RU2575674C2

RU2575674C2 - Heat engines with parallel cycle

Info

Publication number: RU2575674C2
Application number: RU2013124072/06A
Authority: RU
Inventors: Тимоти Дж. ХЕЛД; Майкл Л. ВЕРМЕЕРШ; Тао СЕ; Джейсон Д. МИЛЛЕР
Original assignee: Экоджен Пауэр Системз, Инк.
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2016-02-20

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: cycles of transformation of the spent thermal energy, systems and devices use some heat exchangers of the spent energy located in series in spent heat flow and several thermodynamic cycles, parallel to heat exchangers of spent heat, to provide maximum extraction of heat energy from spent heat flow by means of working fluid medium. Parallel cycles operate in various temperature ranges with lower temperature working yield which is used for actuating of the working fluid medium pump. The working fluid medium mass control system is integrated in cycles or joined with them.

EFFECT: invention allows to provide the maximum extraction of heat energy from spent heat flow by means of working fluid medium.

49 cl, 10 dwg

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

[0001] Приоритет настоящей заявки заявляется по дате подачи заявки на патент США №13/212,631, поданной 18 августа 2011 года, приоритет которой заявляется по дате подачи американской предварительной заявки на патент №61/417,789, поданной 29 ноября 2010 года, содержание обеих включено в полном объеме в настоящую заявку посредством ссылки.[0001] The priority of this application is claimed by the filing date of US patent application No. 13/212,631 filed August 18, 2011, the priority of which is claimed by the filing date of US provisional patent application No. 61/417,789 filed November 29, 2010, both of which are included in full in the present application by reference.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

[0002] Тепло часто создается как побочный продукт промышленных процессов, в которых протекающие потоки жидкостей, твердых веществ или газов, содержащих тепло, должны быть выпущены в окружающую среду или иным образом удалены из процесса, с тем, чтобы поддерживать рабочие температуры оборудования производственного процесса. Иногда промышленный процесс может использовать теплообменные устройства для захвата тепла и утилизации его обратно в процесс через другие потоки процесса. В других случаях не представляется возможным захватить и утилизировать это тепло, поскольку либо температура слишком низкая, либо нет легко доступных средств для непосредственного использования тепла. Этот вид тепла обычно называют «отработанным» теплом и, как правило, сбрасывают непосредственно в окружающую среду через, например, выводную трубу или, опосредованно, через охлаждающую среду, такую как вода. При других настройках такое тепло легко доступно из возобновляемых источников тепловой энергии, такое как тепло от солнца (которое может быть сконцентрировано или на которое можно воздействовать иным образом) или из геотермальных источников. Эти и другие источники тепловой энергии предназначены подпадать под определение «отработанное тепло», как этот термин используется в настоящем документе.[0002] Heat is often created as a by-product of industrial processes in which flowing liquids, solids or gases containing heat must be released into the environment or otherwise removed from the process in order to maintain the operating temperatures of the production equipment. Occasionally, an industrial process may use heat exchangers to capture heat and utilize it back into the process through other process streams. In other cases, it is not possible to capture and utilize this heat, because either the temperature is too low or there are no readily available means for the direct use of heat. This type of heat is usually called "waste" heat and is typically discharged directly into the environment through, for example, an outlet pipe or, indirectly, through a cooling medium such as water. In other settings, such heat is readily available from renewable heat sources, such as heat from the sun (which can be concentrated or otherwise affected) or from geothermal sources. These and other sources of thermal energy are intended to fall within the definition of “waste heat,” as the term is used herein.

