СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, А ТАКЖЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD OF GENERATION OF ELECTRIC ENERGY  AND ALSO WORKING MEDIUM APPLICATION

Изобретение относится к способу получения электрической энергии с помощью по меньшей мере одного низкотемпературного источника тепла, в котором проводят циклический VPT-процесс.
Ввиду постоянно возрастающей во всем мире стоимости энергии все большее значение приобретают системы для утилизации отбросного тепла также в низкотемпературной области, вплоть до 400°С, как, например, в форме геотермальных источников или отходящего тепла промышленных процессов.
При применении циклического VPT-процесса теплота низкотемпературного источника тепла используется более производительно, чем в традиционном циклическом ORC-процессе (ORC: Organic Rankine Cycle, цикл Ренкина на органическом рабочем теле), в котором применяют органический, часто вредный для окружающей среды рабочий агент, или чем в так называемом цикле Калины, который в техническом отношении требует больших затрат и в качестве рабочей среды использует водно-аммиачную смесь.
Циклический VPT-процесс основывается на турбине (VPT: Variable Phase Turbine, переменно-фазная турбина), которая может приводиться в действие с помощью газообразной фазы, или жидкостной фазы, или также смеси газообразной и жидкостной фаз. Подобная турбина известна из патентного документа US 7093503 В1.
Патентный документ US 7093503 В1 в фиг.7 представляет способ получения электрической энергии с помощью по меньшей мере одного низкотемпературного источника тепла, в котором реализуется циклический VPT-процесс. При этом в качестве низкотемпературного источника тепла служит текучая среда, нагреваемая геотермальным путем, теплота которой переносится на рабочую среду. Рабочую среду направляют в турбину и расширяют с помощью сопла. Полученная струя рабочей среды обладает кинетической энергией, которая приводит в движение ротор генератора с производством электрической энергии. Рабочая среда (газообразная или газообразно-жидкостная) охлаждается, конденсируется и выводится через насос, в результате чего давление рабочей среды повышается. Затем всю рабочую среду в целом согласно патентному документу US 7093503 В1 вновь направляют в турбину для охлаждения генератора и смазывания уплотнений в турбине. После выхода из турбины в рабочую среду опять передается теплота посредством текучей среды, нагреваемой геотермальным источником, и тем самым цикл завершается.
В эксплуатационном режиме, который не следует из патентного документа US 7093503 В1, также может производиться охлаждение генератора и смазывание уплотнений в турбине, для чего только часть рабочей среды вновь направляют в турбину для охлаждения генератора и для смазывания уплотнений в турбине. Отведенную для турбины часть после ее выхода из турбины опять объединяют с остальной частью рабочей среды. Цикл завершается и затем возобновляется с использованием теплоты, переносимой на рабочую среду текучей средой, нагреваемой геотермальным источником. Таким образом, здесь циклический процесс в такой же мере обозначают как циклический VPT-процесс, в котором рабочую среду только частично еще раз направляют насосом в турбину.
В дополнительном эксплуатационном режиме, который не следует из патентного документа US 7093503 В1, охлаждение генератора и смазывание уплотнений в турбине могут быть проведены также с использованием отдельного контура со смазочным средством и/или хладагентом. Таким образом, здесь циклический процесс в такой же мере обозначают как циклический VPT-процесс, в котором рабочую среду направляют насосом непосредственно на нагревание с помощью текучей среды, нагреваемой геотермальным источником, и этим цикл завершается без направления рабочей среды в турбину еще раз.
Рабочая среда циркулирует в замкнутой системе. При этом она протекает через теплообменную зону, в которой теплота низкотемпературного источника тепла переносится на рабочую среду, турбину, конденсационную зону, насос, необязательно опять, полностью или частично, через турбину, чтобы затем вновь быть пропущенной через теплообменную зону и опять пройти по циклической системе.
Согласно патентному документу US 7093503 В1 в качестве рабочей среды для циклического VPT-процесса описаны фреоны R134а (1,1,1,2-тетрафторэтан) и R245fa (1,1,1,3,3-пентафторпропан).
