БЕТОННО-ТРУБЧАТЫЙ ГОРЯЧИЙ ТЕПЛООБМЕННИК, НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ
CONCRETE-TUBE HOT HEAT EXCHANGER, ENERGY STORAGE AND A METHOD FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE GRADIENT

Уведомление об авторском праве
[001] Часть описания этого патентного документа может содержать материал, который защищен законом об авторских правах. Обладатель авторских прав не возражает против факсимильного воспроизведения кем-либо патентного документа или описания патента в том виде, как это отражено в патентных документах или записях Ведомства по патентам и товарным знакам, но в остальном оставляет за собой все авторские права. К данному документу должно применяться следующее уведомление: Copyright© 2015, Bright Energy Systems, Inc.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
[002] Настоящая заявка не является предварительной, и испрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на патент США №62/066,773, поданной 21 октября 2014 года, и с предварительной заявкой на патент США №62/220,796, поданной 18 сентября 2015 года, содержание которых полностью включено в данный документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
[003] Примерная, иллюстративная технология, описанная здесь, относится к системам, программному обеспечению и способам для управления тепловыми двигателями - обычно двигателями на основе цикла перехода фазы, подобно циклу Ранкина, и, в частности, управления захватом тепла, его хранением и использованием. Как описано здесь, термин «цикл Ранкина» относится к большому семейству циклов, в которых рабочий флюид подвергается давлению в жидком состоянии, возможно, сверх- или подкритическим давлениям, и/или возможно с использованием смесей флюидов, как, например, в цикле Калины.
Предшествующий уровень техники
[004] Системы, которые захватывают и повторно используют отработанное тепло, широко описаны в данной области техники. Обычно, такие системы задействуют ряд инженерных компромиссов для оптимизации эффективности посредством оптимизации теплопередачи от источника тепла к двигателю Ранкина, который преобразует перенесенную энергию в механическую энергию. Обычно, такие компромиссы фокусируются на эффективности теплообменника и характеристиках рабочего флюида.
[005] Эффективность теплообменника зависит от материалов теплообменника и конструкции теплообменника, тогда как рабочие флюиды оптимизируются под совпадение характеристик захвата и освобождения тепла у флюида и рабочей температуры системы.
[006] Очень важен эффективный по стоимости накопитель энергии. Электрохимический накопитель энергии имеет сильные стороны, но часто довольно дорогостоящий, не всегда безопасный и может иметь не слишком долгий срок службы. Системы с механической энергией, такие как накопители энергии на основе закачивания жидкости и сжатого воздуха, сегодня являют собой огромный ряд мощностей крупномасштабных накопителей электроэнергии, демонстрируя долговременную надежность и приемлемую производительность.
[007] Экономически эффективная и имеющая подходящую производительность система на основе сжатого флюида должна хранить энергию рентабельно и задействовать термодинамический процесс, который будет эффективен в обоих направлениях: зарядка и сброс. Общепринятый способ этого добиться относится к состояниям процесса, которые должны быть очень похожи на каждом этапе процесса в каждом направлении; то есть соответствующие давления и температуры в каждой точке процесса очень похожи между процессом зарядки и процессом сброса.
[008] Имеется две больших категории систем хранения механической энергии на основе сжатого флюида: 1) тепловые насосы, как часть систем накопления перекачиваемой тепловой энергии (PTES) и 2) системы накопления энергии на основе сжатого флюида (CFES), где системы накопления энергии на основе сжатого воздуха (CAES) являют собой широко изученное подмножество в этой области. Разграничение здесь заключается в том, что флюид может не быть воздухом, и может не всегда быть газом - это может быть надкритический флюид, и могут существовать части процесса, где флюид находится в жидкой фазе, или сочетать жидкую и газовую фазы.
[009] Системы PTES обычно хранят энергию в качестве разницы тепловой энергии между некоторыми массами. Зарядка предполагает увеличение количества массы, которая имеет разницу температур (или, более строго, энтальпии), или увеличение энтальпии фиксированной массы [относительно окружающей среды], или какую-то степень и того и другого, а разрядка забирает эту потенциальную энергию и преобразует ее в механическую и/или электрическую работу.
[0010] Классической сложностью при попытке использования флюида в дополнение к газу в системах хранения механической энергии является то, что при этом обычно требуется хранить флюид низкого давления, который часто очень объемен, что повышает стоимость хранения и повышает сложность размещения на участках. Также если флюиды представляют собой химикаты, подобные охладителям, необходимо учитывать стоимость материалов, равно как и риски и издержки при утечке из системы.
[0011] Технологии, описанные здесь, могут применяться в области захвата и управления отработанным теплом, и для управления и оптимизации тепловых двигателей, приводимых в действие этим теплом.
Раскрытие изобретения
[0012] В соответствии с одним аспектом изобретения, установка для захвата тепла, хранения тепла и теплообмена содержит:, по меньшей мере, один массив теплового обмена и хранения (TXES), каждый из таких TXES содержит: один или несколько элементов TXES, каждый из которых выполнен с возможностью получения потока флюида посредством каждого нагретого исходного флюида и рабочий флюид, при этом каждый из этих элементов TXES обеспечивает передачу тепловой энергии между нагретым исходным флюидом и элементами TXES; и коллекторную систему с соединением с таким одним или несколькими элементами TXES посредством трубопроводов с возможностью предоставления рабочего флюида на вход одного или нескольких элементов TXES и получения рабочего флюида с выхода одного или нескольких элементов TXES; и, по меньшей мере, один двигатель, выполненный с возможностью функционирования при помощи, по меньшей мере, одного массива TXES для извлечения тепла из, по меньшей мере, одного массива TXES и преобразования его в механическую энергию, каждый из таких, по меньшей мере, одного теплового двигателя избирательно соединен с коллекторной системой соответствующего массива TXES для пропуска рабочего флюида через один или несколько элементов TXES соответствующего массива TXES таким образом, что осуществляется передача тепловой энергии между рабочим флюидом и одним или несколькими соответствующими элементами TXES.
[0013] В соответствии с еще одним аспектом изобретения, установка для захвата тепла, хранения тепла и теплообмена содержит:, по меньшей мере, один модульный массив теплового обмена и хранения тепла (TXES), каждый из таких, по меньшей мере, одного модульного массива TXES содержит один или несколько элементов TXES, каждый из которых включает в себя: матричный субстрат материала; одну или несколько дымовых труб или каналов, с формированием или расположением в таком матричном субстрате материала, для обеспечения потока нагретого исходного флюида через элемент TXES, при этом нагретый исходный флюид поступает от источника тепла; и одну или несколько труб рабочего флюида, с расположением в матричном субстрате материала, отдельно от одной или нескольких дымовых труб или каналов для обеспечения потока рабочего флюида через элемент TXES; один или несколько тепловых двигателей, с возможностью эксплуатации при помощи, по меньшей мере, одного массива TXES для извлечения тепла из, по меньшей мере, одного массива TXES и преобразования его в механическую энергию, при этом такие один или несколько тепловых двигателей подают рабочий флюид, по меньшей мере, в один модульный массив TXES; и систему клапанов, с расположением в трубопроводе и каналах, соединяющих источник тепла и, по меньшей мере, один модульный массив TXES, с соединением одного или нескольких тепловых двигателей и, по меньшей мере, одного модульного массива TXES, при этом система клапанов избирательно контролирует поток нагретого исходного флюида к, по меньшей мере, одному модульному массиву TXES и одному или нескольким его элементам TXES, и избирательно контролирует поток рабочего флюида к, по меньшей мере, одному модульному массиву TXES и одному или нескольким его элементам TXES.
[0014] В соответствии с еще одним аспектом изобретения, способ сборки установки для захвата тепла, хранения тепла и теплообмена, содержащий: предоставление, по меньшей мере, одного модульного массива теплового обмена и хранения тепла (TXES), выполненного с возможностью хранения тепла и теплообмена, при этом предоставление каждого из, по меньшей мере, одного модульных массивов TXES содержит: предоставление нужного числа модульных элементов TXES; расстановку нужного числа модульных элементов TXES с возможностью формирования модульного массива TXES; и сопряжение нужного числа модульных элементов TXES с коллекторной системой посредством трубопровода для обеспечения переноса рабочего флюида между коллекторной системой и модульными элементами TXES; с гидравлическим сопряжением, по меньшей мере, одного модульного массива TXES и источника тепла для получения оттуда нагретого исходного флюида, при этом тепловая энергия от нагретого исходного флюида хранится в одном или нескольких модульных элементах TXES, по меньшей мере, одного модульного массива TXES; предоставление, по меньшей мере, одного теплового двигателя, который выполнен с возможностью работы, по меньшей мере, с одним массивом TXES для извлечения тепла из, по меньшей мере, одного массива TXES посредством рабочего флюида и преобразования его в механическую энергию; с возможностью гидравлического соединения каждого из, по меньшей мере, одного тепловых двигателей и коллекторной системы соответствующего модульного массива TXES для пропуска рабочего флюида через один или несколько его модульных элементов TXES, таким образом, чтобы осуществлялся перенос тепловой энергии между рабочим флюидом и одним или несколькими соответствующими элементами TXES.
Краткое описание чертежей
[0015] Отличительные признаки настоящего изобретения будут более понятны из подробного описания изобретения и примерных вариантов его осуществления, выбранных в целях иллюстрации и показанных на сопроводительных чертежах.
[0016] Фигура 1 иллюстрирует использование TXES в существующей расстановке отвода отработанного тепла.
[0017] Фигура 2 иллюстрирует примерную систему, в соответствии с настоящим изобретением.
[0018] Фигура 3 иллюстрирует компоненты контроллера компьютеризированного процесса, используемые системой.
[0019] Фигура 4 иллюстрирует пример контура рабочего флюида в пределах массива элементов TXES для теплообмена и хранения тепла.
[0020] Фигуры 5а, 5b и 5с иллюстрируют различные конфигурации элементов TXES со множеством встроенных дымовых труб и труб флюида процесса.
[0021] Фигура 6 иллюстрирует примерный элемент TXES с выемками и с литьем в дымовых каналах.
[0022] Фигура 7 иллюстрирует расстановку элементов TXES с выемками.
[0023] Фигуры 8, 9, 10 и 11 иллюстрируют различные расстановки спиральных труб рабочего флюида в пределах элементов TXES.
