СИСТЕМА, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИКЛА КАЛИНЫ
SYSTEM, METHOD AND DEVICE TO INCREASE EFFICIENCY OF KALINA CYCLE

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию систем, способов и устройств, приспособленных для повышения кпд термодинамического цикла. В частности, настоящее изобретение имеет отношение к контролю и регулированию различных параметров цикла Калины, чтобы повысить полный кпд цикла.
Предпосылки к созданию изобретения
Некоторые стандартные системы преобразования энергии позволяют производить преобразование теплоты, которая иначе была бы потеряна, в полезную энергию. В качестве одного примера такой системы преобразования энергии можно привести систему, которая производит преобразование тепловой энергии горячей геотермальной воды или промышленного источника отходящей теплоты в электричество. Такая термодинамическая система может иметь циклы Калины. Цикл Калины представляет собой термодинамический цикл с обратной связью (с регулированием в замкнутом контуре), который используют для преобразования тепловой энергии в механическую энергию при помощи турбины. Как и в других аналогичных термодинамических циклах с обратной связью, кпд цикла Калины по меньшей мере частично зависит от температур источника теплоты (источника нагревания) и источника охлаждения.
Турбины типично не могут непосредственно использовать "источник теплоты" и "источник охлаждения." Поэтому используют среду, которую называют как "рабочая жидкость," для пропускания между источником теплоты и источником охлаждения. Например, теплота от относительно горячих жидкостей в геотермальном канале (например, от "соляного раствора") может быть использована для нагревания рабочей жидкости с использованием одного или нескольких теплообменников. Рабочую жидкость нагревают от состояния с относительно низкой энергией и низкой температурой в пар относительно высокого давления. Пар высокого давления, или рабочий поток, затем может быть пропущен через одну или несколько турбин, чтобы приводить во вращение одну или несколько турбин и вырабатывать электричество.
В процессе приведения в действие турбины пар расширяется и выходит из турбины при низком давлении и низкой температуре. После выхода из турбины флюид конденсируют в жидкость в конденсаторе с использованием "источника охлаждения." Более высокий кпд цикла (и, таким образом, более высокая выходная мощность) может быть получен, когда разность давлений между впуском турбины и выпуском турбины оптимизирована. Эти давления зависят от температур "источника теплоты" и "источника охлаждения".
Когда "источники теплоты" и "источники охлаждения" не могут быть использованы непосредственно при помощи турбины, то тогда следует (для максимального повышения кпд) использовать рабочую жидкость, которая может копировать возможно точнее эти источники теплоты и охлаждения. В большинстве термодинамических циклов с обратной связью, кроме цикла Калины, используют рабочую жидкость, которая является однокомпонентной (или чистой) рабочей жидкостью. Например, большую часть электроэнергии в настоящее время вырабатывают на энергоустановках (электростанциях) с использованием цикла Ренкина. На этих энергоустановках используют чистую "воду" в качестве рабочей жидкости. Чистые рабочие жидкости, такие как вода, типично ограничены в копировании источников теплоты и охлаждения. Это происходит потому, что чистые рабочие жидкости закипают и конденсируются при постоянной температуре. Эта постоянная температура находится в прямом конфликте с природой переменной температуры большинства источников "теплоты" и "охлаждения". Разность постоянной и переменной температур между рабочей жидкостью и источниками теплоты/охлаждения представляет собой термодинамическое структурное различие, которое может приводить к потерям кпд на энергоустановках с циклом Ренкина.
Энергоустановки с циклом Калины имеют по меньшей мере одно характерное отличие от энергоустановок с циклом Ренкина. Рабочей жидкостью на энергоустановках с циклом Калины типично является смесь аммиака с водой. Смеси аммиака с водой имеют множество базовых характеристик, отличающихся от характеристик чистой воды или чистого аммиака. Смеси двух флюидов могут работать как совершенно новый флюид. Сущность цикла Калины заключается в том, что используют преимущество, связанное со способностью смеси аммиака с водой закипать и конденсироваться при переменной температуре - аналогично источникам теплоты и охлаждения, и, таким образом, лучше копировать эти источники. Это позволяет повысить кпд цикла.
Типично, когда внедряют цикл Калины, определяют температуры источников нагревания и охлаждения. На основании этих измерений производят расчет оптимальной концентрации рабочей жидкости аммиак-вода, чтобы рабочая жидкость могла лучше всего копировать источники нагревания и охлаждения, так чтобы максимально повысить кпд системы.
Кроме концентрации рабочей жидкости аммиак-вода, различные другие параметры цикла Калины могут влиять на общий кпд цикла. Некоторые такие параметры включают в себя давление рабочей жидкости и расход рабочей жидкости, связанный с расходом источника нагревания и/или источника охлаждения. Типично, каждый из этих параметров оптимизируют на основании первоначально определенных температур источников нагревания и охлаждения и других параметров системы. После первоначального задания таких параметров некоторые из них изредка регулируют.
Однако легко понять, что источники нагревания и охлаждения могут иметь медленные, а иногда и быстрые изменения во времени. Эти изменения в одном или нескольких источниках нагревания и охлаждения могут влиять на кпд цикла Калины. Более того, снижение кпд за счет таких колебаний температур особенно резко выражено в тех применениях, в которых разность между температурами источника теплоты и источника охлаждения является малой, например в низкотемпературных геотермальных применениях.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение позволяет решить одну или несколько вышеприведенных или других проблем за счет создания систем, устройств и способов, позволяющих контролировать и автоматически регулировать рабочие параметры цикла Калины, чтобы повысить кпд. Например, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения, система управления циклом Калины может иметь один или несколько датчиков, контролирующих источник нагревания и источник охлаждения. Система управления затем может автоматически регулировать один или несколько рабочих параметров цикла Калины в ответ на обнаруженные изменения в источнике нагревания и/или в источнике охлаждения. В дополнительных или альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения, система управления циклом Калины позволяет контролировать один или несколько рабочих параметров цикла Калины и позволяет автоматически регулировать один или несколько рабочих параметров, чтобы повысить кпд цикла Калины.