[0003] Отработанное тепло может быть использовано турбогенераторными системами, которые для преобразования тепла в работу используют термодинамические способы, такие как цикл Ранкина. Как правило, этот способ основан на паровой фазе, в котором отработанное тепло используется для подъема пара в бойлере, который вращает турбину. Тем не менее, по меньшей мере одним из ключевых недостатков парового цикла Ранкина является потребность в высокой температуре, что не всегда возможно, так как это обычно требует потока отработанного тепла с относительно высокой температурой (например, 600 градусов по Фаренгейту (316 градусов по Цельсию) или выше) или очень большую суммарную энтальпию. Кроме того, сложность захвата тепла при различных уровнях температур кипящей водой при различных давлениях/температурах по мере охлаждения потока источника тепла является затратной, как в стоимости оборудования, так и в эксплуатационных трудозатратах. Кроме того, паровой цикл Ранкина не является реалистичным для потоков с малым расходом и/или при низкой температуре.[0003] Waste heat can be used by turbo-generating systems that use thermodynamic methods, such as the Rankin cycle, to convert heat into work. Typically, this method is based on the vapor phase in which the waste heat is used to lift steam in a boiler that rotates the turbine. However, at least one of the key drawbacks of Rankin's steam cycle is the need for high temperature, which is not always possible, as this usually requires a relatively high temperature waste heat stream (e.g. 600 degrees Fahrenheit (316 degrees Celsius) or higher) or a very large total enthalpy. In addition, the difficulty of capturing heat at different temperature levels with boiling water at different pressures / temperatures as the heat source stream cools is expensive, both in the cost of equipment and in operational labor. In addition, the Rankine steam cycle is not realistic for low flow rates and / or low temperatures.

[0004] Органический цикл Ранкина (ORC) решает недостатки парового цикла Ранкина, заменяя воду текучей средой с более низкой температурой кипения, такой как легкие углеводороды, например, пропан или бутан, или HCFC (например, R245fa). Тем не менее, ограничения по теплопередаче при кипении остаются, при этом добавляются новые проблемы, такие как тепловая неустойчивость, токсичность или горючесть текучей среды.[0004] The Rankine Organic Cycle (ORC) solves the disadvantages of the Rankine steam cycle by replacing water with a lower boiling point fluid such as light hydrocarbons, for example propane or butane, or HCFC (for example, R245fa). However, heat transfer limitations during boiling remain, while new problems are added, such as thermal instability, toxicity, or fluid combustibility.

[0005] Для решения этих недостатков были использованы энергетические циклы CO₂ в сверхкритическом состоянии. CO₂ в сверхкритическом состоянии обеспечивает улучшенную тепловую связь с несколькими источниками тепла. Например, благодаря использованию сверхкритической текучей среды, температурный гистерезис процесса теплообменника может быть более легко согласован. Тем не менее один цикл из энергетических циклов CO₂ в сверхкритическом состоянии работает в ограниченном диапазоне перепада давлений, ограничивая, тем самым, величину снижения температуры, т.е. извлечения энергии через устройство преобразования мощности (обычно, турбины или детандер с положительным смещением). Степень расширения ограничена в основном из-за высокого давления паров текучей среды при обычно доступных температурах конденсации (например, комнатных). В результате максимальная выходная мощность, которая может быть достигнута с помощью одной ступени расширения, ограничена, при этом расширенная текучая среда сохраняет значительное количество потенциально полезной энергии. Тогда как часть этой остаточной энергии может быть рекуперирована в цикле с помощью теплообменника в качестве рекуператора, и, таким образом, предварительно нагревая текучую среду между насосом и рекуперационным теплообменником, такой подход ограничивает количество тепла, которое может быть извлечено в одном цикле из источника отработанного тепла.[0005] To solve these drawbacks, supercritical CO ₂ energy cycles have been used. Supercritical CO ₂ provides improved thermal bonding to multiple heat sources. For example, by using supercritical fluid, the temperature hysteresis of the heat exchanger process can be more easily matched. Nevertheless, one cycle of the energy cycles of CO ₂ in the supercritical state operates in a limited range of pressure drops, thereby limiting the magnitude of the decrease in temperature, i.e. extracting energy through a power conversion device (typically a turbine or positive offset expander). The degree of expansion is limited mainly due to the high vapor pressure of the fluid at commonly available condensation temperatures (e.g. room). As a result, the maximum power output that can be achieved with one expansion stage is limited, while the expanded fluid retains a significant amount of potentially useful energy. While some of this residual energy can be recovered in a cycle using a heat exchanger as a recuperator, and thus pre-heating the fluid between the pump and the recovery heat exchanger, this approach limits the amount of heat that can be extracted in one cycle from the waste heat source .

