Устройство и способ термодинамического цикла - RU2019107151A

1. Устройство термодинамического цикла, содержащее

(i) первый резервуар, содержащий первую среду для хранения;

(ii) второй резервуар, содержащий вторую среду для хранения;

(iii) тепловой насос, имеющий холодную сторону, термически связанную с первым резервуаром, для охлаждения первой среды для хранения, и горячую сторону, термически связанную со вторым резервуаром, для нагрева второй среды для хранения;

(iv) первый термодинамический контур первого рабочего вещества, причем первый термодинамический контур содержит:

первый испаритель для испарения первого рабочего вещества, для создания первого сжатого пара;

первый расширитель, установленный для расширения первого сжатого пара; и первый конденсатор, установленный для конденсации первого рабочего вещества, полученного из первого расширителя, и для подачи первого рабочего вещества в первый испаритель, причем первый конденсатор термически связан с первым резервуаром;

(v) второй термодинамический контур второго рабочего вещества, причем второй термодинамический контур содержит

второй испаритель для испарения второго рабочего вещества, для создания второго сжатого пара, причем второй испаритель термически связан со вторым резервуаром;

второй расширитель, установленный для расширения второго сжатого пара; и второй конденсатор, установленный для конденсации второго рабочего вещества, полученного из второго расширителя, и для подачи второго рабочего вещества во второй испаритель;

(vi) вспомогательное средство теплоподвода, термически соединенное с первым термодинамическим контуром, вследствие чего вспомогательный нагрев может вносить вклад в создание первого сжатого пара; и (vii) вспомогательное средство теплоотвода, термически соединенное со вторым термодинамическим контуром, вследствие чего второе рабочее вещество может отдавать тепло вспомогательному теплопоглотителю;

при этом первый термодинамический контур является термически независимым от второго термодинамического контура, и устройство выполнено с возможностью использоваться в режиме загрузки, в режиме хранения и в режиме разгрузки;

причем в режиме загрузки тепловой насос имеет возможность приводиться в действие для охлаждения первой среды для хранения и для нагрева второй среды для хранения;

в режиме хранения первый резервуар имеет возможность хранения в нем охлажденной первой среды для хранения, а второй резервуар имеет возможность хранения в нем нагретой второй среды; и в режиме разгрузки первый расширитель имеет возможность расширения первого сжатого пара, и/или второй расширитель имеет возможность расширения второго сжатого пара.

2. Устройство по п. 1, в котором любой или оба из первого расширителя и второго расширителя содержит что-либо одно из турбины, спирального расширителя, винтового расширителя, турбины Тесла или поршневого двигателя.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором любой или оба из первого расширителя и второго расширителя содержит расширитель-генератор для генерирования электричества.

4. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором любой или оба из первого и второго термодинамических контуров включают в себя насос для циркуляции первого или второго рабочего вещества.

5. Устройство по п. 4, в котором первый конденсатор установлен для подачи первого рабочего вещества в первый испаритель через насос первого термодинамического контура, и/или второй конденсатор установлен для подачи второго рабочего вещества во второй испаритель через насос второго термодинамического контура.

6. Устройство по п. 3 или 4, в котором насос первого термодинамического контура и/или насос второго термодинамического контура выбран из: центробежного насоса, шиберного насоса, героторного насоса, героллерного насоса, шестеренного насоса, диафрагменного насоса, поршневого насоса, плунжерного насоса, перистальтического насоса или лопастного насоса.

7. Устройство по любому из пп. 4-6, содержащий множество насосов, где множество насосов установлено на общем валу.

8. Устройство по п. 7, в котором любой из первого расширителя и второго расширителя установлен на общем валу.

9. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором первый расширитель и второй расширитель установлены на общем валу.

10. Устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий источник вспомогательного нагрева для обеспечения вспомогательного нагрева для первого термодинамического контура через вспомогательное средство теплоподвода.