Например, система управления, позволяющая максимально повысить кпд цикла Калины, в соответствии с одним или несколькими вариантами реализации, может содержать процессор системы управления. Система управления также может содержать один или несколько датчиков, приспособленных для измерения одного или нескольких параметров цикла Калины и для передачи измеренных данных на процессор системы управления. Система управления может дополнительно содержать один или несколько компонентов цикла Калины, приспособленных для управления при помощи процессора системы управления, чтобы изменять один или несколько дополнительных параметров цикла Калины.
Кроме того, способ повышения кпд цикла Калины, в соответствии с одним или несколькими вариантами реализации, может предусматривать сбор данных при помощи одного или нескольких датчиков, несущих информацию относительно одного или нескольких параметров цикла Калины, от которых зависит кпд цикла Калины. Способ также может предусматривать передачу данных на процессор системы управления с использованием одного или нескольких механизмов передачи. Более того, способ может предусматривать вычисление одного или нескольких фактических параметров на основании данных с использованием процессора системы управления. Кроме того, способ может предусматривать нахождение одного или нескольких оптимальных параметров, которые позволяют повысить кпд цикла Калины. Способ дополнительно может предусматривать автоматическую регулировку одного или нескольких фактических параметров, чтобы получить один или несколько оптимальных параметров.
В дополнение к вышеприведенному, устройство для реализации термодинамического цикла, в соответствии с одним или несколькими вариантами реализации, может содержать детандер, приспособленный для расширения многокомпонентного парового рабочего потока, чтобы преобразовать его энергию в полезную форму и получить использованный поток. Устройство также может содержать сепаратор, приспособленный для разделения использованного потока на богатый поток и бедный поток. Кроме того, устройство может содержать бак, приспособленный для приема по меньшей мере части бедного потока из сепаратора и для хранения в нем бедного потока. Устройство может дополнительно содержать клапан, приспособленный для воздействия на объемный расход бедного потока, выходящего из бака. Более того, устройство может содержать смеситель, приспособленный для перемешивания выходящего из бака бедного потока с богатым потоком, чтобы получить объединенный поток. Устройство также может содержать конденсатор, приспособленный для конденсации объединенного потока, чтобы получить многокомпонентный рабочий поток. Устройство дополнительно может содержать второй теплообменник, приспособленный для нагревания многокомпонентного рабочего потока, чтобы получить паровой рабочий поток. Кроме того, устройство может содержать датчик, приспособленный для измерения коэффициента концентрации многокомпонентного рабочего потока. Устройство дополнительно может содержать систему управления, приспособленную для автоматического переключения клапана, чтобы изменять коэффициент концентрации многокомпонентного рабочего потока в ответ на изменение параметра термодинамического цикла.
Дополнительные характеристики и преимущества примерных вариантов настоящего изобретения будут ясны из последующего описания или могут быть выяснены при практической реализации таких примерных вариантов. Характеристики и преимущества таких примерных вариантов могут быть реализованы и получены при помощи систем и способов, специфически заявленных в приложенной формуле изобретения. Эти и другие характеристики станут более понятны из последующего описания и приложенной формулы изобретения или могут быть выяснены при практической реализации примерных вариантов, приведенных ниже.
Краткое описание чертежей
Для того чтобы пояснить, каким образом могут быть получены вышеуказанные и другие преимущества и характеристики настоящего изобретения, далее приводится подробное описание изобретения со ссылкой на специфические варианты его реализации, показанные на чертежах. Следует иметь в виду, что чертежи приведены не в реальном масштабе, причем на всех чертежах аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения. Следует иметь в виду, что на чертежах показаны только типичные варианты осуществления изобретения, поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие объем патентных притязаний настоящего изобретения, которое описано и объясняется с дополнительной специфичностью и подробностями за счет использования вспомогательных чертежей.
На фиг.1 показана блок-схема системы преобразования энергии на базе цикла Калины, которая содержит систему управления в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
На фиг.2 показан примерный график зависимости между температурой источника охлаждения и концентрацией аммиака для системы на базе цикла Калины, показанной на фиг.1, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
На фиг.3 показана блок-схема системы на базе цикла Калины, показанной на фиг.1, в которой система управления произвела регулировку концентрации смеси базовой рабочей жидкости в ответ на повышение температуры источника охлаждения.
На фиг.4 показана блок-схема системы на базе цикла Калины, показанной на фиг.1, в которой система управления произвела регулировку концентрации смеси базовой рабочей жидкости в ответ на снижение температуры источника охлаждения.
На фиг.5 показана блок-схема другой системы преобразования энергии на базе цикла Калины, которая содержит систему управления в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
На фиг.6 показан примерный график возможной зависимости между концентрацией аммиака и кпд цикла Калины при различных давлениях на входе турбины.
Подробное описание изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются системы, устройства и способы, позволяющие контролировать и автоматически регулировать рабочие параметры цикла Калины, чтобы повысить кпд. Например, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения, система управления циклом Калины может иметь один или несколько датчиков, контролирующих источник нагревания и источник охлаждения. Система управления затем может автоматически регулировать один или несколько рабочих параметров цикла Калины в ответ на обнаруженные изменения в источнике нагревания и/или в источнике охлаждения. В дополнительных или альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения, система управления циклом Калины позволяет контролировать один или несколько рабочих параметров цикла Калины и позволяет автоматически регулировать один или несколько рабочих параметров, чтобы повысить кпд цикла Калины.
