ОРГАНИЧЕСКИЙ ЦИКЛ РЭНКИНА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СБРОСНОГО ТЕПЛА ИСТОЧНИКА ТЕПЛА В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ И СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ТАКОЙ ЦИКЛ
ORGANIC RANKINE CYCLE FOR CONVERSION OF WASTE HEAT OF HEAT SOURCE INTO MECHANICAL ENERGY AND COOLING SYSTEM USING SUCH CYCLE

Изобретение относится к органическому циклу Рэнкина (ОЦР) для преобразования сбросного тепла от его источника в механическую энергию и к системе охлаждения, использующей такой ОЦР для охлаждения источника сбросного тепла.
Схемы энергетической установки для преобразования сбросного тепла в энергию хорошо описаны, например, ОЦР, цикл Калины, трехсторонний цикл мгновенного испарения (Trilateral Flash) и тому подобное.
Энергетические установки по таким схемам предназначены для извлечения сбросного тепла из его источника и преобразования упомянутой энергии в полезную механическую энергию, которая может использоваться, например, для приведения в действие генератора, вырабатывающего электроэнергию.
В частности, известно использование ОЦР для извлечения энергии сбросного тепла из его источников с относительно низкой температурой, таких как тепло сжатого газа, вырабатываемого компрессорной установкой, или тепло выхлопных газов, дымовых газов, пара, горячей воды и т.п. Такие ОЦР содержат собой замкнутый контур с двухфазным рабочим телом, причем контур дополнительно содержит жидкостной насос для обеспечения циркуляции рабочего тела в контуре последовательно через испаритель, который находится в тепловом контакте с источником тепла для испарения рабочего тела; через расширитель, такой как турбина, для преобразования тепловой энергии, переданной в испарителе газообразному рабочему телу, в полезную механическую энергию; и, наконец, через конденсатор, который находится в тепловом контакте с охлаждающей средой, такой как вода или окружающий воздух, для преобразования газообразного рабочего тела в жидкое рабочее тело, которое может быть возвращено в испаритель для следующего рабочего цикла.
В установках, вырабатывающих горячие газы, ОЦР используется для охлаждения упомянутых горячих газов путем приведения этих горячих газов в контакт с испарителем ОЦР и, в то же время, для преобразования извлеченного в испарителе тепла в полезную энергию в расширителе.
Известна система с циклом Рэнкина на органическом рабочем теле по заявке US 2015/013338 A1 для преобразования тепла сжатого газа в качестве источника тепла в механическую энергию, содержащая замкнутый контур с двухфазным рабочим телом, причем указанный контур включает в себя жидкостной насос для циркуляции рабочего тела в этом контуре последовательно через испаритель, находящийся в тепловом контакте с упомянутым источником тепла, через расширитель для преобразования тепловой энергии рабочего тела в механическую энергию и через конденсатор, находящийся в тепловом контакте с охлаждающим элементом.
Недостатком существующих ОЦР является то, что размер испарителя должен быть относительно большим, чтобы обеспечивать достаточный тепловой контакт между рабочим телом в испарителе и источником тепла, прежде всего, низкотемпературным, например, имеющим температуру 90°C или даже 60°C, причем поверхность соприкосновения между жидкой фракцией рабочего тела, которая должна испаряться в испарителе, составляет лишь небольшую часть общей контактной поверхности испарителя, поскольку испаритель содержит жидкую фазу рабочего только на дне, а пары рабочего тела над ней. Другим недостатком является то, что в случае отказа жидкостного насоса или расширителя циркуляция рабочего тела в ОЦР автоматически прекращается, так как испаритель должен располагаться над расширителем, чтобы обеспечивать гравитационный поток жидкой фазы рабочего тела из испарителя в расширитель, в частности, когда предпочтительно двухфазное рабочее тело на входе в расширитель.
Когда прекращается циркуляция рабочего тела в ОЦР, ОЦР прекращает выполнять функцию охлаждения горячих газов, что приводит к потенциально опасным ситуациям, когда нижестоящие по потоку установки или пользователи, использующие неохлажденные горячие газы, могут выходить из строя из-за перегрева.