[0024] Фигура 12 содержит примерные кривые нагрева для элемента TXES в его различных состояниях.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Обзор
[0025] Система, в соответствии с настоящим изобретением, и способы работы предоставляют конфигурируемую систему захвата тепла, хранения тепла и теплообмена, которая может работать с высоким уровнем производительности при разнообразных условиях. Эта система называется TXES, то есть система теплового обмена и хранения энергии. В отличие от традиционных систем теплообмена и хранения тепла, описанная система может эффективно и надежно работать с целым рядом источников тепла, рабочими флюидами и режимами давления, может легко собираться из модулей, является гибкой в своей конфигурации, при этом оставаясь рентабельной. Ее можно использовать для обмена тепловой энергией одновременно с многочисленными потоками флюида различных составов или характеристик.
[0026] В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, система может работать, как часть вытяжного теплоотвода промышленной печи, электростанции или иного промышленного источника тепла, для захвата отработанного тепла и использования его для других нужд, в том числе производства энергии. Эффективность захвата и переноса тепла зависит от переноса тепла от источника тепла (например, отработанные газы) в рабочий флюид, где тепло можно использовать при помощи хорошо известных процессов, таких как двигатели на основе цикла Ранкина. В случаях, когда все тепло от источника тепла не может эффективно переноситься в рабочий флюид, или когда источник тепла имеет недостаточно остаточного тепла для эффективного нагрева рабочего флюида до экономически рентабельной температуры, эффективность теряется, или же необходимо использовать альтернативные механизмы захвата и хранения. Описана модульная система захвата, хранения и извлечения, которая может захватывать тепло из источника тепла в широком диапазоне температур, и затем делает это тепло доступным для подходящей рабочего флюида.
[0027] Один подход состоит в том, чтобы создать расстановку с противотоком тепла, при этом элемент TXES нагревается посредством горячего флюида (или газа), затекающего в «горячий» конец элемента TXES, с переносом тепла в элемент TXES, и истощенный горячий флюид, покидает элемент TXES на «холодном» конце. Рабочий флюид движется в противоположном направлении, поступая в элемент TXES на «холодном» конце, с поглощением тепловой энергии из матрицы элементов TXES, и покидая элемент через «горячий» конец. Это делает тепловой градиент более крутым. Тепловой градиент - это зона, в которой большая часть поступающего тепла извлекается и переносится в рабочий флюид на достаточно короткой линейной дистанции. Входной (например, «горячий») конец поддерживается при температуре, которая очень близка ко входной температуре источника тепла, а «холодный» конец поддерживается при температуре, близкой к входной температуре рабочего флюида. Такая расстановка может обеспечить оптимальный теплоперенос от источника тепла к рабочему флюиду посредством матрицы элементов TXES.
[0028] Массив TXES может также использоваться при работе параллельным потоком. Например, массив TXES может нагреваться параллельно при помощи нагретого рабочего флюида с подкачкой и нагретого отработанного флюида, или же, в качестве альтернативы, с нагревом двух флюидов параллельно с использованием тепла, сохраненного в TXES.
[0029] Для общей эффективности процесса желательно, чтобы среда хранения тепла была способна отдавать тепло назад в процессе разрядки с минимальной потерей энтропии по всему диапазону возможных уровней тепловых колебаний (например, при различных показателях массы потока, температур и конденсации). Традиционные противоточные теплообменники обеспечивают немедленный перенос тепла от исходного флюида к рабочему флюиду, и поэтому эффективны только когда присутствует источник тепла, а рабочий флюид течет, и наиболее эффективны, когда тепловые потоки постоянно соответствуют в реальном времени. Тепловой градиент поэтому нестабилен и меняется сразу же, как только меняются характеристики источника тепла или потоков рабочего флюида (например, нагрев или охлаждение рабочих флюидов на входе изменяет скорость потока). Это создает сложности для конструкторов из-за необходимости добиваться соответствия источника тепла и теплового двигателя, а также эксплуатационные сложности при запуске и остановке, что являет собой одну из самых больших проблем тепловых станций на основе цикла Ранкина. Массивы TXES и элементы TXES можно сконфигурировать с возможностью захвата и хранения тепла, которое обычно остается не захваченным в традиционном теплообменнике (например, если рабочий флюид не может поглотить столько тепла, сколько имеется на входе). Элемент TXES сохраняет излишек тепла от флюида на входе, фактически, заряжая элемент TXES тепловой энергией. Зарядка элемента TXES сдвигает положение температурного градиента в элементе TXES. Контролируя источник тепла и потоки рабочего флюида (например, тепло, добавляемое в элемент TXES, и количество тепла, которое отброшено в рабочий флюид, может меняться в процессе контроля), можно управлять положением и формой температурного градиента в пределах элемента TXES.
[0030] Массив TXES работает в разных температурных диапазонах источника(ов) тепла (при этом такие источники могут быть источниками тепла от выходных газов, жидкостей, например, отвод геотермального или промышленного тепла, или другими источниками тепла, или от сжатого флюида при процессе зарядки при сжатии) для захвата, хранения и отбрасывания тепла по необходимости. Массив TXES может обеспечить многоступенчатый теплоперенос в системы двигателей с оптимизацией по температуре. Также можно разделить скорость теплообмена с источником тепла и тепло, требуемое тепловым двигателем. Такая гибкость обеспечивает более эффективный захват и перенос тепловой энергии от источника тепла в один или несколько рабочих флюидов. В этой системе, в первом примерном варианте осуществления, процесс разрядки являет собой по сути цикл Ранкина, где флюид подвергается давлению в жидком состоянии (при этом энергия нагнетания давления относительна низка) и затем она нагревается, затем испаряется, и затем перегревается. После этого она расширяется для извлечения механической энергии, и затем конденсируется в жидкость, чтобы ее можно было сжимать снова. Скрытое тепло испарения - это значительный процент входного тепла, который можно извлечь из системы. Чем выше температура, тем выше чистая работа против скрытой затраты тепла, необходимой для испарения флюида.
[0031] Описанная выше система обеспечивает захват отработанного тепла и его сохранение в широком диапазоне входных диапазонов тепла, и обеспечивает функцию сглаживания для источников тепла с переменной интенсивностью. Тепло, извлеченное из системы, может иметь задержку по времени относительно тепла на входе источника тепла.
[0032] Способность интегрировать процесс захвата отработанного тепла в систему хранения электроэнергии (такую, которая использует электричество для исходной энергии при зарядке) для создания гибридной системы хранения электричества с циклом дополнительной выработки электроэнергии с использованием отработанного тепла обеспечивает выдающуюся эффективность.
[0033] Ценный актив любого теплообменника - это лучшая стоимость на единицу площади поверхности. В трубе резервуара под давлением толщина стенок трубы определяется давлением, прочностью материала, факторами безопасности и диаметром трубы. Стоимость материала трубы на единицу площади поверхности пропорциональна толщине стенки. Таким образом, меньшее количество материала на единицу площади поверхности достигается при меньшем диаметре трубы. Прагматическая сложность - это стоимость соединения намного большего числа малых труб вместе; разветвления vs. меньшие издержки по трудозатратам при сочленении для труб большего диаметра, которые дороже. Использование труб очень большой длины, что возможно благодаря спиралевидной форме таких труб, в том виде, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, позволяет использовать меньше отдельных труб на той же площади поверхности без использования выступов и других сложных для производства элементов. Спиральная расстановка также обеспечивает более равномерное рассеивание по области теплообмена в элемент TXES.
[0034] Эти и другие аспекты и преимущества станут очевидными, когда описание, приведенное ниже, будет прочитано в сочетании с сопроводительными чертежами.
Примерная архитектура системы
[0035] Фигура 1 иллюстрирует примерный вариант осуществления массива TXES на выпускной системе. При работе, выпускная система транспортирует горячие выпускные газы от источника тепла, через выпускной патрубок (110), через один или несколько массивов (125а/b) TXES перед выпуском теперь охлажденных выпускных газов в дымоход (120). Следует отметить, что патрубок и дымоход в этом примере являются иллюстративными для установки на основе выпускного газа. Системы обработки выпускных газов и конденсата (не показано) также можно интегрировать в массив TXES, или же в качестве установки для пред- или постобработки, по необходимости, для обработки выпускных газов для удаления загрязнителей, таких как сера или оксиды азота. Без отступления от существа изобретения, можно добавить другие установки для источников тепла, содержащих теплопроводные флюиды (например, источники тепла с жидкими, двухфазными или надкритическими флюидами на входе, в противоположность газовым фазам на входе), или для дальнейшей пред- или постобработки выпускных газов.
[0036] Массивы (125) TXES можно установить таким образом, чтобы они способствовали сбору конденсата, который образуется при переносе тепла от выпускного газа в элементы TXES, которые составляют массив TXES. Один способ заключается в том, чтобы наклонить элементы TXES таким образом, чтобы конденсат стекал в точку сбора, где он собирается и может быть подвергнут дальнейшей обработке. Следует отметить, что конденсат часто довольно теплый (например, 70°С), и его можно пропустить через дополнительные элементы TXES (либо в том же самом массиве TXES, либо в одном или нескольких дополнительных массиве(ах) TXES), которые оптимизированы для извлечения более низких уровней тепла, оставшегося в конденсате.
[0037] Фигура 2 иллюстрирует вариант осуществления изобретения для захвата тепла с газовых входов. Этот примерный вариант осуществления содержит источник (200) тепла сгорания, один или несколько выпускных патрубков (один патрубок показан как 110, другие опущены для ясности), который переносит горячие выпускные газы от источника тепла в один или несколько массивов хранения тепла/элементов теплообмена (названные массивы TXES и элементы TXES, соответственно) (например, 125а, 125b). Выпускные патрубки могут быть совмещены с одним или несколькими гасителями (270а, 270b) системы выпуска под контролем одного или нескольких необязательных контроллеров процесса, которые контролируют поток горячих выпускных газов из источника тепла в обозначенный контроллером процесса один или несколько массивов (125а, 125b) TXES, и массивы TXES, расставлены так, что горячие газы текут от источника тепла через, по меньшей мере, один из выбранных массивов TXES, прежде чем будут выпущены в дымоход (120). В некоторых вариантах осуществления, где выпускные газы могут различаться по температуре, массивы TXES могут быть расставлены последовательно, чтобы первый массив TXES получал самые горячие выпускные газы, а второй массив TXES получал менее горячие выпускные газы. Это обеспечит захват и повторное использование дополнительной тепловой энергии от выпускных газов благодаря соответствию температуры выпускного газа, по меньшей мере, одному элементу TXES (и способствуя работе двигателя преобразования тепла), с оптимизацией для захвата, хранения и повторного использования энергии тепла выпускного газа именно при текущей температуре.