[0006] Таким образом, в области техники существует потребность в системе, которая может эффективно производить электроэнергию не только из отработанного тепла, но также из широкого спектра источников тепла.[0006] Thus, in the art there is a need for a system that can efficiently produce electricity not only from waste heat, but also from a wide range of heat sources.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[0007] Варианты выполнения изобретения могут обеспечивать систему для преобразования тепловой энергии в работу. Система может содержать насос, выполненный с возможностью циркуляции через контур для рабочей текучей среды рабочей текучей среды, которая ниже по потоку от насоса разделяется на первый массовый поток и второй массовый поток, и первый теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем первый теплообменник выполнен с возможностью приема первого массового потока и передачи тепла от источника тепла к первому массовому потоку. Система также может содержать первую турбину, проточно соединенную с первым теплообменником и выполненную с возможностью расширения первого массового потока, и первый рекуператор, проточно соединенный с первой турбиной и выполненный с возможностью передачи остаточной тепловой энергии из первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, к первому массовому потоку, направляемому к первому теплообменнику. Система может дополнительно содержать второй теплообменник, проточно соединенный с насосом, находящийся в тепловом контакте с источником тепла и выполненный с возможностью приема второго массового потока и передачи тепла от источника тепла ко второму массовому потоку, и вторую турбину, проточно соединенную со вторым теплообменником и выполненную с возможностью расширения второго массового потока.[0007] Embodiments of the invention may provide a system for converting thermal energy into operation. The system may comprise a pump configured to circulate through the working fluid circuit of the working fluid, which is downstream of the pump divided into a first mass stream and a second mass stream, and a first heat exchanger flow-coupled to the pump and in thermal contact with the source heat, and the first heat exchanger is configured to receive the first mass stream and transfer heat from the heat source to the first mass stream. The system may also include a first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger and configured to expand the first mass flow, and a first recuperator flow-wise connected to the first turbine and configured to transfer residual heat energy from the first mass flow discharged from the first turbine to the first mass flow directed to the first heat exchanger. The system may further comprise a second heat exchanger, flow-through connected to the pump, in thermal contact with the heat source and configured to receive a second mass flow and transfer heat from the heat source to the second mass flow, and a second turbine, flow-through connected to the second heat exchanger and made with the possibility of expanding the second mass flow.

[0008] Варианты выполнения изобретения могут дополнительно обеспечивать другую систему для преобразования тепловой энергии в работу. Дополнительная система может содержать насос, выполненный с возможностью циркуляции через контур для рабочей текучей среды рабочей текучей среды, которая ниже по потоку от насоса разделяется на первый массовый поток и второй массовый поток, и первый теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем первый теплообменник выполнен с возможностью приема первого массового потока и передачи тепла от источника тепла к первому массовому потоку. Система также может содержать первую турбину, проточно соединенную с первым теплообменником и выполненную с возможностью расширения первого массового потока. Система также может содержать первый рекуператор, проточно соединенный с первой турбиной и выполненный с возможностью передачи остаточной тепловой энергии из первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, к первому массовому потоку, направляемому к первому теплообменнику, второй теплообменник, проточно соединенный с насосом, находящийся в тепловом контакте с источником тепла и выполненный с возможностью приема второго массового потока и передачи тепла от источника тепла ко второму массовому потоку, и вторую турбину, проточно соединенную со вторым теплообменником и выполненную с возможностью расширения второго массового потока, причем второй массовый поток выпускается из второй турбины и повторно объединяется с первым массовым потоком для получения объединенного массового потока. Система может дополнительно содержать второй рекуператор, проточно соединенный со второй турбиной и выполненный с возможностью передачи остаточной тепловой энергии из объединенного массового потока ко второму массовому потоку, направляемому во второй теплообменник, и третий теплообменник, находящийся в тепловом контакте с источником тепла и расположенный между насосом и первым теплообменником, причем третий теплообменник выполнен с возможностью приема и передачи тепла к первому массовому потоку перед пропусканием через первый теплообменник.[0008] Embodiments of the invention may further provide another system for converting thermal energy into operation. The additional system may include a pump configured to circulate through the circuit for the working fluid of the working fluid, which is downstream of the pump is divided into a first mass flow and a second mass flow, and a first heat exchanger, flow-through connected to the pump and in thermal contact with a heat source, wherein the first heat exchanger is configured to receive a first mass stream and transfer heat from a heat source to the first mass stream. The system may also include a first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger and configured to expand the first mass flow. The system may also include a first recuperator, flow-through connected to the first turbine and configured to transfer residual heat energy from the first mass flow discharged from the first turbine to the first mass flow directed to the first heat exchanger, a second heat exchanger flow-connected to the pump, located in thermal contact with a heat source and configured to receive a second mass stream and transfer heat from the heat source to the second mass stream, and a second turbine but connected to the second heat exchanger and configured to expand the second mass stream, the second mass stream being discharged from the second turbine and re-combined with the first mass stream to obtain a combined mass stream. The system may further comprise a second recuperator flow-coupled to the second turbine and configured to transfer residual heat energy from the combined mass stream to a second mass stream directed to the second heat exchanger, and a third heat exchanger in thermal contact with the heat source and located between the pump and a first heat exchanger, the third heat exchanger configured to receive and transfer heat to the first mass stream before passing through the first heat oobmennik.

