RS61465B1 - Toplotni motor sa poboljšanom dekompresijom tokom organskog rankinovog ciklusa - Google Patents

Toplotni motor sa poboljšanom dekompresijom tokom organskog rankinovog ciklusa

Info

Publication number
RS61465B1
RS61465B1 RS20210146A RSP20210146A RS61465B1 RS 61465 B1 RS61465 B1 RS 61465B1 RS 20210146 A RS20210146 A RS 20210146A RS P20210146 A RSP20210146 A RS P20210146A RS 61465 B1 RS61465 B1 RS 61465B1
Authority
RS
Serbia
Prior art keywords
refrigerant
pressure zone
organic
heat
positive displacement
Prior art date
Application number
RS20210146A
Other languages
English (en)
Inventor
Keith Sterling Johnson
Corey Jackson Newman
Original Assignee
Heat Source Energy Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heat Source Energy Corp filed Critical Heat Source Energy Corp
Publication of RS61465B1 publication Critical patent/RS61465B1/sr

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/04—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the fluid being in different phases, e.g. foamed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/08—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with working fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/26—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by steam
    • F01K3/262—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by steam by means of heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/34—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating
    • F01K7/36—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating the engines being of positive-displacement type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/14—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours using industrial or other waste gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

Opis
STANJE TEHNIKE
Oblast tehnike
[0001] Predmetni pronalazak se uopšteno odnosi na sisteme koji primenjuju organski Rankinov ciklus.
Istorija stanja tehnike
[0002] Rankinov ciklus je termodinamički ciklus koji toplotu pretvara u rad. Toplota se dovodi spolja do zatvorene petlje koja, obično, koristi vodu kao radni fluid. Ovaj ciklus generiše oko 80% ukupne količine električne energije koja se koristi širom sveta, a koriste je gotovo sve solarne elektrane, elektrane na biomasu, ugalj i nuklearne elektrane. Ime je dobio po Vilijamu Džon Makorn Rankinu (William John Macquorn Rankine), škotskom inženjeru i fizičaru (05.06.1820. - 24.12.1872.). Vilijam Tomson (William Thomson - Lord Kelvin) i Rudolf Klausijus (Rudolph Clausius) su dali fundamentalni doprinos oblasti termodinamike. Rankin je razvio kompletnu teoriju parne mašine i, zaista, svih toplotnih mašina. Njegovi priručnici za inženjersku nauku i praksu su se koristili decenijama nakon objavljivanja 1850-ih i 1860-ih. Od 1840-te godine nadalje je objavio nekoliko stotina radova i beleški o naučnim i inženjerskim temama, a njegova interesovanja bila su izuzetno različita, uključujući, u mladosti, botaniku, teoriju muzike i teoriju brojeva, i, u zrelim godinama, većinu glavnih grana nauke, matematiku i inženjering. Rankinov ciklus opisuje model parom pokretano toplotnog motora koji se najčešće nalazi u postrojenjima za proizvodnju električne energije. Sagorevanje uglja, prirodnog gasa i nafte, kao i nuklearna fisija, obično daju toplotu za elektrane koje koriste Rankinov ciklus. Sistemi koji primenjuju Rankinov ciklus uobičajeno transformišu toplotnu energiju u električnu.
Konvencionalni sistem za proizvodnju energije primenom Rankinovog ciklusa koristi sledeća četiri osnovna koraka: (1) za pretvaranje vode u paru, u kotlu se koristi toplotna energija; (2) para se šalje kroz turbinu koja zauzvrat pokreće električni generator; (3) para se kondenzuje nazad u vodu predajom preostale toplotne energije iz pare u okolinu; i (4) kondenzat se pumpa nazad do kotla. U idealnom Rankinovom ciklusu ekspanzija je izentropna, a procesi isparavanja i kondenzacije su izobarni. Ipak, prisustvo nepovratnosti u stvarnom svetu smanjuje efikasnost ciklusa. Te nepovratnosti se prvenstveno mogu pripisati dvoma faktorima.
[0003] Prvi je da se tokom širenja gasa samo deo energije koja se može povratiti iz razlike pritisaka transformiše u koristan rad. Drugi deo se pretvara u toplotu i gubi se. Efikasnost ekspanzionog suda (ili ekspandera) je navedena kao procenat rada koji bi se izveo teoretskim izentropskim širenjem, u kome bi entropija ostala konstantna. Drugi uzrok je neefikasnost izmenjivača toplote prouzrokovana padovima pritiska povezanim sa dugim i krivudavim putevima koji osiguravaju dobru razmenu toplote, ali smanjuju snagu koja se može povratiti iz ciklusa.
[0004] Efikasnost Rankinovog ciklusa je funkcija fizičkih svojstava radnog fluida. Bez pritiska koji dostiže super kritične nivoe za radni fluid, opseg temperatura u kome ciklus može da funkcioniše je prilično mali: temperature na ulazu u turbinu su uobičajeno 565°C (granica puzanja nerđajućeg čelika), dok su temperature kondenzatora oko 30°C. Ovo daje teoretsku Karnoovu efikasnost od oko 63% u poređenju sa stvarnom efikasnošću od 42% za moderne termoelektrane koje koriste ugalj. Ova niska ulazna temperatura turbine (u poređenju sa gasnom turbinom sa unutrašnjim sagorevanjem) je razlog zašto se Rankinov ciklus često koristi kao donji ciklus u postrojenjima za proizvodnju energije sa gasnom turbinom koja primenjuju kombinovani ciklus. Radni fluid u Rankinovom ciklusu prati zatvorenu petlju i ponovo se koristi neprekidno. Iako se mnogi radni fluidi mogu koristiti i bili su korišćeni u Rankinovom ciklusu, voda je uglavnom fluid po izboru, jer je obilna, jeftina, netoksična, generalno ne-reaktivna i poseduje povoljna termodinamička svojstva. Organski Rankinovi ciklusi su razvijeni kako bi omogućili povraćaj energije iz izvora na nižim temperaturama, kao što su industrijska otpadna toplota, geotermalna toplota, solarni bazeni i slično. Organski Rankinov ciklus (ORC) je dobio ime zbog upotrebe organske tečnosti sa velikom molekulskom masom koja prolazi kroz promenu faze iz tečnosti u paru, odnosno čija se tačka ključanja javlja na nižoj temperaturi u odnosu na promenu faze iz vode u paru. Koristeći ORC toplota na niskim temperaturama se može pretvoriti u koristan rad koji se, na primer, može iskoristiti za proizvodnju električne energije. Prototip ORC sistema za proizvodnju energije su prvi put razvili i prikazali 1961-ve godine izraelski solarni inženjeri Hari Zvi Tabor (Harry Zvi Tabor) i Lucijen Bronicki (Lucien Bronicki).
[0005] Organska tehnologija Rankinovog ciklusa ima mnogo mogućih primena. Među njima su najrasprostranjenija i najperspektivnija sledeća polja: [1]: Povraćaj otpadne toplote je najvažnije polje razvoja za ORC. Može se primeniti na postrojenja za proizvodnju toplote i energije, ili na industrijske i poljoprivredne procese kao što su fermentacija organskih proizvoda, vrući izduvni gasovi iz peći ili kotlova, kondenzacija dimnih gasova, izduvni gasovi iz vozila, među-hlađenje kompresora i kondenzatori ciklusa snage.
Biomasa je dostupna u celom svetu i može se koristiti za proizvodnju električne energije u malim do srednje velikim elektranama. Problem visokih specifičnih investicionih troškova za mašine poput parnih kotlova, prevazilaze se usled niskog radnog pritiska u ORC elektranama. ORC proces takođe pomaže u prevazilaženju relativno male količine ulaznog goriva dostupnog u mnogim regionima, jer je efikasna ORC elektrana moguća za manja proizvodna postrojenja.