Кроме того, на интернет-сайте фирмы Energent (http://www.energent.net/Projects%20VPT.htm) в качестве рабочей среды для применения в циклическом VPT-процессе назван также фреон R245са (1,1,2,2,3-пентафторпропан).
С известными рабочими средами в циклическом VPT-процессе, рассчитанном на температуру рабочей среды около 115°С, достигают коэффициента полезного действия всего лишь менее 11,5%, то есть менее 11,5% имеющейся в распоряжении тепловой энергии преобразуется в электрическую энергию.
Поэтому задача изобретения состоит в повышении коэффициента полезного действия в способе получения электрической энергии с помощью по меньшей мере одного низкотемпературного источника тепла, в котором реализуют циклический VPT-процесс.
Задача решена с помощью первого способа получения электрической энергии посредством по меньшей мере одного низкотемпературного источника тепла, в котором реализуют циклический VPT-процесс, причем в качестве рабочей среды для циклического VPT-процесса применяют
а) по меньшей мере одно вещество из группы, включающей циклоалканы, алкены, диены или алкины, которые содержат от двух до шести атомов углерода, или
b) используют по меньшей мере один алкан из группы, включающей 1-хлор-1,2,2,2-тетрафторэтан, 1-хлор-1,1-дифторэтан, метилхлорид, бромдифторметан, иодтрифторметан, 2-метилпропан, или
с) применяют по меньшей мере один простой эфир, который содержит два атома углерода.
Задача дополнительно решена посредством второго способа получения электрической энергии с помощью по меньшей мере одного низкотемпературного источника тепла, в котором реализуют циклический VPT-процесс, причем в качестве рабочей среды для циклического VPT-процесса применяют по меньшей мере одно вещество, которое в жидкостной фазе при температуре 115°С имеет фугитивность (летучесть) свыше 17 бар (1,7 МПа).
При этом под циклическим VPT-процессом понимают всякий циклический процесс, который предусматривает VPT-турбину, которая приводится в движение посредством как газообразной фазы, так и жидкостной фазы, а также смеси из газообразной и жидкостной фаз.
Для того чтобы рабочая среда находилась в жидкостной фазе, при необходимости должно быть соответственно повышено давление рабочей среды, например, с помощью насоса. При этом в особенности предпочтительными являются центробежные насосы.
Эти способы обеспечивают повышение коэффициента полезного действия до значений 12% и сверх того.
Предпочтительным циклоалканом в отношении первого способа является циклопропан. В особенности пригодными алкенами являются транс-2-бутен или 1-хлор-2,2-дифторэтилен. В качестве диенов в особенности пригодны 1,2-бутадиен, 1,3-бутадиен или пропадиен. Предпочтительным алкином является пропин. Особенно предпочтительный простой эфир представляет собой диметиловый простой эфир.
Что касается второго способа, в качестве рабочей среды для циклического VPT-процесса предпочтительно используют вещество из группы, включающей 1-хлор-1,2,2,2-тетрафторэтан, 1-хлор-1,1-дифторэтан, 2-метилпропан, изобутен, циклопропан, пропадиен, пропин, диметиловый простой эфир. Так, в жидкостной фазе при температуре 115°С 1-хлор-1,2,2,2-тетрафторэтан имеет летучесть 21,6 бар (2,16 МПа), 1-хлор-1,1-дифторэтан имеет летучесть 19,9 бар (1,99 МПа), 2-метилпропан имеет летучесть 19,2 бар (1,92 МПа), изобутен имеет летучесть 17,9 бар (1,79 МПа), циклопропан имеет летучесть 32,6 бар (3,26 МПа), пропадиен имеет летучесть 31,3 бар (3,13 МПа), пропин имеет летучесть 30,1 бар (3,01 МПа), и диметиловый простой эфир имеет летучесть 29,9 бар (2,99 МПа).
В особенности является преимущественным, когда в отношении второго способа в качестве рабочей среды для циклического VPT-процесса используют по меньшей мере одно вещество, которое в жидкостной фазе при температуре 115°С имеет летучесть свыше 20 бар (2 МПа), особенно предпочтительно более 25 бар (2,5 МПа).