[0009] Варианты выполнения настоящего изобретения могут также обеспечивать способ преобразования тепловой энергии в работу. Способ может включать циркуляцию рабочей текучей среды с помощью насоса через контур для рабочей текучей среды, разделение рабочей текучей среды в контуре для циркуляции рабочей текучую среды на первый массовый поток и второй массовый поток, и передачу тепловой энергии в первом теплообменнике от источника тепла к первому массовому потоку, причем первый теплообменник находится в тепловом контакте с источником тепла. Способ может также включать расширение первого массового потока в первой турбине, проточно соединенной с первым теплообменником, передачу остаточной тепловой энергии в первом рекуператоре от первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, к первому массовому потоку, направляемому в первый теплообменник, причем первый рекуператор проточно соединен с первой турбиной, и передачу тепловой энергии во втором теплообменнике от источника тепла ко второму массовому потоку, причем второй теплообменник находится в тепловом контакте с источником тепла. Способ может дополнительно включать расширение второго массового потока во второй турбине, проточно соединенной со вторым теплообменником.[0009] Embodiments of the present invention may also provide a method for converting thermal energy into operation. The method may include circulating the working fluid through a pump through the circuit for the working fluid, separating the working fluid in the circuit for circulating the working fluid into a first mass stream and a second mass stream, and transferring heat energy in the first heat exchanger from the heat source to the first mass flow, the first heat exchanger being in thermal contact with a heat source. The method may also include expanding the first mass flow in the first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger, transferring the residual heat energy in the first heat exchanger from the first mass flow discharged from the first turbine to the first mass flow directed to the first heat exchanger, the first heat exchanger being flow-coupled with the first turbine, and the transfer of thermal energy in the second heat exchanger from the heat source to the second mass flow, the second heat exchanger being in thermal contact with heat source. The method may further include expanding the second mass flow in a second turbine flow-wise coupled to the second heat exchanger.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0010] Настоящее изобретение лучше всего понятно из следующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи. Следует подчеркнуть, что, в соответствии со стандартной практикой в отрасли, различные признаки показаны не в масштабе. В самом деле, размеры различных элементов могут быть произвольно увеличены или уменьшены для ясности обсуждения.[0010] The present invention is best understood from the following detailed description with reference to the accompanying drawings. It should be emphasized that, in accordance with industry standard practice, various features are not shown to scale. In fact, the sizes of various elements can be arbitrarily increased or decreased for clarity of discussion.

[0011] Фиг.1 схематически иллюстрирует иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0011] Figure 1 schematically illustrates an illustrative embodiment of a parallel cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.

[0012] Фиг.2 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0012] Figure 2 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.

[0013] Фиг.3 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0013] Figure 3 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.

