RS65145B1 - Mašina za pretvaranje preostale toplote u mehaničku energiju - Google Patents

Description

Domen

Pronalazak se odnosi na cikluse za pretvaranje toplote u mehaničku energiju, posebno na mašine koje koriste Organic Rankine Cicle ili ORC.

Pozadina

ORC ciklus obično koristi radni fluid sa nižom tačkom ključanja od vode pri pritisku okoline. Fluid je često organsko rashladno sredstvo, kao što je gas ugljovodonika (etan, propan, butan, propilen itd.). Mašina koja koristi ORC ciklus generalno se sastoji od četiri komponente:

Isparivač ili generator koji se zagreva izvorom toplote, koji isparava tečni fluid pod visokim pritiskom.

Ekspanzioni uređaj, često turbina, koju pokreće para pod visokim pritiskom koju proizvodi isparivač. Ovaj ekspanzioni uređaj proizvodi mehaničku energiju koja se može pretvoriti u električnu.

Kondenzator hlađen hladnjakom, koji sakuplja paru koju turbina ispušta pod niskim pritiskom i pretvara je u tečnost.

Pumpa za napajanje isparivača pod visokim pritiskom iz tečnog fluida niskog pritiska kondenzatora.

Bez obzira na rashladno sredstvo koje se koristi, temperatura izvora toplote na isparivaču je u praksi retko ispod 100°C, jer tada mašina ne bi bila ekonomski isplativa. Ovo isključuje mnoge aplikacije za rekuperaciju otpadne toplote, koje obično imaju temperature znatno ispod 100°C.

Američki patenti US2018/045077A1 i US2007/163261A1 otkrivaju mašine zasnovane na ORC ciklusima. Američki patent 5,685,152 otkriva mašinu zasnovanu na ORC ciklusu koja ne koristi pumpu, što bi omogućilo bolju eksploataciju izvora otpadne toplote. Pumpa je zamenjena rezervoarom za prenos koji je povezan između kondenzatora i isparivača preko odgovarajućih ventila. Rezervoar radi u četiri koraka. U prvom koraku, rezervoar se otvara ka kondenzatoru da primi tečni fluid pod niskim pritiskom gravitacijom. U drugom koraku, rezervoar se zatvara i zagreva izvorom toplote. Fluid u rezervoaru isparava, barem delimično, a njegov pritisak se povećava. U trećem koraku, kada je pritisak u rezervoaru blizu pritiska u isparivaču, rezervoar se otvara ka isparivaču. Pritisci u rezervoaru i isparivaču se izjednačavaju, dok se tečnost koja je ostala u rezervoaru gravitacijom prenosi u isparivač. U četvrtom koraku, rezervoar se zatvara i hladi hladnjakom. Para u kućištu postaje tečna i pritisak opada.

U principu, takva mašina može relativno neprekidno da snabdeva paru turbini, ali je teško naizmenično zagrevati i hladiti rezervoar za prenos dovoljno brzo da bi se dobio upotrebljiv protok.

Sažetak

Mašina prema pronalasku je opisana u patentnom zahtevu 1.

Generalno je obezbeđena mašina za pretvaranje toplote u mehaničku energiju, koja sadrži ekspanzioni uređaj koji proizvodi mehaničku energiju iz toka pare fluida; isparivač zagrejan izvorom toplote na visoku temperaturu i konfigurisan da dovodi paru u ekspanzioni uređaj; kondenzator koji se hladi hladnjakom do niske temperature i konfigurisan da kondenzuje paru koja se ispušta iz ekspanzionog uređaja; krug tečnosti koje povezuje tečnu fazu kondenzatora sa tečnom fazom isparivača; krug pare koji povezuje parnu fazu isparivača sa parnom fazom kondenzatora; i ventili konfigurisani da, tokom prvog, aktivnog hoda, zatvaraju krugove tečnosti i pare, i, tokom drugog, neaktivnog hoda, otvaraju krugove tečnosti i pare.

Mašina može dalje da sadrži rezervoar za pufersku paru koji se hladi hladnjakom do niske temperature sa odgovarajućim pritiskom pare za zasićenje; i ventil konfigurisan da poveže puferski rezervoar sa kondenzatorom tokom aktivnog hoda i zatvori puferski rezervoar tokom neaktivnog hoda.

Krugovi tečnosti i pare mogu biti konfigurisani da obavljaju prenose pasivno, odnosno izjednačavanjem pritiska u krugu pare i gravitacijom u krugu tečnosti.

Krug tečnosti može biti konfigurisano da vrši transfere izjednačavanjem nivoa.

Mašina može dalje da sadrži prvi stepen prenosa umetnut u krugove tečnosti i pare i zagrejan od izvora toplote do prve međutemperature između visoke i niske temperature; ventili na strani niskog pritiska na krugovima tečnosti i pare između prvog stepena prenosa i kondenzatora, konfigurisani da se zatvaraju tokom aktivnog hoda i otvaraju tokom neaktivnog hoda; i ventili na strani visokog pritiska na krugovima tečnosti i pare između prve faze prenosa i isparivača, konfigurisani da se otvaraju tokom aktivnog hoda i zatvaraju tokom neaktivnog hoda.