[0038] Гасители (270а, 270b), управляемые компьютером или вручную, можно использовать для контроля входящих потоков газа от источника тепла на один или несколько выбранных массивов TXES посредством открывания или закрывания гасителей. Компьютер (240) контроля за процессом контролирует выпускные гасители (270а, 270b), когда система работает с контролем за процессом, например, когда температуры выпускного газа постоянно меняются, и требуется оптимизация, в реальном времени, процесса теплообмена и повторного использования тепла. Можно настраивать гасители вручную для систем с более постоянными температурами и давлениями выпускного газа. В качестве альтернативы, можно использовать сочетание обеих техник управления гасителями.
[0039] Гасители можно использовать для изолирования массива TXES от потока выпускных газов. Это может потребоваться по различным причинам, например, массив TXES мог достичь нужной рабочей температуры, и тепло будет более оптимально использовать в другом массиве TXES, потому что выпускные газы имеют температуру, при которой конкретный массив TXES не сможет оптимальным образом извлечь тепло из выпускных газов, или же для вывода массива TXES из работы (например, для ремонта).
[0040] В некоторых вариантах осуществления, и при определенных условиях работы, может использоваться обходная труба для направления горячих выпускных газов по такому пути, чтобы система не захватывала тепло. Обходная труба управляется дополнительным гасителем/клапаном (270b). В некоторых вариантах осуществления, такой гаситель обходной трубы может быть сконфигурирован с возможностью «открывания при отказе», для обеспечения безопасной работы выпускной системы в случае, если один или несколько массивов TXES функционируют неправильно (например, при отказе подсистем извлечения тепла).
[0041] Выпускной патрубок, дымоход и массивы TXES предпочтительно снабжены датчиками, например, датчиками давления и температуры, которые измеряют давление и температуру флюидов процесса выпускного патрубка, дымохода и массивов TXES, и отдельных элементов TXES (например, 230а, 230b, 231а, 231b). Каждый датчик температуры и давления соединен с контроллером процесса (с использованием механизма, подходящего для датчика, обычно электрически) для подачи входных сигналов на контроллер процесса, согласно управляющим алгоритмам, которые управляют извлечением тепла, его хранением и повторным использованием в пределах массивов TXES.
[0042] Элемент(ы) TXES дополнительно имеют гидравлическое сопряжение (при помощи трубопровода 260а, 260b рабочего флюида) с одной или несколькими подсистемами (250а, 250b) теплового двигателя, при этом рабочий флюид для каждого теплового двигателя циркулирует через один или несколько элементов TXES, по меньшей мере, одного из массивов TXES. Элементы TXES могут быть «горячими» или «холодными». Горячий элемент TXES - это TXES, который нагрет посредством входа (например, выпускного газа), и затем сохраняет тепло и переносит его в рабочий флюид процесса. Холодный элемент TXES - это такой элемент, который охлажден посредством входа, сохраняет уменьшение тепла и поглощает тепло от рабочего флюида процесса. Массив TXES может содержать только горячие элементы TXES (в различной степени), только холодные элементы TXES (в различной степени), или сочетание горячих или холодных элементов TXES.
[0043] Путь (канал) течения рабочего флюида для каждого теплового двигателя может различаться (например, различные рабочие флюиды тепловых двигателей могут течь через различные элементы TXES). В более ограниченных вариантах осуществления, участки пути течения могут быть заранее заданы, и/или конфигурироваться с использованием управляемых вручную клапанов, или, в качестве альтернативы, клапаны могут быть опущены, и такой участок пути флюида реализуется статически. Каждый путь течения рабочего флюида конфигурируется с использованием контролируемых значений контроллера процесса, таким образом, что рабочий флюид проходит через, по меньшей мере, один элемент массива TXES, при этом возникает теплоперенос между рабочим флюидом и элементом TXES (нагрев или охлаждение рабочего флюида). В некоторых режимах работы, нагретый рабочий флюид затем циркулирует через турбину и испаритель для преобразования тепла в работу вала в традиционном цикле Ранкина, или нагретый рабочий флюид направляется во внешний бак хранилища (не показано). В других режимах работы, часть рабочего флюида направляется через элементы TXES, а часть флюида направляется по пути, который обходит элементы TXES, и соединяется с флюидом, нагретым в элементах TXES для достижения конкретной температуры полученного рабочего флюида. Клапаны под управлением процессора, таким образом, задают пути прохождения флюида теплового двигателя через один или несколько массивов TXES и/или элементов TXES. Это обеспечивает более эффективное извлечение сохраненного тепла из элементов TXES посредством контроля течения рабочего флюида через выбранные элементы TXES, температура которых соответствует эффективному рабочему диапазону конкретного теплового двигателя. Таким образом, используемые тепловой двигатель/флюид процесса, и тепло/пути течения через элементы TXES можно динамически приводить в соответствие с элементами TXES, когда они меняют температуру (пока они нагреваются и когда из них извлекается тепло).
[0044] В других режимах работы, циркулирует рабочий флюид, который ранее был нагрет (например, другим элементом TXES или из внешнего хранилища рабочего флюида), и он используется для переноса тепла в элемент TXES для целей распределения тепла или предварительного нагрева элемента TXES (например, для понижения теплового напряжения на элемент, когда он подвергается воздействию более горячих выпускных газов). Такой нагревающий поток может осуществляться либо противотоком потоку выпускного газа, или может осуществляться в том же направлении через элементы TXES, что и поток выпускного газа (например, параллельный поток). Может иметься клапан реверса потока для реверса направления потока рабочего флюида через один или несколько элементов TXES. Такой клапан может быть частью присоединенных тепловых двигателей, или может быть интегрирован в массив TXES.
[0045] В некоторых вариантах осуществления,, по меньшей мере, один из клапанов, которые контролируют поток рабочего флюида, может управляться вручную. Такая установка особенно подходит для ситуации, когда массив TXES разворачивается в расстановку, при которой количество тепла, извлеченного из выпускных газов, приблизительно соответствует количеству тепла, извлеченного из массива TXES, и при этом система работает при тепловом равновесии (поступление тепла соответствует уходу тепла в любой конкретной точке во времени).
[0046] Каждая подсистема теплового двигателя может работать в различных температурных диапазонах, и может быть оптимизирована для работы в пределах конкретных температурных диапазонов с использованием одного и того же, или различных, флюидов процесса. Подразумевается несколько типов подсистем теплового двигателя.
[0047] Основной тип процесса теплового насоса или двигателя - это процесс Ранкина. Тепловые двигатели этого типа работают при помощи сжатия рабочего флюида в жидкой фазе, которая, соответственно, имеет низкую энергию работы по сжатию, но высокое поступление тепла, требующееся для закипания рабочего флюида. Эти системы часто имеют довольно высокие рабочие давления и процесс добавления тепла должен принять эти давления рабочего флюида. Традиционные системы теплового флюида двигателя Ранкина наиболее часто используют теплообменники с разделением рабочего флюида высокого давления и потока подачи тепла, часто горючие газы. Ключевые конструктивные признаки тепловых систем Ранкина - это рентабельность при работе с рабочим флюидом под высоким давлением, и часто низкие показатели конвекционного теплопереноса от источника тепла.
[0048] Следует отметить, что имеется множество циклов двигателя, которые часто похожи, но имеют, например, надкритическое давление флюида, и поэтому технически не имеют смены фазы в части высокого давления системы. Подобным образом, смеси флюидов имеют температуры, меняющие процессы кипения. Термин «Ранкин» или «подобный Ранкину» относится, в том виде, как это используется здесь, к широкой категории тепловых двигателей/тепловых насосов, где имеется изменение фазы на холодном конце процесса, и к системам двигателей, где происходит нагнетание давления в жидкой фазе. Еще один основной процесс теплового двигателя или теплового насоса - это цикл Брайтона, который работает полностью в газовой фазе. Поскольку сжатие флюида осуществляется в газовой фазе, требуется большое количество работы при сжатии, но отсутствие изменения фазы в процессе снижает количество тепла, добавленного на единицу рабочего флюида при сравнении с процессом Ранкина. Например, в холодной системе хранения тепла Брайтона, газ в качестве рабочего флюида сжимается, перегрев отводится в горячий элемент TXES посредством прохождения газа через элемент TXES, что позволяет не горячему газу высокого давления расшириться до холодного состояния. Этот холодный газ рабочего флюида затем нагревается с использованием холодного элемента TXES, с охлаждением элемента TXES (с созданием холодного элемента TXES). Процесс зарядки обращается в процесс, при котором компрессор прогоняет газ рабочего флюида через холодный элемент TXES (охлаждая рабочий флюид с нагревом элемента TXES), и затем сжимает теперь нагретый рабочий флюид (с созданием газа высокого давления). Нагретый рабочий флюид направляется через горячий элемент TXES для создания горячей газовой фазы рабочего флюида. Горячий рабочий флюид затем расширяется снова примерно до своей начальной температуры, тем самым создавая работу вала.
[0049] Ключевое преимущество элемента TXES над подходом с контейнерным хранением тепла (например, породные резервуары) заключается в том, что контейнерный подход предполагает, что емкость высокого давления намотана вокруг всей тепловой массы, тогда как элемент TXES требует намного меньше структурного материала для объема под давлением, поскольку среда хранения тепла находится вне емкости высокого давления.
[0050] Значительные преимущества конструкции TXES (например, хранение энергии, тепловая избирательность, и сглаживание энергии) повышают ценность целого ряда двигателей с тепловым циклом. Например, система с двумя подсистемами двигателя Ранкина, первая подсистема двигателя Ранкина может быть сконфигурирована с возможностью работы более эффективно при температурах между температурой окружающей среды и 150°С, и вторая подсистема двигателя Ранкина может быть сконфигурирована с возможностью работы наиболее эффективно при температурах выше 150°С. В некоторых вариантах осуществления, можно использовать множество различных рабочих флюидов, каждый как часть отдельной подсистемы двигателя Ранкина. Рабочие флюиды и характеристики теплового двигателя выбирают, основываясь на их рабочих характеристиках (например, тепло испарения, конкретные соответствия тепла и температуры и давления, максимальные пределы по температуре, доступные скорости течения) против температур источника тепла. Это обеспечивает широкий диапазон оптимальной производительности по уровням мощности и температурам источника тепла.
