Установка замкнутого цикла - RU2015143232A

1. Установка (1) замкнутого цикла, в частности цикла Ренкина, для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, содержащая:

замкнутый контур (2), внутри которого циркулирует по меньшей мере одна рабочая текучая среда в соответствии с заданным направлением циркуляции;

по меньшей мере один объемный расширитель (4), выполненный с возможностью принятия на впуске рабочей текучей среды в газообразном состоянии, при этом объемный расширитель (4) содержит:

- по меньшей мере один кожух (5), имеющий по меньшей мере один впуск (8) и один выпуск (9), предназначенные, соответственно, для ввода и выпуска рабочей текучей среды,

- активный элемент (6), размещенный в кожухе и предназначенный для образования - совместно с кожухом (5) - расширительной камеры (7) переменного объема,

- главный вал (11), связанный с активным элементом (6) и выполненный с возможностью вращательного движения вокруг оси,

- по меньшей мере один распределитель (10), работающий на впуске и на выпуске кожуха (5) и выполненный с возможностью выборочного открытия и закрытия упомянутых впуска и выпуска, чтобы обеспечить по меньшей мере одно состояние ввода, одно состояние расширения и одно состояние выпуска рабочей текучей среды из расширительной камеры (7),

по меньшей мере один генератор (12) электрической энергии, подсоединенный к главному валу (11),

отличающаяся тем, что распределитель (10) содержит по меньшей мере одно регулирующее устройство (14), выполненное с возможностью обеспечения изменения по меньшей мере одного из следующих параметров:

- продолжительности состояния ввода,

- максимального поперечного сечения прохода впуска (8).

2. Установка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит:

по меньшей мере один насос (13), помещенный в контур (2) и выполненный с возможностью придания рабочей текучей среде заданного направления циркуляции,

по меньшей мере один первый теплообменник (3), работающий в контуре (2) и расположенный после насоса (13) относительно направления циркуляции рабочей текучей среды, причем первый теплообменник (3) выполнен с возможностью приема на впуске рабочей текучей среды и приема тепла от горячего источника (Н) и обеспечения нагрева этой рабочей текучей среды до тех пор, пока не будет вызван ее переход из жидкого состояния в газообразное состояние,

причем объемный расширитель (4) подсоединен после первого теплообменника (3) относительно направления циркуляции рабочей текучей среды внутри контура (2) и выполнен с возможностью принятия на впуске рабочей текучей среды в газообразном состоянии, образованной в первом теплообменнике (3).

3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что регулирующее устройство (14) содержит по меньшей мере одну диафрагму (15), подвижную относительно впуска (8), для изменения максимального поперечного сечения и регулирования объемной скорости потока рабочей текучей среды, входящей в расширительную камеру (7), при наличии состояния ввода.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что распределитель (10) содержит:

корпус (24) распределителя, имеющий по меньшей мере одно посадочное место (25) корпуса, имеющее по существу цилиндрическую форму, при этом корпус (24) распределителя (10) дополнительно содержит по меньшей мере один первый и один второй проходы (26, 27) установленные, соответственно, для установления посадочного места (25) корпуса в сообщение по текучей среде с впуском (8) и с выпуском (9) расширительной камеры (7),

по меньшей мере один распределительный элемент (28), установленный с возможностью поворота внутри посадочного места (25) корпуса и содержащий:

- первый и второй каналы (29, 30),

- по меньшей мере одну первую и одну вторую полости (31, 32), расположенные на боковой стенке распределительного элемента и смещенные по углу одна по отношению к другой относительно оси вращения распределительного элемента (28), причем первая и вторая полости (31, 32) выполнены с возможностью соединения первого и второго каналов (29, 30) с сообщением по текучей среды, соответственно, с первым и со вторым проходами (26, 27),

при этом распределительный элемент (28), следуя повороту внутри посадочного места (25) корпуса, выполнен с возможностью выборочного определения состояний ввода, расширения и вывода объемного расширителя (4), причем диафрагма (15) устанавливается между первой полостью (31) распределительного элемента (28) и первым проходом (26) распределителя (10), при этом диафрагма (15) является подвижной относительно первого прохода (26), а именно - относительно впуска (8) для определения изменения упомянутого максимального поперечного сечения.

5. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что диафрагма (15) содержит полуцилиндрический рукав, расположенный между посадочным местом (25) корпуса и распределительным элементом (28), причем диафрагма (15) является вращательно подвижной вокруг оси вращения распределительного элемента (28), при этом диафрагма (15), следуя своему собственному угловому движению, определяет заданное количество степеней перекрытия впуска (8), причем каждая степень перекрытия определена отношением площади максимального поперечного сечения впуска (8) без диафрагмы (15) к этой же площади максимального поперечного сечения в присутствии диафрагмы (15), причем степень перекрытия составляет от 1 до 3, в частности, от 1 до 2, и более точно - от 1 до 1,5.

6. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что регулирующее устройство (14) содержит:

по меньшей мере один первый датчик (34) давления, работающий в контуре (2) и выполненный с возможностью формирования первого сигнала определения относительно по меньшей мере одного параметра давления рабочей текучей среды в газообразном состоянии, поступающей в объемный расширитель (4),

по меньшей мере один второй датчик (35) давления, работающий в контуре (2) и выполненный с возможностью формирования второго сигнала определения относительно по меньшей мере одного параметра давления рабочей текучей среды в жидком состоянии перед насосом (13), и

блок (33) управления, присоединенный к первому и второму датчикам (34, 35) и выполненный с возможностью:

- приема от первого и второго датчиков (34, 35) соответствующих первого и второго сигналов определения;

- обработки сигнала, полученного от первого и второго датчиков (34, 35), для определения давления рабочей текучей среды, соответственно, поступающей в объемный расширитель (4) и до насоса (13); и

- позиционирования диафрагмы (15) относительно впуска как функции по меньшей мере одной, предпочтительно - двух величин упомянутых давлений рабочей текучей среды.

7. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что регулирующее устройство (14) содержит по меньшей мере один первый толкатель (44), подсоединенный, с одной стороны, к концевому участку диафрагмы (15), а, с другой стороны, - к корпусу (24) распределителя, причем толкатель (44) выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса (14) распределителя для смещения диафрагмы (15) относительно впуска (8) во множество рабочих положений, причем регулирующий элемент (14) содержит по меньшей мере один второй толкатель (45), присоединенный, с одной стороны, к концевому участку диафрагмы (15), а, с другой стороны, - к корпусу (24) распределителя, при этом второй толкатель (45) помещен на противоположной стороне по отношению к диафрагме (15) по сравнению с первым толкателем и выполнен с возможностью, следуя за смещением последней, определения блокировочного положения диафрагмы (15) в заданном рабочем положении.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что каждый из первого и второго толкателей (44, 45) содержит по меньшей мере один винт, установленный таким образом, чтобы толкать диафрагму (15) на ее выступающем конце в соответствии с относительным вращением винта относительно корпуса (24) распределителя.

9. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из первого и второго толкателей (44, 45) содержит гидравлическое или пневматическое исполнительное устройство, подсоединенное к блоку (33) управления, причем блок (33) управления выполнен с возможностью отправки сигнала управления в исполнительное устройство для определения относительного смещения диафрагмы (15) относительно впуска (8).

10. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что объемный расширитель (4) содержит возвратно-поступательный расширитель, причем расширительная камера (7) имеет полое цилиндрическое гнездо (22), в то время как активный элемент (6) имеет поршень (23), ответный по форме по отношению к гнезду (22) расширительной камеры (7) и являющийся скользяще подвижным внутри последней, или

объемный расширитель (4) является вращательным объемным расширителем, при этом расширительная камера (7) имеет гнездо (22), имеющее эпитрохоидную форму с по меньшей мере двумя кулачками, а активный элемент (6) имеет поршень (23), являющийся поворотно подвижным внутри гнезда.

11. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере один второй теплообменник (16), работающий в контуре (2) и расположенный между расширителем (4) и насосом (13), причем второй теплообменник (16) установлен для сквозного приема рабочей текучей среды, выходящей из расширителя (4), при этом второй теплообменник (16) выполнен с возможностью сообщения с источником (С) холода и конденсации рабочей текучей среды до тех пор, пока она полностью не перейдет из газообразного состояния в жидкое состояние, причем установка содержит по меньшей мере один накопительный резервуар (17), работающий в контуре (2), расположенный между насосом (13) и вторым теплообменником (16), при этом накопительный резервуар (17) выполнен с возможностью размещения рабочей текучей среды в жидком состоянии, выходящей из второго теплообменника (16), и насос (13) подсоединен к накопительному резервуару (17) и предназначен для подачи рабочей текучей среды в жидком состоянии в направлении первого теплообменника (3).

12. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере один третий теплообменник (18), функционально работающий в контуре (2) до первого теплообменника (3) и предназначенный для сквозного приема рабочей текучей среды, причем третий теплообменник (16) дополнительно выполнен с возможностью приема тепла от горячего источника (Н) и предварительного нагрева рабочей текучей среды до того, как последняя будет введена в первый теплообменник.

13. Установка по п. 12, отличающаяся тем, что третий теплообменник (18) выполнен с возможностью предварительного нагрева рабочей текучей среды до насыщенного жидкого состояния, причем первый теплообменник (3) выполнен с возможностью приема рабочей текучей среды в насыщенном жидком состоянии и для подачи на выпуск рабочей текучей среды в насыщенном парообразном состоянии, при этом первый и третий теплообменники (3, 18) размещены сразу же и последовательно друг за другом в соответствии с направлением циркуляции рабочей текучей среды, причем первый и третий теплообменники (3, 18) выполнены с возможностью приема тепла от одного и того же горячего источника (Н), при этом установка (1) содержит нагревательный контур (19), проходящий между впуском (20) и выпуском (21), внутри которого находится по меньшей мере одна предназначенная для циркуляции нагревательная текучая среда от горячего источника (Н), причем первый и третий теплообменники (3, 18) являются функционально работающими в нагревательном контуре (19) и расположены между впуском (20) и выпуском (21) контура (19), при этом нагревательная текучая среда, циркулирующая от впуска (20) в направлении выпуска (21), последовательно протекает через первый и третий теплообменники (3, 18).

14. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, отличающийся тем, что:

выполняют установку по любому из предшествующих пунктов;

осуществляют циркуляцию рабочей текучей среды внутри контура (2);

нагревают посредством первого теплообменника (3) рабочую текучую среду, проходящую от последнего, до тех пор, пока эта текучая среда не будет испаряться и будет находиться в состоянии насыщенного пара;

расширяют рабочую текучую среду внутри объемного расширителя для перемещения активного элемента (6) внутри кожуха с последующим вращением главного вала (11) и выработки электрической энергии посредством генератора;

осуществляют конденсацию рабочей текучей среды, выходящей из объемного расширителя (4);

направляют конденсированную рабочую текучую среду в первый теплообменник (3),

при этом способ включает по меньшей мере один этап регулирования объемной скорости потока рабочей текучей среды, входящей в расширительную камеру (7), выполняемый регулирующим устройством (14) для изменения по меньшей мере одного из продолжительности состояния ввода и максимального поперечного сечения прохода впуска (8).

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что этап регулирования объемной скорости потока рабочей текучей среды включает этап относительного движения диафрагмы (15) для изменения максимального поперечного сечения прохода рабочей текучей среды, входящей в расширительную камеру (7).

16. Способ по п. 14 или 15, отличающийся тем, что этап регулирования включает по меньшей мере следующие подэтапы:

определение посредством блока (33) управления давления рабочей текучей среды в газообразном состоянии до расширителя (4);

определение посредством блока (33) управления давления рабочей текучей среды в жидком состоянии до насоса (13);

сравнение величины давления до расширителя (4) и/или до насоса (13) с соответствующей опорной величиной;

позиционирование диафрагмы (15) относительно впуска (8) в функции по меньшей мере одной, предпочтительно - двух из величин упомянутых давлений рабочей текучей среды.

17. Способ по п. 14, отличающийся тем, что этап нагрева рабочей текучей среды посредством первого теплообменника (3) обеспечивает доведение последней до температуры меньшей, чем 150°С, в частности - меньшей, чем 90°С, более точно - от 25°С до 85°С, причем этап направления текучей среды обеспечивает создание посредством насоса (13) скачка давления в рабочей текучей среды, составляющего от 4 до 30 бар, в частности - от 4 до 25 бар, и более точно - от 7 до 25 бар.

18. Способ по п. 14, отличающийся тем, что этап нагрева рабочей текучей среды включает в себя подэтап предварительного нагрева рабочей текучей среды посредством третьего теплообменника (18), прежде чем последняя будет введена в первый теплообменник (3), при этом этап предварительного нагрева доводит рабочую текучую среду до температуры, составляющей от 20°С до 100°С, в частности - от 20°С до 80°С, при этом этап нагрева позволяет удерживать последнюю в насыщенном жидком состоянии.