Mašina može dalje da sadrži drugi stepen prenosa umetnut u krugove tečnosti i pare između isparivača i ventila na strani visokog pritiska prvog stepena prenosa, i zagrejan od izvora toplote do druge međutemperature između visoke temperature i prve srednje temperature; i ventili na strani visokog pritiska na krugovima tečnosti i pare između drugog stepena prenosa i isparivača, konfigurisani da se zatvaraju tokom aktivnog hoda i otvaraju tokom neaktivnog hoda.

Ekspanzioni uređaj može biti uređaj sa pozitivnim pomeranjem, koji sadrži cilindar; klip koji klizi u cilindru i definiše dve promenljive zapremine u cilindru, pri čemu je prva od dve promenljive zapremine povezana sa isparivačem; ispusni ventil konfigurisan da poveže drugu od dve promenljive zapremine sa kondenzatorom tokom aktivnog hoda; i nepovratni ventil konfigurisan da poveže drugu promenljivu zapreminu sa isparivačem tokom neaktivnog hoda.

Mašina može da sadrži ventil između ekspanzionog uređaja i kondenzatora, konfigurisan da se otvara tokom aktivnog hoda i zatvara tokom neaktivnog hoda.

Kratak opis crteža

Otelotvorenja će biti izložena u sledećem opisu datom samo u svrhe primera, u odnosu na priložene slike, u kojima:

� Slike 1A, 1B, 2A i 2B šematski predstavljaju prvu varijantu mašine za pretvaranje toplote u mehaničku energiju bez pumpe, u različitim fazama rada.

� Slike 3A i 3B prikazuju primer upotrebe klipnog ekspandera u mašini sa prethodnih slika, u dve radne faze.

� Slike 4A, 4B, 5A i 5B šematski predstavljaju drugu varijantu mašine za pretvaranje toplote u mehaničku energiju bez pumpe, u različitim fazama rada.

� Slika 6 šematski predstavlja treću varijantu mašine za pretvaranje toplote u mehaničku energiju bez pumpe.

� Slike 7A i 7B šematski predstavljaju četvrtu varijantu mašine za pretvaranje toplote u mehaničku energiju bez pumpe, u različitim fazama rada.

� Slika 8 šematski predstavlja petu varijantu mašine za pretvaranje toplote u mehaničku energiju bez pumpe.

Detaljni opis

U sledećem obelodanjivanju, data je mašina za pretvaranje otpadne toplote u mehaničku energiju inspirisanu ORC ciklusom, ali koja radi bez pumpe i na klipni način. Tačnije, mašina radi prema dvotaktnom ciklusu koji određuju ventili:

U prvom, aktivnom ili pogonskom hodu, fluidna komunikacija između kondenzatora i isparivača je prekinuta dok se ekspanzioni uređaj pokreće isparivačem.

U drugom, neaktivnom ili regeneracionom hodu, izjednačavanje pritiska i nivoa tečnosti se odvija između kondenzatora i isparivača na pasivan način pomoću odvojenih krugova tečnosti i pare.

Kao rezultat implementacije drugog hoda, i isparivač i kondenzator rade kontinuirano sa dvofaznim fluidom pri zasićenju parnog pritiska.

Slike 1A i 1B šematski predstavljaju prvo otelotvorenje mašine koja radi po ovom principu, na početku i tokom prvog pogonskog hoda.

Mašina uključuje isparivač EVAP u obliku rezervoara koji sadrži radni fluid prisutan u parnoj i tečnoj fazi. Tečna faza se zagreva na visoku temperaturu Th pomoću izvora toplote Sh pomoću izmenjivača, prikazanog u obliku namotaja 10 uronjenog u tečnu fazu. Cev povezuje gornji deo isparivača (parna faza) sa ulazom ekspanzionog uređaja EXP.

Visoka temperatura Th odgovara visokom pritisku zasićenja Ph, zavisno od upotrebljenog fluida. Dakle, i tečna i parna faza u isparivaču su, u uslovima stabilnog stanja, u uslovima zasićenja (Ph, Th).

Kondenzator COND je takođe obezbeđen u obliku rezervoara koji sadrži fluid prisutan u parnoj i tečnoj fazi. Tečna faza kondenzatora se hladi na nisku temperaturu Tb pomoću hladnjaka Sb uz pomoć izmenjivača, prikazanog u obliku namotaja 12 uronjenog u tečnu fazu.

Niska temperatura Tb odgovara niskom pritisku zasićenja Pb, zavisno od upotrebljenog fluida. Dakle, i tečna i parna faza u kondenzatoru su, u uslovima stabilnog stanja, u uslovima zasićenja (Pb, Tb).

Krug tečnosti, uključujući vod sa ventilom VL, povezuje tečne faze isparivača i kondenzatora. Pored toga, krug pare, uključujući vod sa ventilom VV, povezuje parne faze isparivača i kondenzatora.

Ekspanzioni uređaj EKSP se ispušta u donji deo kondenzatora kroz vod 13. Proširena i delimično ohlađena para iz ekspanzionog uređaja na taj način ulazi u hladnu tečnu fazu kondenzatora, gde se kondenzacija pare nastavlja i može se podsticati pomoću mehurića 14.

Da bi se poboljšala efikasnost sistema, kao što će se videti u nastavku, može se obezbediti hladni rezervoar za pufersku paru 16, povezan sa vrhom kondenzatora pomoću voda opremljenog ventilom VB. Puferski rezervoar 16 se hladi hladnjakom Sb pomoću izmenjivača, prikazanog kao namotaj 18 u seriji sa namotajima 12. Para u puferskom rezervoaru 16 se održava u suštini konstantno pri uslovima zasićenja (Pb, Tb) kondenzatora.