[0051] В качестве альтернативы, несколько подсистем теплового двигателя, с общепринятыми параметрами работы, можно задействовать параллельно, для повышения извлечения тепла и мощности на валу системы. Эти системы могут быть взаимосвязаны или работать независимо.
[0052] Сам по себе, выбор процессов теплового двигателя, флюидов процесса, рабочих давлений и конфигураций с турбиной/испарителем для каждой подсистемы теплового двигателя может быть осуществлен независимо, а информация, относящаяся к этим параметрам конфигурации (критические температуры рабочего флюида, рабочие течения, течение флюида процесса в трубе и показатели теплообмена, параметры управления для насосов и мощности хранилищ и т.д.) сохраняются контроллером процесса.
[0053] Система, в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя датчики давления и температуры под управлением контроллера процесса, встроенные и/или установленные на элементы TXES (например, 230а, 230b выше), и на трубопроводе (260а, 260b) флюида двигателя процесса, а также на гасителях и/или клапанах (например, 270а, 270b и клапанах внутри массива TXES) под управлением контроллера процесса, для эффективного направления потоков рабочих флюидов в направлении «на» или «от» одного или нескольких элементов TXES, насосов, одного или нескольких тепловых двигателей, а также одного или нескольких холодных хранилищ (не показано). Датчики и клапаны соединены с контроллером процесса и управляются им.
[0054] В контроллер процесса также внесены характеристики каждого элемента TXES, и массива TXES, к которым он подсоединен, а также информация по соединениям с датчиками, клапанами и трубопроводом. С использованием этой информации, в сочетании с текущими температурами элементов TXES (поэлементно), и входные температуры, контроллер процесса может выбирать, основываясь на текущем температурном профиле каждого отдельного элемента TXES, подсистему или подсистемы теплового двигателя, наиболее подходящие для извлечения тепла из каждого элемента TXES в массиве TXES. Выбор подсистем теплового двигателя для использования может не быть эксклюзивным; множество тепловых двигателей, каждый из которых оптимизирован для работы при различных температурах, давлениях, и/или с различными рабочими флюидами, может быть соединено в один массив TXES.
[0055] В некоторых вариантах осуществления, используется множество массивов TXES. Такое множество массивов TXES имеет гидравлическое соединение с использованием трубопроводов и клапанов и коллекторов под управлением контроллера процесса, с обеспечением конфигурации потока этих выпускных газов и рабочего флюида через один или несколько элементов TXES (в каждом массиве TXES) для цели управления количеством тепла, сохраненного в каждом из элементов TXES. В качестве примера, выпускные газы, предпочтительно, направляются на элементы TXES, которым требуется дополнительный нагрев, посредством контроллера процесса, контролирующего один или несколько выпускных клапанов/гасителей для направления выпускных газов на выбранные элементы TXES. В случае, если источником тепла является горячий флюид, такой горячий флюид направляется, посредством контроллера процесса, контролирующего один или несколько клапанов и насосов, на один или несколько элементов TXES, которым требуется дополнительный нагрев.
[0056] Компьютер, контролирующий процесс, таким образом, использует гасители, клапаны, датчики и средства управления насосами теплового двигателя для нагрева/извлечения тепла массивов TXES (и каждого элемента массива TXES) для оптимизации извлечения тепла, хранения и использования доступной тепловой энергии.
[0057] Следует отметить, что система, в соответствии с настоящим изобретением, будучи описанной в варианте осуществления для нагретых выпускных газов, будет одинаково хорошо работать на извлечение/сохранение отработанного тепла от источников с горячей жидкостью или со смешанной фазой, при минимальной модификации, которая понятна специалистам в данной области техники. Первичное отличие заключается в том, что свойства флюида различаются, при этом жидкость имеет намного большие плотности, и поэтому больше тепла на единицу объема, и более высокие коэффициенты теплопереноса посредством конвекции варьируются, в зависимости от выбранных флюидов. Соответственно, трубопроводы могут быть из различных материалов, иметь различные размеры и/или толщину стенок для работы с различными флюидами, давлениями и температурами. Эти соображения могут быть учтены при проектировании труб для рабочих флюидов и дымовых труб элементов TXES, и последующей упаковке дымовых и иных труб с различными тепловыми характеристиками в элемент TXES.
[0058] Интересный пример - это процесс, когда паровой процесс Ранкина отводит свое тепло в качестве дополнения тепла к аммиачному процессу Ранкина, с осуществлением между процессом конденсации пара и температурой окружающей среды. Конструкция одного элемента TXES может иметь признаки, которые оптимизируют нагрев выпускного газа с нагревом парового процесса, а другой элемент TXES (и/или массив(ы) TXES) можно оптимизировать для конденсации пара в качестве источника тепла (тепло переносится в кипящий и перегретый аммиак).
[0059] Настоящее изобретение также может использоваться для «холодного» хранилища тепла, которое сохраняет «холод» для последующего использования. В этом варианте осуществления, процесс зарядки нагревает холодный исходный флюид посредством переноса энергии тепла от ранее нагретого элемента TXES. Процесс разрядки охлаждает рабочий флюид при нагреве элемента TXES.
[0060] Один примерный процесс - это использование установки TXES, как части устройства ре-газификации сжиженного природного газа (LNG). В этом примерном варианте осуществления, LNG проходит через дымоходы (или через рабочую трубу) массива TXES, с охлаждением элемента(элементов) TXES, и нагревом LNG до тех пор, пока он не перейдет в газообразное состояние. Газообразный природный газ - это выход процесса. Процесс, подобный процессу Ранкина можно использовать для разворота этого процесса. В этом примере, двигатель Ранкина использует метан, который сжимается до жидкого состояния и затем кипятится и перегревается, посредством, возможно, теплообменника, с охлаждением окружающего воздуха при нагревании метана, и этот сжатый газ может расширяться, и затем холодный метан под низким давлением конденсируется «холодом», сохраненным в элементе TXES. Это дает сжиженный метан, который можно затем поместить под давление для продолжения процесса.
[0061] В еще одном альтернативном варианте осуществления, горячие газы могут направляться через дымоходы, а LNG течет через трубы рабочих флюидов для достижения тех же эффектов без отступления от существа изобретения.
[0062] Следует отметить, что нагрев LNG и тепловые потоки флюида процесса не нужно уравновешивать, как в нынешних теплообменниках, им даже не нужно происходить в одно и то же время (например, тепловой поток может быть временно смещен, например, при запуске/остановке потоков флюида процесса или LNG). Например, LNG может непрерывно газифицироваться в отсутствие выработки энергии, или же энергия может вырабатываться процессами, подобными процессу Ранкина, в отсутствие газификации LNG посредством использования мощностей хранения элементов TXES. Элементы TXES обеспечивают необходимую мощность хранилища, с обеспечением несоответствия подачи/спроса на тепло и временным сдвигом процессов теплообмена.
[0063] Еще один примерный процесс, поддерживаемый системами TXES - это сжижение воздуха. Сжижение преобразует газообразный атмосферный воздух в сжиженный воздух (или его составляющие части, сжиженный кислород, азот и т.д.) посредством пропускания его через один или несколько элементов TXES, заранее охлажденных до температуры, подходящей для сжижения нужного элемента. Различные элементы TXES, заранее охлажденные до различных температур, можно использовать для управления производством сжиженных элементов. Извлечение тепла из этих элементов TXES, и его последующее преобразование в работу осуществляется при помощи стандартных процессов, подобных процессу Ранкина. Следует отметить, что благодаря тому, что в системах TXES возможна переменная маршрутизация рабочего потока, элемент TXES можно нагревать и охлаждать в пределах полезного диапазона температур для всех газов (в отличие от систем сжижения одного элемента), более эффективно используя все тепло элемента TXES.
[0064] Фигура 3 иллюстрирует примерный контроллер (300) процесса системы. Контроллер процесса содержит процессор (310), энергозависимую (320) и энергонезависимую (325) память, такую как RAM, ROM, PROM, EEPROM и т.д., входы (330) датчика, которые соединяют с датчиками, такими как датчики 230 температуры и давления по фигуре 2, входы/выходы (340) управления, соединяемые с клапанами (например, клапаны 270 по фигуре 2), датчиками температуры и давления, ассоциированными с хранилищами рабочих флюидов (например, холодные хранилища), насосами (не показано) и компонентами теплового двигателя (например, турбины, испарители) и управляющую программу (350), выполняемую процессором для считывания значений с датчиков, и для определения и последующего задавания значений для входов/выходов управления для осуществления контроля за процессами, как это описано здесь. Другие датчики могут быть подключены к насосам, турбинам/испарителям и иному рабочему оборудованию для распознавания рабочих условий и/или сбоев.
[0065] Каждый из входов датчика и выходов управления электрически соединен с соответствующими датчиком/управляемым компонентом системы. Можно использовать беспроводные соединения для некоторых или для всех соединений без отступления от существа изобретения.
[0066] В памяти контроллера процесса сохранены одна или несколько программ управления. Эти программы управления выполняются процессором(процессорами) контроллера процесса и реализуют способы управления, описанные здесь.
[0067] В дополнение, в одной или нескольких памяти контроллера процесса сохранена информация о конфигурации подсистем теплового двигателя, установке коллекторов выпускного газа, и установке трубопровода рабочих флюидов и по расстановке каждого массива TXES (в том числе информация по отдельным элементам TXES), а также параметры работы и управления для каждого компонента и подсистемы. Эта информация используется контроллером процесса для интерпретации данных ввода датчиков, и для задания выходных данных управления согласно программам управления.
[0068] В дополнение, память контроллера процесса хранит текущую рабочую информацию, такую как текущая температура и давление для каждого датчика в системе.