Различные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы при помощи системы с обратной связью, в которой используют многокомпонентную рабочую жидкость, такой как система на базе цикла Калины. Несмотря на то, что настоящее изобретение может быть внедрено в различные системы термодинамического цикла различных типов, приведенное далее описание сделано со ссылкой на систему на базе цикла Калины. Специфические описанные здесь и показанные на чертежах циклы Калины являются только несколькими примерами различных циклов Калины, с использованием которых может быть осуществлено настоящее изобретение. Другие примерные технологии на базе цикла Калины, с использованием которых может быть осуществлено настоящее изобретение, приведены в патентах США Nos. 7516619, 5822990, 5953918, 5572871, 5440882 и 4982568, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки.
Как уже было указано здесь выше, один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения позволяет использовать систему управления и соответствующие способы для текущего контроля концентрации базовой рабочей жидкости в цикле Калины, а также для текущего контроля температуры источника теплоты для цикла Калины и/или температуры источника охлаждения для цикла Калины. Когда температура источника теплоты и/или температура источника охлаждения изменяется, система управления может соответствующим образом регулировать концентрацию базовой рабочей жидкости цикла Калины, чтобы повысить кпд цикла Калины, и, таким образом, повысить выработку электроэнергии энергоустановкой на базе цикла Калины.
В свете приведенного описания легко можно понять, что такая система управления и соответствующие способы могут быть особенно полезными в циклах Калины, в которых одна или несколько температур источника теплоты или источника охлаждения являются динамическими. Такими циклами Калины могут быть циклы, в которых используют сбросовую энергию технологической установки, например, такой как установки для литья стали, или иной литейной установки в качестве источника теплоты. Технологическая установка может работать в периодическом процессе, так что температуры источника теплоты могут изменяться каждый час или даже чаще.
Что касается источника охлаждения, то следует иметь в виду, что многие геотермальные применения находятся в регионах сухого климата и используют "окружающий воздух" в конденсаторах с воздушным охлаждением. Изменение между дневной и ночной температурами воздуха в этих регионах может достигать 40°F. Таким образом, в течение 24-часового периода температура окружающего воздуха может изменяться от низкой температуры, например 50°F ночью, до высокой температуры, например 90°F днем, и назад до 50°F ночью. Эта разность между низкой и высокой температурами охлаждения может быть еще больше во время "холодного фронта" или тепловых волн.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показана блок-схема системы 100 преобразования энергии на базе цикла Калины (блок-схема цикла 100 Калины), которая содержит систему 130 управления. Система 130 управления может регулировать концентрацию базовой рабочей жидкости цикла 100 Калины на основании изменения температуры источника 122 теплоты и/или источника 124 охлаждения. В частности, система 130 управления позволяет регулировать концентрацию базовой рабочей жидкости, чтобы повышать, или оптимизировать, кпд цикла 100 Калины.
Как это показано на фиг.1, цикл 100 Калины может содержать первый теплообменник или конденсатор 104, питающий насос 106, второй теплообменник 108, третий теплообменник или испаритель 110 и турбину 112. Кроме того, цикл 100 Калины может содержать сепаратор 114, сточный резервуар 116, дренажный насос 118 и бак 120. Как это описано далее более подробно, цикл 100 Калины может работать с внешним источником 122 нагревания и с внешним 124 источником охлаждения.
Начиная от выхода бака 120, рабочая жидкость (смесь аммиака с водой) имеет заданный набор параметров в точке 11, и ее называют далее базовой смесью или смесью базовой рабочей жидкости. Затем давление рабочей жидкости повышают до более высокого давления при помощи насоса 106, чтобы получить в точке 12 рабочую жидкость с повышенным давлением. Затем рабочую жидкость с повышенным давлением пропускают через второй теплообменник 108, в котором она подогревается при помощи выходного потока турбины 112, чтобы образовать подогретую рабочую жидкость в точке 14. Подогретая рабочая жидкость затем проходит через теплообменник 110, где она нагревается при помощи внешнего источника 122 теплоты, чтобы образовать по меньшей мере частично испарившийся рабочий поток в точке 16. По меньшей мере частично испарившийся рабочий поток затем проходит через турбину 112 и приводит в действие турбину 112, чтобы вырабатывать механическую энергию, которая преобразуется в электрическую энергию при помощи генератора 126. Рабочий поток внутри турбины 112 расширяется и выходит из турбины 112 в точке 18 как рабочий поток низкого давления или по меньшей мере частично использованный поток.
Рабочий поток низкого давления затем проходит через вторичную сторону второго теплообменника 108, чтобы подогревать рабочую жидкость повышенного давления, как уже было указано здесь выше. За счет подогрева рабочей жидкости повышенного давления рабочий поток низкого давления охлаждается, чтобы образовать частично конденсированный рабочий поток или охлажденный использованный поток в точке 20. Частично конденсированный рабочий поток затем поступает в сепаратор 114. Сепаратор 114 разделяет частично конденсированный рабочий поток на бедный поток (имеющий низкое содержание аммиака по сравнению с базовой смесью) в точке 22 и богатый паровой поток (имеющий высокое содержание аммиака по сравнению с базовой смесью) в точке 24. Бедный поток проходит в сточный резервуар 116, и затем его давление повышается до более высокого давления при помощи дренажного насоса 118, чтобы получить бедный поток с повышенным давлением в точке 26. Бедный поток с повышенным давлением затем распыляется в богатом паровом потоке или перемешивается с ним, когда оба эти потока входят в конденсатор 104, чтобы образовать объединенный поток в точке 28. Распыление бедного потока в богатом паровом потоке помогает конденсации богатого парового потока. Объединенный поток 28 охлаждается в конденсаторе 104 при помощи внешнего источника 124 охлаждения, чтобы создать базовую смесь в точке 10. Базовая смесь затем поступает в бак 120. Процесс затем повторяют в замкнутом контуре.