[0006] Geotermički izvori toplote variraju u temperaturi od 50°C do 350°C. Zbog toga je ORC jedinstveno pogodan za ovu vrstu primene. Ipak, važno je imati na umu da je za nisko-temperaturne geotermalne izvore (obično sa temperaturama manjim od 100°C) efikasnost vrlo niska i veoma zavisi od temperature hladnjaka, što je uobičajeno temperatura okoline.
[0007] ORC se takođe može koristiti u tehnologiji solarnog paraboličnog korita umesto uobičajenog parnog Rankin-ovog ciklusa. ORC omogućava nižu temperaturu kolektora, bolju efikasnost sakupljanja (smanjeni ambijentalni gubici) i zbog toga mogućnost smanjenja veličine solarnog polja.
[0008] Izbor odgovarajućeg radnog fluida je od kritične važnosti u niskotemperaturnim Rankinovim ciklusima. Neefikasnost prenosa toplote je veoma štetna zbog niske temperature. Ove neefikasnosti veoma snažno zavise od termodinamičkih karakteristika fluida i od uslova rada. Kako bi se energija povratila iz izvora toplote niske klase, radni fluid mora imati nižu temperaturu ključanja od vode. Rashladni fluidi i ugljovodonici su dve najčešće korišćene komponente. Za razliku od vode, organske tečnosti obično trpe hemijsku degradaciju i razlažu se na visokim temperaturama. Zbog toga je maksimalna temperatura izvora toplote ograničena hemijskom stabilnošću radnog fluida. Pored toga, tačka smrzavanja treba da bude niža od najniže temperature u ciklusu. Tečnost sa visokom latentnom toplotom i gustinom apsorbuje više energije iz izvora u isparivaču i na taj način smanjuje potrebnu brzinu protoka, veličinu postrojenja i potrošnju energije pumpe. Druge važne karakteristike organske radne tečnosti su te da je njen potencijal za oštećenje ozonskog omotača i globalno zagrevanje mali, da nije korozivna, da je nezapaljiva i netoksična, pored toga što je lako dostupna i po razumnoj ceni.
[0009] 29. Maja 2008. godine kompanija ElectraTherm Inc. iz Karson Sitija (Carson City), Nevada, SAD, najavila je uspešnu instalaciju svog prvog komercijalnog generatora otpadne toplote na „Southern Methodist“ Univerzitetu u Dalasu, Teksas. Generator, nazvan „Zelena Mašina“, proizvodi električnu energiju od zaostale industrijske toplote koja je do sada išla u otpad. Američko ministarstvo energetike je izvestilo da raspoloživih sedam kvadriliona Btu izvora otpadne toplote premašuje trenutnu proizvodnju svih ostalih američkih obnovljivih izvora energije zajedno. To uključuje proizvodnju energije u hidroelektranama, na drvo, biogoriva, geotermalnu energiju, vetar i solarne fotonaponske sisteme. Sa skalabilnom snagom od 50kW do 500kW i periodom povraćaja investicije bez subvencija kraćim od tri godine, delo kompanije ElectraTherm ima potencijal da značajno proširi proizvodnju električne energije pri vrlo niskim troškovima u svakoj elektrani na fosilna goriva bez sagorevanja dodatne nafte, gasa ili uglja, i bez daljeg zagađenja ili škodljivosti po životnu sredinu. Iz tečnosti čija je temperatura niska čak do 93 stepeni C, proces izdvaja toplotu za pokretanje dvostrukog ekspandera koji je povezan sa generatorom. Kompanijin dvostruki ekspander, čija je cena otprilike desetina cene turbine, koji funkcioniše bez skupih prenosnih kutija i elektronike, koji radi brzinom od jedne desetine brzine turbine i sa znatno manjim trenjem od turbine i koji koristi proces podmazivanja bez potrebe za postojanjem tradicionalne pumpe za ulje, rezervoara za ulje, vodova za ulje i filtera za ulje, omogućava Zelenoj Mašini da proizvodi električnu energiju po ceni od 0,03 do 0,04 USD po kW/č tokom perioda povraćaja investicije i za manje od 0,01 USD po kW/č nakon toga. Iako je američka patentna prijava br. 11/407.555 pod nazivom „Generator sa povraćajem otpadne toplote“, koja pokriva postupak rada generatora i uređaj, podneta 19. Aprila 2006. godine od strane pronalazača Ričarda K. Langsona (Richard K. Langson) i sa datumom prioriteta na osnovu podnošenja privremene patentne prijave br.
60/673.543, konačno odbijena zbog očiglednosti, 30. Decembra 2007. je Langson takođe naknadno podneo srodnu prijavu pod nazivom „Mešač snage“ koja pokriva određene aspekte pronalaska, za koju je dat američki patent br.7.637.108.
[0010] Dokument US 2011/167818 A1 se bavi problemom nemogućnosti ubrizgavanja rashladnog sredstva iz kola za premošćavanje u Rankinov ciklus u slučaju manjka količine rashladnog sredstva prilikom započinjanja Rankinovog ciklusa, što je posledica toga što se razlika pritiska ne javlja na pumpi za rashladno sredstvo, a usled čega nije moguće kontrolisati stepen super-hlađenja. Obezbeđen je sistem za rekuperaciju izduvne toplote koji može da podesi stepen super-hlađenja čak i u slučaju kada se razlika u pritisku ne javlja na pumpi za rashladno sredstvo. Sistem sadrži rezervoar za rashladno sredstvo, namenjen za skladištenje rashladnog sredstva, koji je cevima povezan sa stranom kola niskog pritiska i sa stranom kola visokog pritiska Rankinovog ciklusa pomoću ventila na strani niskog pritiska i ventila na strani visokog pritiska, respektivno, i regulator temperature za podešavanje unutrašnje temperature rezervoara za rashladno sredstvo.
[0011] Dokument DE102010 022408 A1 opisuje postupak za upravljanje procesom parnog ciklusa koji se izvodi u uređaju koji ima isparivač ili generator pare namenjen za isparavanje tečnog radnog medijuma i podmazivani ekspander namenjen za izvođenje mehaničkog rada. Postupak se sastoji od a) dovođenja tečnog radnog medijuma u isparivač, u kome se medijum isparava i dovodi u ekspander u obliku pare; b) dovođenja jonizovane tečnosti, koja na sobnoj temperaturi sa tečnim radnim medijumom formira dve tečne faze, do ekspandera kao maziva; i c) odvajanje jonizovane tečnosti koja predstavlja mazivo za ekspander od radnog medijima uzvodno od isparivača.
[0012] Dokument WO 2011/012047 A1 opisuje termički sistem sa više ciklusa za proizvodnju električne energije. Prvi ciklus je Rankinov ciklus u kome se voda koristi kao radni medijum. Radni medijum sa niskom tačkom ključanja se koristi kao radni medijum u drugom ciklusu. Vodena para koja je izvršila rad kondenzuje se u vodu pomoću radnog medijuma sa niskom tačkom ključanja koji apsorbuje toplotu kako bi se proširio radi generisanja rada i stvaranja snage. Sistem takođe može da sadrži i treći ciklus koji koristi treći medijum, koji je supstanca sa nižom tačkom ključanja.
IZLAGANJE SUŠTINE PRONALASKA
[0013] Pronalazak koji je detaljno definisan Zahtevom 1 se odnosi na toplotni motor koji primenjuje organski Rankinov ciklus koji sadrži organsko rashladno sredstvo koje ispoljava atmosfersku tačku ključanja ispod -35 stepeni Celzijusa; hladnjak; zaptivenu, zatvorenu putanju u obliku petlje za organsko rashladno sredstvo koja ima i zonu visokog pritiska koja apsorbuje toplotu iz izvora tople vode sa temperaturom manjom od 82 stepena Celzijusa i koja sadrži prvi deo organskog rashladnog sredstva u najmanje gasovitoj fazi, i zonu niskog pritiska koja prenosi toplotu na hladnjak i koja sadrži drugi deo organskog rashladnog sredstva u najmanje tečnoj fazi; dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem koji obezbeđuje gradijent pritiska kroz koji organsko sredstvo za hlađenje u gasovitoj fazi neprekidno teče iz zone visokog pritiska u zonu niskog pritiska, gde dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem održava razliku u pritisku između zone visokog pritiska i zone niskog pritiska između oko 20 bara i oko 42 bara, gde dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem izvlači mehaničku energiju usled gradijenta pritiska; električni generator povezan sa dekompresorom sa pozitivnim izmeštanjem koji pretvara ekstrahovanu mehaničku energiju u električnu; hidrauličku pumpu sa pozitivnim izmeštanjem za obezbeđivanje kontinuiranog protoka organskog rashladnog sredstva u tečnoj fazi iz zone niskog pritiska u zonu visokog pritiska i vertikalno orijentisani rezervoar za rashladno sredstvo sa sužavajućom i nadole smanjujućom površinom poprečnog preseka, gde je rezervoar za rashladno sredstvo konfigurisan da gravitacijom osigurava maksimalnu gustinu organskog rashladnog sredstva u tečnoj fazi dok organsko rashladno sredstvo ulazi u hidrauličku pumpu sa pozitivnim izmeštanjem.