[0069] Возвращаясь к фигуре 2, каждый массив TXES содержит один или несколько элементов TXES (125а/b), датчики (230a/b, 231a/b) мониторинга, клапаны/гасители (270a/b) и насосы (260a/b), выполненные с возможностью обеспечения перетекания флюида между коллектором входа массива, одним или несколькими элементами TXES и коллектором выхода массива. Каждый массив TXES соединен с патрубком (110) источника тепла, источник потраченного тепла направлен в выпускной дымоход (120) или подходящий воздухоотвод, и рабочие флюиды для извлечения захваченного и сохраненного тепла в элементах TXES от одного или нескольких подсистем теплового двигателя подаются посредством, по меньшей мере, одного трубопровода (260а, Фигура 4, 430) рабочих флюидов, и, по меньшей мере, одного выходного трубопровода (260b, Фигура 4, 450) рабочих флюидов, выполненных с возможностью эффективно распределять и собирать соответствующие рабочие флюиды в направлении к отдельным элементам TXES, от отдельных элементов TXES, или между отдельными элементами TXES массива TXES. Множество трубопроводов рабочих флюидов можно использовать для цели а) обеспечения различных путей для флюидов с различными характеристиками (например, различная длина пути и/или скорость течения), и б) соединения с различными тепловыми двигателями. Имеются дополнительные клапаны и гасители, подсоединенные к контроллеру процесса и управляемые им, для конфигурирования потока рабочих флюидов и нагретых выпускных газов в направлении к отдельным элементам TXES, от отдельных элементов TXES, или между отдельными элементами TXES массива TXES (и между массивами TXES в конфигурациях с многочисленными массивами TXES).
[0070] Каждый из элементов TXES, клапанов, трубопроводов и коллекторов, описанных здесь, может быть при необходимости изолирован для лучшего поддержания температуры элементов TXES и эффективности процессов обмена. Можно использовать минеральную шерсть, стекловолокно или иные известные изолирующие материалы, как диктует необходимость. В зависимости от сферы применения, можно предоставить наружные крышки для защиты изоляции от выпускных потоков и/или погодных условий.
[0071] Фигура 4 иллюстрирует примерную расстановку массива TXES, в соответствии с настоящим изобретением, с примерным входным коллектором (410) и клапанами (420, 460, 465, 470, 480) под управлением компьютера, трубопроводом рабочих флюидов (430) и четырьмя элементами TXES (например, 440а/b/c/d), которые можно сконфигурировать для создания любого нужного пути флюида через элементы массива элементов TXES. При этом, массив TXES содержит четыре элемента, но можно использовать любое число элементов TXES при создании массива элементов TXES.
[0072] Каждый из элементов TXES массива TXES может иметь похожие или отличающиеся характеристики теплового обмена и хранения тепла. Таким образом, массив TXES может содержать элементы TXES, выполненные с возможностью работы при высокой температуре, и иметь различные элементы TXES, которые выполнены с возможностью оптимизации теплопереноса при более низких температурах. В качестве альтернативы, все элементы массива TXES могут иметь похожие характеристики захвата и переноса тепла.
Соединение коллектора с элементами TXES.
[0073] Элементы TXES обычно имеют каналы дымохода встроенные, как конструктивная часть элемента. В примерах, где описаны трубы нагретого газа, как источника тепла (например, дымоходы), изобретение можно использовать, задействовав беструбные конструкции элементов TXES, в том виде, как это описано здесь, или же возможна конструкция с использованием дымовых труб традиционного дизайна (например, стальная трубопроводная обвязка).
[0074] В зависимости от нужной расстановки элементов TXES, отдельные трубы коллектора можно подсоединить между коллектором входа источника тепла массива TXES и дымовыми трубами отдельных элементов TXES при помощи трубы. Эта труба может дополнительно иметь в линии клапан/гаситель под управлением контроллера процесса для управления потоком газа источника тепла в конкретный элемент TXES. Похожая расстановка используется для управления потраченными газами источника тепла после того, как из них извлечено тепло.
[0075] Второй подход заключается в том, чтобы расположить концы трубы (для труб, встроенных в элементах TXES) в ряд таким образом, чтобы получилась прямая труба с ответвлениями через интервал, для присоединения многих труб к общему коллектору. Такая расстановка особенно эффективна для параллельной расстановки элементов TXES (для условий интенсивного потока), при этом выпускные газы делятся и направляются во множество элементов TXES одновременно. Входы коллектора могут управляться клапаном/гасителем под управлением контроллера процесса, который способен одновременно разрешать/запрещать подачу тепла на один или несколько элементов TXES, подсоединенных к коллектору.
[0076] Соединение ответвлений коллектора рабочих флюидов с элементами TXES может осуществляться целым рядом способов, но важно учесть стоимость. Как таковая, круговая сварка встык может оказаться рентабельна, но потребует тщательного выравнивания по допускам и соответствия длины между концами трубы и ответвлений коллектора для сварки.
[0077] Еще один вариант - это признак гнезда, когда размеры трубы между ответвлениями коллектора и концами трубы имеют размеры внутреннего и наружного диаметров, которые позволяют вставить одну трубу в другую с приемлемым допуском, чтобы можно было осуществить плавление или пайку для создания герметичного стыка. Еще один вариант - это компрессионные фитинги. В качестве альтернативы, можно использовать гибкие трубы или шланги для соединения коллектора с дымовыми трубами и трубами флюида процесса, встроенными в элемент TXES.
[0078] В качестве альтернативы, многочисленные элементы TXES можно расставить параллельно в пределах общей «пазухи» таким образом, что газы источника тепла, протекающие через эту пазуху, должны будут проходить через один или несколько элементов TXES. Каждый элемент TXES может иметь отдельный гаситель(гасители) для контроля за поступлением тепла из пазухи.
[0079] В том виде, как это описано здесь, конфигурируемые потоки рабочих флюидов (и выпускного газа/источника тепла) обеспечивают большую гибкость при работе массива TXES. В некоторых вариантах осуществления, некоторые трубопроводы/клапаны можно расширить (добавлением трубопроводов/клапанов) для обеспечения дополнительных возможностей по потоку, или же можно ограничить (посредством замещения значений под управлением контроллера процесса и альтернативных подводящих труб на установленные вручную значения и/или статические трубопроводы). Примерная расстановка по фигуре 4 является демонстрационной, и призвана проиллюстрировать гибкость массива TXES. В первом примерном варианте осуществления, демонстрирующем параллельный поток флюидов, флюид процесса поступает на входной коллектор 410, при этом он течет через клапаны 420а, 420b, 420c и 420d, через трубопровод, в элементы 440a, 440b, 440c и 440d TXES, где нагревается и затем вытекает через клапаны (475a, 475b, 475c, 475d) в выпускной коллектор (490). Все остальные клапаны 465, 460, 470, 480 - закрыты. Во втором примерном варианте осуществления, демонстрирующем последовательные потоки флюидов, флюид процесса поступает на входной коллектор 410, где течет через открытый клапан 420а на элемент 440а TXES. После нагревания в элементе 440а TXES, флюид процесса вытекает, при этом он заблокирован закрытым клапаном 475а. Флюид течет на клапан 480а (который открыт, а 420d - закрыт), на входную сторону элемента 440d TXES, где он еще нагревается, и затем выходит на выпускной коллектор 490 через открытый клапан 460d. В третьем примере, демонстрирующем альтернативные пути потока, когда поток флюида процесса разбивается, когда протекает между элементами TXES в массиве, флюид процесса поступает на входной коллектор 410, где течет через открытый клапан 420а на элемент 440а TXES. После нагревания в элементе 440а TXES, флюид процесса вытекает, где и блокируется закрытым клапаном 475а. Флюид течет на клапан 470а и 480а (которые открыты, а 420с и 420d - закрыты), на сторону впуска элементов 440с и 440d TXES, и затем выводится на выпускной коллектор 490 посредством открытых клапанов 475с и 475d. Другие сочетания путей потока; последовательные, параллельные и сочетания последовательных и параллельных, можно получить, открывая и закрывая соответствующие клапаны (420, 460, 465, 470 и 480).
[0080] Преимущество конструкции массива TXES заключается в том, что есть много мест, где пути впуска и выпуска и газов источника тепла, и рабочих флюидов могут динамически меняться посредством клапанов под управлением контроллера процесса для обхода отдельных элементов массива TXES. Определение того, когда именно нужно обойти конкретный элемент TXES, осуществляется контроллером процесса на основе программы управления, которая принимает решение, частично, основываясь на показаниях датчиков температуры и давления на входных источниках тепла, характеристиках элемента TXES (например, коэффициентах теплообмена на каждом из путей потока), текущего рабочего состояния элемента TXES (например, его текущей температуры и температурного профиля), и характеристиках подсистем теплового двигателя (таких как рабочая температура, рабочие флюиды, рабочие давления), и различных режимах работы, которые можно ожидать в будущем.
[0081] Имеется целый ряд переменных, часто сильно сопряженных вместе, которые определяют рабочие диапазоны, и они могут влиять на конфигурацию TXES или работу TXES по мере того, как рабочие условия меняются. Диапазон или соотношение рабочего давления в процессах, подобных процессу Ранкина, определяет диапазон или соотношение температур. Давление также задает температуру кипения (или, более обобщенно, для надкритических давлений) количество энтальпии, необходимое для изменения массы флюида. Часто очень большая фракция тепла, поглощаемого флюидом, находится на температуре кипения или квази-кипения, или около того. Это - серьезный фактор поведения TXES. Поэтому, например, изменение давления рабочего флюида меняет температуру, при которой рабочий флюид поглощает или отдает тепло TXES.
[0082] Пиковая температура также важна, поскольку определяет максимальную энтальпию, доступную для процесса расширения или полученную из процесса сжатия (например, тепловой насос). Как отмечается, отношение давлений, возможных при сжатии или расширении, определяет изменение температуры для конкретного флюида. Обычная цель тепловых двигателей, подобных двигателю Ранкина - это доведение до максимума обмена энтальпии в машине (расширение) относительно всего поступления тепла. В тепловом насосе обычная цель противоположна, минимизация энтальпии машины (сжатие) для всего тепла, полученного при высоком давлении. В системе хранения энергии теплового насоса/теплового двигателя, эти противоположные соображения как-то уравновешиваются в идеальном случае. Как и в большинстве систем, прагматические соображения включают в себя соображения стоимости и эффективности в реальных условиях. Для конструкции TXES, имеются факторы, связывающие стоимость на единицу сохраненной энергии, а также достижимые минимальные разницы температуры между флюидами и средой хранения, как это описано в иных местах. Система контроля за потоком, которая позволяет системе менять температуру, давление, и массовую скорость расхода флюидов, придает ценности системе, в которой TXES поддерживает широкое разнообразие возможных систем.
[0083] Фигура 15 - это таблица, которая иллюстрирует некоторые из большого числа сочетаний температур и давления, с которыми различные флюиды работают эффективно. Также имеются смеси флюидов, которые могут менять свойства бесконечным количеством вариантов, посредством простого изменения относительного количества различающихся соединений, используемых в процессе.