[0014] Фиг.4 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0014] FIG. 4 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel-cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.

[0015] Фиг.5 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0015] Figure 5 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.

[0016] Фиг.6 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0016] FIG. 6 schematically illustrates another illustrative embodiment of a parallel-cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.

[0017] Фиг.7 схематически иллюстрирует иллюстративный вариант выполнения системы управления массой (MMS), которая может быть реализована с помощью теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0017] FIG. 7 schematically illustrates an exemplary embodiment of a mass control system (MMS) that can be implemented using a heat engine with a parallel loop configured in accordance with one or more of the disclosed embodiments.

[0018] Фиг.8 схематически иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения MMS, который может быть реализован с помощью теплового двигателя с параллельным циклом, выполненным в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения.[0018] FIG. 8 schematically illustrates another illustrative embodiment of an MMS that may be implemented using a parallel-cycle heat engine in accordance with one or more of the disclosed embodiments.

[0019] Фиг.9 и 10 схематически иллюстрируют различные конструкции системы для охлаждения во входном отверстии отдельного потока текучей среды (например, воздуха) путем использования рабочей текучей среды, которая может быть использована в тепловом двигателе с параллельным циклом, описанном в настоящем документе.[0019] FIGS. 9 and 10 schematically illustrate various designs of a system for cooling a separate fluid stream (eg, air) in the inlet by using a working fluid that can be used in a parallel-cycle heat engine described herein.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION

[0020] Следует понимать, что в последующем описании приведено несколько иллюстративных вариантов выполнения для реализации различных элементов, конструкций или функций настоящего изобретения. Иллюстративные варианты выполнения элементов, конструкций или функций описаны ниже для упрощения настоящего изобретения, однако, эти иллюстративные варианты выполнения приведены исключительно в качестве примеров и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Кроме того, в настоящем изобретении могут повторяться номера и/или буквы позиций в различных иллюстративных вариантах выполнения и во всех чертежах, представленных в настоящем документе. Это повторение приведено в целях простоты и ясности и само по себе не диктует отношения между различными иллюстративными вариантами выполнения и/или конфигурациями, обсуждаемыми на различных чертежах. Кроме того, выполнение первого элемента над вторым элементом или на нем в последующем описании может включать варианты выполнения, в которых первый и второй элементы выполнены в непосредственном контакте, и также может включать варианты выполнения, в которых дополнительные элементы могут быть выполнены промежуточными между первым и вторым элементом, так что первый и второй элементы могут и не находиться в непосредственном контакте друг с другом. Наконец, представленные ниже иллюстративные варианты выполнения могут быть объединены в любой комбинации, т.е. любой элемент из одного иллюстративного варианта выполнения может быть использован в любом другом иллюстративном варианте выполнения, без отклонения от объема настоящего изобретения.[0020] It should be understood that the following description provides several illustrative embodiments for implementing various elements, structures, or functions of the present invention. Illustrative embodiments of elements, structures, or functions are described below to simplify the present invention, however, these illustrative embodiments are provided solely as examples and are not intended to limit the scope of the present invention. Furthermore, in the present invention, the numbers and / or letters of the positions may be repeated in various illustrative embodiments and in all of the drawings presented herein. This repetition is provided for simplicity and clarity and does not in itself dictate the relationship between the various illustrative embodiments and / or configurations discussed in the various drawings. In addition, the execution of the first element on or on the second element in the following description may include embodiments in which the first and second elements are in direct contact, and may also include embodiments in which additional elements can be intermediate between the first and second element, so that the first and second elements may not be in direct contact with each other. Finally, the illustrative embodiments presented below can be combined in any combination, i.e. any element of one illustrative embodiment can be used in any other illustrative embodiment, without deviating from the scope of the present invention.

