Усовершенствованный декомпрессионный тепловой двигатель на органическом цикле ренкина
Изобретение относится к энергетике. Усовершенствованный тепловой двигатель включает органический хладагент с точкой кипения ниже -35°C; источник тепла с температурой ниже 82°C; теплоотвод; герметичный замкнутый контур для органического хладагента. Замкнутый контур содержит как зону высокого давления, которая поглощает тепло из источника тепла, так и зону низкого давления, которая передает тепло в теплоотвод. Декомпрессор объемного типа обеспечивает градиент давления, посредством которого органический хладагент в газообразном состоянии непрерывно течет из зоны высокого давления в зону низкого давления, при этом декомпрессор извлекает механическую энергию из градиента давления. Гидравлический насос с переменным рабочим объемом обеспечивает постоянный поток органического хладагента в жидкой фазе из указанной зоны низкого давления в указанную зону высокого давления. При этом указанный гидравлический насос и указанный декомпрессор поддерживают перепад давления между обеими зонами в диапазоне около 20-42 бар (около 20×105-42×105 Па). Изобретение позволяет повысить эффективность теплового двигателя. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение, в целом, относится к системам с применением органического цикла Ренкина и, в частности, к.
ИСТОРИЯ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Цикл Ренкина - это термодинамический цикл, в котором тепло преобразуется в работу. Тепло подается извне в замкнутый контур, в котором в качестве рабочей жидкости обычно используется вода. В этом цикле вырабатывается около 80% электроэнергии, потребляемой в мире, и используется практически на всех солнечно-тепловых электростанциях, электростанциях, работающих на биомассе, а также угольных и атомных электростанциях. Цикл Ренкина носит имя Уильяма Джона Макуорна Ренкина, шотландского инженера и физика (5 июля 1820 года - 24 декабря 1872 года). Уильям Томсон (Лорд Кельвин) и Рудольф Клаузиус были основателями науки термодинамики. Ренкин разработал полную теорию парового двигателя и, фактически, всех тепловых двигателей. Его учебниками по инженерной науке и практике пользовались на протяжении многих десятилетий после их публикации в 1850-х и 1860-х годах. Он опубликовал несколько сотен статей и заметок по науке и инженерии с 1840 года, и его интересы были весьма разнообразны, включая юношеские занятия ботаникой, теорией музыки и теорией чисел, а в зрелые годы - большинство крупных отраслей науки, математика и инженерные науки. Цикл Ренкина описывает модель теплового двигателя, приводимого в работу паром, наиболее часто встречаемого на электростанциях. Тепло для электростанций с применением цикла Ренкина, обычно обеспечивается сгоранием угля, природного газа и нефти, а также ядерным распадом. Энергетические системы на цикле Ренкина, как правило, преобразовывают тепловую энергию в электрическую. Стандартная энергетическая система на цикле Ренкина построена на следующих четырех этапах: (1) тепловая энергия используется в котле, чтобы превратить воду в пар; (2) пар направляется через турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие электрический генератор; (3) пар конденсируется обратно в воду путем выпуска оставшейся тепловой энергии в виде пара в окружающую среду; и (4) конденсат перекачивается обратно в котел. В идеальном цикле Ренкина процесс расширения является изоэнтропическим процессом, а процессы испарения и конденсации являются изобарическими процессами. Тем не менее, наличие необратимостей в реальных условиях снижает эффективность цикла. Эти необратимости, прежде всего, относятся к двум факторам.
Первое то, что в процессе расширения газа, только часть энергии, возмещаемой из разности давлений, преобразуется в полезную работу. Другая часть превращается в тепло и теряется. Эффективность расширителя указана в процентах от работы, которая могла бы быть выполнена с помощью теоретического изоэнтропического расширения, в котором энтропия остается постоянной. Второй причиной является неэффективность теплообменника, обусловленная перепадами давления, связанные с длинными и извилистыми каналами, которые обеспечивают хороший теплообмен, но уменьшают возмещаемую из цикла мощность.