[0084] Фигура 15
Примеры флюидов
Рабочий диапазон для экономичного использования расширителей компрессоров с объемным вытеснением
Другие факторы
Аммиак
320-650 K,
Имеется токсичность, но широко используется в промышленности/сельском хозяйстве
25-250 бар
Пар
500-900 K,
Требуется более высокая холодная температура, чем окружающая, для улучшения плотности флюида
2-200 бар
Диметилэфир
330-460 K,
Менее токсичен, но хуже термодинамическая производительность, надкритический при 400 К, 53 бар
15-100 бар
Пропан
330-420 K,
надкритический при 370 K, 42 бар, высокое отношение обратного процесса
20-80 бар
R-152a
350-470 K,
Критическая температура ~386K
20-100 бар
Воздух/выпускной воздух
Прямое сгорание: 800-1800 K
Выпуск турбины сгорания: 700-800 K
Выпуск двигателя внутреннего сгорания: 600-800 K
Газ патрубка парогенератора: 380-460K
(Обычно чуть выше давления окружающего воздуха <50 кПа)
воздух компрессора турбины
сгорания: 350-750K, 2-25 бар
Исходный флюид отработанного тепла, нет изменения фазы
Замкнутый Брайтона - Аргон
600-900 K,6-16 бар
Система хранения энергии с тепловым насосом Брайтона
[0085] Многие системы теплового двигателя работают с многостадийными системами. В системах, подобных системе Ранкина используется еще одна интересная техника цикла повторного нагрева, который сжимает флюид после его кипячения и перегрева, расширения и затем повторного нагрева в газовой фазе и расширения снова. Эти системы обычно имеют более высокие давления, поскольку освобождается и извлекается больше общей энтальпии, и для этого требуется более высокое соотношение давлений. Более высокие давления также могут сделать флюид надкритическим - это когда больше нет фиксированной температуры, при которой возникает процесс кипения. Для чувствительных TXES-систем теплообмена, избежать такой фиксированной температуры, при которой происходит обмен большой энтальпии - полезно.
[0086] Поскольку есть два процесса нагревания для режима двигателя, имеется гибкость в том, как эти два или более процесса нагревания расставлены относительно подачи тепла. Поскольку процесс(ы) повторного нагревания не имеют процесса скрытого поглощения тепла, это возможно в более горячей секции подачи тепла. Еще одна техника заключается в том, чтобы просто запустить два или более процесса с общим или различными флюидами в массиве элементов TXES. В отличие от циклов повторного нагрева, давления в каждом процессе можно подогнать независимо, и поэтому можно выбрать давления, способствующие решению задачи по захвату тепла при минимальном температурном перепаде между двумя средами.
[0087] Как отмечалось ранее, ключевая переменная - это точка кипения или квази-кипения, которая значительно отличается в зависимости от давления, при функционировании TXES в качестве теплообменника между двумя флюидами (обычно выпускной газ или поток отработанного тепла и захватывающий тепло рабочий флюид). Об этом знают специалисты в данной области техники, как об анализе точки защемления. Это процесс максимизации захвата тепла из потока отработанного тепла, и еще прагматичный поиск обобщенной системы, которая будет достаточно рентабельна при экономичном развертывании.
[0088] Гибкость, обеспечиваемая множественными путями потока и модульными блоками, обеспечивает выбор значений для более эффективной работы, сохранение энергии для ее доставки, когда доставка необходима, вне зависимости от подачи тепла, возможность просто запустить машину в обратном направлении и подать тепло назад в систему с работой, снижая стоимость захвата тепла благодаря рентабельной конструкции трубной обвязки, описанной в иных местах, варьирует температуры, при которых тепло добавляется или извлекается из TXES при помощи изменения одной или нескольких из этих переменных, повышая рентабельность TXES.
[0089] Нижеследующие фигуры отображают расстановки элементов TXES с инновационными признаками их разработки и получаемой производительности. При том, что на Фигура 2-15 подробно показаны детали реализации различных вариантов осуществления, некоторые общие аспекты элементов TXES обеспечивают преимущества сами по себе, или в сочетании. Таковые включают в себя форму/конфигурацию элементов, материалы матрицы и конфигурации трубопровода рабочих флюидов.
[0090] Каждый элемент TXES разработан с использованием модульной конструкции, и может принимать различные формы и размеры, основываясь на требованиях при реализации. Элементы TXES могут иметь различные диапазоны размеров, в зависимости от нужных характеристик потока тепла. Элементы TXES разработаны для быстрой модульной сборки и легко транспортируются. Имеется ряд признаков и элементов дизайна для облегчения этого. Например, элементы TXES используют длины, которые делают простой их транспортировку в полуприцепах, а массы элементов удобны для их подъема при помощи подъемного крана. Секции элементов TXES достаточно прочны на изгиб, чтобы их можно было удалять из отливки/готовить к транспортировке на грузовике, а затем разгружать в штабеля, но для функционирования им не нужна дополнительная конструкционная прочность. В некоторых случаях, для усиления элемента TXES используется арматурная сталь (например, армирование) или стальные натяжные элементы. Эти особенности удобны при подъеме и транспортировке элементов TXES, конструкция которых в ином случае подвергла бы бетон элементов TXES натяжению. Элемент TXES обычно имеет длину от двух до 15 метров, примерно квадратный или прямоугольный в поперечном сечении, и имеет размеры по сторонам от 0,2 м до 2,5 м. Масса элемента TXES может быть примерно 6000 кг, при том, что в зависимости от конкретного применения размер может варьироваться от 100 до 18000 кг.
[0091] Модульная конструкция элементов TXES позволяет литье или иную подготовку сегментов всей системы, такой, как например такая, где много сегментов можно сложить штабелем параллельно и также расположить последовательно. Последовательные расстановки допускают более длинные пути для входа источника тепла и рабочих флюидов, тем самым позволяя извлекать больше тепла из источника тепла, с сохранением в одном или нескольких элементах TXES, и затем с извлечением в рабочий флюид подсистемы теплового двигателя, с оптимизацией для конкретных характеристик извлекаемого тепла. Часть оптимизации элемента в конструкции массива TXES - это создание элементов TXES с различными заданными характеристиками. Например, первый элемент TXES может быть создан со множеством путей течения рабочего флюида, каждый путь выполнен с возможностью повышения температуры рабочего флюида на величину до 70°С, при скорости потока 50 литров в минуту. Второй элемент TXES может быть выполнен с возможностью повышения температуры рабочего флюида на 300°С при скорости потока 100 литров в минуту.
[0092] Подобным образом, можно разработать элементы TXES, которые смогут принимать на тепловом входе 100, 300, 500 или даже 1000°С, с эффективным захватом этого тепла в элементе TXES. В дополнение, элементы TXES можно выполнить с возможностью работы при различных давлениях, скоростях потока и характеристиках источника тепла. В примерном варианте осуществления, первый элемент TXES может иметь проходы дымохода, достаточные для пропуска 300 кубических футов газов источника тепла в минуту, тогда как второй элемент TXES может иметь проходы дымохода для пропуска только 150 кубических футов газов источника тепла в минуту. Третий элемент TXES может работать при давлении 3 psi, а еще один элемент может быть выполнен с возможностью обеспечения свободного течения (например, без нагнетания давления) газов источника тепла.
[0093] Обычно, элемент TXES содержит структурные элементы, среду накапливания тепла (обычно содержащую матрицу и наполнитель), один или несколько путей рабочих флюидов и один или несколько путей источника тепла, называемых дымовыми трубами. Прочность конструкции может быть обеспечена напрямую элементами конструкции, такими как арматура, или же быть составной частью других компонентов элемента, таких как сама матрица.
[0094] Встроенные в элементы TXES функции, для обеспечения легкого подъема и размещения в штабелях на грузовике или в конечной установке, помогают экономить трудозатраты в ходе этих процессов. Еще одна ценная особенность, связанная с подъемом и обработкой элементов TXES - это мелкие выемки в нижней и боковых сторонах, которые позволяют использовать подъемные ремни для подъема и размещения элементов TXES, с возможностью их легкого удаления, и не препятствуют близкому укладыванию элементов TXES в штабеле (не показано).
[0095] В качестве альтернативы, точки подъема могут быть отлиты в элементах TXES способами, где более высокие локальные напряжения подъемных нагрузок распределяются в элементе TXES на достаточной площади для поддержания приемлемых уровней нагрузки через элемент TXES. Как правило, приспособления для подъема отлиты таким образом, чтобы они не выступали за пределы обычной плоскости для укладки в штабель элемента TXES, которые обычно укладывают друг на друга. В качестве альтернативы, приспособление для подъема использует элемент, который может выступать над той плоскостью укладки в штабель, которая является съемной, или в нижней части элементов TXES помещается охватывающий элемент, чтобы обеспечить возможность отклонения от подъемного выступа и не создавать помех при плотной укладке.
[0096] Материалом матрицы каждого элемента TXES является материал, который сохраняет тепло, извлеченное из выпускных газов или горячих рабочих флюидов. Матрица заполняет полости между проходами теплопередачи и трубопроводом рабочих флюидов, что улучшает проводимость и прочность материала.
[0097] Предпочтительным материалом матрицы является бетон или материалов, подобных бетону, с содержанием одного или нескольких типов заполнителя в связующем материале (таком как портландцемент). Следует отметить, что высокая прочность матрицы не требуется, поэтому предпочтительны варианты матричных материалов, которые обеспечивают большую теплоемкость (часто за счет снижения прочности).
[0098] Обычные бетонные смеси на основе портландцемента могут использоваться в некоторых элементах TXES, при условии осуществления специальных процессов отверждения, чтобы полностью высушить матрицу для предотвращения растрескивания при нагревании элемента TXES. Бетонные смеси на основе портландцемента могут требовать защиты как в виде антикоррозийной защиты, так и путем облицовки выпускных дымоходов, из-за кислотного воздействия некоторых выпускных потоков (например, горючих газов с большим содержанием серы).
[0099] Высокотемпературные цементы могут быть использованы там, где элементы TXES подвергаются существенному нагреву или непрерывным циклам нагревания/охлаждения. Также возможны смеси высокотемпературных и обычных цементов. Геополимеры или другие материалы с пуццолановыми свойствами, такими как летучая зола, могут дополнять или заменять собой другие связующие компоненты, такие как портландцемент.