Na Slici 1A, na početku pogonskog hoda, svi ventili su upravo prebačeni, odnosno ventil VB je upravo otvoren, a ventili VV i VL su upravo zatvoreni. Tečna faza kondenzatora je na niskoj temperaturi Tb, dok je parna faza kondenzatora prolazno na visokoj temperaturi Th i visokom pritisku Ph, uslovima koji su postignuti na kraju prethodnog hoda. Tečna faza kondenzatora je tako i prolazna na pritisku Ph.

Tečna i parna faza u isparivaču su u uslovima zasićenja (Ph, Th), uslovima koji ostaju prilično konstantni tokom ciklusa.

Nivoi tečnosti u kondenzatoru i isparivaču su izjednačeni na prethodnom hodu.

Čim se ventil VB otvori, puferski rezervoar 16 brzo nameće svoje uslove (Pb, Tb) parnoj fazi kondenzatora. Optimalna zapremina puferskog rezervoara zavisi od brojnih parametara, uključujući tip radnog fluida i uslove rada kondenzatora i isparivača. Može se primetiti da jednostavno dodavanje puferskog rezervoara nenulte zapremine značajno povećava efikasnost mašine u poređenju sa alternativom bez puferskog rezervoara, pri čemu puferski rezervoar ne mora da bude posebno veliki da bi se postigla mašina sa boljim performanse od konvencionalnog ORC ciklusa. Pored toga, kondenzator može biti projektovan tako da njegova zapremina pare teži nuli u ovoj fazi. Čak je moguće prihvatiti da se nivo tečnosti podiže u puferski rezervoar 16 na kraju pogonskog hoda.

Slika 1B prikazuje mašinu u stabilnom stanju postignutom tokom pogonskog hoda. Zahvaljujući puferskom rezervoaru 16, pritisak u kondenzatoru brzo teži ka niskom pritisku Pb i stvara vakuum u potisnom vodu ekspanzionog uređaja EXP. Negativan pritisak u potisnom vodu se kompenzuje stvaranjem pare u isparivaču pri skoro konstantnim uslovima (Ph, Th), koji mobilišu ekspanzioni uređaj proizvodeći mehaničku energiju Pm.

U zoni pražnjenja ekspanzionog uređaja, pritisak teži ka pritisku Pb kondenzatora, dok temperatura teži ka vrednosti Tk između Th i Tb, u zavisnosti od brzine protoka i fluida, što može inicirati kondenzaciju pare u ispusni vod 13.

Proizvodnja pare snižava nivo tečnosti u isparivaču, a kondenzacija ove pare podiže nivo tečnosti u kondenzatoru, kao što je prikazano.

Pored toga, proizvodnja pare u isparivaču apsorbuje toplotu Q na izvoru toplote Sh kroz izmenjivač 10, dok kondenzacija pare u kondenzatoru daje toplotu ---Q na hladnjaku Sb kroz izmenjivač 12.

Slike 2A i 2B šematski predstavljaju mašinu sa Slika 1A i 1B na početku i tokom drugog, regeneracionog hoda.

Na Slici 2A, na početku regeneracionog hoda, svi ventili su upravo prebačeni iz stanja sa Slike 1B, odnosno ventil VB je upravo zatvoren, a ventili VV i VL su upravo otvoreni. Fluidi u kondenzatoru i isparivaču su u uslovima zasićenja (Pb, Tb) i (Ph, Th) respektivno.

Ventili VV i VL otvaraju krugove pare i tečnosti između isparivača i kondenzatora, koji teži da izjednači pritiske i nivoe tečnosti. Dakle, višak tečnosti u kondenzatoru teče u isparivač kroz krug tečnosti. Pošto je ova tečnost hladna (Tb), zagreva se tečnošću u isparivaču i izmenjivačem 10, uzimajući toplotu Q od izvora toplote Sh. Da bi se unapredila razmena, vod za tečnost je povezan sa kondenzatorom što je bliže moguće nivou tečnosti i sa bazom isparivača, kao što je prikazano.

Krug pare povezuje dve parne faze pri različitim uslovima zasićenja. Parni deo isparivača (pri pritisku Ph) bi se proširio u parni deo pri nižem pritisku (Pb) kondenzatora. Prema Molijerovom dijagramu fluida u uslovima zasićenja, ne dolazi do ekspanzije per se (pad pritiska) već povećanje udela pare pri konstantnom pritisku Ph, što nastaje povećanjem entalpije tečnosti, odnosno uzimanjem toplote Q iz izvora toplote Sh.

Što se tiče parnog dela kondenzatora, koji je u malom obimu zbog činjenice da je komunikacija sa puferskim rezervoarom 16 prekinuta ventilom VB, on se kompresuje većim pritiskom isparivača, što dovodi do njegove kondenzacije, bar delimično. Ova kondenzacija i kontakt sa vrelom parom iz isparivača zagreva tečnost na površini. Toplija tečnost na površini ne dolazi u kontakt sa izmenjivačem 12 i preko kruga tečnosti se prenosi u isparivač.

(Imajte na umu da su slova Q koja se koriste za označavanje toplote isključivo indikativna i ne predstavljaju vrednosti. Stvarne teorijske vrednosti mogu se naći iz Molijeovog dijagrama fluida.)