В неопубликованной бельгийской патентной заявке 20140654 того же заявителя предлагается решение на случай отказа жидкостного насоса ОЦР, заключающееся в использовании вспомогательных охладителей, которые не являются частью системы ОЦР и которые, вследствие этого, могут обеспечить охлаждение сжатых газов в случае отказа системы ОЦР.
Недостатком такого подхода является необходимость использования вспомогательных охладителей.
Задачей изобретения является разработка решения, устраняющего один или несколько из вышеупомянутых и других недостатков.
Таким образом, изобретение направлено на разработку ОЦР для преобразования сбросного тепла в механическую энергию, при этом ОЦР представляет собой замкнутый контур с двухфазным рабочим телом, причем указанный контур включает в себя жидкостной насос для циркуляции рабочего тела в этом контуре последовательно через испаритель, находящийся в тепловом контакте с упомянутым источником тепла, через расширитель для преобразования тепловой энергии рабочего тела в механическую энергию и через конденсатор, находящийся в тепловом контакте с охлаждающим элементом, отличающийся тем, что расширитель расположен выше испарителя, а выходное отверстие для текучей среды испарителя соединено с входным отверстием для текучей среды расширителя с помощью подъемной колонны, заполненной подаваемой в расширитель смесью жидкого рабочего тела и газовых пузырьков рабочего тела, при этом по меньшей мере часть подъемной колонны проходит на том же уровне или выше уровня входного отверстия расширителя, обеспечивая возможность гравитационного потока жидкого рабочего тела, подаваемого подъемной колонной, в расширитель.
При заполнении подъемной колонны смесью жидкого и газообразного рабочего тела возникает своего рода насосный эффект для двухфазного рабочего тела, подаваемого к входному отверстию расширителя и далее вниз по потоку к входному отверстию конденсатора под воздействием силы тяжести, причем конденсатор предпочтительно находится в основном на том же или на более низком уровне, чем расширитель, а испаритель предпочтительно находится в основном на том же уровне или на более низком уровне, чем конденсатор, так что возможен гравитационный поток жидкого рабочего тела, подаваемого расширителем в конденсатор и далее вниз от конденсатора к испарителю. Преимущество насосного эффекта подъемной колонны заключается в том, что в случае блокировки жидкостного насоса или расширителя рабочее тело продолжает циркулировать автономно в контуре ОЦР, и ОЦР начинает функционировать как своего рода тепловая труба или термосифон. Преимущество, связанное с этим эффектом саморегулирования, состоит в том, что даже в неблагоприятной ситуации блокировки жидкостного насоса или расширителя, когда ОЦР используется для охлаждения источника тепла, ОЦР продолжает выполнять свою функцию охлаждения, тем самым устраняя необходимость в наличии отдельных охлаждающих устройств в дополнение к ОЦР, когда функция охлаждения является критичной.
Предпочтительно нижняя часть входного отверстия для жидкости конденсатора расположена ниже нижней части вращающихся активных частей расширителя.
В настоящем описании выражение «вращающиеся активные части расширителя» относится к тем вращающимся частям расширителя, которые при работе непосредственно участвуют в процессе расширения текучей среды, таким как винтовые роторы в винтовом расширителе, рабочее колесо в турбине, спираль в спиральном расширителе, поршень в поршневом расширителе и т.п. Однако выражение «вращательные активные части расширителя» исключает неактивные части, которые не участвуют в процессе расширения, такие как подшипники, генератор и т.п.
Аналогичным образом предпочтительно, чтобы испаритель в основном располагался на том же или на более низком уровне, чем конденсатор, в частности, нижняя часть входного отверстия для текучей среды испарителя была расположена ниже самой нижней части выходного отверстия для текучей среды конденсатора.
Предпочтительно ОЦР снабжен перепускным каналом, соединяющим входное отверстие и выходное отверстие жидкостного насоса и содержащим клапан с элементом управления для поддержания клапана в закрытом состоянии в нормальных условиях работы ОЦР и открывания клапана в случае, когда жидкостной насос не работает вследствие отказа или по другим причинам.