11. Устройство по п. 10, в котором источник вспомогательного нагрева содержит один или более из: источника внешнего окружающего воздуха, источника воздуха внутри здания, тепла, выделяемого из системы кондиционирования или охлаждения воздуха, источника окружающей воды, источника, связанного с землей, геотермального источника, солнечного теплового источника, солнечного пруда, биологически активного источника тепла, отходящей теплоты от производственного процесса и отходящей теплоты от технологии генерирования энергии.

12. Устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий вспомогательный теплопоглотитель для приема тепла от второго термодинамического контура через вспомогательное средство теплоотвода.

13. Устройство по п. 12, в котором вспомогательный теплопоглотитель содержит один или более из: источника внешнего окружающего воздуха, источника воздуха внутри здания, источника окружающей воды, источника, связанного с землей, и источников охлаждения отходов.

14. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором второй термодинамический контур содержит дополнительное вспомогательное средство теплоподвода так, чтобы дополнительный вспомогательный нагрев мог вносить вклад в создание второго сжатого пара.

15. Устройство по п. 14, дополнительно содержащий дополнительный источник вспомогательного нагрева для обеспечения дополнительного вспомогательного нагрева для второго термодинамического контура через дополнительное вспомогательное средство теплоподвода.

16. Устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий первый пароперегреватель между первым испарителем и первым расширителем, причем первый пароперегреватель установлен для перегрева первого рабочего вещество.

17. Устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий второй пароперегреватель между вторым испарителем и вторым расширителем, причем второй пароперегреватель установлен для перегрева второго рабочего вещества.

18. Устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий подогреватель между вторым конденсатором и вторым испарителем, причем подогреватель сконфигурирован для нагрева второго рабочего вещества.

19. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором любая или обе из первой среды для хранения и второй среды для хранения содержит герметизированный материал с обратимыми фазами или негерметизированный материал с обратимыми фазами.

20. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором холодная сторона теплового насоса термически связана с первым резервуаром первым теплопередающим контуром первого теплоносителя.

21. Устройство по п. 20, в котором первая среда для хранения содержит негерметизированный материал с обратимыми фазами, а первый теплоноситель не смешивается с первой средой для хранения.

22. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором горячая сторона теплового насоса термически связана со вторым резервуаром вторым теплопередающим контуром второго теплоносителя.

23. Устройство по п. 22, в котором вторая среда для хранения содержит негерметизированный материал с обратимыми фазами, а второй теплоноситель не смешивается со второй средой для хранения.

24. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором первый резервуар термически связан с конденсатором первого термодинамического контура третьим теплопередающим контуром третьего теплоносителя.

25. Устройство по п. 24, в котором холодная сторона теплового насоса термически связана с первым резервуаром первым теплопередающим контуром первого теплоносителя и третий теплоноситель тот же, что и первый теплоноситель.

26. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором второй резервуар термически связан с испарителем второго термодинамического контура четвертым теплопередающим контуром четвертого теплоносителя.

27. Устройство по п. 26, в котором горячая сторона теплового насоса термически связана со вторым резервуаром вторым теплопередающим контуром второго теплоносителя и четвертый теплоноситель тот же, что и второй теплоноситель.

28. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором тепловой насос содержит холодильный контур хладагента.

29. Устройство по п. 28, в котором холодильный контур включает в себя холодильный компрессор, холодильный испаритель, холодильный конденсатор или газоохладитель и холодильный расширитель для расширения хладагента, в котором холодная сторона теплового насоса содержит холодильный испаритель, а горячая сторона теплового насоса содержит холодильный конденсатор или газоохладитель.

30. Устройство по п. 29, в котором холодильный расширитель содержит расширительный клапан для охлаждения или расширитель хадагента.

31. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором первая среда для хранения и/или вторая среда для хранения содержит жидкость, которая не имеет фазового перехода в ходе эксплуатации устройства при любом из режимов, - загрузки, хранения или разгрузки.