[00100] Заполнители, используемые в цементе, выбираются, частично исходя из размера заполнителя, поскольку некоторые элементы TXES трубопроводов рабочих флюидов и конфигурации дымоходов ограничивают размер заполнителя, который может быть использован. Эксперименты показали, что оптимальный максимальный размер заполнителя, который можно использовать составляет половину внутрикатушечного расстояния любой встроенной спиральной обвязки флюида процесса (см. ниже), чтобы минимизировать любые пустоты в пределах матрицы. В сочетании с заполнителями, в смесь матриц могут добавляться добавки, повышающие проводимость. Эти добавки могут включать в себя: металлические наполнители (металлы, которые совместимы с бетоном, подобно стали, но не алюминию, металлические проволоки, в виде сетки, подобно проволочной сетке с мелкими ячейками, которая, для оптимальной производительности, может быть ориентирована ортогонально осевому температурному градиенту TXES, и/или углеродные или графитовые частицы, волокна или нити.
[00101] Существует несколько подходов к интегрированию материалов с фазовым переходом в элемент TXES: 1. Использование труб для входного флюида и рабочих флюидов процесса и погружение труб в контейнер, заполненный материалом с фазовым переходом. 2. Иметь секции элемента TXES, которые содержат материал с фазовым переходом (например, где материал с фазовым переходом заключен в бетон и/или иные элементы удержания, такие как контейнер, встроенный в матрицу). Таким образом, материал с фазовым переходом может быть локализован в процессе, где происходит изменение фазы рабочего флюида (как правило, ближе к более холодному концу процесса противотока).
[00102] Пути дымохода отлиты, как часть каждого элемента TXES, либо встроенные как часть элемента TXES (например, дымовые трубы), или как часть формы элемента TXES (например, дымовые каналы). Дымовые трубы могут быть изготовлены из любого трубного материала, способного выдерживать подачу тепла, например, из стали, нержавеющей стали, керамики, пластмасс, или труб из других специальных металлов. Форма каналов дымохода может быть изменена в поперечном сечении (например, круглом, овальном) или в пути (например, прямом, винтовом) для достижения желаемого теплопереноса между дымоходом и материалами элемента TXES.
[00103] В тех случаях, когда подача тепла осуществляется при низком давлении, существует большая гибкость при конструировании дымоходов. Сталь - это общепринятый и недорогой материал, который совместим с материалами матрицы на основе бетона. Следует отметить, что форма стального пути дымохода не обязательно должна быть круглой, поскольку там небольшое давление, а другие формы могут лучше упаковываться в поперечное сечение элемента TXES, чем прочие, или увеличивать соотношение площади поверхности и единицы длины всего элемента TXES, или длины труб рабочих флюидов.
[00104] При отливке элемента TXES, можно использовать жертвенные материалы для формирования труб и каналов в элементе TXES. Функция жертвенного материала заключается в создании полости в матрице в процессе отливки с помощью процессов, известных специалистам в данной области техники.
[00105] В дополнение, можно добавить сопротивление коррозии любым из этих материалов путей, посредством нанесения на исходную форму покрытия. Для форм, которые будут удалены, покрытие предпочтительно помещают на внешнюю сторону формы, чтобы покрытие оставалось прикрепленным к бетону. Примеры покрытий, которые могут быть полезными, включают в себя специальные бетонные смеси с более высокой устойчивостью к кислоте или с меньшей пористостью (например, бетон на основе геополимеров), термопластичные пленки с достаточной термостойкостью, тонкий кремнийсодержащий слой или кварцевая керамика. Такой устойчивый материал будет сталкиваться с флюидом в проходе. Такой облицовочный материал может быть предварительно изготовлен и помещен в литейную форму элемента, особенно, когда покрытие имеет достаточную прочность для сохранения подходящей формы в процессе отливки. Если материал облицовки нуждается в опоре, можно использовать опору из жертвенного материала, или съемную опору, для надлежащего сохранения формы при отливке. Эти устойчивые к коррозии или менее пористые покрытия могут быть нанесены на элемент формы несколькими способами: напыление, погружение, шликерное литье и другие.
[00106] Фигуры 5а, 5b и 5с иллюстрируют варианты осуществления элементов TXES с дымовыми трубами, отлитыми в элементе TXES для флюида источника тепла (в дополнение к трубам рабочих флюидов), при этом тепло переносится в обе стороны между флюидом и стенкой трубы, и матрица хранения тепла затем отводит тепло прочь или в трубу. Фигура 5а иллюстрирует примерную расстановку элементов TXES, содержащую матрицу (510), множество дымовых труб (520), и множество спиральных труб (530) рабочих флюидов, встроенных в матрицу. Фигура 5b иллюстрирует, как вариант, шестиугольный элемент TXES (вид с торца) со встроенным приспособлением для подъема. Фигура 5с иллюстрирует прямоугольный элемент TXES (вид с торца) с матрицей, множеством дымовых труб и множеством чередующихся спиральных рабочих труб со встроенным приспособлением для подъема, имеющим съемное подъемное кольцо. Другие формы точек подъема могут быть включены в конструкцию без отступления от существа изобретения. Одним из соображений по оптимизации является расстояние между дымовой трубой и трубами рабочих флюидов, а также то, насколько равномерно материал матрицы распылен относительно тех конвективных проходов. Кроме того, число и расположение дымовых труб и спиральных труб рабочих флюидов могут изменяться без отступления от сущности изобретения.
[00107] Во втором примерном варианте осуществления, элементы TXES могут быть сформированы так, чтобы поставка тепла происходила при прямом контакте с матрицей хранения тепла. Описаны две такие установки; многие другие возможные конфигурации могут быть использованы без отступления от существа изобретения. Фигура 6 иллюстрирует один примерный вариант осуществления, при котором элемент TXES сформирован с выемками или другими внешними признаками в элементах TXES, которые обычно имеют боковые стенки правильной формы (например, ортогональные или шестиугольные). На фигуре 6 расстановка элементов TXES содержит матрицу (600), четыре выемки с отлитыми внутри дымовыми каналами (610), и четыре спиральных трубы (620) рабочих флюидов. Другие особенности, такие как встроенные точки подъема, не показаны для ясности. Число и расстановка выемок и спиральных труб рабочего флюида могут изменяться без отступления от существа изобретения.
[00108] Некоторые из интересных особенностей такого дизайна включают в себя скругление углов, что может дать, по меньшей мере, два преимущества. Это возможные пути для проходов теплопередачи выпускного газа, и при этом также удаляется часть бетона, который находится дальше всего от катушек. Более равномерное расстояние для бетона до катушек помогает минимизировать среднее увеличение разницы температуры в бетоне (против рабочего флюида), что менее желательно с точки зрения термодинамики. «Обычные» стороны позволяют штабелировать элементы TXES, тогда как выемки обеспечивают проход для нагретого флюида от источника тепла (выпускной газ, охладитель рубашки или даже масло) для передачи этих признаков в штабеле элементов TXES в массиве TXES, как показано на фигуре 7. Фигура 7 иллюстрирует девять элементов TXES, отлитых с выемками (710, с выемками 720 и спиральными трубами 740 рабочих флюидов), уложенных в расстановку 3×3, и иллюстрирует выпускные пути (730), образованные формой с выемками.
[00109] Использование труб рабочих флюидов процесса, встроенных в матрицу элемента TXES, работает, как сосуд под давлением для рабочих флюидов под давлением, и дополнительно образует поверхность теплопередачи. Винтовая или спиральная катушка удлиняет путь потока и увеличивает количество тепла, передаваемого в пересчете на каждый элемент TXES. В том виде, как это описано здесь, спиральная означает любую расстановку с катушкой, в том числе винты, спирали и прочие катушки подобной геометрии. Диаметр трубной обвязки, равно как и диаметр спиральной катушки, ее шаг (например, витки на метр) и длина трубной обвязки в каждом элементе TXES могут варьироваться для создания трубной обвязки для рабочих флюидов процесса, с оптимизацией под конкретный рабочий флюид, рабочие давления, диапазон рабочих температур и коэффициенты теплопередачи матрицы TXES. Может использоваться множество труб рабочих флюидов, как описано ниже. Трубы спиральной структуры дают эффект:
[00110] 1. Увеличение площади поверхности рабочих флюидов до тепловой массы (поверхности самой трубы, которые изменяются в зависимости от диаметра трубы рабочих флюидов).
[00111] 2. Увеличение длины пути, по которому может проходить теплопередача. Поскольку целью процесса с рабочим флюидом является получение практически всего тепла из флюида во время процесса механической зарядки, или испарение, а затем перегрев флюида почти до полной температуры на горячем конце материала хранилища, желательны небольшие разницы температур между материалом хранилища тепла и рабочим флюидом. Однако, небольшие разницы температур между рабочим флюидом и твердым материалом хранилища приводят к низкой скорости теплопередачи, и, следовательно, к большему расстоянию и большей площади поверхности, необходимой для достижения полной теплопередачи к рабочему флюиду или из него.
2
[00112] 3. Более длинная доступная длина означает, что поток теплопередачи (Вт/м) может быть меньше, и это минимизирует системные потери эффективности из-за более высоких разностей температур между рабочим флюидом и материалом хранилища (например, бетон). Более низкие тепловые потоки означают выгодно более низкий температурный градиент в материале хранения тепла.
[00113] 4. Увеличение общей длины функции теплопередачи, с учетом того, что процесс перехода тепла физически перемещается внутри TXES, когда TXES нагревается или охлаждается. Поэтому желательно, чтобы длина зоны теплопередачи была относительно короткой по отношению к общей доступной длине, потому что большая часть аккумулированного тепла высокого качества находится в горячем конце хранилища на горячей стороне зоны теплопередачи.
[00114] 5. Большее количество матриц элементов TXES, доступных для хранения тепла.
[00115] Каждый из этих факторов может учитываться при вычислении коэффициента теплопередачи для пути флюида в пределах элемента TXES. Коэффициент теплопередачи - это мера, которая описывает общую способность пути передавать тепло между матрицей элементов TXES и рабочим флюидом. Коэффициенты теплопередачи и их использование при определении оптимальных длин пути флюида описаны ниже.