Как уже было указано здесь выше, система 130 управления позволяет контролировать параметры рабочей жидкости в различных точках в цикле 100 Калины. Кроме того, система 130 управления также позволяет контролировать температуру источника 122 теплоты и/или температуру источника 124 охлаждения температура. На основании измеренных параметров рабочей жидкости и температур источников нагревания и охлаждения, система управления позволяет оптимизировать или иным образом изменять концентрацию рабочей жидкости, чтобы повысить кпд цикла 100 Калины. Другими словами, система 130 управления позволяет увеличивать или уменьшать количество аммиака в смеси базовой рабочей жидкости, чтобы влиять на кпд цикла 100 Калины.
Для осуществления этого процесса система 130 управления может содержать первый датчик 128, который измеряет параметр источника 124 охлаждения. Механизм А передачи позволяет передавать записанные или измеренные при помощи датчика 128 данные в процессор системы управления или в компьютер системы 130 управления. Механизм А передачи позволяет передавать данные в системный процессор системы 130 управления через соединение с универсальной последовательной шиной (USB), через последовательное соединение, параллельное соединение, соединение радиосвязи, соединение технология Bluetooth и/или через любое другое подходящее соединение связи.
В соответствии с одним из вариантов реализации, датчиком 128 может быть датчик температуры, приспособленный для измерения температуры источника 124 охлаждения и передачи температуры источника 124 охлаждения в управляющий системный процессор или в компьютер системы 130 управления. В другом варианте реализации, датчик 128 может быть приспособлен для измерения других характеристик или параметров источника охлаждения, таких как свойства потока жидкости, например расход. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, управляющий системный процессор системы 130 управления расположен на месте использования цикла 100 Калины. В соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения, управляющий системный процессор системы 130 управления расположен на расстоянии от места использования цикла 100 Калины.
Кроме того, система 130 управления может содержать датчик 132, который измеряет плотность (или концентрацию аммиак-вода) базовой рабочей жидкости. Механизм В передачи позволяет передавать записанные или измеренные при помощи датчика 132 данные в управляющий системный процессор или в компьютер системы 130 управления. Механизм В передачи позволяет передавать данные в системный процессор системы 130 управления через соединение с универсальной последовательной шиной (USB), через последовательное соединение, параллельное соединение, соединение радиосвязи, соединение технология Bluetooth и/или через любое другое подходящее соединение связи.
Система 130 управления также может содержать уровнемер 134 сточного резервуара, который измеряет уровень бедного потока в сточном резервуаре 116. Механизм С передачи позволяет передавать записанные или измеренные при помощи уровнемера 134 данные в управляющий системный процессор или в компьютер системы 130 управления. Механизм С передачи позволяет передавать данные в системный процессор системы 130 управления через соединение с универсальной последовательной шиной (USB), через последовательное соединение, параллельное соединение, соединение радиосвязи, соединение технология Bluetooth и/или через любое другое подходящее соединение связи. Более того, система 130 управления может содержать клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, который позволяет системе 130 управления контролировать количество или уровень бедного потока в сточном резервуаре 116.
При работе система 130 управления позволяет производить расчет или позволяет загружать в нее соотношение между концентрацией оптимальной базовой смеси (процентное содержание аммиака в базовой смеси) и температурой источника охлаждения. График этого соотношения для цикла 100 Калины, в котором используют внешний источник 122 теплоты, имеющий температуру 310°F, показан на фиг.2. Математическая функция для показанной на фиг.2 кривой имеет следующий вид:
2
у=0.00581х+0.003506х+83.829755
где х равняется температуре источника 124 охлаждения, а у равняется концентрации аммиака в базовой смеси. В свете приведенного описания легко можно понять, что это показанное на фиг.2 соотношение является примерным соотношением для специфического цикла Калины, и что система 130 управления может использовать аналогичное соотношение для специфического цикла Калины, в котором ее используют.
Таким образом, при эксплуатации система управления может измерять температуру источника 124 охлаждения с использованием датчика 128. На основании измеренной температуры, которую в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения усредняют в течение заданного периода времени (например, от 15 до 30 минут), процессор системы 130 управления может производить расчет оптимального отношения аммиака к воде в базовой смеси, которое позволяет получить максимальный кпд для цикла 100 Калины. Система управления затем измеряет фактическую концентрация базовой смеси с использованием датчика 132. После этого система 130 управления может производить сравнение оптимального отношения аммиака к воде с фактическим отношением аммиака к воде.
Если фактическое отношение аммиака к воде ниже чем оптимальное отношение аммиака к воде (то есть если фактически имеется меньше аммиака в базовой смеси чем в оптимальной смеси), то система 130 управления может увеличивать концентрацию аммиака в базовой смеси. В частности, система 130 управления может определять фактический уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 с использованием уровнемера 134 сточного резервуара. Система 130 управления затем может автоматически устанавливать повышенный заданный уровень в сточном резервуаре и автоматически регулировать (переключать) клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, чтобы поддерживать новый заданный уровень. В этом случае, система 130 управления ограничивает протекание имеющего повышенное давление бедного потока через клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, пока уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 не достигнет нового заданного уровня.
За счет увеличения количества бедного потока, хранящегося в сточном резервуаре 116, система 130 управления позволяет снизить концентрацию воды в рабочей жидкости, циркулирующей через систему 100, и, таким образом, повысить концентрацию аммиака в базовой смеси. В соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения, чем большее количества бедного потока хранится в сточном резервуаре 116, тем большее количества базовой смеси, хранящейся в баке 120, выводят из него для циркуляции через цикл 100 Калины, чтобы поддерживать соответствующее количество рабочей жидкости.
Например, на фиг.1 показан цикл 100 Калины, в котором система управления отрегулировала или оптимизировала концентрацию базовой смеси так, что она содержит 86.9% аммиака и 13.1% воды, в соответствии с температурой 70°F источника охлаждения. В отличие от этого на фиг.3 показан цикл 100 Калины, в котором система управления отрегулировала уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 в ответ на повышение температуры источника 124 охлаждения до 100°F. В частности, система управления отрегулировала концентрацию базовой смеси так, что она содержит 90.0% аммиак и 10.0% воды. Из сравнения фиг.1 и 3 можно понять, что цикл 100 Калины на фиг.3 содержит большее количество бедного потока, хранящегося в сточном резервуаре 116, по сравнению с циклом 100 Калины на фиг.1. Вместе с тем, цикл 100 Калины на фиг.3 также имеет меньшее количество базовой смеси, хранящейся в баке 120, чем цикл 100 Калины на фиг.1.