32. Устройство по п. 31, содержащий средство для перемешивания и/или рециркуляции первой среды для хранения, для выравнивания температуры в первом резервуаре и сдерживания перекоса температур, и/или содержащий средство для перемешивания и/или рециркуляции второй среды для хранения, для выравнивания температуры во втором резервуаре и сдерживания перекоса температур.

33. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором каждый из первого резервуара и второго резервуара содержит исходный сосуд и вторичный сосуд.

34. Устройство по п. 33, в котором первая среда для хранения представляет собой жидкость, которая может перемещаться из исходного первого сосуда во вторичный первый сосуд, когда устройство функционирует в режиме загрузки, и может перемещаться из вторичного первого сосуда в исходный первый сосуд, когда устройство функционирует в режиме разгрузки.

35. Устройство по п. 33 или 34, в котором вторая среда для хранения представляет собой жидкость, которая может перемещаться из исходного второго сосуда во вторичный второй сосуд, когда устройство функционирует в режиме загрузки, и может перемещаться из вторичного второго сосуда в исходный второй сосуд, когда устройство функционирует в режиме разгрузки.

36. Устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий один или более теплообменников, установленных в первом резервуаре и/или во втором резервуаре.

37. Устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий дополнительное вспомогательное средство теплопоглощения, установленное таким образом, чтобы дополнительный вспомогательный теплопоглотитель, термически соединенный с ним, мог вносить вклад в конденсацию первого сжатого пара.

38. Устройство по п. 37, дополнительно содержащий дополнительный вспомогательный теплопоглотитель, термически соединенный с дополнительным вспомогательным средством теплопоглощения.

39. Устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий дополнительное средство накопления энергии, установленное для выведения энергии независимо от энергии, выведенной первым расширителем и вторым расширителем.

40. Устройство по п. 39, в котором дополнительное средство накопления энергии включает в себя конденсатор, батарею, маховик или другое нетермическое электрическое или механическое средство накопления энергии.

41. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором любой или оба из первого и второго термодинамического контура содержат цикл Ренкина, цикл Лоренца или цикл Калины.

42. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором любая или обе из первой и второй сред хранения сконфигурированы для хранения при температуре от -50°C до 200°C или от -30°C до 100°C.

43. Способ эксплуатации устройства термодинамического цикла, содержащего

(a) обеспечение устройства термодинамического цикла, содержащего

(i) первый резервуар, содержащий первую среду для хранения;

(ii) второй резервуар, содержащий вторую среду для хранения;

(iii) тепловой насос, имеющий холодную сторону, термически связанную с первым резервуаром, для охлаждения первой среды для хранения, и горячую сторону, термически связанную со вторым резервуаром, для нагрева второй среды для хранения;

(iv) первый термодинамический контур первого рабочего вещества, причем первый термодинамический контур содержит

первый испаритель для испарения первого рабочего вещества, для создания первого сжатого пара;

первый расширитель, установленный для расширения первого сжатого пара; и первый конденсатор, установленный для конденсации первого рабочего вещества, полученного из первого расширителя, и для подачи первого рабочего вещества в первый испаритель, причем первый конденсатор термически связан с первым резервуаром; и (v) второй термодинамический контур второго рабочего вещества, причем второй термодинамический контур содержит

второй испаритель для испарения второго рабочего вещества, для создания второго сжатого пара, причем второй испаритель термически связан со вторым резервуаром;

второй расширитель, установленный для расширения второго сжатого пара; и второй конденсатор, установленный для конденсации второго рабочего вещества, полученного из второго расширителя, и для подачи второго рабочего вещества во второй испаритель;

(b) эксплуатацию устройства в режиме загрузки приведения в действие теплового насоса для охлаждения первой среды для хранения и для нагрева второй среды для хранения;

(c) эксплуатацию устройства в режиме хранения путем хранения охлажденной первой среды для хранения в первом резервуаре и хранения нагретой второй среды для хранения во втором резервуаре;