[0014] Takođe je opisan, ali ne predstavlja deo pronalaska, i toplotni motor koji koristi organski Rankinov ciklus koji sadrži: organsko rashladno sredstvo koje ispoljava atmosfersku tačku ključanja ispod -35 stepeni Celzijusa; hladnjak; zaptivenu, zatvorenu putanju u obliku petlje za organsko rashladno sredstvo koja ima i zonu visokog pritiska koja apsorbuje toplotu iz izvora tople vode sa temperaturom manjom od 82 stepena Celzijusa i koja sadrži prvi deo organskog rashladnog sredstva u najmanje gasovitoj fazi, i zonu niskog pritiska koja prenosi toplotu na hladnjak i koja sadrži drugi deo organskog rashladnog sredstva u najmanje tečnoj fazi; dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem koji obezbeđuje gradijent pritiska kroz koji organsko sredstvo za hlađenje u gasovitoj fazi neprekidno teče iz zone visokog pritiska u zonu niskog pritiska, gde dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem održava razliku u pritisku između zone visokog pritiska i zone niskog pritiska između oko 20 bara i oko 42 bara, gde dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem izvlači mehaničku energiju usled gradijenta pritiska; električni generator povezan sa dekompresorom sa pozitivnim izmeštanjem koji pretvara ekstrahovanu mehaničku energiju u električnu; i hidrauličku pumpu sa pozitivnim izmeštanjem za obezbeđivanje kontinuiranog protoka organskog rashladnog sredstva u tečnoj fazi iz zone niskog pritiska u zonu visokog pritiska, gde se zona visokog pritiska sastoji od vertikalno orijentisanog cevastog izmenjivača toplote koji ima ulaz za vodu iz izvora tople vode u svojem gornjem delu i izlaz za vodu iz izvora tople vode u svojem donjem delu, ulaz za organsko rashladno sredstvo u gasovitoj fazi u donjem delu i izlaz za organsko rashladno sredstvo u gasovitoj fazi u svojem gornjem delu, gde organsko rashladno sredstvo u gasovitoj fazi izlazeći iz vertikalno orijentisanog cevastog izmenjivača toplote direktno ulazi u ulazni dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem, gde vertikalno orijentisani cevasti izmenjivač toplote stvara temperaturni gradijent potpomognut gravitacijom, pri čemu temperaturni gradijent osigurava da organsko rashladno sredstvo u gasovitoj fazi koje napušta cevasti izmenjivač toplote apsorbuje maksimalnu količinu toplote iz izvora tople vode i postiže minimalnu gustinu.
[0015] Toplotni motor sa poboljšanom dekompresijom koji koristi Rankinov ciklus sa dve višefazne zone diferencijalnog pritiska odvojene dekompresorima sa pozitivnim izmeštanjem i hidrauličkom pumpom sa pozitivnim izmeštanjem. Pozitivni dekompresor dekompresuje zagrejano organsko rashladno sredstvo iz stanja pare visokog pritiska u stanje pare nižeg pritiska, stvarajući tako mehanički rad. Dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem dostiže svoj maksimalni potencijal snage kada se pritisak otpušta kontinuiranim protokom bez klipova ili ventila koji bi ometali protok.
[0016] Iako se odnosi na konvencionalni organski Rankinov ciklus (ORC), toplotni motor sa poboljšanom dekompresijom koji primenjuje organski Rankinov ciklus se razlikuje jer se fokusira prvenstveno na energiju dobijenu iz energije diferencijalnog pritiska (Delta P), pre nego na konvencionalni ORC fokus koji je na protoku mase velikom brzinom kroz ekspander sa visokim Delta T.
[0017] Poboljšani toplotni motor koristi se prvenstveno za proizvodnju električne energije iz izvora toplote koji ima temperaturu manju od 82 stepena Celzijusa. Pošto do sada energija nije mogla biti na ekonomski isplativ način ekstrahovana iz takvih izvora toplote, ono su uglavnom bili ignorisani. Izvor toplote može varirati od niskotemperaturnih prirodnih geotermalnih izvora poput izvora tople vode, izvora otpadne toplote od generatora metana, proizvodnje ili bilo kog dostupnog izvora toplote ili otpadne toplote.
[0018] Poboljšani toplotni motor ima sposobnost da uhvati veoma nisku toplotnu energiju koja je poprilično raspoloživa (ispod 82 stepeni Celzijusa) i da tu energiju prevede u električnu energiju efikasnije od trenutno dostupne tehnologije. Takva energija se ekstrahuje korišćenjem rashladnog sredstva sa vrlo niskom tačkom ključanja (kao što je R410a koji ključa na približno -51 stepeni C) i pretvaranjem visokog diferencijalnog pritiska od oko 20 do 42 bara u proizvodnju električne energije pomoću dekompresora sa pozitivnim izmeštanjem.
[0019] Izvori hlađenja formiraju zonu niskog pritiska u poboljšanom toplotnom motoru potapanjem toplote u obilne hladne i vodene tokove, ili čak u ambijentalni vazduh. Mnogi dostupni izvori niže toplote i hlađenja se mogu koristiti od strane toplotnog motora kao nikada do sada, omogućavajući svetu da ima čistiju obnovljivu energiju.
[0020] Sledi kratko poređenje konvencionalnog organskog Rankinovog ciklusa (ORC) sa toplotnim motorom sa poboljšanom dekompresijom. Konvencionalni ORC je ciklus koji koristi izvor toplote i izvor hlađenja za pogon tipa toplotnog motora radi proizvodnje mehaničkog rada na datoj Delta T. Zbog zahteva ORC za velikim protokom mase, ograničen je u primeni radne tečnosti/rashladnog sredstva. Konvencionalni ORC koristi promenu parne faze velike brzine u radnom fluidu pri relativno niskom pritisku za proizvodnju mehaničkog rada. Na tipičnoj ORC niskoj temperaturi toplote (oko 93°C do oko 149°C) R245a će „treperiti“ ili prolaziti kroz promenu parne faze i vratiti se u tečnu fazu na temperaturi koja je blizu temperature okoline (približno 21°C). Tokom ove fazne promene, razlika pritiska se kreće od približno 0,69 bara do 1,38 bara na oko 12,8°C do 21°C na hladnoj strani i približno 10,9 bara do 13,8 bara na oko 93°C do 149°C na toploj strani. Sila za postizanje mehaničkog rada je velika brzina protoka/CFM mase pare pre ekspandera/pokretača na približno 6,9 bara do 13,8 bara. Takav relativno nizak pritisak pri visokom CFM postiže mehanički rad iz ORC toplotnog motora. Radni fluid u ORC mora proticati velikom brzinom kroz proces razmene toplote kako bi prenosio toplotu na i iz rashladnog fluida/radne tečnosti sa velikim protokom, što zahteva značajne performanse konverzije BTU u KW. Glavni pokretač u ORC je dizajniran da pruži otpor sili velike mase pare koja protiče velikom brzinom, ali u pitanju nije pozitivno izmeštanje jer primarni pokretač pozitivnog izmeštanja može kompresovati paru u tečnost na svom ulazu i usporiti pokretač. Slično lopaticama vetro-generatora, brzina vetra mora proći pored lopatice/pokretača kako bi obezbedila dovoljan otpor radi rotiranja lopatice/pokretača. ORC pokretači/ekspanderi omogućavaju da se para efikasno širi kroz lopatice radnog kola kako bi zahvatila dovoljno CFM snage pri niskom pritisku radi postizanja mehaničkog rada. ORC najbolje radi pri što je moguće većoj temperaturnoj razlici (veliko Delta T).