Slika 2B prikazuje stanje sistema tokom regeneracionog hoda. Nivoi tečnosti i pritisci (Ph) u isparivaču i kondenzatoru su se izjednačili. Temperatura parne faze u kondenzatoru je Th, dok se temperatura tečne faze održava na Tb hladnjakom Sb. Parni i tečni delovi u kondenzatoru prolazno više nisu u uslovima zasićenja. U stvari, delovi pare u komunikaciji između kondenzatora i isparivača su u uslovima zasićenja isparivača koji nameću ove uslove zahvaljujući toploti koju dovodi izvor toplote Sh.

Ekspanzioni uređaj EXP više nije podložan razlici pritiska i nastavlja svoje kretanje po inerciji.

Zatim počinje novi pogonski hod prema Slikama 1A i 1B.

Može se primetiti da ventil VL u krugu tečnosti može biti jednostavan nepovratni ventil, koji omogućava prolaz tečnosti u pravcu od kondenzatora do isparivača. U ovom slučaju ventil se otvara tek kada se pritisci između kondenzatora i isparivača izjednače, čime se sprečava prolazno ispuštanje tečnosti iz isparivača u kondenzator na početku regeneracionog hoda, kada pritisci još nisu izjednačeni. Ova prednost može biti nadoknađena činjenicom da nepovratni ventil uvodi veće padove pritiska od kontrolisanog ventila. Da bi se kombinovale prednosti ove dve alternative, ventil VL može biti kontrolisani ventil povezan sa senzorima pritiska, tako da se otvara samo kada se pritisci u kondenzatoru i isparivaču otkriju kao jednaki.

Ako je ekspanzioni uređaj EXP projektovan da prihvati kontinuirani protok pare, kao u slučaju turbine ili rotacionog motora sa pozitivnim pomakom, dva hoda ciklusa mogu imati različito trajanje. Konkretno, pogonski hod može biti duži od regeneracionog hoda, pri čemu se ovaj poslednji smanjuje na vreme potrebno da se završi izjednačavanje pritisaka i nivoa tečnosti kroz krugove tečnosti i pare.

Jedna uloga hladnog rezervoara za pufersku paru 16 je da omogući kondenzatoru da se brzo vrati u svoje nominalne uslove zasićenja (Pb, Tb) tokom pogonskog hoda, tako da razlika u pogonskom pritisku između ulaza i izlaza ekspanzionog uređaja EXP može biti uspostavljena što je pre moguće. Efikasnost mašine se smanjuje sa ovim kašnjenjem.

Međutim, mašina može da radi i bez puferskog rezervoara 16, ali se ekspanzioni uređaj tada mobiliše sa određenim zakašnjenjem zbog vremena potrebnog za stvaranje dovoljno niskog pritiska u kondenzatoru. Izmjenjivač 12 bi tada mogao biti dizajniran da takođe hladi parni dio kondenzatora, ali bi efikasnost mašine i dalje bila smanjena.

Pošto mašina ima „puls” rad, tj. ekspanzioni uređaj se napaja naizmeničnim načinom, može biti neprikladan za korišćenje konvencionalne turbine kao ekspanzioni uređaj. To je zato što su turbine generalno dizajnirane da rade sa kontinuiranim protokom pare. Prema tome, može biti poželjno koristiti motor sa pozitivnim pomeranjem kao ekspanzioni uređaj, kao što je klipni motor.

Slike 3A i 3B prikazuju primer implementacije klipnog motora 30 kao ekspanzionog uređaja, respektivno tokom pogonskog i regeneracionog hoda. Motor 30 ima klip 32 koji je konfigurisan da se kreće u cilindru 34. Cilindar 34 je opremljen sa dva ventila na čelu klipa, odnosno ventilom VE na vodu do kondenzatora COND i ventilom VEb na vodu nazad do izlaza isparivača. Izlaz isparivača je povezan sa zatvorenom komorom na zadnjoj strani klipa. Povratno kretanje klipa može se pretvoriti u rotaciju pomoću sistema šipke i radilice 36 koji se nalazi na zadnjem delu klipa.

Na Slici 3A, tokom pogonskog hoda, ventil VE je otvoren, a ventil VEb zatvoren. Zadnji deo klipa 32 gura para koju stvara isparivač, dok se para u cilindru 34 ispušta kroz ventil VE u kondenzator.

Na Slici 3B, tokom regeneracionog hoda, ventil VE je zatvoren, a ventil VEb otvoren. Vod do kondenzatora je tako zatvoren, ali otvor ventila VEb povezuje zapremine sa obe strane klipa, tako da se klip slobodno, po inerciji, vraća na svoju početnu tačku za sledeći ciklus.

U principu, na početku pogonskog hoda (na kraju regeneracionog hoda), klip je u svojoj niskoj mrtvoj tački, odnosno u poziciji u kojoj je zapremina u cilindru 34 maksimalna. Na kraju pogonskog hoda (na početku regeneracionog hoda), klip dostiže svoju visoku mrtvu tačku, gde je zapremina u cilindru 34 minimalna. Stoga je poželjno da su ventili sinhronizovani sa kretanjem klipa da bi se prebacili na svakoj mrtvoj tački klipa.

Pored toga, pošto se klip vraća po inerciji u donju mrtvu tačku tokom regeneracionog hoda, oba hoda ciklusa su ograničena da imaju isto trajanje.