Принимая во внимание соображения охраны окружающей среды, из упомянутых веществ для обоих способов в особенности предпочтительными являются вещества, не содержащие галогенов.
Кроме того, в качестве рабочей среды предпочтительно использование чистых веществ, нежели применение смесей рабочих сред, поскольку благодаря этому снижаются расходы на оборудование в установке для проведения циклического VPT-процесса.
Является предпочтительным, когда в качестве рабочей среды для циклического VPT-процесса используют вещество из группы, включающей циклопропан, транс-2-бутен, 1-хлор-2,2-дифторэтилен, 1-хлор-1,2,2,2-тетрафторэтан, бромдифторметан, 1-хлор-1,1-дифторэтан, пропадиен, пропин, метилхлорид, иодтрифторметан, диметиловый простой эфир. Благодаря этому достигают повышения коэффициента полезного действия до значений 12,5% и более.
В особенности применимым в качестве рабочей среды для циклического VPT-процесса является вещество из группы, включающей циклопропан, пропадиен, пропин, иодтрифторметан, диметиловый простой эфир. Благодаря этому можно достичь повышения коэффициента полезного действия до значений 13% и более.
В особенности предпочтительным является применение диметилового простого эфира, пропина, пропадиена или иодтрифторметана. Этим добиваются того, что коэффициент полезного действия может быть повышен до значений 13,5% и более.
Коэффициент полезного действия на уровне 14% и более преимущественно может быть достигнут, когда в качестве рабочей среды применяют пропадиен.
Идеальным является применение рабочей среды в форме
а) по меньшей мере одного вещества из группы, включающей циклоалканы, алкены, диены или алкины, которые имеют от двух до шести атомов углерода, или
b) по меньшей мере одного алкана из группы, включающей 1-хлор-1,2,2,2-тетрафторэтан, 1-хлор-1,1-дифторэтан, метилхлорид, бромдифторметан, иодтрифторметан, 2-метилпропан, или
с) по меньшей мере одного простого эфира, который содержит два атома углерода,
в циклическом VPT-процессе для получения электрической энергии с помощью по меньшей мере одного низкотемпературного источника тепла.
Кроме того, идеальным является применение рабочей среды в форме по меньшей мере одного вещества, которое в жидкостной фазе при температуре 115°С имеет летучесть более 17 бар (1,7 МПа), в циклическом VPT-процессе для получения электрической энергии с помощью по меньшей мере одного низкотемпературного источника тепла.
Хорошо зарекомендовала себя ситуация, когда низкотемпературный источник тепла обеспечивает температуры в диапазоне от 90 до 400°С, в особенности в диапазоне от 100 до 250°С. Кроме того, в особенности предпочтительны низкотемпературные источники тепла с температурами в области от 100 до 150°С.
Низкотемпературный источник тепла преимущественно подпитывается геотермальным путем, причем достаточными являются уже скважины с незначительным заглублением в грунт, чтобы сделать доступным отходящее тепло в температурном диапазоне от 90 до 250°С.
Однако альтернативно низкотемпературный источник тепла может быть обеспечен отходящим теплом промышленного процесса. Промышленные процессы, которые создают пригодное для использования отходящее тепло, основываются, например, на химических реакциях, термических обработках и т.д., каковые часто имеют место в химической или фармацевтической промышленности, в сталеплавильной промышленности, целлюлозно-бумажной промышленности и т.д.
В теплообменной зоне предпочтительной является разность температур по меньшей мере в 5°С, в особенности по меньшей мере 10°С, между поставляемой низкотемпературным источником тепла средой и рабочей средой.
В таблицах 1-3 сравниваются некоторые рабочие среды в отношении их общего коэффициента полезного действия η, причем рабочая среда нагревалась в циклическом VPT-процессе действием низкотемпературного источника тепла до температуры 115°С. При этом температуру рабочей среды определяли непосредственно после теплопереноса от низкотемпературного источника тепла на рабочую среду.
Нижеследующие таблицы при этом содержат рабочие среды, уже известные для применения в циклическом VPT-процессе (выделенные жирным шрифтом), а также показательную подборку дополнительных рабочих сред, из которых избранные ведут к более высоким коэффициентам полезного действия.
kr
При этом в таблицах T означает критическую температуру.