Эффективность цикла Ренкина является функцией физических свойств рабочей жидкости. При отсутствии давления, достигающего сверх критических уровней для рабочей жидкости, диапазон температур, в пределах которого цикл может действовать, довольно мал: температура на входе турбины, как правило, составляет 565°C (предел ползучести нержавеющей стали), а температура конденсатора составляет около 30°C. Это дает теоретическую эффективность Карно в около 63% по сравнению с фактической эффективностью в 42% для современной угольной электростанции. Такая низкая температура на входе турбины (по сравнению с газовой турбиной внутреннего сгорания) является причиной, почему цикл Ренкина часто используется в качестве завершающего цикла на газотурбинных электростанциях с комбинированными циклами. Рабочая жидкость в цикле Ренкина проходит в замкнутый контур и непрерывно повторно используется. Хотя в цикле Ренкина различные рабочие жидкости могут быть использованы и использовались, вода, как правило, используется чаще всего, так как она есть в изобилии, она недорогая, нетоксичная, как правило, нереактивная, и обладает благоприятными термодинамическими свойствами. Органические циклы Ренкина были разработаны с целью сделать возможным восстановление энергии из источников с более низкой температурой, например, таких как отработанное промышленное тепло, геотермальное тепло, тепло солнечных прудов, и так далее. Органический цикл Ренкина (ОЦР) назван так из-за использования органической высокомолекулярной жидкости, характеризующейся изменением фазы жидкость-пар, или с точкой кипения, проявляющейся при более низкой температуре, чем температура изменения пароводяной фазы. В процессе применения ОЦР низкотемпературное тепло может быть преобразовано в полезную работу, которая, например, может быть использована для выработки электроэнергии. Прототип ОЦР-системы энергоснабжения был впервые разработан и представлен в 1961 году израильскими гелио-инженерами Гарри Цви Табор и Люсьеном Броники (Harry Zvi Tabor, Lucien Bronicki).
Технология органического цикла Ренкина имеет много возможных применений. Среди них следующие наиболее распространенные и перспективные области развития [1]: Регенерация отработанного тепла является наиболее важной областью развития для ОЦР. Он может быть применен на тепловых и электростанциях или в промышленных и сельскохозяйственных процессах, таких как сбраживание органической продукции, горячие выхлопы печей или плит, конденсация отходящих газов, выхлопных газов от автомобилей, промежуточное охлаждение компрессора и конденсаторе энергетического цикла.
Биомасса доступна во всем мире и может быть использована для производства электричества на электростанциях, начиная от маломасштабных и до среднемасштабных. Проблема высоких специфических инвестиционных затрат на машинное оборудование, таких как паровые котлы, преодолима благодаря низким рабочим давлениям ОЦР-электростанций. ОЦР-процесс также помогает решить проблему относительно небольшого количества поставляемого топлива для многих регионов, поскольку эффективная ОЦР-силовая установка возможна для электростанций меньшего масштаба.
Геотермические источники тепла различаются по температуре от 50 до 350°C. ОЦР, по этой причине, уникально подходит для этого вида применения. Тем не менее, важно иметь в виду, что для низкотемпературных геотермальных источников (как правило, меньше чем 100°C), эффективность очень низка и сильно зависит от температуры теплоотвода, которая, как правило, равна температуре окружающей среды.
ОЦР также может быть применен в солнечной параболоцилиндрической технологии вместо обычного парового цикла. ОЦР допускает более низкую температуру коллектора, лучшую эффективность коллектирования (снижение потерь окружающей среды) и, следовательно, возможность уменьшения размера солнечного поля.
Выбор подходящей рабочей жидкости имеет ключевое значение в низкотемпературных циклах Ренкина. Так как из-за низкой температуры, неэффективность теплопередачи приносит весьма большой ущерб. Такая неэффективность очень сильно зависит от термодинамических характеристик жидкости и от условий эксплуатации. Для восстановления энергии от низкопотенциальных источников тепла, температура кипения рабочей жидкости должна быть ниже, чем температура кипения воды. Хладагенты и углеводороды являются двумя широко используемыми компонентами. В отличие от воды, органические жидкости обычно испытывают химическое разрушение и разложение при высоких температурах. Максимальная температура горячего источника, таким образом, ограничивается химической устойчивостью рабочей жидкости. Кроме того, точка замерзания должна быть ниже самой низкой температуры в цикле. Жидкость с высокой латентной теплотой и плотностью будет поглощать больше энергии от источника в испарителе и, таким образом, снижать требуемую скорость потока, размер оборудования, и потребление энергии насоса. Другие важные характеристики для органической рабочей жидкости состоят в том, что она должна иметь низкий потенциал истощения озонового слоя и низкий потенциал глобального потепления и что эта жидкость должна быть некоррозионной, негорючей, нетоксичной и, кроме того, доступна по разумной цене.
29 мая 2008 года ElectraTherm, Inc., Карсон-Сити, штат Невада, объявила об успешной установке своего первого коммерческого генератора-утилизатора в Южно-методистском университете в Далласе, штат Техас. Генератор, названный "Зеленая машина" ("Green Machine"), производит электричество из остаточного промышленного тепла, которое ранее шло в отходы.