Легко можно понять, что несмотря на то, что система 130 управления регулирует концентрацию базовой смеси, равновесная концентрация (смесь аммиака с водой, которая могла бы быть получена, если бы все количество аммиака и воды в различных частях цикла 100 Калины было перемешано в единственном резервуаре) может оставаться постоянной. Это происходит потому, что цикл 100 Калины представляет собой замкнутую систему. Таким образом, для того чтобы позволить системе 130 управления изменять концентрацию базовой смеси, цикл 100 Калины в соответствии с настоящим изобретением может содержать повышенное количество рабочей жидкости по сравнению со стандартным циклом Калины. Таким образом, как сточный резервуар 116, так и бак 120 могут иметь повышенную емкость, позволяющую хранить добавочную рабочую жидкость цикла 100 Калины.
В свете приведенного описания легко можно понять, что концентрация бедного потока и богатого потока в других частях цикла 100 Калины может автоматически регулироваться на основании концентрации базовой смеси. Например, концентрация как бедного потока, так и богатого потока может автоматически регулироваться на основании концентрации базовой смеси, как это показано на фиг.1 и 3. Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, бедный поток в сточном резервуаре 116 на фиг.1 может иметь концентрацию 51.0% аммиака и 49.0% воды. Эта концентрация может автоматически регулироваться, когда система 130 управления изменяет концентрацию базовой рабочей жидкости. Например, бедный поток в сточном резервуаре 116 на фиг.3 может автоматически регулироваться до концентрации 56.5% аммиака и 43.33% воды.
Аналогично, в одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения, богатый поток в точке 24 на фиг.1 может иметь концентрацию 99.6% аммиака и 0.4% воды. Эта концентрация может автоматически регулироваться, когда система 130 управления изменяет концентрацию базовой рабочей жидкости. Например, богатый поток в точке 24 на фиг.3 может автоматически регулироваться до концентрации 99.7% аммиака и 0.3% воды.
Аналогично процессу повышения концентрации аммиака в базовой смеси за счет повышения температуры источника 124 охлаждения, система 130 управления может также уменьшать концентрацию аммиака за счет снижения температуры источника 124 охлаждения. В частности, система 130 управления может измерять температуру источника 124 охлаждения с использованием датчика 128. На основании измеренной температуры процессор системы 130 управления может производить расчет оптимального отношения аммиака к воде в базовой смеси, чтобы обеспечивать максимальный кпд для цикла 100 Калины. Система 130 управления затем может измерять фактическую концентрацию базовой смеси с использованием датчика 132. После этого система 130 управления может производить сравнение оптимального отношения аммиака к воде с фактическим отношением аммиака к воде.
Если фактическая концентрация аммиака больше, чем оптимальная концентрация аммиака (то есть если в базовой смеси больше аммиака, чем в оптимальной смеси), то система 130 управления может снижать концентрацию аммиака в базовой смеси. В частности, система 130 управления может определять фактический уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 с использованием уровнемера 134 сточного резервуара. Система управления затем может автоматически устанавливать более низкий заданный уровень в сточном резервуаре и автоматически регулировать клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, чтобы поддерживать новый заданный уровень. В этом случае, система 130 управления может увеличивать расход имеющего повышенное давление бедного потока через клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, пока уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 не достигнет нового заданного уровня.
За счет уменьшения количества бедного потока, хранящегося в сточном резервуаре 116, система 130 управления может повышать концентрацию воды в рабочей жидкости, циркулирующей через систему 100, и за счет этого снижать концентрацию аммиака в базовой смеси. В соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения, чем меньше количество бедного потока, хранящегося в сточном резервуаре 116, тем больше должно быть количество базовой смеси, хранящейся в баке 120, чтобы поддерживать соответствующее количество рабочей жидкости, циркулирующей через систему 100 на базе цикла Калины.
Например, на фиг.4 показан цикл 100 Калины, в котором система 130 управления отрегулировала уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 в ответ на снижение температуры источника 124 охлаждения до 40°F. В частности, система 130 управления отрегулировала концентрацию базовой смеси так, что она содержит 84.9% аммиака и 15.1% воды. Из сравнения фиг.1 и 4 можно понять, что цикл 100 Калины на фиг.4 содержит меньшее количество бедного потока, хранящегося в сточном резервуаре 116, по сравнению с циклом 100 Калины на фиг.1. Вместе с тем, цикл 100 Калины на фиг.4 также имеет большее количество базовой смеси, хранящейся в баке 120, чем цикл 100 Калины на фиг.1.
Как уже было указано здесь выше, за счет регулирования концентрации базовой смеси концентрацию бедного потока и богатого потока в других частях цикла 100 Калины можно автоматически регулировать на основании концентрации базовой смеси. Например, концентрацию как бедного потока, так и богатого потока можно автоматически регулировать на основании концентрации базовой смеси, как это показано на фиг.1 и 4. Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, бедный поток в сточном резервуаре 116 на фиг.1 может иметь концентрацию 51.0% аммиака и 49.0% воды. Эту концентрацию можно автоматически регулировать, когда система 130 управления изменяет концентрацию базовой рабочей жидкости. Например, бедный поток в сточном резервуаре 116 на фиг.4 можно автоматически регулировать до концентрации 65.1% аммиака и 34.9% воды.
Аналогично, в одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения, богатый поток в точке 24 на фиг.1 может иметь концентрацию 99.6% аммиака и 0.4% воды. Эту концентрацию можно автоматически регулировать, когда система 130 управления изменяет концентрацию базовой рабочей жидкости. Например, богатый поток в точке 24 на фиг.4 можно автоматически регулировать до концентрации 99.7% аммиака и 0.3% воды.