[0021] Poboljšani toplotni motor povezan je sa konvencionalnim ORC u tome što prvi koristi izvor toplote i izvor hlađenja za pogon tipa toplotnog motora za proizvodnju mehaničkog rada. Iako su dva ciklusa povezana, poboljšani toplotni motor se razlikuje na jedinstven način. Dekompresor za poboljšani toplotni motor je uređaj sa pozitivnim izmeštanjem i koristi princip manjeg protoka/CFM višeg pritiska. Kao primer, pregrejana para visokog pritiska (radna tečnost) na pritisku od približno 41,4 bara pri 65,6°C koja ulazi u primarni pokretač sa pozitivnim izmeštanjem, dekompresovaće se na približno 13,8 bara pri 21°C u paru nižeg pritiska i pretvoriti energiju diferencijalnog pritiska od 27,6 bara (Delta P) u mehanički rad. Ova funkcija diferencijalnog pritiska energije slična je kompresoru rashladnog sredstva koji radi unazad. Dok kompresoru koji može da pokreće 105 kW toplote može biti potreban 62 kW elektromotor za kompresovanje rashladnog sredstva u paru visokog pritiska od 41,4 bara na 65,6°C, poboljšani toplotni motor može proizvesti više od 62 kW snage kada zagrejano kompresovano rashladno sredstvo visokog pritiska na temperaturi od
1
65,6°C pokreće proces kompresora u suprotnom smeru. Otpadna toplotna energija je, na primer, energetska sila koja pokreće obrnuti proces kompresora radi proizvodnje električne energije, a ne električna energija koja sabija hladnu paru/gas u vrelu paru/gas.
POBOLJŠANI ORC U ODNOSU NA TIPIČNI ORC
[0022] Fokusiranjem na energiju diferencijalnog pritiska (Delta P) kada se koriste rashladni fluidi sa visokim pritiskom i sa vrlo niskom tačkom ključanja, manje Delta T se može koristiti za postizanje ekvivalentnog diferencijalnog pritiska (Delta P). Energija koja se može izvući upotrebom poboljšanog ORC sa razlikom pritiska od 27,6 bara mnogo je veća od energije koja se može izvući pomoću konvencionalnog ORC sa razlikom u energetskom pritisku od 9,65 bara.
ORC Rashladno sredstvo R245fa, Temperatura-Pritisak Delta T i Delta P
21°C = 1,2 bara 93°C = 10,9 bara
Delta T od 72°C = Delta P od 9,7 bara energije
HEDC Rashladno sredstvo R407c Temperatura-Pritisak Delta T i Delta P
21°C = 9,6 bara 78°C = 37,5 bara
Delta T od 57°C = Delta P od 27,9 bara energije
HEDC Rashladno sredstvo R410a Temperatura-Pritisak Delta T i Delta P
21°C = 13,8 bara 66°C = 41,4 bara
Delta T od 45°C = Delta P od 27,6 bara energije
HEDC Rashladno sredstvo CO2 Temperatura-Pritisak Delta T i Delta P
20°C = 57,4 bara 38°C = 85,4 bara
Delta T od 18°C = Delta P od 28,0 bara energije
KRATAK OPIS SLIKA NACRTA
[0023] Slika 1 je šematski dijagram toplotnog motora sa poboljšanom dekompresijom koji primenjuje organski Rankinov ciklus.
DETALJAN OPIS POŽELJNOG IZVOĐENJA
[0024] Pronalazak će sada biti opisan uz pozivanje na Sliku 1 koja prikazuje redni raspored opreme potrebne za implementaciju toplotnog motora 100 sa poboljšanom dekompresijom koji primenjuje organski Rankinov ciklus. Poboljšani toplotni motor 100, koji primenjuje visoko-specijalizovan Rankinov ciklus, obezbeđuje zaptivenu, zatvorenu putanju u obliku petlje za organsko rashladno sredstvo 101 čija je temperatura ključanja ispod -35 stepeni Celzijusa. Elementi zatvorene putanje u obliku petlje će biti pobrojani ispod. Poboljšani toplotni motor 100 takođe sadrži izvor toplote 103 niskog-nivoa koji ima temperaturu manju od 82 stepena Celzijusa. Gotovo u svim slučajevima je poželjno da izvor 103 toplog fluida bude izvor tople vode, kako je time omogućen brz prenos toplote usled visoke specifične toplote vode (1 kalorija/gram°C = 4,186 džula/gram°C), što je veće u odnosi na bilo koju drugu opštu supstancu. Takvi izvori toplote niskog nivoa su široko raspoloživi. Oni mogu biti, na primer, geotermalna voda, rashladna voda iz nuklearnih reaktora ili industrijskih procesa kao i mnogi drugi izvori koji su do sad smatrani da imaju isuviše nisku temperaturu kako bi bili korisni za primenu u procesu povraćaja toplote. Takođe je sigurno moguće zamisliti da izvor 103 toplog fluida budu vreli gasovi. Ipak, takav scenario bi zahteva znatno veći izmenjivač toplote nego što je to slučaj sa izvorom tople vode.
[0025] Primarna razlika između poboljšanog toplotnog motora 100 prema predmetnom pronalasku i prethodno opisanih toplotnih motora koji koriste konvencionalne organske Rankinove cikluse je primena, kod ovog motora, organskih rashladnih fluida sa vrlo niskom molekularnom težinom i vrlo niskim tačkama ključanja. U suštini, poboljšani toplotni motor 100 je efikasan zbog svoje sposobnosti da održi relativno visoku razliku pritiska između od oko 20 do 42 bara na suprotnim stranama visoko efikasnog dekompresora 105 sa pozitivnim izmeštanjem. Iako se za trenutno poželjno izvođenje poboljšanog toplotnog motora 100 koristi orbitalni spiralni dekompresor proizvođača Danfoss iz Danske, takođe se mogu koristiti i orbitalni spiralni kompresori (modifikovani za upotrebu kao dekompresori) drugih proizvođača poput Trane, Copeland, Emerson Electric i Bristol. Pored toga, druge vrste dekompresora sa pozitivnim izmeštanjem mogu biti zamenjene dekompresorima sa orbitalnim izmeštanjem. Na primer, Roots-ove pumpe, pumpe sa zvezdastim rotorom i pumpe sa dvostrukim rotirajućim klipovima mogu gotovo sigurno uspešno koristiti. U svakom slučaju, upotreba visokoefikasnog dekompresora 105 sa pozitivnim izmeštanjem omogućava da se poboljšani toplotni motor 100 koristi za proizvodnju električne energije iz izvora toplote niskog nivoa koji su do sada bili zanemarivani. Poboljšani toplotni motor 100 takođe sadrži hladnjak 107 koji se nalazi na temperaturi koja je manja od ili jednaka temperaturi okoline. Iako je hladnjak 107 u idealnom slučaju izvor tečne hladne vode, poput bunara ili bare koja se nalazi temperaturi nižoj od temperature okoline, može se upotrebiti i hladnjak koji koristi ambijentalni vazduh ali uz rezultujući pad efikasnosti toplotnog motora 100.
[0026] Sledeća komponenta poboljšanog toplotnog motora 100 koja je presudna za održavanje razlike pritiska između oko od 20 do 42 bara na suprotnim stranama dekompresora je hidraulička pumpa 109 sa pozitivnim izmeštanjem. Jedina funkcija hidrauličke pumpe 109, kojom upravlja prvi elektromotor 111, jeste da prenosi rashladno sredstvo 101 u tečnom stanju iz zone niskog pritiska u zonu visokog pritiska. U svojoj funkciji hidraulička pumpa 109 mora da pomera tečno rashladno sredstvo uz istovremeno praćenje pritiska u zoni visokog pritiska. Od izlaznog priključka 113 hidrauličke pumpe 109 do usisnog otvora 115 dekompresora 105, organsko rashladno sredstvo 101 putuje u zonu visokog pritiska toplotnog motora 100. Slično, od izduvnih otvora 117 dekompresora 105 do ulaznog priključka 119 hidrauličke pumpe 109, organsko rashladno sredstvo 101 putuje u zoni niskog pritiska toplotnog motora 100. U cilju pojašnjenja, potrebno je napomenuti da strelice u blizini spoljašnjih ivica pravougaonog bloka koji predstavlja dekompresor 105 simbolizuju izduvne otvore, kao i njihov relativni položaj i smer. Potrebno je primetiti da su izduvni otvori 117 prekriveni prvim poroznim separatorom 121 ulja.
[0027] I dalje se pozivajući na Sliku 1, iz izlaznog priključka 113 hidrauličke pumpe 109, organsko rashladno sredstvo 101, koje je uglavnom u tečnom stanju, ulazi u ekscentrično oblikovani rezervoar 123 za hladno rashladno sredstvo pod pritiskom. Zbog oblika rezervoara 123 za hladno rashladno sredstvo, dovoljna količina pare rashladnog sredstva ostaje zarobljena u rezervoaru 123 tako da on može služiti i kao prigušivač pulsiranja radi ublažavanja efekta tečnog čekića prilikom prenošenja rashladnog fluida iz zone niskog pritiska u zonu visokog pritiska od strane hidrauličke pumpa. Iz rezervoara 123, rashladno sredstvo protiče kroz nepovratni ventil 125 na putu do izmenjivača toplote 127 za zagrevanje rashladnog sredstva. Iz izmenjivača toplote 127 za zagrevanje rashladnog sredstva, rashladno sredstvo teče do pojačivača 129 pare visokog pritiska, koji je u osnovi vertikalno orijentisani, cevasti