[00116] Гибко определенные рабочие и исходные пути текучей среды в массиве TXES позволяют выбирать (и создавать) траектории движения флюида с различными коэффициентами теплопередачи. Каждый проход через элемент TXES имеет определенный коэффициент теплопередачи, основанный на текущей температуре и температурном градиенте в элементе TXES, рабочем флюиде, его температуре и давлении и характеристиках прохода (длина, диаметр (например, площадь переноса, материал). Коэффициенты теплопередачи в зависимости от характеристик рабочей текучей среды для каждого прохода в элементе TXES могут быть вычислены и/или измерены до того, как элемент TXES будет развернут в массиве TXES, и эти коэффициенты могут быть сохранены в памяти контроллера процесса. Следует отметить, что коэффициент теплопередачи не зависит от абсолютной температуры и давления. Он обеспечивает метрику, с помощью которой количество тепла, которое добавляется (вычитается) из рабочего флюида, при его прохождении через элемент TXES.
[00117] Например, первый путь, содержащий прямую трубу через элемент TXES для конкретного рабочего флюида, скорость потока и температуру (как определено датчиками в пути движения рабочего флюида), и известная расстановка температур и температурных градиентов в пределах элемента TXES (как определено температурными датчиками в элементе TXES) может определяться с коэффициентом теплопередачи 1, в то время как первая спиральная катушка радиусом 6 дюймов и шаг между катушками 4 дюйма могут иметь коэффициент теплопередачи 100 и вторая спиральная катушка радиусом 12 дюймов и шаг между катушками 4 дюйма могут иметь коэффициент теплопередачи 200. Таким образом, первый рабочий флюид, проходящий через каждый из этих путей флюида, будет приобретать 1, 100, или 200 единиц энергии, переданных в (или из) рабочего флюида для определенной тепловой конфигурации элемента TXES. Для другой тепловой конфигурации элемента TXES, те же условия рабочего флюида могут приобрести 0,5, 50 или 100 единиц энергии при прохождении через определенный проход в элементе TXES. Другой рабочий флюид в тех же условиях элемента TXES может иметь коэффициент теплопередачи 2,50 и 100 для трех каналов, соответственно. Опять же, эта информация может быть закодирована и сохранена в памяти контроллера процесса.
[00118] Когда путь прохождения флюида проходит через более чем один массив TXES и/или элементы TXES, суммарный коэффициент теплопередачи представляет собой сумму соответствующих коэффициентов элементов TXES/коэффициентов проходов, через которые проходил флюид.
[00119] Фигура 8 иллюстрирует коаксиальную расстановку спиральных труб флюида процесса одинакового размера и шага, встроенных в элемент TXES. Две спиральные трубы процесса (810, 820) расположены вокруг общей оси (830), причем спирали катушек переплетаются, чтобы обеспечить равную площадь контакта с нагретой матрицей (890) элементов TXES. Следует отметить, что дымовые трубы в элементе TXES на чертеже не показаны для ясности. Встроенные датчики температуры и давления (860, 870, 880) используются для определения температуры элемента TXES (и, в качестве опции, давления рабочего флюида в одной или нескольких спиральных трубах флюида процесса). Также показаны встроенные подъемные элементы (840, 850).
[00120] Фигура 9 иллюстрирует вторую коаксиальную расстановку спиральных труб (910, 920) флюида процесса различного размера и шага, встроенных в элемент TXES, расположенных вокруг общей оси (930). Следует отметить, что дымовые трубы в элементе TXES на чертеже не показаны для ясности. Также показаны встроенные датчики (960, 970, 980) и встроенные точки подъема (940, 950). Катушки трубы флюида процесса расположены в гнезде, обеспечивая первую трубу с большей площадью поверхности и длиной трубы, а также вторую трубу с меньшей площадью поверхности и длиной трубы. Таким образом, эти трубы обеспечивают разное количество теплообмена между элементом TXES и флюидом процесса в трубе, и каждый из них будет иметь разные коэффициенты теплопередачи. Таким образом, поток флюида процесса может быть выбран через элемент TXES, с использованием трубы, которая имеет длинный путь прохождения флюида (и, следовательно, больший теплообмен и более высокий коэффициент теплопередачи), или более короткий путь прохождения флюида в другой трубе (и, следовательно, меньший теплообмен и более низкий коэффициент теплопередачи) в зависимости от температуры элемента TXES и желаемой степени нагрева флюида процесса. В других случаях, одна труба с первым рабочим флюидом может быть выбрана для использования, если элемент TXES горячий, в то время как вторая труба может быть выбрана, если элемент TXES является холодным, чтобы регулировать количество тепла, выделяемого из элемента TXES, при работе с несколькими процессами флюида теплового двигателя. В качестве альтернативы, различные рабочие флюиды могут направляться через разные трубы, дополнительно усиливая управление теплом, хранящимся в элементе TXES.
[00121] Фигура 10 иллюстрирует коллинеарную (то есть оси спиральных труб процесса параллельны) расстановку спиральных труб (1010, 1020) флюида процесса одинакового размера и шага, встроенных в элемент TXES (1090), коллинеарно, но не коаксиально оси (1030/1035). Следует отметить, что дымовые трубы в элементе TXES на чертеже не показаны для ясности. Также показаны встроенные датчики (1060, 1070, 1080) и подъемные приспособления (1040, 1050). Катушки каждой спиральной трубы рабочего флюида переплетаются, чтобы обеспечить большую площадь контакта с материалом матрицы. Также следует отметить, что в этом варианте осуществления спирали не находятся на одной оси, что имеет эффект расширения области катушки, открытой для матрицы (например, немного больше в направлении слева направо по сравнению с коаксиальным выравниванием). Распределение катушек горизонтально является стратегией для получения однородной площади поверхности теплопередачи в линейном режиме по сравнению с более концентрическим рисунком. Углы, те участки, которые относительно удалены от, как правило, спиральных труб, предпочтительнее избегать, поскольку тепловая задержка или отставание в этих относительно отдаленных участках могут снизить производительность. Концентрические узоры, подобные Фигура 8 и 9, могут обрезать углы (не показано) или дизайн на фигуре 5b создает повторяющийся узор, который минимизирует количество углов в элементе TXES.
[00122] Фигура 11 иллюстрирует неперекрывающуюся коллинеарную расстановку спиральных труб (1110, 1120) флюида процесса, встроенных в элемент TXES (1190). Следует отметить, что дымовые трубы в элементе TXES не показаны на чертеже для ясности. Также показаны встроенные датчики (1160, 1170, 1180) и подъемные приспособления (1140, 1150). Трубы флюида процесса могут иметь разные размеры и шаг катушки, чтобы обеспечить различное количество теплопередачи для каждого канала трубы.
[00123] Каждый из приведенных выше примеров иллюстрирует элемент TXES с двумя элементами спиральной трубы рабочего флюида с изменяющимися характеристиками трубы и характеристиками катушки. Количество спиральных труб рабочего флюида, смещений осей и количества чередований катушки, присутствующих в элементе TXES, может изменяться без отступления от существа и объема настоящего изобретения, с учетом того, что совокупный размер элементов TXES должен быть уменьшен с увеличением числа труб так, чтобы минимизировать пустоты в матрице элементов TXES при отливке.
[00124] Часто будет общий паттерн в сердцевине трубы рабочего флюида, путей подачи тепла, и, возможно, прочие признаки, подобные выемкам или надрезам, которые можно повторять, но обычно отливают в сборки многих из этих общих паттернов подмножеств. Экономия или другие возможности могут часто появляться при накоплении многих подобных признаков при отливке больших деталей, в том числе - меньше трудозатрат на признак, при отливке многих признаков сразу, с уменьшением времени обработки сборок во время процесса производства, а также при установке на месте, более жесткие секции для операций подъема, когда отлитый элемент толще - с уменьшением внутренних усилений, что допускает разместить большую часть труб вне элемента TXES в более контролируемых фабричных условиях, что дешевле, чем при полевой сборке, с выравниванием труб флюида под давлением более точным, с использованием специальных инструментов, в противоположность гораздо более значительному разбросу при укладке в штабель отдельных элементов TXES.
[00125] Как упоминалось ранее, система предпочтительно работает с противотоком, когда флюид источника тепла течет в одном направлении, нагревая элементы TXES, с началом на «горячем» конце, и с выходом на «холодном» конце, при этом рабочий флюид течет в противоположном направлении (или противотоком), поступая на холодном конце и выходя на горячем конце. При зарядке (то есть добавлении энергии в элемент TXES), это оказывает эффект увеличения склона градиента температуры в пределах элемента или элементов TXES. Зона градиента температуры, которая есть участок элемента TXES, где изначально возникает теплопередача, также линейно перемещается в пределах элемента TXES по мере того, как меняется количество теплопередачи. Противоток повышает эффективность и рентабельность системы, делая градиент температуры вдоль элемента TXES более крутым, по мере того, как температурный профиль элемента TXES перемещается между заряженным и не заряженным состояниями. Фигура 12 иллюстрирует три графических примера состояния зарядки элемента TXES в различных стадиях тепловой зарядки.
[00126] Контроллер процесса отслеживает температуру и давление источника входящего тепла, рабочих флюидов, для каждого из элементов в составе массива TXES, и регулирует пути флюида для оптимизации количества тепла, сохраненного при зарядке, сохраненного в заряженном состоянии, и отброшенного в рабочий флюид при разрядке.
[00127] Преимущество массива TXES в сочетании с модульным дизайном элементов TXES и управлением потоком в системе посредством контроллера процесса, заключается в том, что потоки рабочего флюида можно оптимизировать в системе для захвата, хранения и извлечения, и использования максимального количества тепла из входящего теплового потока. Те же механизмы (используемые элементы TXES можно настроить на тепло и рабочие флюиды) можно использовать, когда система пристроена к выходу цементного завода, электростанции или к промышленному процессу повторного извлечения отработанного тепла.
[00128] Специалисты в данной области техники также поймут, что хотя изобретение было описано выше в рамках предпочтительных вариантов осуществления, оно не ограничивается ими. Различные признаки и аспекты вышеописанного изобретения можно использовать по отдельности или в сочетании. В дополнение, хотя изобретение описано в контексте его реализации в конкретной среде и для конкретных сфер применения, специалисты в данной области техники поймут, что его полезность не ограничивается этим, и что настоящее изобретение можно с успехом использовать в целом ряде сред и реализаций, где это желательно. Соответственно, пункты формулы, описанные ниже, должны быть истолкованы с учетом существа и объема настоящего изобретения, как это описано здесь.