Несмотря на то, что описанная здесь выше система 130 управления измеряет температуру источника 124 охлаждения и соответственно регулирует концентрацию базовой смеси, настоящее изобретение не ограничено таким вариантом его осуществления. Например, вместо этого или в дополнение к измерению температуры источника 124 охлаждения система 130 управления может измерять температуру конденсированный рабочей жидкости, выходящей из конденсатора 124, или измерять другие связанные с этим параметры. Более того, система 130 управления может содержать уровнемер 139 бака для текущего контроля количества базовой смеси, хранящейся в баке 120.
Кроме того, вместо этого или в дополнение к регулированию концентрации базовой смеси в ответ на изменение температуры источника 124 охлаждения система 130 управления может регулировать концентрацию базовой смеси в ответ на изменение температуры источника 122 теплоты. В таких вариантах осуществления настоящего изобретения, система 130 управления может содержать датчик 138, такой как датчик температуры, который измеряет параметр источника 122 нагревания, такой как температура. Механизм D передачи позволяет передавать данные от датчика 138 в системный процессор системы 130 управления через соединение с универсальной последовательной шиной (USB), через последовательное соединение, параллельное соединение, соединение радиосвязи, соединение технология Bluetooth и/или через любое другое подходящее соединение связи. В альтернативных вариантах осуществления, датчик 138 может быть приспособлен для измерения расходов и/или других характеристик или параметров источника 122 нагревания, которые могут влиять на коэффициент теплопередачи от источника 122 теплоты в рабочий поток.
Аналогично описанному здесь выше в связи с изменением температуры источника 124 охлаждения, процессор системы 130 управления на основании измеренной температуры источника 122 нагревания может производить расчет оптимального отношения аммиака к воде в базовой смеси, которое позволяет получить максимальный кпд цикла 100 Калины. Система 130 управления затем может измерять фактическую концентрацию базовой смеси с использованием датчика 132. После этого система 130 управления может производить сравнение оптимального отношения аммиака к воде с фактическим отношением аммиака к воде.
Если фактическое отношение аммиака к воде больше, чем оптимальное отношение аммиака к воде (то есть если в базовой смеси содержится больше аммиака, чем в оптимальной смеси), то система 130 управления может уменьшать концентрацию аммиака в базовой смеси. В частности, система 130 управления может определять фактический уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 с использованием уровнемера 134 сточного резервуара. Система управления затем может автоматически изменять заданный уровень в сточном резервуаре до более низкого заданного уровня и автоматически регулировать клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, чтобы поддерживать новый заданный уровень. В этом случае, система 130 управления может повышать расход имеющего повышенное давление бедного потока через клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, пока уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 не дойдет до нового заданного уровня.
Аналогично, если фактическое отношение аммиака к воде меньше, чем оптимальное отношение аммиака к воде (то есть если в базовой смеси содержится меньше аммиака, чем в оптимальной смеси), то система 130 управления может повышать концентрацию аммиака в базовой смеси. В частности, система 130 управления может определять фактический уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 с использованием уровнемера 134 сточного резервуара. Система управления затем может автоматически изменять заданный уровень в сточном резервуаре до более высокого заданного уровня и автоматически регулировать клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, чтобы поддерживать новый заданный уровень. В этом случае, система 130 управления может ограничивать расход имеющего повышенное давление бедного потока через клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, пока уровень бедного потока в сточном резервуаре 116 не дойдет до нового заданного уровня.
Кроме того, система 130 управления может быть запрограммирована, чтобы "прогнозировать" нормальные циклические изменения температур источника охлаждения или источника теплоты (или ожидаемые изменения температуры), чтобы заранее изменять концентрацию в ответ на реальные (или фактические) изменения температуры источника охлаждения или источника теплоты (например, для применений с конденсатором, имеющим воздушное охлаждение, циклические изменения температуры воздуха в данный день очень легко можно предсказать, так что в систему управления можно ввести прогнозируемое "повышение" температуры утром и днем и "снижение" температуры вечером и ночью).
Кроме того, в зависимости от типа цикла Калины и различных использованных в нем компонентов, система 130 управления может использовать другие или дополнительные компоненты, чтобы регулировать концентрацию базовой смеси для повышения или оптимизации кпд. Например, на фиг.5 показана блок-схема цикла 200 Калины. Цикл 200 Калины аналогичен циклу 100 Калины, показанному на фиг.1, 3 и 4. Однако он содержит четвертый теплообменник 502 и сепаратор 504.
Начиная от выхода конденсатора 104, рабочая жидкость (смесь аммиака с водой) имеет заданный набор параметров в точке 10, и ее называют далее базовой смесью. Затем давление рабочей жидкости повышают до более высокого давления при помощи насоса 106, чтобы получить в точке 12 рабочую жидкость с повышенным давлением. Затем рабочую жидкость с повышенным давлением пропускают через второй теплообменник 108, в котором она подогревается, чтобы образовать подогретую рабочую жидкость в точке 14.
Подогретая рабочая жидкость затем проходит через четвертый теплообменник 502, где она дополнительно нагревается и, возможно, частично испаряется, чтобы образовать дополнительно нагретую рабочую жидкость в точке 30. Дополнительно нагретую рабочую жидкость затем пропускают через третий теплообменник 110, в котором она нагревается при помощи внешнего источника 122 теплоты, чтобы образовать по меньшей мере частично испарившийся рабочий поток в точке 16. По меньшей мере частично испарившийся рабочий поток затем проходит в сепаратор 504. Сепаратор 504 разделяет по меньшей мере частично испарившийся рабочий поток на богатый паровой компонент в точке 32 и бедный насыщенный жидкий компонент в точке 34. Богатый паровой компонент приводит в действие турбину 112, чтобы вырабатывать механическую энергию, которая преобразуется в электрическую энергию при помощи генератора 126. Рабочий поток внутри турбины 112 расширяется и выходит из нее в точке 18 как рабочий поток низкого давления или использованный поток.