[0021] Кроме того, некоторые термины используются во всем последующем описании и формуле изобретения для ссылки на конкретные элементы. Специалисту в настоящей области техники будет понятно, что различные объекты могут относиться к одному и тому же элементу под разными названиями и, таким образом, наименование для элементов, описанных в настоящем изобретении, не предназначено для ограничения объема изобретения, если только иначе конкретно не определено в настоящем изобретении. Кроме того, используемые в настоящем изобретении наименования не предназначены для различий между элементами, которые отличаются по названию, но не по функциям. Кроме того, в последующем описании и в формуле изобретения термины «включающий» и «содержащий» используются в неограниченном режиме и, следовательно, должны интерпретироваться, чтобы означать «включая, но не ограничиваясь этим». Все численные значения в этом описании могут быть точными или приблизительными, если иначе специально не оговорено. Соответственно, различные варианты выполнения изобретения могут отклоняться от чисел, значений и диапазонов, описанных в настоящем изобретении, без отклонения от предопределенного объема изобретения. Кроме того, как используется в формуле изобретения или в описании, термин «или» предназначен для обозначения как исключающих и включающих случаев, т.е. выражение «А или В» подразумевается синонимом выражения «по меньшей мере один из А и В», если иначе явным образом не указано в настоящем документе.[0021] In addition, some terms are used throughout the following description and claims to refer to specific elements. One of ordinary skill in the art will understand that different objects may refer to the same element under different names and, therefore, the name for the elements described in the present invention is not intended to limit the scope of the invention, unless otherwise specifically defined in the present invention. In addition, the names used in the present invention are not intended to distinguish between elements that differ in name but not in function. In addition, in the following description and in the claims, the terms “including” and “comprising” are used in an unlimited manner and therefore should be interpreted to mean “including, but not limited to”. All numerical values in this description may be exact or approximate unless otherwise expressly stated. Accordingly, various embodiments of the invention may deviate from the numbers, values and ranges described in the present invention without deviating from a predetermined scope of the invention. In addition, as used in the claims or in the description, the term “or” is intended to mean both exclusive and inclusive cases, i.e. the expression “A or B” is intended to be synonymous with the expression “at least one of A and B” unless otherwise expressly indicated herein.

[0022] Фиг.1 иллюстрирует иллюстративный термодинамический цикл 100, выполненный в соответствии с одним или несколькими вариантами выполнения изобретения, который может быть использован для преобразования тепловой энергии в работу путем теплового расширения рабочей текучей среды. Цикл 100 характеризуется как цикл Ранкина и может быть реализован в устройстве теплового двигателя, которое содержит несколько теплообменников, находящихся в проточном сообщении с источником отработанного тепла, несколько турбин для производства электроэнергии и/или электропитания насоса, а также несколько рекуператоров, расположенных ниже по потоку от турбины (турбин).[0022] Figure 1 illustrates an illustrative thermodynamic cycle 100, made in accordance with one or more variants of the invention, which can be used to convert thermal energy into work by thermal expansion of the working fluid. Cycle 100 is characterized as a Rankin cycle and can be implemented in a heat engine device that contains several heat exchangers in fluid communication with the waste heat source, several turbines for generating electricity and / or power to the pump, as well as several recuperators located downstream of turbines (turbines).

[0023] В частности, термодинамический цикл 100 может содержать контур 110 рабочей текучей среды, находящийся в тепловом контакте с источником 106 тепла через первый теплообменник 102 и второй теплообменник 104, расположенные последовательно. Следует понимать, что в комбинации с одним или несколькими источниками тепла может быть использовано любое количество теплообменников. В одном иллюстративном варианте выполнения указанные первый и второй теплообменники 102, 104 могут представлять собой теплообменники отработанного тепла. В других иллюстративных вариантах выполнения первый и второй теплообменники 102, 104 могут содержать первую и вторую ступени, соответственно, одного или комбинированного теплообменника отработанного тепла.[0023] In particular, the thermodynamic cycle 100 may comprise a working fluid circuit 110 in thermal contact with a heat source 106 through a first heat exchanger 102 and a second heat exchanger 104 arranged in series. It should be understood that in combination with one or more heat sources, any number of heat exchangers can be used. In one illustrative embodiment, said first and second heat exchangers 102, 104 may be waste heat exchangers. In other illustrative embodiments, the first and second heat exchangers 102, 104 may comprise first and second stages, respectively, of a single or combined waste heat exchanger.