1
izmenjivač toplote sa rebrima. Potrebno je naglasiti da topla voda iz izvora 103 tople vode ulazi pri vrhu pojačivača 129 pare visokog pritiska kroz ulazni otvor 131 za toplu vodu i izlazi blizu njegovog dna kroz izlazni otvor 133 za toplu vodu, dok rashladno sredstvo ulazi pri dnu pojačivača 129 pare visokog pritiska i izlazi na njegovom vrhu. Pojačivač pare visokog pritiska osigurava da se rashladno sredstvo 101 pri prolasku kroz njega dovede do stanja pregrejane pare, i da u tom stanju putuje do ulaznog otvora 115 dekompresora 105. Cevovod 139 je dimenzionisan tako da zadrži ovo stanje pare visokog pritiska. Nakon što topla voda iz izvora toplote 103 napusti izlazni otvor 133, ona se cevovodom dovodi do ulaza 135 za toplu vodu koji se nalazi pri vrhu izmenjivača toplote 127 za zagrevanje rashladnog sredstva. Nakon prenosa toplote u organsko rashladno sredstvo, ono napušta izmenjivač toplote 127 za zagrevanje rashladnog sredstva kroz izlazni otvor 137 za toplu vodu. Prvi pokretački ventil 141 služi kao ventil za smanjenje pritiska za pregrejanu paru rashladnog sredstva koja napušta pojačivač 129 pare visokog pritiska. U takvoj funkciji ograničavanja pritiska, prvi pokretački ventil 141 usmerava višak toplote u zonu niskog pritiska, a takođe služi i kao ventil za premošćivanje za rad pre i nakon pokretanja. Drugi pokretački ventil 143 kontroliše pritisak pregrejane pare rashladnog sredstva koja ulazi u dekompresor 105.
[0028] I dalje se pozivajući na Sliku 1, dekompresor 105 se nalazi unutar omotača 145 glavnog pokretača koji takođe sadrži i visoko efikasni generator 147 koji je mehanički povezan sa dekompresorom 105 sa pozitivnim izmeštanjem. Ulje 149 za podmazivanje se nalazi u rezervoaru 151 koji je od generatora 147 odvojen toplotnim štitnikom 153 koji u sebi ima nekoliko malih otvora koji omogućavaju odvođenje ulja u rezervoar 151. Ulje za podmazivanje koje se nalazi u rezervoaru 151 zagreva se petljom 153 tople vode koja započinje kod ulaznog priključka 131 za toplu vodu pojačivača 129 pare visokog pritiska, a završava se kod izlaznog priključka 137 za toplu vodu izmenjivača toplote 127 za zagrevanje rashladnog sredstva. Temperatura ulja za podmazivanje u rezervoaru 151 se kontroliše pomoću termostata 155 i solenoida 157 za kontrolu protoka. Ulje 149 za podmazivanje se cirkuliše pomoću uljne pumpe 159 koju pokreće drugi elektromotor 161, tako da se ulje ubrizgava u dovodni otvor 115 dekompresora 105. Primarne funkcije ulja 149 za podmazivanje su podmazivanje i asistiranje pri zaptivanju malih praznina koje postoje između statičkog i orbitalnog elementa dekompresora 105, čime se povećava efikasnost dekompresora 105. Alternativno, ulje 149 za podmazivanje se može cirkulirati pomoću unutrašnje pumpe za ulje koja se nalazi unutar pogonske osovine dekompresora 105 sa pozitivnim pomakom. Nakon što je para rashladnog sredstva ispuštena kroz izduvne otvore 117 dekompresora 105, ona ulazi u zonu niskog pritiska i prolazi kroz prvi porozni separator 121 ulja, koji uklanja većinu ulja za podmazivanje iz pare rashladnog sredstva. Uklonjeno ulje prolazi kroz otvore 163 izvedene u prstenu 165 gasne barijere, a zatim se odvodi kroz toplotni štitnik 153 u rezervoar 151 za ulje. Para rashladnog sredstva zatim ulazi u izduvnu cev 167 i putuje u ekspanzionu komoru 169 koja sadrži drugi porozni separator 171 ulja. Ulje uklonjeno iz pare rashladnog sredstva separatorom 171 ulja se vraća pomoću gravitacije u rezervoar 151 za ulje kroz povratnu cev 173. Treba napomenuti da ekspanziona komora 169 ima izlaznu cev 174 koja se proteže u kućište 175 komore, čime otežava izlazak ulja iz ekspanzione komore 169 duž normalnog izlaznog puta rashladnog sredstva. Hlađenje generatora 147, zajedno sa izjednačavanjem pritiska za omotač 145 primarnog pokretača, postiže se pomoću pokretačkog ventila 177 i cevovoda 179 za izjednačavanje pritiska od omotača 145 osnovnog pokretača do vrha kućišta 175 komore.
[0029] I dalje se pozivajući na Sliku 1, iz ekspanzione komore 169 para rashladnog fluida prelazi u ekscentrično oblikovani produžetak 181 ekspanzione komore koji je takođe na svom vrhu povezan sa cevovodom 179 za izjednačavanje pritiska. Potrebno je primetiti da u produžetku ekspanzione komore 181 postoji prva zavojnica 183 za podhlađenje. Dalje, potrebno je primetiti da se prva zavojnica 183 za hlađenje otvara u produžetak ekspanzione komore, gde se gas koji napušta zavojnicu 183 pridružuje pari rashladnog sredstva koja je ispuštena u dekompresor 105. Usled efekta ekspanzije i hlađenja, para rashladnog sredstva počinje da se kondenzuje i pretvara u tečnost. Potrebno je razumeti da je sklonost pare rashladnog sredstva za kondenzovanjem direktno povezana sa količinom ispunjenosti tečnog rashladnog sredstva koja se zadržava u zoni niskog pritiska. Iz nastavka 181 ekspanzione komore, kondenzovana para se pomera u izmenjivač toplote 185 za hlađenje rashladnog sredstva, gde se toplota iz rashladnog sredstva prenosi u hladnjak 107 koji je, poželjno, izvor hladne vode. Iz izmenjivača toplote 185 za hlađenje rashladnog sredstva, kondenzovana para rashladnog sredstva prolazi kroz jedinicu 187 za filtriranje/sušenje koja uklanja vlagu vode i sve čvrste čestice iz
1
kondenzovanog rashladnog sredstva. Uglavnom kondenzovano rashladno sredstvo 101 iz jedinice 187 za filtriranje/sušenje ulazi u vertikalno orijentisani rezervoar 189 za rashladno sredstvo čija se površina poprečnog preseka sužava prema dole, a koji koristi gravitaciju kako bi obezbedio maksimalnu gustina rashladnog sredstva 101 u tečnom stanju koje ulazi kroz dovodni priključak 119 hidrauličke pumpe 109. Potrebno je primetiti da je vertikalno orijentisani rezervoar 189 za rashladno sredstvo takođe povezan i sa cevovodom 179 za izjednačavanje pritiska. Potrebno je dodatno naglasiti da se druga zavojnica 191 za podhlađenje, koja je izvedena u rezervoaru 189 za rashladno sredstvo, može koristiti za dodatno hlađenje kondenzovanog rashladnog sredstva pre nego što ono uđe u hidrauličku pumpu 109. Merni ventil 193 obezbeđuje pad pritiska za, bilo, tečnost pod pritiskom ili paru koja se čuva u rezervoaru 123. Ova otpuštena tečnost ili para prolazi najpre kroz drugu zavojnicu 191 za hlađenje, a nakon toga, kroz prvu zavojnicu 183 za podhlađenje, pomažući tako pri kondenzaciji i hlađenju pare rashladnog sredstva u produžetku 181 ekspanzione komore i tečnog rashladnog sredstva u vertikalno orijentisanom rezervoaru 189 za rashladno sredstvo.
[0030] I dalje se pozivajući na Sliku 1, mehanički ventil 195 za smanjenje pritiska štiti zonu visokog pritiska od slučajnih ili nenamernih događaja nastanka nadpritiska. Oslobođena para i/ili tečno rashladno sredstvo se ispušta na ulaznom priključku 197 jedinice 187 za filtriranje/sušenje. Pored toga, pokretački ventil 199 omogućava kontrolisano smanjenje pritiska radi predpokretanja sistema kako bi se hidraulička pumpa 109 pročistila od bilo koje pare rashladnog fluida. Ponovo, oslobođena para i/ili tečno rashladno se ispuštaju u ulazni priključak 197 jedinice 187 za filtriranje/sušenje.
1