Преимущество состоит в том, что перепускной канал может шунтировать сопротивление потоку неисправного жидкостного насоса, которое может препятствовать гравитационному потоку рабочего тела, и, следовательно, и охлаждающему эффекту ОЦР.
Аналогично, ОЦР может быть снабжен перепускным каналом, соединяющим входное отверстие и выходное отверстие расширителя и содержащим клапан с элементом управления для поддержания клапана в закрытом состоянии в нормальных условиях работы ОЦР и открывания клапана в случае, когда расширитель не работает из-за отказа или по другим причинам.
Другим аспектом изобретения является то, что ОЦР сконструирован таким образом, что по меньшей мере в некоторых условиях работы испаритель полностью заполнен кипящим рабочим телом, и тем, что подъемная колонна заполнена смесью жидкого рабочего тела и газовым пузырьками рабочего тела, причем эта смесь подается в расширитель.
Преимущество такого выполнения ОЦР заключается в том, что испаритель заполнен рабочим телом в виде кипящей жидкой среды, что максимально увеличивает поверхность контакта жидкого рабочего тела и источника тепла и максимально увеличивает теплообмен с источника тепла, тем самым максимально увеличивая количество регенерированного тепла, преобразуемого в механическую энергию расширителем.
При использовании ОЦР для охлаждения сжатых газов компрессорной установки, это также означает максимальную степень охлаждения в ОЦР.
Преимущество, связанное с эффективным охлаждением сжатых газов, находящихся в контакте с испарителем, заключается в том, что дополнительное охлаждение не требуется, и что при проектировании может быть выбран меньший по габаритам испаритель.
Подъемная колонна гарантирует, что внутренние поверхности испарителя все время покрыты жидкостью, причем жидкость в подъемной колонне стремится течь назад в испаритель, чтобы заместить пузырьки газа, получаемые в испарителе путем кипения рабочего тела.
Изобретение также относится к системе охлаждения для охлаждения источника сбросного тепла, которая содержит описанный выше ОЦР в качестве единственного средства охлаждения источника тепла без необходимости использования дополнительного внешнего охлаждения даже в условиях неработающего расширителя и/или жидкостного насоса.
Далее описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 показана схема системы ОЦР согласно изобретению с использованием одноступенчатой компрессорной установки;
на фиг. 2 – система ОЦР по фиг. 1 в более реалистичном виде;
на фиг. 3 – альтернативный вариант выполнения показанной на фиг. 1 компрессорной установки.
Показанная на фиг. 1 система 1 охлаждения представляет собой систему для охлаждения, например, сжатого газа, вырабатываемого компрессорной установкой, содержащей компрессор 2 с входным отверстием 3 и выходным отверстием 4. Компрессор 2 соединен с двигателем 5, приводящим компрессор 2 в действие для получения сжатого потока Q газа. Кроме того, система охлаждения 1 содержит охладитель 6, расположенный по потоку после компрессора 2 для охлаждения сжатого газа, прежде чем он попадет в сеть 7 потребителей сжатого газа.
Как показано на фиг. 1, система 1 охлаждения содержит ОЦР 8, в котором упомянутый выше охладитель 6 встроен в теплообменник 9, в который, в свою очередь, встроен испаритель 10 ОЦР 8 для регенерации сбросного тепла сжатого газа, используя это сбросное тепло в качестве источника 11 тепла для преобразования его в полезную механическую энергию с помощью расширителя 12 ОЦР 8, например, турбины, приводящей в действие электрический генератор 13.
ОЦР представляет собой замкнутый контур 14, содержащий двухфазное органическое рабочее тело с температурой кипения ниже температуры источника 11 тепла, причем рабочее тело непрерывно циркулирует в контуре 14 с помощью жидкостного насоса 15 в направлении, обозначенном стрелками F.
Рабочее тело последовательно протекает через испаритель 10, находящийся в тепловом контакте с источником 11 тепла; через расширитель 12 и, наконец, через конденсатор 16 перед повторной подачей жидкостным насосом 15 в контур 14 для следующего цикла.