Бедный насыщенный жидкий компонент охлаждается в четвертом теплообменнике 502 (за счет нагревания подогретой рабочей жидкости) и создает в точке 36 частично охлажденный бедный компонент. Частично охлажденный бедный компонент затем объединяют с имеющим низкое давление рабочим потоком или с использованным потоком, чтобы создать объединенный использованный поток в точке 38, который затем проходит через второй теплообменник 108, в котором он охлаждается за счет нагревания имеющей повышенное давление рабочей жидкости, чтобы образовать частично конденсированный рабочий поток в точке 20.
Частично конденсированный рабочий поток затем поступает в сепаратор 114. Сепаратор 114 разделяет частично конденсированный рабочий поток на бедный поток (имеющий низкое содержание аммиака по сравнению с базовой смесью) в точке 22 и богатый паровой поток (имеющий высокое содержание аммиака по сравнению с базовой смесью) в точке 24. Бедный поток проходит в сточный резервуар 116, и затем его давление повышается до более высокого давления при помощи дренажного насоса 118, чтобы получить бедный поток с повышенным давлением в точке 26. Бедный поток с повышенным давлением затем распыляется в богатом паровом потоке или перемешивается с ним, когда оба эти потока входят в конденсатор 104, чтобы образовать объединенный поток в точке 28. Распыление бедного потока в богатом паровом потоке помогает конденсации богатого парового потока. Объединенный поток 28 охлаждается в конденсаторе 104 при помощи внешнего источника 124 охлаждения. Охлажденный объединенный поток на выходе из конденсатора 104 становится базовой смесью, которая затем поступает в бак 120. Процесс затем повторяют в замкнутом контуре.
Дополнительно, как это показано на фиг.5, система 130 управления может содержать уровнемер 506 бака первого сепаратора, который измеряет уровень бедного насыщенного жидкого компонента в сепараторе 504. Механизм F передачи позволяет передавать данные от уровнемера 506 бака сепаратора в системный процессор системы 130 управления через соединение с универсальной последовательной шиной (USB), через последовательное соединение, параллельное соединение, соединение радиосвязи, соединение технология Bluetooth и/или через любое другое подходящее соединение связи. Более того, система 130 управления может содержать клапан 508 управления уровнем в баке сепаратора, который позволяет системе 130 управления регулировать количество бедного насыщенного жидкого компонента в баке сепаратора 504 при помощи механизма G управления. Механизмом G управления может быть механизм связи, аналогичный описанным здесь выше в связи с механизмами передачи А, С, D и Е, и рабочий орган, приспособленный для открывания и закрывания клапана 508.
Таким образом, в случае внедрения системы 130 управления, показанной на фиг.5, система 130 управления позволяет регулировать уровень бедного насыщенного жидкого компонента в сепараторе 504, чтобы регулировать концентрацию базовой смеси в ответ на изменение температуры источника 124 охлаждения и/или источника 122 теплоты. В свете приведенного описания легко можно понять, что система 130 управления позволяет регулировать уровень бедного насыщенного жидкого компонента в баке сепаратора 504 аналогично описанному здесь выше в связи с регулированием уровня бедного потока в сточном резервуаре 116. В частности, система 130 управления может устанавливать новый заданный уровень и затем регулировать клапан 508 управления уровнем в баке сепаратора так, чтобы уровень флюида в баке сепаратора 504 повышался или снижался. Альтернативно, система 130 управления позволяет регулировать как уровень бедного насыщенного жидкого компонента в сепараторе 504, так и уровень бедного потока в сточном резервуаре 116, чтобы регулировать концентрацию базовой смеси.
В свете приведенного описания легко понять, что система 130 управления позволяет быстро регулировать концентрацию базовой смеси. В самом деле, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения, система 130 управления позволяет регулировать концентрацию базовой смеси ежедневно, всечасно или в ответ на изменение температуры источника 122 теплоты и/или источник 124 охлаждения. В соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения, система 130 управления позволяет контролировать и регулировать базовую смесь в ответ на изменение температуры источника 122 теплоты и/или источника 124 охлаждения в истинном масштабе времени.
Несмотря на то, что описанные здесь выше варианты осуществления системы 130 управления позволяют контролировать и автоматически регулировать концентрацию базовой смеси, чтобы осуществлять цикл 100, 200 Калины с повышенным или максимальным кпд, следует иметь в виду, что один или несколько дополнительных или альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения содержат системы управления, позволяющие регулировать один или несколько дополнительных параметров цикла Калины, помогающих осуществлять цикл Калины с повышенным или максимальным кпд. Например, на фиг.6 показан график возможной зависимости между концентрацией аммиака в рабочей жидкости и кпд цикла Калины при различных давлениях рабочей жидкости на входе турбины. Один или несколько вариантов реализации системы 130 управления в соответствии с настоящим изобретением позволяют вычислять или загружать аналогичное отношение на основании специфических параметров цикла Калины, которые системы 130 управления контролирует. С использованием этой информации система 130 управления позволяет контролировать концентрацию базовой смеси и соответственно автоматически регулировать давление на входе турбины, чтобы помогать осуществлять цикл Калины с повышенным или максимальным кпд.