Министерство энергетики США сообщает, что имеющиеся семь квадриллионов БТЕ от источников отработанного тепла превышают величину текущего объема производства всех других возобновляемых источников энергии США, вместе взятых. Сюда входят гидроэлектрические источники энергии, топливная древесина, биотопливо, геотермальные, ветровые и солнечные фотоэлектрические источники энергии. С масштабируемой мощностью в 50-500 кВт и бессубсидийного периода окупаемости менее трех лет изобретение корпорации ElectraTherm имеет потенциал значительно расширить производство электроэнергии по очень низкой цене на любой устаревшей электростанции, где применяется сжигание топлива, без сжигания дополнительной нефти, газа или угля и без дальнейшего загрязнения или ущерба для окружающей среды. В ходе работы из жидкостей с температурами до 93 градусов Цельсия извлекается тепло для запуска двухвинтового расширителя, который соединен с генератором. Двухвинтовой расширитель компании, стоимость которого составляет около одной десятой стоимости турбины, работает без дорогих коробок передач и электроники, на скорости в одну десятую от скорости турбин, с гораздо меньшим трением, чем турбина, и расходует технологическую смазку, не прибегая к традиционным масляным насосам, масляному баку, маслопроводам и масляным фильтрам, позволяет Зеленой машине производить электроэнергию стоимостью $ 0,03 до $ 0,04 за кВт/ч в течение периода окупаемости и менее чем $ 0,01 за кВт/ч после данного периода. Хотя заявка на патент США №11/407555 под названием "Waste Heat Recovery Generanor", была подана изобретателем Richard K. Langson 19 апреля 2006 году, включая описание процесса работы генератора и оборудования, с датой приоритета, зависящей от подачи предварительной заявки на патент №60/673543, заявка была в конечном счете отклонена по причине очевидности в декабре 2007 года.
30 Langson впоследствии также подал родственную заявку под названием "Power Compounder", которая охватывает определенные аспекты изобретения и которая была выдана в качестве патента США №7637108.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Тепловой двигатель с применением органического цикла Ренкина содержит: органический хладагент, имеющий точку кипения ниже -35 градусов по Цельсию; источник тепла горячего водоснабжения, имеющий температуру менее 82 градусов по Цельсию; теплоотвод; герметичный контур замкнутого цикла для указанного органического хладагента, при этом указанный контур содержит как зону высокого давления, которая поглощает тепло от источника тепла, который содержит первую часть органического хладагента по меньшей мере в газовой фазе, так и зону низкого давления, которая передает тепло в теплоотвод и которая содержащая вторую часть органического хладагента по меньшей мере в жидкой фазе; декомпрессор объемного типа, который обеспечивает градиент давления, посредством которого органический хладагент в газообразной фазе непрерывно течет из зоны высокого давления в зону низкого давления, при этом указанный декомпрессор поддерживает перепад давления между этими зонами в пределах от около 20 бар (20×105 Па) до около 42 бар (42×105 Па), и указанный декомпрессор извлекает механическую энергию из градиента давления; электрический генератор, соединенный с указанным декомпрессором, который преобразует извлеченную механическую энергию в электрическую энергию; и гидравлический насос объемного типа для обеспечения непрерывного потока органического хладагента в его жидкой фазе из указанной зоны низкого давления в указанную зону высокого давления.
Усовершенствованный декомпрессионный тепловой двигатель работает на цикле Ренкина, содержащий две многофазные зоны перепада давления, разделенных как декомпрессором объемного типа, так и гидравлическим насосом объемного типа. Декомпрессор объемного типа переводит нагретый органический хладагент из парообразного состояния высокого давления в парообразное состояние более низкого давления, порождая тем самым механическую работу. Декомпрессор объемного типа достигает своего максимального потенциала, когда давление высвобождается путем непрерывного потока, исключая поршни или клапаны, которые могут прервать поток.
Наряду со стандартным Органическим циклом Ренкина (ОЦР) усовершенствованный декомпрессионный тепловой двигатель на цикле Ренкина отличается тем, что в нем акцент ставиться, прежде всего, на энергии, получаемой из энергии перепада давления (Дельта Р), а не как в стандартном ОЦР, где акцент делается на высокоскоростном массовом расходе через расширитель с высокой Дельтой Т.
Усовершенствованный тепловой двигатель применяется, в основном, для выработки электроэнергии из источника тепла с температурой ниже 82 градусов по Цельсию. Поскольку энергия до сих пор не могла быть экономически извлечена из таких источников тепла, их в значительной степени игнорировали. К источникам тепла может быть отнесено низкотемпературное природное геотермальное тепло, такое как горячие источники, отработанное тепло от генераторов метана, производственный или любой источник тепла или источник отработанного тепла, которые доступны.
Усовершенствованный тепловой двигатель имеет возможность захвата очень низкой тепловой энергии, которой более чем достаточно (ниже 82 градусов по Цельсию), и перевода этой энергии в электричество более эффективным способом, чем позволяют имеющиеся в настоящее время технологии. Такая энергия извлекается с применением хладагента с очень низкой температурой кипения (например, R410a, который кипит при температуре около -51°C) и путем трансформации высокого перепада давления от около 20 до 42 бар (от 20×105 Па до 42×105 Па) в электроэнергию с помощью декомпрессора объемного типа.