U do sada opisanim mašinama, pri prelasku sa pogonskog na regeneracioni hod, komora visokog pritiska (isparivač) i komora niskog pritiska (kondenzator) su naglo povezane preko ventila VV i VL. Ako je razlika pritiska Ph -Pb značajna, to može dovesti do štetnih udara. Na primer, korišćenjem propilena (R1270) kao radnog fluida, temperature Tb = 30°C i Th = 80°C daju pritiske zasićenja Pb = 13 bara i Ph = 37 bara, odnosno razliku pritiska od 24 bara.

Slike 4A i 4B šematski predstavljaju drugo otelotvorenje mašine za pretvaranje toplote, koja je dizajnirana da ograniči udare pritiska, respektivno na početku i tokom pogonskog hoda. U poređenju sa mašinom na prethodnim slikama, stepen prenosa TRF je umetnut u krugove tečnosti i pare između isparivača EVAP i kondenzatora COND. Faza prenosa je u obliku rezervoara koji sadrži radni fluid prisutan i u parnoj i u tečnoj fazi. Tečna faza se zagreva bajpasom izvora toplote Sh pomoću izmenjivača, prikazanog kao namotaj 40 uronjen u tečnu fazu. Bajpas, ilustrovan trosmernim ventilom, je dizajniran da dovede fluid do temperature T1 koja se nalazi između temperatura Tb i Th. Odgovarajući pritisak zasićenja je P1.

Parna faza stepena prenosa je povezana sa parnim fazama kondenzatora i isparivača odgovarajućim vodovima opremljenim ventilima VV i VV2. Tečna faza prenosnog stepena je povezana sa tečnim fazama kondenzatora i isparivača odgovarajućim vodovima opremljenim ventilima VL i VL2. Ventili VV2 i VL2 se kontrolišu u faznoj suprotnosti sa ventilima VV i VL.

Na Slici 4A, ventili VV i VL su upravo zatvoreni, a ventil VB otvoren, kao za mašinu na Slici 1A. Pored toga, ventili VV2 i VL2 su upravo otvoreni. Nivoi tečnosti u kondenzatoru i stepenu prenosa su izjednačeni.

Parna faza kondenzatora je prolazna u uslovima (P1, T1) umesto u uslovima (Ph, Th) na Slici 1A. Ovi uslovi se brzo vraćaju na (Pb, Tb) puferskim rezervoarom 16, brže nego na Slici 1A, pošto su vrednosti P1, T1 bliže Pb, Tb. Pošto je prelazni pritisak P1 već manji od Ph, ekspanzioni uređaj EXP se odmah aktivira.

Parna faza stepena prenosa TRF je u početku u uslovima (P1, T1). Ventili VV2 i VL2 između stepena prenosa i isparivača su otvoreni, tako da će se pritisci i nivoi tečnosti u njima izjednačiti. Izjednačavanje se odvija slično kao između isparivača i kondenzatora na Slikama 2A i 2B, tj. isparivač nameće svoje uslove (Ph, Th) parnom delu faze prenosa.

Slika 4B prikazuje mašinu tokom pogonskog hoda. Tečna i parna faza kondenzatora su u svojim zasićenim uslovima (Pb, Tb), optimalnim za mobilizaciju ekspanzionog uređaja. Nivoi tečnosti i pritisci (Ph) u fazi prenosa i isparivača su izjednačeni. Temperatura parne faze u fazi prenosa je Th, dok se temperatura tečne faze održava na T1 izmenjivačem 40. Parni i tečni delovi u fazi prenosa više nisu, prolazno, u zasićenim uslovima do sledećeg ciklusa.

Para koja se ispušta iz ekspanzionog uređaja postaje tečna u kondenzatoru i povećava nivo tečnosti u kondenzatoru. Ova kondenzacija daje toplotu -Q hladnjaku Sb.

Isparivač proizvodi paru za napajanje ekspanzionog uređaja i komprimovanje parne faze faze prenosa. Ova proizvodnja pare snižava nivo tečnosti u isparivaču i stepenu prenosa i apsorbuje toplotu Q iz izvora toplote Sh. Deo ove toplote Q se takođe koristi za zagrevanje tečnosti na temperaturi T1 koja dolazi iz faze prenosa. Para koja je bila u uslovima (P1, T1) u fazi prenosa kondenzuje se barem delimično.

Slike 5A i 5B šematski prikazuju mašinu sa Slika 4A i 4B na početku i tokom regeneracionog hoda.

Na Slici 5A, na početku regeneracionog hoda, svi ventili su upravo prebačeni iz stanja sa Slike 4B, odnosno ventili VB, VV2 i VL2 su upravo zatvoreni, a ventili VV i VL su upravo otvoreni.

Ventili VV i VL otvaraju krugove pare i tečnosti između stepena prenosa i kondenzatora, što teži da izazove izjednačavanje pritisaka i nivoa tečnosti, kao između kondenzatora i isparivača na Slici 2A.

Parni deo faze prenosa TRF je prolazno u uslovima (Ph, Th) koje više ne održava isparivač kada su ventili VV2 i VL2 zatvoreni. Para, koja je pod pritiskom većim od pritiska zasićenja (P1) tečnosti, teži ka ravnoteži kroz širenje i snižavanje temperature ka uslovima zasićenja (P1, T1).

Faza prenosa TRF nameće svoje uslove (P1, T1) parnom delu kondenzatora tako što proizvodi paru. Proizvodnja pare apsorbuje toplotu Q kroz izmenjivač 40. Para koja je bila u uslovima (Pb, Tb) u kondenzatoru kondenzuje se barem delimično.