Общий коэффициент полезного действия рассчитывают по формуле
Turbine
geothermal
η=(W/Q)·100%,
где
Turbine
W = работа турбины (в Дж), причем работа должна приниматься как абсолютное значение,
geothermal
Q = теплота на границе между низкотемпературным источником тепла и рабочей средой (в Дж).
<b>Таблица 1</b><b>Рабочие среды в форме алкенов в сравнении с известными рабочими средами</b>
<b>Рабочая среда</b>
<b>Брутто-формула</b>
<b>T</b><sub>kr</sub><b> [°C]</b>
<b>Общий коэффициент полезного действия в % при температуре 115°С</b>
<b>1,1,1,3,3-Пентафторпропан [R245fa]</b>
<b>C3H3F5</b>
<b>157,5</b>
<b>11,44</b>
<b>1,1,2,2,3-Пентафторпропан [R245ca]</b>
<b>C3H3F5</b>
<b>174,42</b>
<b>9,31</b>
1-Хлор-2,2-дифторэтилен [R1122]
C2HC1F2
127,4
12,59
2-транс-Бутен
C4H8
155,45
12,77
Изобутен
C4H8
149,25
12,04
<b>Таблица 2</b><b>Сравнение рабочих сред в форме алканов</b>
<b>Рабочая среда</b>
<b>Брутто-формула</b>
<b>T</b><sub>kr</sub><b> [°C]</b>
<b>Общий коэффициент полезного действия в % при температуре 115°С</b>
<b>1,1,1,3,3-Пентафторпропан [R245fa]</b>
<b>C3H3F5</b>
<b>157,5</b>
<b>11,44</b>
<b>1,1,2,2,3-Пентафторпропан [R245ca]</b>
<b>C3H3F5</b>
<b>174,42</b>
<b>9,31</b>
Метилхлорид [R40]
CH3Cl
143,15
12,87
Бромдифторметан [R22B1]
CHBrF2
138,83
12,82
Иодтрифторметан
CF3I
123,29
13,57
Дихлорфторметан [R21]
CHCl2F
178,45
11,02
1,1-Дихлортетрафторэтан [R114a]
C2Cl2F4
145,5
11,2
1,2-Дихлортетрафторэтан [R114]
C2Cl2F4
145,7
11,5
1-Хлор-1,2,2,2-тетрафторэтан [R124]
C2HClF4
122,5
12,72
1-Хлор-1,1-дифторэтан [R142b]
C2H3ClF2
137,2
12,63
1,1,1,3,3,3-Гексафторпропан [R236fa]
C3H2F6
124,92
11,86
1,1,1,2,3,3-Гексафторпропан [R236еa]
C3H2F6
139,23
10,95
Циклопропан
C3H6
124,85
13,18
2-Метилпропан
C4H10
135,65
12,43
н-Бутан [R600]
C4H10
152,05
11,87
Перфторпентан
C5F12
147,44
8,5
<b>Таблица 3</b><b>Рабочие среды в форме диенов, алкинов или простых эфиров в сравнении с известными рабочими средами</b>
<b>Рабочая среда</b>
<b>Брутто-формула</b>
<b>T</b><sub>kr</sub><b> [°C]</b>
<b>Общий коэффициент полезного действия в % при температуре 115°С</b>
<b>1,1,1,3,3-Пентафторпропан [R245fa]</b>
<b>C3H3F5</b>
<b>157,5</b>
<b>11,44</b>
<b>1,1,2,2,3-Пентафторпропан [R245ca]</b>
<b>C3H3F5</b>
<b>174,42</b>
<b>9,31</b>
Пропадиен
C3H4
120,75
14,22
1,2-Бутадиен
C4H6
170,55
12,01
1,3-Бутадиен
C4H6
151,85
12,36
Пропин
C3H4
129,25
13,66
Диметиловый простой эфир
C2H6O
126,85
13,54
Фиг.1-4 показывают примерные циклические VPT-процессы.
Так, показано:
фиг.1 представляет первый циклический VPT-процесс;
фиг.2 представляет второй циклический VPT-процесс;
фиг.3 представляет третий циклический VPT-процесс; и
фиг.4 представляет четвертый циклический VPT-процесс.