Источники охлаждения обеспечивают наличие зоны низкого давления в усовершенствованном тепловом двигателе путем погружения тепла в избыточные холодные потоки и водостоки или даже соприкосновением с окружающим воздухом. Избыточные низкотепловые и охлаждающие источники будут применены в тепловых двигателях, как никогда раньше, что позволит более чистым возобновляемым источникам энергии быть доступными по всему миру.
Следует выполнить краткое сравнение стандартного органического цикла Ренкина (ОЦР) с усовершенствованным декомпрессионным тепловым двигателем. Стандартный ОЦР это цикл, который использует источник тепла и источник охлаждения для приведения в работу модели теплового двигателя и, как результат, для получения механической энергии при заданной Дельте Т. Из-за высокой потребности ОЦР в массовом расходе он ограничен в использовании рабочих жидкостей/хладагентов. Стандартный ОЦР использует изменение высокоскоростной паровой фазы в рабочую жидкость при относительно низком давлении для получения механической энергии. При типичной низкой температуре тепла ОЦР (от около 93°C до около 149°C) R245a будет мгновенно испаряться или пройдет через изменение паровой фазы и снова возвратиться в жидкую фазу при температуре, близкой к температуре окружающей среды (около 21°C). Во время этого фазового перехода диапазон перепада давления колеблется от около 0,69 бара до 1,38 бара (от около 0,69×105 Па до 1,38×105 Па) при от около 12,8°C до 21°C на прохладной поверхности и от около 10,9 бара до 13,8 бара (от около 10,9×105 Па до 13,8×105 Па) при от около 93°C до 149°C на горячей поверхности. Силой, приводящей к механической работе, является Высокоскоростной/CFM массовый расход пара до момента достижения расширителем/устройством управления от около 6,9 бара до 13,8 бара (от около 6,9×105 Па до 13,8×105 Па). Таким образом, относительно низкое давление при высоком CFM порождает механическую работу с помощью теплового ОЦР-двигателя. Рабочая жидкость в ОЦР должна протекать с высокой скоростью в процессе теплообмена для передачи тепла к и от высокотекучего хладагента/рабочей жидкости, таким образом, требуя дополнительную производительность БТЕ на кВт. Первичный двигатель в ORC предназначен для обеспечения устойчивости к силе высокоскоростного массового расхода пара, но он не является объемным, потому что объемный первичный двигатель может сжимать пар в жидкость на входе и замедлять механизм. Как и в работе лопастей ветряных турбин, скорость ветра должна проходить через лопасть/устройство управления для обеспечения достаточного сопротивления, чтобы повернуть лопасть/устройство управления. ОЦР-первичные двигатели/расширители позволяют пару эффективно расширяться через лопатки рабочего колеса для того, чтобы принять достаточно газопропускной CFM-силы при низком давлении, чтобы привести к механической работе. ОЦР работает лучше всего в условиях как можно большей разницы температур (высокая Дельта Т).
Усовершенствованный тепловой двигатель относится к стандартному ОЦР в том отношении, что первый использует источник тепла и источник охлаждения для запуска типового теплового двигателя с целью получения механической работы. В то время как эти два цикла связаны между собой, усовершенствованный тепловой двигатель однозначно отличается. Декомпрессор для усовершенствованного теплового двигателя является объемным устройством, и использует принцип высокого давления с более низким уровнем потока/CFM. Например, перегретый пар высокого давления (рабочая жидкость) со значением около 41,4 бара (41,4×105 Па) при 65,6°C, входя в объемный первичный двигатель, будет уменьшать давление до около 13,8 бара (13,8×105 Па) при 21°C паров с низким давлением и конвертировать энергию перепада давления в 27,6 бара (27,6×105 Па, Дельта Р) в механическую работу. Эта функция использования энергии перепада давления аналогична функции холодильного компрессора, работающего в обратном направлении. В то время как компрессор, который может перемещать 105 кВт тепла, может потребовать электродвигатель в 62 кВт для сжатия хладагента в пар высокого давления в 41,4 бара (41,4×105 Па) при температуре 65,6°C, усовершенствованный тепловой двигатель может генерировать более чем 62 кВт мощности, в то время как до 65,6°C нагретый находящийся под давлением хладагент высокого давления заставляет компрессор двигаться в противоположном направлении. Энергия отработанного тепла, например, представляет собой, скорее, усилие энергии, которое заставляет компрессор реверсировать для выработки электроэнергии, чем силу электричества, которая приводит к сжатию холодного пара/газа в горячий пар/газ.