Конденсатор 16 является частью теплообменника 9′ и находится в тепловом контакте с охлаждающим элементом 17 контура 18 охлаждения, в котором холодная вода W забирается собой в виде подачи, извлекаемой из резервуара 19 для циркуляции через конденсатор 16 с помощью насоса 20.
Согласно изобретению, конденсатор 16 физически расположен ниже расширителя 12, а испаритель 10 физически расположен ниже конденсатора 16, так что возможен гравитационный поток жидкого рабочего тела, подаваемого подъемной колонной 24 в расширитель 12 и далее вниз от расширителя 12 к конденсатору 16 и от конденсатора 16 к испарителю 10. Термин «ниже» не требует, чтобы все части конденсатора/испарителя находились ниже. Это означает, что на более низком уровне находятся основные части конденсатора/испарителя. Этот термин следует понимать в контексте требования о создании гравитационного потока жидкой фракции рабочего тела. В предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере самая нижняя часть входного отверстия для текучей среды конденсатора 16 физически расположена ниже самой нижней части 12′ вращающихся активных частей 12′′ расширителя 12, как это схематически показано на фиг. 2, в то время как самая нижняя часть входного отверстия для текучей среды испарителя 10 физически расположена ниже самой нижней части выходного отверстия для текучей среды конденсатора 16, причем выходное отверстие 22 для текучей среды испарителя 10 соединено с входным отверстием 23 для текучей среды расширителя 12 с помощью, так называемой, подъемной колонны 24.
ОЦР 8 согласно изобретению сконструирован таким образом, что в нормальных условиях работы испаритель 10 полностью заполнен кипящим рабочим телом, а подъемная колонна заполнена на всю свою высоту рабочим телом в виде смеси его жидкой формы и в форме газовых пузырьков. Эта смесь подается во входное отверстие 23 для текучей среды расширителя 12 через согнутый участок 24′ подъемной колонны 24, причем этот согнутый участок 24′ проходит по меньшей мере частично выше самой нижней части входного отверстия 23 для текучей среды расширителя 12.
Выражение «заполнено кипящим жидким рабочим телом» означает, что созданные при кипении газовые пузырьки не накапливаются в верхней части испарителя 10, и рабочее тело в испарителе 10 не разделяется на жидкую фракцию и на газообразную фракцию, собирающуюся в пространстве над жидкой фракцией, как это происходит в известных ОЦР.
Нормальная работа ОЦР 8 согласно изобретению заключается в том, что рабочее тело доводится до кипения в испарителе 10 под воздействием тепла сжатых газов, которые при этом охлаждаются.
Жидкостной насос 15 выполнен с возможностью подачи в испаритель 10 большего количества рабочего тела, чем может испаряться теплом сжатого газа, чтобы обеспечить полное заполнение испарителя кипящей жидкостью для максимальной рекуперации тепла сжатого газа. Находящаяся в подъемной колонне 24 смесь газовых пузырьков рабочего тела и рабочего тела в жидкой форме, схематично показанная на фиг. 2, транспортируется к входному отверстию 23 расширителя 12, который, выбран из таких типов расширителей, которые способны работать с такой двухфазной смесью.
Согнутый участок 24′ должен располагаться на том же или более высоком уровне, чем входное отверстие 23 для текучей среды расширителя, чтобы жидкость, поступающая с газовыми пузырьками через подъемную колонну 24, протекала по изгибу 24′ и падала вниз под воздействием силы тяжести через расширитель 12 в конденсатор 16, откуда она снова подается в испаритель 10 по трубопроводу 25 контура 14, соединяющему конденсатор 16 с испарителем 10.
Газовые пузырьки, образующиеся в испарителе 10, будут стремиться подняться вверх как в подъемной колонне 24, так и в трубопроводе 25, но будут выбирать путь наименьшего сопротивления, который проходит через колонну 24.
Таким образом, подъемной колонной 24 создается эффект самоциркуляции, помогающий рабочему телу циркулировать в контуре 14.