Čak i ako je pritisak u fazi prenosa prolazno na visokom pritisku Ph, ovaj pritisak se ne održava i skoro trenutno pada na nominalni pritisak P1 stepena prenosa, tako da sistem u praksi doživljava razliku pritiska P1 - Pb umesto Ph - Pb na otvaranju ventila VV i VL.

Uslovi (P1, T1) se mogu izabrati tako da P1 = (Pb Ph)/2, čime se balansiraju razlike pritiska, s jedne strane između isparivača i stepena prenosa tokom pogonskog hoda, a sa druge strane između stepen prenosa i kondenzatora tokom regeneracionog hoda, i ograničava udarce usled ovih razlika u pritisku. U primeru propilena gde (Pb, Tb) = (13 bara, 30°C) i (Ph, Th) = (37 bara, 80°C), može se izabrati (P1, T1) = (25 bara, 60 °C).

Slika 5B prikazuje stanje sistema tokom regeneracionog hoda. Nivoi tečnosti i pritisci (P1) u fazi prenosa i kondenzatora su se izjednačili. Temperatura parne faze u kondenzatoru je T1, dok se temperatura tečne faze održava na Tb hladnjakom Sb. Parni i tečni delovi u kondenzatoru prolazno više nisu pod zasićenim uslovima do sledećeg ciklusa.

U otelotvorenju Slika 4A do 5B, ekspanzioni uređaj je tipa sa kontinuiranim protokom (turbina ili rotacioni motor sa pozitivnim pomeranjem). Tokom pogonskog hoda, ekspanzioni uređaj je i dalje podložan razlici pritiska Ph -Pb, kao što je gore opisano. Međutim, tokom regeneracionog hoda, ekspanzioni uređaj je podložan nižoj razlici pritiska Ph - P1 koja i dalje prenosi određenu količinu energije na ekspanzioni uređaj. Pošto se tečna faza u kondenzatoru održava na niskoj temperaturi Tb, kondenzacija pare iz ekspanzionog uređaja se i dalje postiže pod dobrim uslovima.

Kada se koristi klipni ekspanzioni uređaj, kao na Slikama 3A i 3B, ili ako se žele podesiti radni uslovi mašine, ispusni vod može biti opremljen ventilom VE, koji je zatvoren tokom regeneracionog hoda. U ovom slučaju isparivač ostaje neaktivan tokom regeneracionog hoda.

Da bi se homogenizovao protok koji prima ekspanzioni uređaj, mogu se koristiti dve mašine prethodnog tipa, koje rade u faznoj suprotnosti.

Na Slici 6, umesto da se koriste dve kompletne mašine, koriste se dve delimične mašine koje dele isti isparivač, što omogućava isparivaču da radi kontinuiranije i pod boljim uslovima. Dakle, mašina uključuje jedan isparivač EVAP koji napaja ekspanzioni uređaj EXP. Ekspanzioni uređaj se prazni u dva kanala koja rade u faznoj suprotnosti, povezana sa dva kondenzatora CONDa i CONDb i dva odgovarajuća prenosna stepena TRFa i TRFb. Dva stepena prenosa TRFa, TRFb su povezani na zajednički isparivač EVAP.

Ventili povezani sa dva kanala se kontrolišu u faznoj suprotnosti. Dakle, pojedinačni isparivač naizmenično napaja fazu prenosa jednog od kanala (npr. TRFa, kao što je prikazano), a zatim fazu prenosa drugog kanala, dok relativno neprekidno napaja ekspanzioni uređaj.

Dva hoda svakog ciklusa mogu imati različita trajanja, na primer, pogonski hod duži od regenracionog hoda, kao što je gore pomenuto. U ovom slučaju, ventili se ne kontrolišu striktno u faznoj suprotnosti, već na takav način da se regenracioni hod svakog kanala odvija unutar pogonskog hoda drugog kanala. Regeneracioni hod jednog kanala može, na primer, biti centriran na pogonski hod drugog kanala.

Slike 7A i 7B šematski ilustruju, respektivno, tokom pogonskog i regeneracionog hoda ciklusa, još jednu varijantu mašine za pretvaranje toplote sa stepenom prenosa koji omogućava kontinuiraniju upotrebu isparivača sa klipnim ekspanzionim uređajem. Ovo otelotvorenje ima za cilj da dovede paru u ekspazioni uređaj tokom pogonskog hoda i da dovede paru u stepen prenosa tokom regeneracionog hoda.

U poređenju sa Slikama 4A i 5A, mašina uključuje drugi stepen prenosa TRF2, povezan sa odgovarajućim ventilima VV3, VL3, umetnutim u krugove tečnosti i pare između ventila VV2, VL2 na strani visokog pritiska prvog stepena prenosa TRF1 i isparivača EVAP. Ekspanzioni uređaj EXP je sličan klipnom motoru sa Slika 3A i 3B. Pošto su pojedinačne funkcije ovih komponenti detaljno opisane, neće biti ponovo opisane.

Uslovi zasićenja različitih elemenata prikazani su na Slici 7A. Temperatura T2 stepena prenosa TRF2 se sastoji između T1 i Th, i održava se izmenjivačem 70 koji se napaja bajpas vodom iz izvora toplote Sh. Ventili VV3 i VL3 se kontrolišu u faznoj suprotnosti u odnosu na ventile VV2 i VL2.