Усовершенствованный ОЦР в сравнении с типичным ОЦР
Акцентируя внимание на энергии перепада давления (Дельта Р) в условиях использования очень низкой точки кипения хладагентов высокого давления, меньшее значение Дельта Т может быть применено для достижения эквивалентного перепада давления (Дельта Р). Извлекаемая энергия в условиях применения усовершенствованного ОЦР с перепадом давления 27,6 бара (27,4×105 Па) намного больше по величине, чем энергия, которая может быть извлечена с помощью стандартного ОЦР с перепадом давления энергии в 9,65 бара (9,65×105 Па).
ОЦР Хладагент R245fa Температура-Давление Дельта Т и Дельта Р
21°C = 1,2 бара (1,2×105 Па) 93°C = 10,9 бара (10,9×105 Па)
Дельта Т 72°C = энергия Дельта Р в 9,7 бара (9,7×105 Па)
HEDC Хладагент R407c Температура-Давление Дельта Т и Дельта Р
21°C = 9,6 бара (9,6×105 Па) 78°C = 37,5 бара (37,5×105 Па)
Дельта Т в 57°C = энергия Дельта Р в 27,9 бара (27,9×105 Па)
HEDC Хладагент R410a Температура-Давление Дельта Т и Дельта Р
21°C = 13,8 бара (13,8×105 Па) 66°C = 41,4 бара (41,4×105 Па)
Дельта Т в 45°C = энергия Дельта в Р в 27,6 бара (27,6×105 Па)
HEDC Хладагент CO2 Температура-Давление Дельта Т и Дельта Р
20°C = 57,4 бара (57,4×105 Па) 38°C = 85,4 бара (85,4×105 Па)
Дельта Т в 18°C = энергия Дельта Р в 28,0 бара (28,0×105 Па)
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фигура 1 иллюстрирует принципиальную схему усовершенствованного декомпрессионного теплового двигателя на органическом цикле Ренкина.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая заявка имеет приоритетные даты, которые основаны на подаче трех отдельных предварительных патентных заявок. Во-первых, Заявка №61/761115, с датой подачи 5 февраля 2013 года, имеет название HEAT ENGINE DECOMPRESSION CYCLE. Во-вторых, Заявка №61/817862, с датой подачи 30 апреля 2013 года, имеет название HIGH-PRESSURE VAPOR ENHANCER. В-третьих, Заявка №61/841610, с датой подачи 1 июля 2013 года, имеет название SCROLL DRIVER ACCELERATOR SYSTEM. Все три из данных предварительных патентных заявок полностью включены в настоящее описание посредством ссылки.
Данное изобретение будет описано со ссылкой на Фигуру 1, которая иллюстрирует упорядоченное расположение оборудования, необходимое для реализации усовершенствованного декомпрессионного теплового двигателя 100 на органическом цикле Ренкина. Усовершенствованный тепловой двигатель 100, в котором применяется узкоспециализированный органический цикл Ренкина, обеспечивает герметичный контур замкнутого цикла для органического хладагента 101, имеющего точку кипения ниже -35 градусов по Цельсию. Элементы контура замкнутого цикла будут перечислены ниже. Усовершенствованный тепловой двигатель 100 также содержит низкопотенциальный гидравлический источник тепла 103, имеющий температуру ниже 82 градусов по Цельсию. Почти во всех случаях предпочтительным является, чтобы гидравлический источник тепла 103 был представлен в виде источника тепла горячего водоснабжения, поскольку быстрая теплопередача возможна за счет высокой теплоемкости воды (1 калорий/грамм °C = 4,186 джоуль/грамм °C), что выше, чем у любого другого обычного вещества. Таких низкопотенциальных источников тепла в наличии более чем достаточно. Они могут быть представлены, например, геотермальной водой, охлаждающей водой из атомных реакторов или из промышленных процессов, и многими другими источниками, которые до сих пор рассматривались как источники со слишком низкой температурой, чтобы быть используемыми в процессе восстановления энергии. Также возможно, что гидравлический источник тепла 103 может быть представлен горячими газами. Однако такой вариант потребует гораздо больший теплообменник, чем требовалось бы для источника горячей воды.