(d) эксплуатацию устройства в первом режиме разгрузки путем использования вспомогательного источника нагрева, для создания первого сжатого пара в первом испарителе, расширения первого сжатого пара с помощью первого расширителя и конденсации первого рабочего вещества в первом конденсаторе; и

(e) эксплуатацию устройства во втором режиме разгрузки путем использования тепла из второго резервуара, для создания второго сжатого пара во втором испарителе, расширения второго сжатого пара и использования вспомогательного теплопоглотителя для конденсации второго рабочего вещества во втором конденсаторе;

в котором этапы (d) и (e) можно выполнять, как одновременно, так и независимо друг от друга.

44. Способ по п. 43, в котором любой или оба из первого расширителя и второго расширителя содержит что-либо одно из турбины, спирального расширителя, винтового расширителя, турбины Тесла или поршневого двигателя, причем турбина может (не обязательно) представлять собой радиальную турбину, осевую турбину или импульсную турбину.

45. Способ по п. 43 или 44, в котором любой или оба из первого расширителя и второго расширителя содержит расширитель-генератор для генерирования электричества.

46. Способ по любому из пп. 43-45, в котором любой или оба из первого и второго термодинамического контура включает в себя насос для циркуляции первого или второго рабочего вещества.

47. Способ по п. 46, содержащий использование насоса первого термодинамического контура для подачи первого рабочего вещества из первого конденсатора в первый испаритель и/или использование насоса второго термодинамического контура для подачи второго рабочего вещества из второго конденсатора во второй испаритель.

48. Способ по п. 46 или 47, в котором насос первого термодинамического контура и/или насос второго термодинамического контура выбран из: центробежного насоса, шиберного насоса, героторного насоса, героллерного насоса, шестеренного насоса, диафрагменного насоса, поршневого насоса, плунжерного насоса, перистальтического насоса или лопастного насоса.

49. Способ по любому из пп. 46-48, в котором устройство содержит множество насосов, где множество насосов установлено на общем валу.

50. Способ по п. 49, в котором любой из первого расширителя и второго расширителя установлен на общем валу.

51. Способ по любому из пп. 43-48, в котором первый расширитель и второй расширитель установлены на общем валу.

52. Способ по любому из пп. 43-51, в котором устройство содержит источник вспомогательного нагрева для обеспечения вспомогательного нагрева для первого термодинамического контура через вспомогательное средство теплоподвода.

53. Способ по п. 52, в котором источник вспомогательного нагрева содержит один или более из: источника внешнего окружающего воздуха, источника воздуха внутри здания, тепла, выделяемого из системы кондиционирования или охлаждения воздуха, источника окружающей воды, источника, связанного с землей, геотермального источника, солнечного теплового источника, солнечного пруда, биологически активного источника тепла, отходящей теплоты от производственного процесса и отходящей теплоты от технологии генерирования энергии.

54. Способ по любому из пп. 43-53, в котором устройство содержит вспомогательный теплопоглотитель, а способ содержит использование вспомогательного теплопоглотителя для приема тепла из второго термодинамического контура через вспомогательное средство теплоотвода.

55. Способ по п. 54, в котором вспомогательный теплопоглотитель содержит один или более из: источника внешнего окружающего воздуха, источника воздуха внутри здания, источника окружающей воды, источника, связанного с землей, и источников охлаждения отходов.

56. Способ по любому из пп. 43-55, в котором второй термодинамический контур содержит дополнительное вспомогательное средство теплоподвода так, чтобы дополнительный вспомогательный нагрев мог вносить вклад в создание второго сжатого пара.

57. Способ по п. 56, в котором устройство содержит дополнительный вспомогательный источник нагрева, а способ содержит использование тепла от источника вспомогательного нагрева, для внесения вклада в создание второго сжатого пара в любом из режимов, - загрузки, хранения, в первом режим или во втором режиме разгрузки.