Claims (9)

PATENTNI ZAHTEVI
1. Toplotni motor koji primenjuje organski Rankinov ciklus koji sadrži:
organsko rashladno sredstvo (101) koje ispoljava atmosfersku tačku ključanja ispod -35 stepeni Celzijusa;
hladnjak (107);
zaptivenu, zatvorenu putanju u obliku petlje za organsko rashladno sredstvo koja ima i zonu visokog pritiska koja apsorbuje toplotu iz izvora (103) tople vode sa temperaturom manjom od 82 stepena Celzijusa i koja sadrži prvi deo organskog rashladnog sredstva u najmanje gasovitoj fazi, i zonu niskog pritiska koja prenosi toplotu na hladnjak i koja sadrži drugi deo organskog rashladnog sredstva u najmanje tečnoj fazi; dekompresor (105) sa pozitivnim izmeštanjem koji obezbeđuje gradijent pritiska kroz koji organsko sredstvo za hlađenje u gasovitoj fazi neprekidno teče iz zone visokog pritiska u zonu niskog pritiska, gde dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem održava razliku u pritisku između zone visokog pritiska i zone niskog pritiska između oko 20 bara i oko 42 bara, gde dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem izvlači mehaničku energiju usled gradijenta pritiska;
električni generator (147) povezan sa dekompresorom sa pozitivnim izmeštanjem koji pretvara ekstrahovanu mehaničku energiju u električnu; hidrauličku pumpu (109) sa pozitivnim izmeštanjem za obezbeđivanje kontinuiranog protoka organskog rashladnog sredstva u tečnoj fazi iz zone niskog pritiska u zonu visokog pritiska, naznačen time, što dalje sadrži i vertikalno orijentisani rezervoar (189) za rashladno sredstvo sa sužavajućom i nadole smanjujućom površinom poprečnog preseka, gde je rezervoar za rashladno sredstvo konfigurisan da gravitacijom osigurava maksimalnu gustinu organskog rashladnog sredstva u tečnoj fazi dok organsko rashladno sredstvo ulazi u hidrauličku pumpu sa pozitivnim izmeštanjem
2. Toplotni motor prema Zahtevu 1, koji dalje sadrži ulje (149) za podmazivanje koje je uopšteno nemešljivo sa organskim rashladnim sredstvom, gde ulje za podmazivanje cirkuliše duž zaptivene putanje u obliku petlje i obavlja funkcije zaptivajućeg podmazivanja u kompresoru sa pozitivnim izmeštanjem.
3. Toplotni motor prema Zahtevu 1, gde je dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem odabran iz grupe koja sadrži orbitalne pumpe, Roots-ove pumpe, pumpe sa zvezdastim rotorom i pumpe sa dvostrukim rotirajućim klipovima.
4. Toplotni motor prema Zahtevu 1, koji dalje sadrži ekscentrično oblikovani rezervoar (123) za rashladno sredstvo koji služi kao prigušivač pulsiranja kojim se ublažava efekat fluidnog čekića prilikom prenosa organskog rashladnog sredstva iz zone niskog pritiska u zonu visokog pritiska pomoću hidrauličke pumpe sa pozitivnim izmeštanjem.
5. Toplotni motor prema Zahtevu 1, gde organsko rashladno sredstvo ispoljava atmosfersku tačku ključanja ispod -40 stepeni Celzijusa.
6. Toplotni motor prema Zahtevu 1, gde organsko rashladno sredstvo ispoljava atmosfersku tačku ključanja ispod -45 stepeni Celzijusa.
7. Toplotni motor prema Zahtevu 1, gde zona visokog pritiska sadrži vertikalno orijentisani cevasti izmenjivač (129) toplote koji u svojem gornjem delu ima ulaz (131) za dovođenje vode iz izvora tople vode, u svojem donjem delu ima izlaz (133) za odvođenje vode iz izvora tople vode, u svom donjem delu ima ulaz za dovođenje organskog rashladnog sredstva u gasovitoj fazi i u svojem gornjem delu ima izlaz za odvođenje organskog rashladnog sredstva u gasovitoj fazi, gde organsko rashladno sredstvo u gasovitoj fazi koje napušta vertikalno orijentisani cevasti izmenjivač toplote direktno ulazi u dekompresor sa pozitivnim izmeštanjem, gde vertikalno orijentisani cevasti izmenjivač toplote potpomognut gravitacijom kreira gradijent temperature koji osigurava da organsko rashladno sredstvo u gasovitoj fazi koje napušta cevasti izmenjivač
1
toplote apsorbuje minimalnu količinu toplote iz izvora tople vode i postiže minimalnu gustinu.
8. Toplotni motor prema Zahtevu 1, koji dalje sadrži najmanje dva separatora (121, 171) ulja koji su postavljeni serijski radi ekstrahovanja ulja iz organskog rashladnog sredstva u gasovitoj fazi.
9. Toplotni motor prema Zahtevu 1, koji dalje sadrži najmanje jednu zavojnicu (183) za hlađenje unutar zone niskog pritiska, gde najmanje jedna zavojnica za hlađenje prima organsko rashladno sredstvo pod pritiskom iz zone visokog pritiska pre nego što se organsko rashladno sredstvo zagreje iz izvora tople vode, čime se omogućava poboljšano podhlađenje zone niskog pritiska.
1
RS20210146A 2013-02-05 2014-02-05 Toplotni motor sa poboljšanom dekompresijom tokom organskog rankinovog ciklusa RS61465B1 (sr)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361761115P 2013-02-05 2013-02-05
US201361817862P 2013-04-30 2013-04-30
US201361841610P 2013-07-01 2013-07-01
EP14749586.5A EP2954177B1 (en) 2013-02-05 2014-02-05 Improved organic rankine cycle decompression heat engine
PCT/US2014/014965 WO2014124061A1 (en) 2013-02-05 2014-02-05 Improved organic rankine cycle decompression heat engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RS61465B1 true RS61465B1 (sr) 2021-03-31