Основным различием между усовершенствованным тепловым двигателем 100 по настоящему изобретению и ранее раскрытыми тепловыми двигателями, в которых применяются стандартные органические циклы Ренкина, является использование в этом тепловом двигателе органических хладагентов, имеющих очень низкую молекулярную массу и очень низкие точки кипения. В сущности, усовершенствованный тепловой двигатель 100 является эффективным по причине его способности поддерживать сравнительно высокий перепад давления в диапазоне между около 20 и 42 барами (между около 20×105 Па и 42×105 Па) на противоположных сторонах высокоэффективного, декомпрессора объемного типа 105. Хотя для настоящего предпочтительного варианта реализации усовершенствованного теплового двигателя 100 используется декомпрессор орбитальной прокрутки производства датской компании Danfoss, компрессоры орбитальной прокрутки (модифицированные для использования в качестве декомпрессоров) других производителей, например, Trane, Copeland, Emerson Electric и Bristol, также могут использоваться. Кроме того, другие виды декомпрессоров объемного типа могут быть заменены на декомпрессор орбитальной прокрутки. Например, насосы Рутса, звездообразные роторные насосы и двухлопастные насосы могут почти наверняка с успехом использоваться. В любом случае, применение высокоэффективного, декомпрессора объемного типа 105 позволяет применять усовершенствованный тепловой двигатель 100 для производства электроэнергии из низкопотенциальных источников тепла, которые до сих пор игнорировались. Усовершенствованный тепловой двигатель 100 также содержит теплоотвод 107 с температурой, которая меньше или равна температуре окружающей среды. Несмотря на то, что теплоотвод 107, в идеале, представлен источником холодной воды, к примеру, скважиной или водоемом, с температурой ниже температуры окружающей среды, может применяться также теплоотвод, использующий температуру окружающего воздуха, но с результирующим снижением эффективности теплового двигателя 100.
Другим компонентом усовершенствованного теплового двигателя 100, который имеет решающее значение для поддержания перепада давления в диапазоне между около 20 и 42 барами (между около 20×105 Па и 42×105 Па) на противоположных сторонах декомпрессора, является гидравлический насос объемного типа 109. Единственной функцией гидравлического насоса 109, который находится под управлением первого электродвигателя 111, является передача хладагента 101, в жидком состоянии, из зоны низкого давления в зону высокого давления. В этом качестве, гидравлический насос 109 должен перемещать жидкий хладагент, в то же время согласовывая давление в зоне высокого давления. Из выходного отверстия 113 гидравлического насоса 109 к впускному отверстию 115 декомпрессора 105 органический хладагент 101 перемещается в зоне высокого давления теплового двигателя 100. Подобным образом, из выпускного отверстия 117 декомпрессора 105 к входному отверстию 119 гидравлического насоса 109 органический хладагент 101 перемещается в зоне низкого давления теплового двигателя 100. Для разъяснения следует отметить, что стрелки возле внешних краев прямоугольного блока, который представляет декомпрессор 105, символизируют выхлопные отверстия, а также их взаимное расположение и направление. Следует отметить, что выпускные отверстия 117 покрыты первым сетчатым маслоотделителем 121.
Как проиллюстрировано на Фигуре 1, из выходного отверстия 113 гидравлического насоса 109 органический хладагент 101, как правило, в жидком состоянии входит в эксцентрично-образный резервуар давления холодного хладагента 123. Из-за формы резервуара 123 достаточное количество пара хладагента захватывается в резервуаре 123 так, что он может служить в качестве демпфера пульсаций, чтобы уменьшить влияние гидроудара, когда гидравлический насос перемещает хладагент из зоны низкого давления в зону высокого давления. Из резервуара 123 хладагент течет через обратный клапан 125 по пути к теплообменнику с нагревом хладагента 127. Из теплообменника с нагревом хладагента 127 хладагент течет к усилителю пара высокого давления 129, который, по существу, является вертикально-ориентированным, цилиндрическим, ребристотрубчатым теплообменником. Следует отметить, что горячая вода из источника тепла горячего водоснабжения 103 поступает вблизи верхней части усилителя пара высокого давления 129 через входное отверстие горячей воды 131 и выходит вблизи нижней его части через выходное отверстие горячей воды 133, а хладагент поступает в нижнюю часть усилителя пара высокого давления 129 и выходит в верхней его части. Усилитель пара высокого давления 129 обеспечивает то, что хладагент 101, во время прохождения через него, мгновенно испаряется в перегретый пар, и в этом состоянии он перемещается во впускное отверстие 115 декомпрессора 105. Трубопровод 139 имеет размер, который позволяет поддерживать это состояние пара высокого давления. После того, как горячая вода из источника тепла 103 покидает выходное отверстие 133, она поступает на входное отверстие для горячей воды 135 вблизи верхней части теплообменника с нагревом хладагента 127. После того, как тепло передано к органическому хладагенту, оно покидает теплообменник с нагревом хладагента 127 через выходное отверстие для горячей воды 137. Первый регулирующий клапан 141 выступает в качестве клапана сброса давления для перегретого пара хладагента, выходящего из усилителя пара высокого давления 129. В качестве ограничителя давления, первый регулирующий клапан 141 направляет излишки тепла в зону низкого давления, а также служит как перепускной клапан для предварительного запуска и режима окончания работы. Второй регулирующий клапан 143 контролирует давление перегретого пара хладагента, поступающего в декомпрессор 105.