58. Способ по любому из пп. 43-57, в котором устройство содержит первый пароперегреватель между первым испарителем и первым расширителем, а способ содержит использование первого пароперегревателя для перегрева первого рабочего вещества.

59. Способ по любому из пп. 43-58, в котором устройство содержит второй пароперегреватель между вторым испарителем и вторым расширителем, а способ содержит использование второго пароперегревателя для перегрева второго рабочего вещества.

60. Способ по любому из пп. 43-59, в котором устройство содержит подогреватель между вторым конденсатором и вторым испарителем, а способ содержит использование подогревателя для нагрева второго рабочего вещества.

61. Способ по любому из пп. 43-60, в котором любая или обе из первой среды для хранения и второй среды для хранения содержит герметизированный материал с обратимыми фазами или негерметизированный материал с обратимыми фазами.

62. Способ по п. 61, в котором первая среда для хранения содержит негерметизированный материал, а способ содержит хранение первой среды для хранения в виде взвеси или фрагментируемого твердого тела в конце эксплуатации режима загрузки.

63. Способ по п. 61 или 62, в котором вторая среда для хранения содержит негерметизированный материал, а способ содержит хранение второй среды для хранения в виде взвеси или фрагментируемого твердого тела в конце эксплуатации второго режима разгрузки.

64. Способ по любому из пп. 43-63, в котором холодная сторона теплового насоса термически связана с первым резервуаром первым теплопередающим контуром первого теплоносителя.

65. Способ по п. 64, в котором первая среда для хранения содержит негерметизированный материал с обратимыми фазами, а первый теплоноситель не смешивается с первой средой для хранения и способ содержит хранение первой среды для хранения в виде взвеси или фрагментируемого твердого тела в конце эксплуатации режима загрузки.

66. Способ по любому из пп. 43-65, в котором горячая сторона теплового насоса термически связана со вторым резервуаром вторым теплопередающим контуром второго теплоносителя.

67. Способ по п. 66, в котором вторая среда для хранения содержит негерметизированный материал с обратимыми фазами, а второй теплоноситель не смешивается со второй средой для хранения, и способ содержит хранение второй среды для хранения в виде взвеси или фрагментируемого твердого тела в конце эксплуатации второго режима разгрузки.

68. Способ по любому из пп. 43-67, в котором первый резервуар термически связан с конденсатором первого термодинамического контура третьим теплопередающим контуром третьего теплоносителя.

69. Способ по п. 68, в котором холодная сторона теплового насоса термически связана с первым резервуаром первым теплопередающим контуром первого теплоносителя и третий теплоноситель тот же, что и первый теплоноситель.

70. Способ по любому из пп. 43-69, в котором второй резервуар термически связан с испарителем второго термодинамического контура четвертым теплопередающим контуром четвертого теплоносителя.

71. Способ по п. 70, в котором горячая сторона теплового насоса термически связана со вторым резервуаром вторым теплопередающим контуром второго теплоносителя и четвертый теплоноситель тот же, что и второй теплоноситель.

72. Способ по любому из пп. 43-71, в котором тепловой насос содержит холодильный контур хладагента.

73. Способ по п. 72, в котором холодильный контур включает в себя холодильный компрессор, холодильный испаритель, холодильный конденсатор или газоохладитель и холодильный расширитель для расширения хладагента, в котором холодная сторона теплового насоса содержит холодильный испаритель, а горячая сторона теплового насоса содержит холодильный конденсатор или газоохладитель.

74. Способ по п. 73, в котором холодильный расширитель содержит расширительный клапан для охлаждения или расширитель хладагента.

75. Способ по любому из пп. 43-74, в котором первая среда для хранения и/или вторая среда для хранения содержит жидкость, которая не имеет фазового перехода в ходе эксплуатации устройства при любом из режимов, - загрузки, хранения или разгрузки.

76. Способ по п. 75, в котором устройство содержит средство для перемешивания и/или рециркуляции первой/второй среды для хранения, а способ содержит перемешивание и/или рециркуляцию первой/второй среды для хранения, для выравнивания температуры в первом/втором резервуаре и сдерживания перекоса температур во время режима загрузки.