Na Slici 7A, koja ilustruje pogonski hod, ventili VB, VV2, VL2 i VE su otvoreni, dok su ventili VV, VL, VV3, VL3 i VE2 zatvoreni. Isparivač EVAP napaja samo ekspanzioni uređaj EXP, dok stepen TRF2 napaja stepen TRF1. Parni delovi stepeni TRF1 i TRF2 su podešeni na uslove (P2, T2), a nivoi tečnosti su izjednačeni.

Na Slici 7B, koja prikazuje regeneracioni hod, ventili su obrnuti, odnosno ventili VB, VV2, VL2 i VE su zatvoreni, dok su ventili VV, VL, VV3, VL3 i VE2 otvoreni. Isparivač EVAP napaja samo stepen TRF2, dok stepen TRF1 napaja kondenzator. Parni delovi stepena TRF2 i isparivač su podešeni na uslove (Ph, Th), a nivoi tečnosti su izjednačeni. Slično, parni delovi stepena TRF1 i kondenzatora su podešeni na uslove (P1, T1), a nivoi tečnosti su izjednačeni.

Sa ovom strukturom, tokom jednog ciklusa, isparivač naizmenično napaja ekspanzioni uređaj i stepen prenosa TRF2, obezbeđujući određeni kontinuitet rada. Pored toga, ova struktura dodatno smanjuje rizik od udara pritiska, jer se pritisak P1 može izabrati čak niži nego u mašini sa jednim stepenom prenosa. Pritisci faza prenosa se mogu izabrati, na primer, tako da P1 = Pb (Ph - Pb)/3 i P2 = Pb 2(Ph - Pb)/3.

Uopšteno govoreći, moguće je umnožiti stepene prenosa koji su tako povezani u seriju u krugovima pare i tečnosti, zagrevanjem na temperature između Tb i Th, pri čemu je svaki stepen povezan sa dva ventila na strani visokog pritiska koji rade u faznoj suprotnosti u poređenju sa ventilom susednog stepena.

Pošto različita otkrivena otelotvorenja mašine za pretvaranje toplote uključuju prenos tečnosti gravitacijom, relativne visine elemenata su parametri koje treba uzeti u obzir. Radi jasnoće prezentacije, elementi su predstavljeni na istoj visini, pod pretpostavkom da se tečnosti izjednače na istom nivou.

U praksi, u uslovima zasićenja, tečnosti imaju različite gustine u zavisnosti od temperature. Tako tečni propilen zasićen na 30°C ima gustinu od oko 490 kg/m<3>, dok na 80°C ima gustinu od oko 375 kg/m<3>. To znači da se nivoi tečnosti izjednačavaju na različitim visinama, pri čemu se nivo tečnosti manje gustine izjednačava više. Dakle, elementi u praksi nisu raspoređeni na istoj visini, već su poređani, tako da je najtopliji element niže. Nivoi se uspostavljaju približno prema odnosu h1r1 = h2r2, gde su h1 i h2 visine tečnosti u odnosu na njihovu tačku komunikacije, a r1 i r2 su gustine tečnosti. Dakle, nivo toplije tečnosti zavisi i od visine ulaznog voda hladnije tečnosti.

Slika 8 ilustruje otelotvorenje mašine koja radi jednostavnom gravitacijom umesto izjednačavanjem nivoa tečnosti. Mašina prikazana kao primer je zasnovana na mašini sa Slika 1 i 2, bez stepena prenosa. Kondenzator COND, umesto da bude postavljen pored isparivača EVAP, postavljen je iznad isparivača. Ostali strukturni elementi se održavaju p –osebno, vod za tečnost je povezan sa gornjim delom kondenzatora i donjim delom isparivača. Ventil voda za tečnost je ilustrovan kao nepovratni ventil.

Tokom prikazanog regeneracionog , ventil VV u krugu pare se otvara, što dovodi do izjednačavanja pritiska u kondenzatoru i isparivaču. Nivo tečnosti u kondenzatoru je dostigao svoj maksimalni nivo kao rezultat kondenzacije pare proizvedene tokom pogonskog hoda. U ravnoteži pritiska, ventil VL se otvara i dozvoljava tečnosti da teče gravitacijom od kondenzatora do isparivača. Prenos tečnosti se završava kada nivo u kondenzatoru dostigne visinu priključka za vod za tečnost. Maksimalna količina tečnosti koja se prenosi tokom regeneracionog hoda može se tako podesiti izborom visine priključka za vod za tečnost.

Za mašine sa stepenom prenosa, struktura sa Slike 8 može se reprodukovati između kondenzatora i stepena prenosa, između stepena prenosa i isparivača i, ako je potrebno, između dva stepena prenosa. „Vertikalna“ struktura sa Slike 8 se ovde može čak kombinovati sa „horizontalnom“ strukturom drugih otelotvorenja, npr. postavljanjem kondenzatora iznad stepena prenosa i isparivača pored stepena prenosa.

U opisu različitih otelotvorenja dimenzije komponenti nisu uzete u obzir. U praksi, svaka komponenta može biti projektovana tako da uvek sadrži dve faze fluida pod uslovima zasićenja u bilo kojoj tački ciklusa. Tako je, posebno, isparivač projektovan tako da tečnost nikada nije potpuno isparena na kraju pogonskog hoda, a kondenzator je projektovan tako da para nikada nije potpuno kondenzovana na kraju pogonskog hoda. Ovi faktori takođe zavise od temperature komponenti i željenih brzina protoka. Za veliki protok, isparivač će proizvoditi više pare, tako da će više tečnosti biti ispareno, a samim tim će biti potrebne veće dimenzije. Glavna uloga faza prenosa je da prenesu tečnost iz kondenzatora u isparivač i proizvode manje pare od isparivača, tako da koriste manje fluida i mogu biti manje od isparivača.