Как проиллюстрировано на Фигуре 1, декомпрессор 105 расположен в пределах корпуса первичного двигателя 145, который также содержит высокоэффективный генератор 147, который механически соединен с декомпрессором объемного типа 105. Смазочное масло 149 содержится в резервуаре 151, который отделен от генератора 147 теплозащитным экраном 153, содержащим небольшие отверстия, которые позволяют маслу стекать в резервуар 151. Смазочные масла, содержащееся в резервуаре 151, нагревается с помощью контура горячей воды 153, который берет начало на входном отверстии для горячей воды 131 усилителя пара высокого давления 129 и оканчивается на выходном отверстии для горячей воды 137 теплообменника с нагревом хладагента 127. Температура смазочного масла в резервуаре 151 контролируется с помощью термостата 155 и соленоида управления потоком 157. Смазочное масло 149 циркулирует с помощью масляного насоса 159, питающегося от второго электродвигателя 161, и вводится во впускное отверстие 115 декомпрессора 105. Основные функции смазочного масла 149 заключаются в смазке и дополнительной герметизации крошечных зазоров между неподвижной спиралью и декомпрессором орбитальной прокрутки 105, что повышает эффективность декомпрессора 105. Как вариант, смазочное масло 149 может циркулировать с помощью внутреннего масляного насоса в пределах приводного вала декомпрессора объемного типа 105. После того, как пар хладагента выходит из выпускного отверстия 117 декомпрессора 105, он входит в зону низкого давления и проходит через первый сетчатый масляной разделитель 121, который удаляет большую часть смазочного масла из паров хладагента. Удаленное масло проходит через отверстие 163 в поддерживающем кольце выхлопных газов 165, а затем стекает через теплоизолирующий экран 153 в масляной резервуар 151. Пар хладагента затем поступает в выхлопную трубу 167 и проходит к паровой расширительной камере 169, которая содержит второй сетчатый маслоотделитель 171. Масло, удаленное из паров хладагента с помощью маслоотделителя 171, возвращается под действием силы тяжести в масляной резервуар 151 через возвратную трубу 173. Следует отметить, что паровая расширительная камера 169 имеет выходную трубу 174, которая входит в корпус камеры 175, делая тем самым более затруднительным утечку масла из расширительной камеры 169 через стандартный канал утечки хладагента. Охлаждение генератора 147 вместе с выравниванием давления для корпуса первичного двигателя 145 достигается с помощью регулирующего клапана 177 и трубопровода выравнивания давления 179, начиная с контура первичного двигателя 145 до верхней части корпуса камеры 175.
Как проиллюстрировано на Фигуре 1, из паровой расширительной камеры 169 пар хладагента проходит в насадку эксцентрично-образной расширительной камеры 181, которая также соединена в верхней точке с трубопроводом выравнивания давления 179. Следует отметить, что в границах насадки расширительной камеры 181 располагается первый змеевик частичного охлаждения 183. Далее будет отмечено, что первый змеевик частичного охлаждения 183 входит в насадку расширительной камеры, где улетучивающийся газ из змеевика 183 соединяется с паром хладагента, который был высвобожден из декомпрессора 105. Благодаря эффекту расширения и охлаждения, пар хладагента начинает конденсироваться в жидкость. Следует понимать, что подверженность пара хладагента конденсации непосредственно связана со степенью заправки системы жидким хладагентом, поддерживаемой в зоне низкого давления. Из насадки расширительной камеры 181 конденсирующийся пар движется к теплообменнику с охлаждением хладагента 185, где тепло от хладагента передается на теплоотвод 107, который предпочтительно представляет собой источник холодной воды. Из теплообменника с охлаждением хладагента 185 конденсирующийся пар хладагента проходит через фильтровальную/сушильную установку 187, которая удаляет влагу и любые твердые частицы из конденсирующего хладагента. Из фильтровальной/сушильной установки 187 совершенно сконденсированный хладагент 101 поступает в вертикально-ориентированный бак хладагента 189 площади поперечного сечения, суживающейся книзу и уменьшающейся книзу, которая использует силу тяжести, чтобы обеспечить максимальную плотность хладагента 101 в жидком состоянии, в момент его вливания во входное отверстие 119 гидравлического насоса 109. Следует отметить, что вертикально-ориентированной бак хладагента 189 также подключен к трубопроводу выравнивания давления 179. Далее следует отметить, что второй змеевик частичного охлаждения 191, установленный в баке хладагента 189, может быть использован для дополнительного охлаждения сконденсированного хладагента перед тем, как он поступит в гидравлический насос 109. Дозирующий клапан 193 обеспечивает падение давления как для находящейся под давлением жидкости, так и для пара, содержащихся в баке 123. Эта выделенная жидкость или пар проходят сначала через второй змеевик частичного охлаждения 191, а затем через первый змеевик частичного охлаждения 183, что способствует конденсации и охлаждению пара хладагента в насадке расширительной камеры 181 и жидкого хладагента в вертикально-ориентированном баке хладагента 189.