Например, если вновь обратиться к рассмотрению фиг.1, система 130 управления позволяет контролировать концентрацию базовой смеси с использованием датчика 132. Более того, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения, датчик 132 позволяет также измерять температуру и расход базовой смеси. На основании измеренной концентрации базовой смеси процессор системы 130 управления позволяет произвести расчет давления на входе турбины, которое максимально повышает кпд цикла 100 Калины, с использованием графика, показанного на фиг.6 или других аналогичных данных. Система 130 управления затем позволяет измерять фактическое давление на входе турбины 112 с использованием датчика 140 давления на входе турбины. Механизм Е передачи позволяет передавать данные от датчика 140 в системный процессор системы 130 управления через соединение с универсальной последовательной шиной (USB), через последовательное соединение, параллельное соединение, соединение радиосвязи, соединение технология Bluetooth и/или через любое другое подходящее соединение связи. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, система 130 управления позволяет измерять расход рабочей жидкости на входе турбины 112 и затем вычислять давление.
Если фактическое давление на входе турбины больше (или меньше), чем оптимальное давление на входе турбины, система 130 управления может регулировать фактическое давление на входе турбины. Например, система 130 управления может регулировать производительность насоса 106 и, таким образом, регулировать давление на входе турбины. В любом случае, система 130 управления позволяет контролировать и регулировать давление на входе турбины, чтобы обеспечивать работу цикла Калины при максимальном кпд.
В свете приведенного описания легко можно понять, что концентрация рабочей жидкости и давление на входе турбины являются просто двумя примерными параметрами, которые система 130 управления в соответствии с настоящим изобретением позволяет контролировать и автоматически регулировать, чтобы максимально повысить кпд цикла Калины. В самом деле, один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения позволяют контролировать любое число различных параметров цикла, от которых зависит кпд данного цикла Калины, и автоматически регулировать эти параметры, чтобы повысить кпд цикла Калины.
Например, цикл Калины был описан здесь как замкнутый цикл. Однако так как уплотнения турбины являются неидеальными, небольшие количества богатого пара, расширенного в турбине, могут улетучиваться из цикла Калины. Со временем эта потеря рабочей жидкости может оказывать отрицательные воздействия на рабочий кпд цикла Калины, за счет уменьшения количества рабочей жидкости, циркулирующей через цикл Калины, и за счет изменения концентрации рабочей жидкости. Один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения позволяют контролировать количество рабочей жидкости, циркулирующей в цикле Калины, за счет использования уровнемера 134 сточного резервуара и уровнемера 139 бака. Система 130 управления затем может использовать клапан 136 управления уровнем в сточном резервуаре, чтобы увеличивать количество рабочей жидкости, циркулирующей в цикле Калины, и за счет этого учитывать любые потери через уплотнения турбины. Кроме того, система 130 управления может регулировать концентрацию базовой смеси, как уже было описано здесь выше, чтобы компенсировать любые изменения за счет утечки богатого пара через уплотнения турбины.
Варианты осуществления настоящего изобретения также могут содержать способы повышения кпд термодинамического цикла. Здесь уже был описан по меньшей мере один вариант осуществления способа повышения кпд цикла Калины со ссылкой на компоненты и блок-схемы, показанные на фиг.1-6. Само собой разумеется, что подробно описанные здесь способы могут быть изменены. Например, различные описанные операции могут быть опущены или расширены, чтобы изменить различные описанные операции способа в соответствии с необходимостью.
Таким образом, в соответствии с одним из способов осуществления настоящего изобретения, может быть предусмотрен сбор данных при помощи одного или нескольких датчиков, несущих информацию относительно одного или нескольких параметров цикла Калины, от которых зависит кпд цикла Калины. Например, способ может предусматривать измерение температуры источника 122 теплоты и/или источника 124 охлаждения с использованием одного или нескольких датчиков 128, 138 температуры. Кроме того, способ может предусматривать измерение плотности смеси базовой рабочей жидкости цикла Калины с использованием датчика 132 плотности. Более того, способ может предусматривать измерение давления рабочей жидкости на входе турбины цикла Калины с использованием датчика 140 давления.
Способ также может предусматривать передачу данных в процессор системы управления с использованием одного или нескольких механизмов передачи. Например, способ может предусматривать передачу температуры источника 122 теплоты и/или источника 124 охлаждения в процессор системы 130 управления с использованием механизма A, D передачи. Дополнительно или альтернативно, способ может предусматривать передачу концентрации рабочей жидкости в процессор системы 130 управления с использованием механизма В передачи. Более того, способ может предусматривать передачу давления рабочей жидкости на входе турбины в процессор системы 130 управления с использованием механизма Е передачи.
Способ может дополнительно предусматривать вычисление одного или нескольких фактических параметров на основании данных с использованием процессора системы управления. Например, способ может предусматривать вычисление фактической концентрация рабочей жидкости, фактического количества рабочей жидкости в цикле Калины или фактического давления рабочей жидкости на входе турбины.
Более того, способ может предусматривать определение одного или нескольких оптимальных параметров, позволяющих обеспечивать повышение кпд цикла Калины. Например, способ может предусматривать вычисление оптимальной концентрации рабочей жидкости на основании фактической температуры источника нагревания и/или источника охлаждения. Дополнительно или альтернативно, способ может предусматривать вычисление оптимальной концентрации рабочей жидкости на основании фактического давления рабочей жидкости на входе турбины.
Способ также может предусматривать автоматическое регулирование одного или нескольких фактических параметры параметров, чтобы получить один или несколько оптимальных параметры. Например, способ может предусматривать регулирование концентрации смеси базовой рабочей жидкости за счет переключения клапана 136 управления уровнем в сточном резервуаре или клапана 508 управления уровнем в баке сепаратора. Дополнительно или альтернативно, способ может предусматривать регулирование давления рабочей жидкости на входе турбины цикла Калины за счет регулирования производительности насоса 106.
Настоящее изобретение может быть реализовано в других специфических формах, что не выходит за рамки настоящего изобретения и соответствует его сущности. Кроме того, описанные варианты осуществления изобретения следует рассматривать во всех отношениях как пояснительные и не ограничительные. Таким образом, объем патентных притязаний изобретения определяется формулой изобретения, а не приведенным описанием изобретения. Все изменения, которые не выходят за рамки эквивалентности признаков формулы изобретения, охватываются формулой изобретения.