U nedostatku izvora toplote, mašina se hladi do temperature okoline, a fluid sadržan u različitim komponentama ostaje u uslovima zasićenja, pod pretpostavkom da je mašina zaptivena. Dakle, sa propilenom i temperaturom okoline od 20°C, opšti uslovi u mašini se uspostavljaju na (10 bara, 20°C).

Za pokretanje mašine dovoljno je prebaciti ventile u položaj neaktivnog hoda i zagrejati isparivač. Kada isparivač dostigne pritisak dovoljan za pokretanje, ventili se prebacuju u položaj aktivnog hoda. Kada se ekspanzionim uređajem upravlja klipom, klip se postavlja u početni položaj za pogonski hod.

Claims (8)

PATENTNI ZAHTEVI

1. Mašina za pretvaranje toplote u mehaničku energiju, koja sadrži:

� ekspanzioni uređaj (EXP) koji proizvodi mehaničku energiju iz toka pare fluida;

� isparivač (EVAP) u obliku rezervoara koji sadrži fluid prisutan u parnoj i tečnoj fazi, zagrejan izvorom toplote (Sh) do visoke temperature (Th) i konfigurisan da dovodi paru do ekspanzionog uređaja;

� kondenzator (COND) u obliku rezervoara koji sadrži fluid prisutan u parnoj i tečnoj fazi, hlađen hladnjakom (Sb) na nisku temperaturu (Tb) i konfigurisan da kondenzuje paru koja se ispušta iz ekspanzionog uređaja;

� krug tečnosti (VL) koji povezuje tečnu fazu kondenzatora sa tečnom fazom isparivača;

karakterisana time što dalje sadrži:

� krug pare (VV) koji povezuje parnu fazu isparivača sa parnom fazom kondenzatora; i

� ventile konfigurisani za,

- tokom prvog, aktivnog udara, zatvaranje krugova tečnosti i pare (VV, VL), i

- tokom drugog, neaktivnog udara, otvaranje krugova tečnosti i pare.

2. Mašina prema patentnom zahtevu 1, koja dalje sadrži:

� rezervoar za pufersku paru (16) hlađen hladnjakom (Sb) do niske temperature sa odgovarajućim pritiskom pare za zasićenje; i

� ventil (VB) koji je konfigurisan da poveže puferski rezervoar sa kondenzatorom tokom aktivnog hoda i zatvori puferski rezervoar tokom neaktivnog hoda.

3. Mašina prema patentnom zahtevu 1, naznačena time što su krugovi tečnosti i pare konfigurisani da obavljaju prenose pasivno, odnosno izjednačavanjem pritiska u krugu pare i gravitacijom u krugu tečnosti.

4. Mašina prema patentnom zahtevu 3, naznačena time što je krug tečnosti konfigurisan da vrši transfere izjednačavanjem nivoa.

5. Mašina prema patentnom zahtevu 1, koja dalje sadrži:

� prvi stepen prenosa (TRF) umetnut u krugove tečnosti i pare i zagrejan od izvora toplote do prve međutemperature (T1) između visoke (Th) i niske (Tb) temperature;

� ventile na strani niskog pritiska (VV, VL) na krugovima tečnosti i pare između prvog stepena prenosa i kondenzatora, konfigurisani da se zatvaraju tokom aktivnog hoda i otvaraju tokom neaktivnog hoda; i

� ventile na strani visokog pritiska (VV2, VL2) na krugovima tečnosti i pare između prvog stepena prenosa i isparivača, konfigurisani da se otvaraju tokom aktivnog hoda i zatvaraju tokom neaktivnog hoda.

6. Mašina prema patentnom zahtevu 5, koja dalje sadrži:

� drugi stepen prenosa (TRF2) umetnut u krugove tečnosti i pare između isparivača (EVAP) i ventila na strani visokog pritiska prvog stepena prenosa (TRF1) i zagrejan od izvora toplote do druge međutemperature (T2 ) između visoke temperature (Th) i prve međutemperature (T1); i

� ventile na strani visokog pritiska (VV3, VL3) na krugovima tečnosti i pare između drugog stepena prenosa i isparivača, konfigurisani da se zatvaraju tokom aktivnog hoda i otvaraju tokom neaktivnog hoda.

7. Mašina prema patentnom zahtevu 1, naznačena time što je ekspanzioni uređaj uređaj sa pozitivnim pomeranjem i sadrži:

� cilindar (34);

� klip (32) koji klizi u cilindru i definiše dve promenljive zapremine u cilindru, pri čemu je prva od dve promenljive zapremine povezana sa isparivačem;

� ispusni ventil (VE) konfigurisan da poveže drugu od dve promenljive zapremine sa kondenzatorom tokom aktivnog hoda; i

� nepovratni ventil (VEb) konfigurisan da poveže drugu promenljivu zapreminu sa isparivačem tokom neaktivnog hoda.

8. Mašina prema patentnom zahtevu 1, koja sadrži ventil (VE) između ekspanzionog uređaja i kondenzatora, konfigurisan da se otvara tokom aktivnog hoda i zatvara tokom neaktivnog hoda.