Как проиллюстрировано на Фигуре 1, клапан сброса механического давления 195 защищает зону высокого давления от случайных или непреднамеренных случаев избыточного давления. Выделенный пар и/или жидкий хладагент поступает во входное отверстие 197 фильтровальной/сушильной установки 187. Кроме того, регулирующий клапан 199 допускает контролируемый сброс давления для предстарта системы с тем, чтобы очистить гидравлический насос 109 от любого пара хладагента. И снова, выделенный пар и/или жидкий хладагент поступает во входное отверстие 197 фильтровальной/сушильной установки 187.
Хотя был проиллюстрирован и описан только один вариант реализации усовершенствованного декомпрессионного теплового двигателя на органическом цикле Ренкина, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что изменения и модификации могут быть сделаны в нем с сохранением объема и сущности изобретения, как сформулировано далее.
1. Тепловой двигатель с применением органического цикла Ренкина, содержащий:
органический хладагент с точкой кипения ниже -35 градусов по Цельсию;
источник тепла горячего водоснабжения, имеющий температуру ниже 82 градусов по Цельсию;
теплоотвод;
герметичный замкнутый контур для органического хладагента, при этом герметичный замкнутый контур содержит как зону высокого давления, которая выполнена с возможностью поглощения тепла от источника тепла горячего водоснабжения и содержит первую часть органического хладагента по меньшей мере в газообразной фазе, так и зону низкого давления, которая выполнена с возможностью передачи тепла в теплоотвод и содержит вторую часть органического хладагента по меньшей мере в жидкой фазе;
машина объёмного типа, которая выполнена с возможностью обеспечивать градиент давления, посредством которого органический хладагент в газообразной фазе непрерывно течет из зоны высокого давления в зону низкого давления, при этом машина объёмного типа поддерживает перепад давления между зоной высокого давления и зоной низкого давления в диапазоне от около 20 бар до около 42 бар (от около 20×105 Па до около 42×105 Па), и машина объёмного типа извлекает механическую энергию благодаря градиенту давления;
электрический генератор, соединенный с машиной объёмного типа, выполненный с возможностью преобразования извлеченной механической энергии в электрическую энергию; и
гидравлический насос объемного типа для обеспечения непрерывного потока органического хладагента в жидкой фазе из зоны низкого давления в зону высокого давления.
2. Тепловой двигатель по п. 1, дополнительно включающий смазочное масло, в целом, несмешиваемое с органическим хладагентом, при этом смазочное масло имеет возможность циркуляции по герметичному замкнутому контуру и выполнения функции герметичной смазки в машине объёмного типа.
3. Тепловой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что машина объёмного типа выбрана из группы, состоящей из насоса орбитальной прокрутки, насоса Рутса, звездообразного роторного насоса и двухлопастного насоса.
4. Тепловой двигатель по п. 1, дополнительно содержащий эксцентрично-образный бак хладагента, служащий демпфером пульсаций для уменьшения воздействия гидроудара, когда гидравлический насос объёмного типа перемещает органический хладагент из зоны низкого давления в зону высокого давления.
5. Тепловой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что органический хладагент имеет точку кипения ниже -40 градусов по Цельсию.
6. Тепловой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что органический хладагент имеет точку кипения ниже -45 градусов по Цельсию.
7. Тепловой двигатель по п. 1, дополнительно содержащий вертикально ориентированный бак хладагента площади поперечного сечения, суживающейся книзу и уменьшающейся книзу, причем вертикально ориентированный бак хладагента выполнен с возможностью использования силы тяжести для обеспечения максимальной плотности органического хладагента в жидкой фазе, когда органический хладагент вливается в гидравлический насос объёмного типа.
8. Тепловой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что зона высокого давления содержит вертикально ориентированный трубчатый теплообменник, имеющий вход для воды из источника тепла горячего водоснабжения в его верхней части и выход для воды от источника тепла горячего водоснабжения в его нижней части, вход для органического хладагента в газообразной фазе в его нижней части и выход для органического хладагента в газообразной фазе в его верхней части, при этом органический хладагент в газообразной фазе, выходящий из вертикально ориентированного трубчатого теплообменника, поступает непосредственно на вход машины объёмного типа, причем вертикально ориентированный трубчатый теплообменник выполнен с возможностью создания температурного градиента под действием силы тяжести.
9. Тепловой двигатель по п. 1, дополнительно включающий по меньшей мере два последовательно установленных маслоотделителя для извлечения масла из органического хладагента в газообразной фазе.
10. Тепловой двигатель по п. 1, дополнительно содержащий по меньшей мере одну холодильную катушку в зоне низкого давления, при этом по меньшей мере одна холодильная катушка выполнена с возможностью приема холодного находящегося под давлением органического хладагента из зоны высокого давления, прежде чем органический хладагент нагреется от источника тепла горячего водоснабжения.