Фиг.1 показывает первый циклический VPT-процесс 1. Имеется низкотемпературный источник 2 тепла, который поставляет текучую среду 20а, нагретую геотермальным источником или отходящим теплом промышленного процесса. Поставляемая геотермальным источником текучая среда представляет собой, в частности, термальную воду. Нагретая текучая среда 20а протекает через теплообменную зону 3, в которой нагретая текучая среда 20а передает часть запасенной в ней тепловой энергии рабочей среде 7е, которая тоже протекает через теплообменную зону 3. В качестве рабочей среды 7е используют, например, пропадиен, диметиловый простой эфир, циклопропан, пропин или иодтрифторметан. В отношении теплообменной зоны 3 речь идет, к примеру, о теплообменнике, в частности теплообменнике с перекрестными потоками или противоточном теплообменнике. Рабочая среда 7а, разогретая нагретой текучей средой 20а, поступает из теплообменной зоны 3 в «переменно-фазную» турбину 4 (VPT) и там расширяется с помощью сопла.
Полученная струя рабочей среды 7b обладает кинетической энергией, которая приводит в движение ротор генератора с производством электрической энергии Е. Рабочая среда 7b, по меньшей мере, частично находящаяся в газообразном состоянии, охлаждается и конденсируется в конденсационной зоне 5. В конденсационную зону 5 для охлаждения рабочей среды 7b подводят хладагент 50а, например, в форме охлаждающей воды или охлаждающего воздуха, который опять покидает конденсационную зону 5 в виде нагретого хладагента 50b. Альтернативно, охлаждение в конденсационной зоне 5 может происходить также прямым охлаждением или гибридным охлаждением. Сконденсированную рабочую среду 7с пропускают через насос 6, в результате чего давление в рабочей среде 7с повышается. Затем находящуюся под повышенным давлением или соответственно сжатую рабочую среду 7d целиком опять направляют в турбину 4 для охлаждения генератора и для смазывания уплотнений в турбине 4. После выхода рабочей среды 7е из турбины 4 теплота вновь передается рабочей среде 7е посредством текучей среды 20а, нагретой геотермальным источником или в промышленном процессе, и тем самым цикл завершается.
Фиг.2 показывает второй циклический VPT-процесс 10. Использованные в фиг.1 и фиг.2 одинаковые кодовые обозначения позиций соответствуют одинаковым устройствам. В качестве рабочей среды 7е используют, например, пропадиен, диметиловый простой эфир, циклопропан, пропин или иодтрифторметан. При этом последовательность стадий процесса в фиг.2 соответствует уже описанной в фиг.1 от теплообменной зоны 3 до поступления в насос 6. Сконденсированную рабочую среду 7с здесь также пропускают через насос 6, в результате чего давление в рабочей среде 7с повышается. Затем находящуюся под повышенным давлением рабочую среду 7d разделяют на первый частичный поток 7d' и второй частичный поток 7d''. Первый частичный поток 7d' вновь направляют в турбину 4 для охлаждения генератора и для смазывания уплотнений в турбине 4. После выхода первого частичного потока из турбины 4 его объединяют со вторым частичным потоком 7d''. Образовавшейся суммарной рабочей среде 7е вновь передается теплота посредством текучей среды 20а, нагретой геотермальным источником или в промышленном процессе, и тем самым циркуляция завершается.
Фиг.3 показывает третий циклический VPT-процесс 100. Использованные в фиг.1-3 одинаковые кодовые обозначения позиций соответствуют одинаковым устройствам. В качестве рабочей среды 7е используют, например, пропадиен, диметиловый простой эфир, циклопропан, пропин или иодтрифторметан. При этом последовательность стадий процесса в фиг.3 соответствует уже описанной в фиг.1 от теплообменной зоны 3 до поступления в насос 6. Сконденсированную рабочую среду 7с здесь также пропускают через насос 6, в результате чего давление в рабочей среде 7с повышается. Затем находящуюся под повышенным давлением рабочую среду 7d вновь направляют непосредственно в теплообменную зону 3. Рабочей среде 7е вновь передается теплота посредством текучей среды 20а, нагретой геотермальным источником или в промышленном процессе, и тем самым цикл завершается. Для охлаждения генератора и для смазывания уплотнений в турбине 4 предусмотрен собственный охлаждающий и смазочный контур 8, который отдельно от контура циркуляции рабочей среды подводит к турбине 4 хладагент и смазочное средство 9а, 9b и опять отводит от нее.