Family

ID=51300117

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RS20210146A RS61465B1 (sr) 2013-02-05 2014-02-05 Toplotni motor sa poboljšanom dekompresijom tokom organskog rankinovog ciklusa

Country Status (17)

Country Link
US (3) US9745870B2 (sr)
EP (1) EP2954177B1 (sr)
JP (1) JP6502859B2 (sr)
CA (1) CA2900257C (sr)
CY (1) CY1123876T1 (sr)
DK (1) DK2954177T3 (sr)
ES (1) ES2849436T3 (sr)
HR (1) HRP20210222T1 (sr)
HU (1) HUE053566T2 (sr)
LT (1) LT2954177T (sr)
PL (1) PL2954177T3 (sr)
PT (1) PT2954177T (sr)
RS (1) RS61465B1 (sr)
RU (1) RU2660716C2 (sr)
SI (1) SI2954177T1 (sr)
SM (1) SMT202100067T1 (sr)
WO (1) WO2014124061A1 (sr)

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RS61465B1 (sr) 2013-02-05 2021-03-31 Heat Source Energy Corp Toplotni motor sa poboljšanom dekompresijom tokom organskog rankinovog ciklusa
EP2964911B1 (en) 2013-03-04 2022-02-23 Echogen Power Systems LLC Heat engine systems with high net power supercritical carbon dioxide circuits
US9385574B1 (en) * 2013-06-26 2016-07-05 Ever Source Science & Technology Development Co., Ltd. Heat transfer fluid based zero-gas-emission power generation
ES2689924T3 (es) * 2014-08-29 2018-11-16 Siemens Aktiengesellschaft Aerogenerador con un tren motriz
WO2016073252A1 (en) 2014-11-03 2016-05-12 Echogen Power Systems, L.L.C. Active thrust management of a turbopump within a supercritical working fluid circuit in a heat engine system
WO2016099975A1 (en) * 2014-12-18 2016-06-23 Echogen Power Systems, L.L.C. Passive alternator depressurization and cooling system
CN104832967B (zh) * 2015-04-03 2018-07-20 陈新 模块化组合式智能集热器系统
DK3303779T3 (da) * 2015-06-02 2019-06-11 Heat Source Energy Corp Varmekraftmaskiner, systemer til tilvejebringelse af kølemiddel under tryk og tilhørende fremgangsmåder
GB2567858B (en) 2017-10-27 2022-08-03 Spirax Sarco Ltd Heat engine
US11187112B2 (en) 2018-06-27 2021-11-30 Echogen Power Systems Llc Systems and methods for generating electricity via a pumped thermal energy storage system
WO2021001671A1 (es) * 2019-07-01 2021-01-07 La Espectativa Sa Proceso de presurización por combinación de expansión térmica y cambios de estado súbitos
IT201900015776A1 (it) * 2019-09-06 2021-03-06 Ivar Spa Macchina termica configurata per realizzare cicli termici e metodo per realizzare cicli termici
IT201900015770A1 (it) * 2019-09-06 2021-03-06 Ivar Spa Nuovo ciclo combinato seol
KR102884115B1 (ko) * 2019-09-06 2025-11-14 이바르 에스피에이 고 열 회수가 구비된 조합된 열역학적 사이클
US11435120B2 (en) 2020-05-05 2022-09-06 Echogen Power Systems (Delaware), Inc. Split expansion heat pump cycle
GB2597900B (en) * 2020-06-11 2022-08-24 Katrick Tech Limited Heat engine and method of manufacture
CN111810268B (zh) * 2020-08-11 2024-06-07 四川大学 热端恒温导热型余热发电装置
US11629638B2 (en) 2020-12-09 2023-04-18 Supercritical Storage Company, Inc. Three reservoir electric thermal energy storage system
US11592009B2 (en) 2021-04-02 2023-02-28 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11486370B2 (en) 2021-04-02 2022-11-01 Ice Thermal Harvesting, Llc Modular mobile heat generation unit for generation of geothermal power in organic Rankine cycle operations
US11480074B1 (en) 2021-04-02 2022-10-25 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US12312981B2 (en) 2021-04-02 2025-05-27 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11644015B2 (en) 2021-04-02 2023-05-09 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11493029B2 (en) 2021-04-02 2022-11-08 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11421663B1 (en) 2021-04-02 2022-08-23 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic Rankine cycle operation
US11255315B1 (en) 2021-04-02 2022-02-22 Ice Thermal Harvesting, Llc Controller for controlling generation of geothermal power in an organic Rankine cycle operation during hydrocarbon production
US11359576B1 (en) 2021-04-02 2022-06-14 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11293414B1 (en) 2021-04-02 2022-04-05 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic rankine cycle operation
US12516855B2 (en) 2022-10-27 2026-01-06 Supercritical Storage Company, Inc. High-temperature, dual rail heat pump cycle for high performance at high-temperature lift and range
WO2024102749A1 (en) * 2022-11-07 2024-05-16 Heat Source Energy Corp. Organic rankine cycle decompression heat engine
US12534990B2 (en) 2022-12-29 2026-01-27 Ice Thermal Harvesting, Llc Power generation assemblies for hydraulic fracturing systems and methods
US12180861B1 (en) 2022-12-30 2024-12-31 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods to utilize heat carriers in conversion of thermal energy
AU2024289421A1 (en) 2023-02-07 2025-09-11 Supercritical Storage Company, Inc. Waste heat integration into pumped thermal energy storage