Даже когда жидкостной насос 15 или расширитель 12 заблокированы, ОЦР продолжает обеспечивать циркуляцию рабочего тела в контуре 14 под действием силы тяжести, обеспечивая тем самым достаточное охлаждение сжатого газа в испарителе 10, чтобы избежать возникновения опасных условий, когда жидкостной насос 15 или расширитель 12 не работают.
Ясно, что ОЦР 8 согласно изобретению может также использоваться не только для охлаждения сжатого газа, но и для охлаждения дымовых газов, пара и т.д.
Охлаждение конденсатора 16 может реализовываться способами, отличными от способа, соответствующего примеру, показанному на фиг. 1, например, путем продувки окружающего воздуха через конденсатор 16 с помощью вентилятора или т.п.
Расширитель 12 может быть любого типа, способного генерировать механическую энергию путем расширения подаваемой двухфазной текучей среды, предпочтительно объемным расширителем, таким как винтовой расширитель или механический цилиндр или тому подобное, который может принимать смесь жидкого и газообразного рабочего тела.
Предпочтительно используется рабочее тело, температура кипения которого ниже 90°С или даже ниже 60°С, в зависимости от температуры имеющегося источника 11 тепла.
Примером подходящего органического рабочего тела является 1,1,1,3,3-пентафторпропан. Органическую текучую среду можно смешивать с подходящим смазочным материалом для смазывания по меньшей мере части движущихся элементов ОЦР. Таким образом, подъемная колонна 24 должна проектироваться с такими размерами, чтобы обеспечивались следующие условия:
– постоянное соприкосновение поверхности испарителя с жидкостью;
– требуемая разность давлений между испарителем и входом расширителя;
– подходящая разность высот между расширителем и конденсатором;
– подходящая разность высот между конденсатором и жидкостным насосом;
– способность системы преобразования сбросного тепла в энергию работать в качестве тепловой трубы/термосифона, когда расширитель и/или жидкостный насос не работают.
Следует понимать, что при оценке документов, в которых описаны известные решения в области ОЦР, относительное расположение составляющих компонентов на схемах ОЦР не обязательно соответствует относительному физическому расположению упомянутых компонентов.
На фиг. 3 показан альтернативный вариант выполнения охлаждающей установки, соответствующей изобретению, которая отличается от, показанной на фиг. 1 тем, что контур ОЦР снабжен перепускным каналом 26, соединяющим входное и выходное отверстия 27 и 28 жидкостного насоса 15. Указанный перепускной канал 26 содержит клапан 29, соединенный с элементом 30 управления для поддержания клапана 29 в закрытом состоянии в нормальных условиях работы ОЦР 8 и открывания этого клапана 29 в случае, когда жидкостной насос 15 не работает в силу отказа или по другим причинам. Элемент 30 управления соединен электрическим жгутом 32 с датчиком 31, определяющим, работает жидкостной насос 15, или не работает.
Аналогичным образом, ОЦР, показанный на фиг. 3, снабжен перепускным каналом 33, соединяющим входное и выходное отверстия 23 и 21 расширителя 12 и содержащим клапан 34, соединенный жгутом 32 с элементом 30 управления для поддержания клапана 34 в закрытом состоянии в нормальных условиях работы ОЦР 8 и открывания этого клапана 34 в случае, когда входной сигнал, поступающий от датчика 35 на расширителе 12, свидетельствует о том, что расширитель 12 не работает.
Элемент 30 управления может открывать либо только один из перепускных клапанов 29 или 34 в зависимости от того, какой из компонентов (жидкостный насос 15 и расширитель 12) не работает, либо оба клапана 29 и 34 одновременно.
Точка 36, в которой перепускной канал 34 соединяется с контуром 14 ОЦР со стороны входного отверстия расширителя 12, предпочтительно должна располагаться на более высоком уровне, чем конденсатор 16.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными в качестве примера и представленными на чертежах вариантами его осуществления, и ОЦР согласно изобретению для преобразования сбросного тепла в механическую энергию и компрессорная установка, использующая такой ОЦР, могут быть реализованы в различных формах без выхода за объем изобретения.