Фиг.4 показывает четвертый циклический VPT-процесс 1'. Имеется низкотемпературный источник 2 тепла, который поставляет текучую среду 20а, нагретую геотермальным путем или отходящим теплом промышленного процесса. Поставляемая геотермальным источником текучая среда представляет собой, в частности, термальную воду. Нагретая текучая среда 20а протекает через теплообменную зону 3, в которой нагретая текучая среда 20а передает часть запасенной в ней тепловой энергии рабочей среде 7е, которая тоже протекает через теплообменную зону 3. В качестве рабочей среды 7е используют, например, пропадиен, диметиловый простой эфир, циклопропан, пропин или иодтрифторметан. В отношении теплообменной зоны 3 речь идет, к примеру, о теплообменнике, в частности теплообменнике с перекрестными потоками или противоточном теплообменнике. Рабочая среда 7а, разогретая нагретой текучей средой 20а, поступает из теплообменной зоны 3 в «переменно-фазную» турбину 4 (VPT) и там расширяется с помощью сопла.
Полученная струя рабочей среды 7b обладает кинетической энергией, которая приводит в движение ротор генератора с производством электрической энергии Е. Рабочая среда 7b, по меньшей мере, частично находящаяся в газообразном состоянии, поступает в сепаратор 11, в котором рабочую среду 7b', находящуюся в жидкостной фазе, отделяют от рабочей среды 7b'', находящейся в газообразной фазе. Рабочую среду 7b'', находящуюся в газообразной фазе, направляют в газовую турбину 12, с помощью которой получают дополнительную электрическую энергию E'. После газовой турбины 12 рабочая среда 7b''', которая, по меньшей мере частично, находится в газообразном состоянии, конденсируется в конденсационной зоне 5. В конденсационную зону 5 для охлаждения рабочей среды 7b подводят хладагент 50а, например, в форме охлаждающей воды или охлаждающего воздуха, который опять покидает конденсационную зону 5 в виде нагретого хладагента 50b. Альтернативно, охлаждение в конденсационной зоне 5 может происходить также прямым охлаждением или гибридным охлаждением. Сконденсированную в конденсационной зоне 5 рабочую среду 7с вместе с отделенной в сепараторе 11 частью жидкой рабочей среды 7b' пропускают через насос 6, в результате чего давление в рабочей среде 7с, 7b' повышается. Затем находящуюся под повышенным давлением или соответственно сжатую рабочую среду 7d целиком опять направляют в турбину 4 для охлаждения генератора и для смазывания уплотнений в турбине 4. После выхода рабочей среды 7е из турбины 4 теплота вновь передается рабочей среде 7е посредством текучей среды 20а, нагретой геотермальным источником или в промышленном процессе, и тем самым цикл завершается.
Приведенные в фиг.1-4 показательные циклические VPT-процессы все же могут быть без затруднений изменены специалистом. Так, например, конденсационная зона 5 также может снабжаться через охлаждающий контур хладагентом 50а и тому подобным. Кроме того, например, можно отказаться от газовой турбины 12 в фиг.4 так, что рабочую среду 7b'', находящуюся в газообразной фазе, из сепаратора 11 непосредственно направляют в конденсационную зону 5. В фиг.4 между газовой турбиной 12 и конденсационной зоной 5 можно установить дополнительный сепаратор, чтобы находящуюся в жидкостной фазе рабочую среду непосредственно направлять на насос 6 с тем, чтобы после газовой турбины 12 в конденсационную зону 5 поступала рабочая среда только в газообразной фазе. Кроме того, в циклическом VPT-процессе могут быть предусмотрены регулировочные клапаны, предохранительные клапаны, устройства для измерения давления и т.д.