77. Способ по любому из пп. 43-76, в котором каждый из первого резервуара и второго резервуара содержит исходный сосуд и вторичный сосуд.

78. Способ по п. 77, в котором первая среда для хранения представляет собой жидкость, а способ содержит перемещение первой среды для хранения из исходного первого сосуда во вторичный первый сосуд, когда устройство функционирует в режиме загрузки, и перемещение первой среды для хранения из вторичного первого сосуда в исходный первый сосуд, когда устройство функционирует в режиме разгрузки.

79. Способ по п. 77 или 78, в котором вторая среда для хранения представляет собой жидкость, а способ содержит перемещение второй среды для хранения из исходного второго сосуда во вторичный второй сосуд, когда устройство функционирует в режиме загрузки, и перемещение второй среды для хранения из вторичного второго сосуда в исходный второй сосуд, когда устройство функционирует в режиме разгрузки.

80. Способ по любому из пп. 43-79, в котором устройство содержит один или более теплообменников, установленных в первом резервуаре и/или во втором резервуаре.

81. Способ по любому из пп. 43-80, в котором устройство содержит дополнительное вспомогательное средство теплоотвода, установленное таким образом, чтобы дополнительный вспомогательный теплопоглотитель, термически соединенный с ним, мог вносить вклад в конденсацию первого сжатого пара.

82. Способ по п. 81, в котором устройство содержит дополнительный вспомогательный теплопоглотитель, термически соединенный с дополнительным вспомогательным средством теплоотвода, а способ содержит использование дополнительного вспомогательного теплопоглотителя для внесения вклада в конденсацию первого сжатого пара.

83. Способ по любому из пп. 43-82, в котором первый термодинамический контур содержит однопроходный теплообменник, а способ содержит, при эксплуатации устройства в первом режиме разгрузки, выпуск первой среды для хранения через однопроходный теплообменник и допущение последующего расслаивания первой среды для хранения.

84. Способ по любому из пп. 43-83, в котором второй термодинамический контур содержит однопроходный теплообменник, а способ содержит, при эксплуатации устройства во втором режиме разгрузки, выпуск второй среды для хранения через однопроходный теплообменник и допущение последующего расслаивания второй среды для хранения.

85. Способ по любому из пп. 43-84, в котором устройство содержит дополнительное средство накопления энергии, установленное для выведения энергии независимо от энергии, выведенной первым расширителем и вторым расширителем.

86. Способ по п. 85, в котором дополнительное средство накопления энергии включает в себя конденсатор, батарею, маховик или другое нетермическое электрическое или механическое средство накопления энергии.

87. Способ по п. 85 или 86, содержащий использование дополнительное средство накопления энергии, для обеспечения выработки электрической энергии, до достижения энергией, выведенной посредством первого и/или второго режима разгрузки, заданной величины.

88. Способ по любому из пп. 43-87, содержащий приведение в действие первого расширителя и/или второго расширителя перед введением туда первого/второго рабочего вещества.

89. Способ по любому из пп. 43-88, в котором устройство содержит первый трубопровод, соединенный с входом первого расширителя, а способ содержит создание избыточного давления в первом трубопроводе за счет газообразного первого рабочего вещества перед приведением в действие первого режима разгрузки.

90. Способ по любому из пп. 43-89, в котором устройство содержит второй трубопровод, соединенный с входом второго расширителя, а способ содержит создание избыточного давления во втором трубопроводе за счет газообразного второго рабочего вещества перед приведением в действие второго режима разгрузки.

91. Способ по любому из пп. 43-90, в котором любой или оба из первого и второго термодинамического контура содержат цикл Ренкина, цикл Лоренца или цикл Калины.

92. Способ по любому из пп. 43-91, содержащий хранение любая или обе из первой и второй сред хранения при температуре от -50°C до 200°C или от -30°C до 100°C в режиме хранения.