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3603087A (en) * 1969-06-27 1971-09-07 Cci Aerospace Corp Dual fluid rankine cycle powerplant
US4024908A (en) * 1976-01-29 1977-05-24 Milton Meckler Solar powered heat reclamation air conditioning system
JPS5934956B2 (ja) * 1977-04-25 1984-08-25 日立造船株式会社 温水の熱回収システム等において使用せられる蒸発器
JPS5781105A (en) * 1980-11-10 1982-05-21 Chiyoda Chem Eng & Constr Co Ltd Method for recovery of power from lng through rankine cycle
JPS5815167A (ja) 1981-07-21 1983-01-28 Hitachi Ltd 電気機器巻線の放電位置測定装置
JPS5815167U (ja) * 1981-07-22 1983-01-29 株式会社東芝 熱駆動式冷凍装置
US4484446A (en) * 1983-02-28 1984-11-27 W. K. Technology, Inc. Variable pressure power cycle and control system
JPS6065211A (ja) * 1983-09-21 1985-04-15 Hitachi Ltd Ｌνｇ冷熱発電設備の運転方法
JP2546868B2 (ja) * 1987-12-28 1996-10-23 株式会社 日阪製作所 熱併給バイナリー発電装置
RU2169271C1 (ru) * 1999-12-06 2001-06-20 Султанов Адхам Закирович Теплоэлектроцентраль с кольцевыми водяными, паровыми котлами
US6598397B2 (en) * 2001-08-10 2003-07-29 Energetix Micropower Limited Integrated micro combined heat and power system
US6594997B2 (en) * 2001-10-09 2003-07-22 Pat Romanelli Vapor engines utilizing closed loop fluorocarbon circuit for power generation
US7019412B2 (en) * 2002-04-16 2006-03-28 Research Sciences, L.L.C. Power generation methods and systems
JP2005345084A (ja) * 2004-06-04 2005-12-15 Shigeto Matsuo 排熱回収冷凍空調システム
WO2007008225A2 (en) 2004-08-14 2007-01-18 The State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Heat-activated heat-pump systems including integrated expander/compressor and regenerator
JP4654655B2 (ja) 2004-10-19 2011-03-23 株式会社デンソー 蒸気圧縮式冷凍機
GB0501630D0 (en) * 2005-01-28 2005-03-02 Thermal Energy Systems Ltd Heat pump
JP4659503B2 (ja) * 2005-03-31 2011-03-30 株式会社荏原製作所 発電装置及び潤滑油回収方法
US20060236698A1 (en) 2005-04-20 2006-10-26 Langson Richard K Waste heat recovery generator
EP1950881A1 (en) * 2005-10-26 2008-07-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Heat pump application apparatus employing expansion device
US7637108B1 (en) 2006-01-19 2009-12-29 Electratherm, Inc. Power compounder
DE102007020086B3 (de) * 2007-04-26 2008-10-30 Voith Patent Gmbh Betriebsflüssigkeit für einen Dampfkreisprozess und Verfahren für dessen Betrieb
EP2014880A1 (en) * 2007-07-09 2009-01-14 Universiteit Gent An improved combined heat power system
JP4913904B2 (ja) * 2007-07-27 2012-04-11 ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション 有機ランキンサイクル（ｏｒｃ）システムのタービンからのオイル除去
US20100034684A1 (en) 2008-08-07 2010-02-11 General Electric Company Method for lubricating screw expanders and system for controlling lubrication
US8006496B2 (en) * 2008-09-08 2011-08-30 Secco2 Engines, Inc. Closed loop scroll expander engine
CN102099560B (zh) 2008-12-18 2015-04-15 三菱电机株式会社 排热再生系统
RU2435050C2 (ru) * 2009-03-13 2011-11-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Кортэс" Энергоаккумулирующая установка
CN101614139A (zh) 2009-07-31 2009-12-30 王世英 多循环发电热力系统
US20110175358A1 (en) 2010-01-15 2011-07-21 Richard Langson One and two-stage direct gas and steam screw expander generator system (dsg)
DE102010002408A1 (de) 2010-02-26 2011-09-01 Krones Ag Reinigungsanlage für Behälter und Verfahren zu ihrem Betrieb
US20120006023A1 (en) 2010-03-22 2012-01-12 Keith Sterling Johnson Loop thermal energy system
ES2646188T3 (es) * 2010-03-25 2017-12-12 Mitsubishi Electric Corporation Aparato de ciclo de refrigeración y procedimiento de operación del mismo
WO2011118000A1 (ja) * 2010-03-25 2011-09-29 トヨタ自動車株式会社 ランキンサイクルシステム
DE102010022408B4 (de) 2010-06-01 2016-11-24 Man Truck & Bus Ag Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Dampfkreisprozesses mit geschmiertem Expander
JP2012202369A (ja) * 2011-03-28 2012-10-22 Aisin Seiki Co Ltd 蒸発器一体型熱ポンプおよびランキンサイクル装置
JP5592305B2 (ja) * 2011-04-15 2014-09-17 株式会社神戸製鋼所 発電装置
US20120291433A1 (en) * 2011-05-19 2012-11-22 Ning Meng Low temperature rankine cycle solar power system with low critical temperature hfc or hc working fluid
JP5891614B2 (ja) * 2011-06-27 2016-03-23 株式会社Ihi 廃熱発電装置
KR101314525B1 (ko) * 2011-12-12 2013-10-04 주식회사 네오너지 바이오 연료의 열원을 이용한 스크롤 팽창기 발전시스템
CN105074140A (zh) 2013-01-28 2015-11-18 伊顿公司 具有润滑回路的有机朗肯循环系统
RS61465B1 (sr) * 2013-02-05 2021-03-31 Heat Source Energy Corp Toplotni motor sa poboljšanom dekompresijom tokom organskog rankinovog ciklusa

Also Published As

Publication number Publication date
US10400635B2 (en) 2019-09-03
WO2014124061A1 (en) 2014-08-14
JP6502859B2 (ja) 2019-04-17
CA2900257A1 (en) 2014-08-14
EP2954177B1 (en) 2021-01-13
US20150369086A1 (en) 2015-12-24
CY1123876T1 (el) 2022-05-27
USRE50731E1 (en) 2026-01-06
RU2015137839A (ru) 2017-03-10
US20170335724A1 (en) 2017-11-23
PT2954177T (pt) 2021-02-15
RU2660716C2 (ru) 2018-07-09
SMT202100067T1 (it) 2021-03-15
SI2954177T1 (sl) 2021-04-30
PL2954177T3 (pl) 2021-05-31
EP2954177A4 (en) 2016-11-16
CA2900257C (en) 2020-10-06
DK2954177T3 (da) 2021-02-15
HUE053566T2 (hu) 2021-07-28
EP2954177A1 (en) 2015-12-16
ES2849436T3 (es) 2021-08-18
LT2954177T (lt) 2021-02-25
US9745870B2 (en) 2017-08-29
HRP20210222T1 (hr) 2021-03-19
JP2016513201A (ja) 2016-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
USRE50731E1 (en) Organic Rankine cycle decompression heat engine
Karellas et al. Supercritical fluid parameters in organic Rankine cycle applications
US8869531B2 (en) Heat engines with cascade cycles
Mirzaei et al. Energy, exergy and economics analysis of an ORC working with several fluids and utilizes smelting furnace gases as heat source
Minea Power generation with ORC machines using low-grade waste heat or renewable energy
DK2627876T3 (en) A method and system for utilizing a power source of relatively low temperature
WO2012074940A2 (en) Heat engines with cascade cycles
US20200332681A1 (en) Gas turbine plant and operation method therefor
CA2867120C (en) System and method for recovery of waste heat from dual heat sources
WO2016079485A1 (en) A waste heat recovery system combined with compressed air energy storage
Meyer et al. Design and build of a 1 kilowatt organic Rankine cycle power generator
WO2018104839A1 (en) Thermodynamic cycle process and plant for the production of power from variable temperature heat sources
Malwe et al. Performance investigation on Organic Rankine Cycle from a low-temperature heat source
Sung et al. An organic Rankine cycle for two different heat sources: steam and hot water
Paanu et al. Waste heat recovery: bottoming cycle alternatives
Klemencic et al. Comparison of conventional and CO2 power generation cycles for waste heat recovery
KR101940436B1 (ko) 열 교환기, 에너지 회수 장치 및 선박
Khorrami Arani et al. Thermodynamic simulation of a small power plant equipped with solar Brayton cycle (SBC) combined with an organic Rankine cycle (ORC)
Nemade et al. Efficiency improvement in thermal power plants using waste heat recovery of flue gas–simulation study.
RU2795864C2 (ru) Система и способ рекуперации отходящего тепла
Eicke et al. Screw Engine as Expansion Machine Applied in an ORC-Test-Installation–the First Operating Experiences
Nageswara Reddy et al. Investigation of the Performance of a Three Stage Combined Power Cycle for Electric Power Plants
Lombard et al. Small scale organic Rankine cycle for solar applications