую текучую среду без доведения последней до испарения. Тепло предварительного нагрева извлекается из горячего источника Н, исходящего из испарителя 3. Для того чтобы правильно оптимизировать способ, испарителю 3 и предварительному нагревателю 18 можно придать такие размеры, чтобы они могли, соответственно, работать в состояниях теплового обмена текучая среда/газ и текучая среда/текучая среда.
После этапа испарения рабочая текучая среда в газообразном состоянии течет в объемный расширитель 4, при этом рабочая текучая среда непрерывно протекает через посадочное место 25 корпуса распределителя 10, первый канал 29, первую полость 31, отверстие 31а, первый проход 26, впуск 8, до тех пор, пока она не втекает в расширительную камеру 7; такие этапы определяют состояние ввода рабочей текучей среды. После этапа ввода расширитель определяет этап расширения (впуск 8 и выпуск 9 закрыты и обеспечивают расширение текучей среды), обусловленное большим давлением. В результате такого расширения активный элемент 6 смещается, приобретая возвратно-поступательное (возвратно-поступательный расширитель) или вращательное (вращательный расширитель) движение, каждое из которых само по себе известно, запуская затем во вращение главный вал 11, и, наконец, активизирует упомянутый электрический генератор 12. Поэтому ток газа выводится из расширительной камеры 7 через выпуск 9, второй проход 27, отверстие 32а, второй канал 30 до тех пор, пока не выходит из корпуса 24 распределителя 10.
Способ включает в себя этап регулирования объемной скорости потока рабочей текучей среды, входящей в расширительную камеру 7 посредством регулирующего устройства.
Этап регулирования включает в себя этап управления давлениями испарения и конденсации посредством датчиков 34 и 35; эти датчики посылают соответствующие сигналы управления на блок 33 управления, который предназначен для обработки сигналов и определения этих давлений. Как только давления испарения и конденсации определены, можно воздействовать на регулирующее устройство 14, чтобы определить давление выпуска, по существу равное давлению конденсации. Более конкретно, этап регулирования обеспечивает движение диафрагмы 15 - посредством исполнительного устройства 43 - по отношению к впускному отверстию 8, для того чтобы изменить поперечное сечение на просвет рабочей текучей среды для определения правильной объемной скорости потока, что позволяет получить давление выпуска, равное давлению конденсации (максимизация достижимой работы). После этого этот же контур 2 переносит рабочую текучую среду в конденсор 16, где эта текучая среда конденсируется и подается в накопительный резервуар 17. Этот накопительный резервуар 17 находится в сообщении по текучей среды с насосом 13, который извлекает ее непосредственно из упомянутого резервуара, так что эта рабочая текучая среда снова циркулирует в контуре. Более конкретно, этот накопительный резервуар 17 расположен между конденсором 16 и насосом 13, и позволяет собирать рабочую текучую среду в жидком состоянии, при этом в таком ее состоянии резервуар 17 позволяет насосу 13 всасывать текучую среду без возможного всасывания пузырьков воздуха, для того чтобы тем самым обеспечить непрерывную подачу жидкости.
Данное решение электрогенераторной установки 1 может быть исполнено в зависимости от обстоятельств и внешних состояний, которые являются очень разными; например, источник "Н" подачи тепла может быть в виде промышленных отходов, а теплообменник может использовать холодный источник "С", содержащий, например, водоток, или конденсор в виде окружающего воздуха (случай, показанный на фиг. 2), если условия это позволяют.
Преимущества изобретения
Положительный эффект вышеописанного решения состоит в том, что распределительный элемент 28 имеет некоторые заметные и неоспоримые преимущества по сравнению со стандартным распределением посредством "стержневых" клапанов, которыми являются:
- очень высокая надежность;
- отсутствие износа соответствующих частей, и поэтому очень ограниченное техническое обслуживание;
- отсутствие необходимости калибровки;
- пониженное потребление энергии, поскольку при этом создается и используется только вращательное движение.
Далее, тот факт, что распределительный элемент 28 может вращаться синхронно с движением активного элемента, приводит к тому, что испаритель 3 сообщается с впуском 8, а именно с расширительной камерой, в заданном положении этого элемента, обычно когда он достигает угла упреждения или запаздывания по отношению к верхней мертвой точке, что зависит от соотношения между рабочими давлениями, а камера, спустя заданный временной отрезок, становится закрытой, прежде чем активный элемент достигнет нижней мертвой точки; аналогичная ситуация, хотя, очевидно, обратная, должна быть иметь место относительно открывания и закрывания выпуска 11. Таким образом, главный вал 11 соединен с распределительным элементом 28 через сборку кинематических элементов, содержащую, например, шестерни, зубчатые колеса, бесприводные колеса, предназначенные для воздействия на распределительный элемент 28, для того чтобы обеспечить вышеописанные состояния. Поскольку главный вал 11 совершает полный оборот с двойным рабочим ходом активирующего элемента вверх и вниз, то будет достаточно построить упомянутые кинематические элементы таким образом, чтобы один оборот главного вала 11 соответствовал всего лишь одному обороту распределительного элемента, что, в свою очередь, вызывает и открывание, и закрывание пути ввода через впуск 8, а также последующее открывание и закрывание пути выпуска через выпуск 9.
Далее, факт изменения давлением выпуска рабочей текучей среды, выходящей из расширителя 4, обеспечивает возможность получить установку, адаптируемую к различным рабочим состояниям и, следовательно, пригодную для работы в широком диапазоне рабочих состояний.
На самом деле, возможность регулирования поперечного сечения на просвет рабочей текучей среды, входящей в расширительную камеру 7, позволяет максимизировать достигаемую работу и поэтому обеспечивает определенную работоспособность установки 1 также и в состояниях имеющейся низкой тепловой энергии (горячий источник Н со средней или низкой температурой).