[0024] Источник 106 тепла может извлекать тепловую энергию из различных источников высокой температуры. Например, источник 106 тепла может представлять собой поток отработанного тепла, такого как, но не ограничиваясь этим, выхлопа газовой турбины, выхлопа технологического потока или других выхлопных потоков продуктов сгорания, таких как выхлопных потоков из печи или котла. Соответственно, термодинамический цикл 100 может быть выполнен с возможностью преобразования отработанного тепла в электричество для приложений, начиная от нижних циклов в газовых турбинах, стационарных дизель-генераторных двигателей, рекуперации промышленного отработанного тепла (например, на нефтеперерабатывающих заводах и компрессорных станциях), а также в гибридных альтернативах двигателя внутреннего сгорания. В других иллюстративных вариантах выполнения изобретения источник 106 тепла может извлекать тепловую энергию из возобновляемых источников тепловой энергии, таких как, но не ограничиваясь этим, солнечных и геотермальных источников.[0024] The heat source 106 can extract thermal energy from various heat sources. For example, heat source 106 may be a waste heat stream, such as, but not limited to, gas turbine exhaust, process exhaust, or other exhaust streams of combustion products, such as exhaust streams from a furnace or boiler. Accordingly, the thermodynamic cycle 100 can be configured to convert waste heat to electricity for applications ranging from lower cycles in gas turbines, stationary diesel generator engines, recovery of industrial waste heat (for example, in refineries and compressor stations), as well as in hybrid alternatives to an internal combustion engine. In other illustrative embodiments, the heat source 106 can extract heat from renewable heat sources, such as, but not limited to, solar and geothermal sources.

[0025] Тогда как источник 106 тепла может представлять собой поток текучей среды из самого источника высокой температуры, в других иллюстративных вариантах выполнения источник 106 тепла может представлять собой теплоноситель, находящийся в контакте с источником высокой температуры. Теплоноситель может доставлять тепловую энергию к теплообменникам 102, 104 отработанного тепла для передачи энергии к рабочей текучей среде в контуре 100.[0025] While the heat source 106 may be a fluid stream from the high temperature source itself, in other illustrative embodiments, the heat source 106 may be a heat carrier in contact with the high temperature source. The coolant can deliver thermal energy to the waste heat exchangers 102, 104 for transferring energy to the working fluid in the circuit 100.

[0026] Как показано, первый теплообменник 102 может служить в качестве теплообменника высокой температуры, или относительно более высокой температуры, выполненного с возможностью приема начального или первичного потока источника 106 тепла. В различных иллюстративных вариантах выполнения изобретения начальная температура источника 106 тепла, поступающая в цикл 100, может быть в диапазоне от приблизительно 400 градусов Фаренгейта до более чем приблизительно 1200 градусов Фаренгейта (от приблизительно 204 градусов Цельсия до более чем приблизительно 650 градусов Цельсия). В показанном иллюстративном варианте выполнения исходный поток источника 106 тепла может иметь температуру около 500 градусов Цельсия или выше. Второй теплообменник 104 может затем принимать источник 106 тепла через последовательное соединение 108 ниже по потоку от первого теплообменника 102. В одном иллюстративном варианте выполнения температура источника 106 тепла, доставляемого ко второму теплообменнику 104, может быть равна приблизительно 250-300 градусов Цельсия. Следует отметить, что иллюстративные рабочие температуры, давления и скорости потока, как показано на чертежах, являются чисто иллюстративными и ни в коей мере не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.[0026] As shown, the first heat exchanger 102 can serve as a heat exchanger of high temperature, or relatively higher temperature, configured to receive the initial or primary stream of the heat source 106. In various illustrative embodiments of the invention, the initial temperature of the heat source 106 entering the cycle 100 may range from about 400 degrees Fahrenheit to more than about 1200 degrees Fahrenheit (from about 204 degrees Celsius to more than about 650 degrees Celsius). In the illustrated exemplary embodiment, the source stream of the heat source 106 may have a temperature of about 500 degrees Celsius or higher. The second heat exchanger 104 may then receive a heat source 106 through a series connection 108 downstream of the first heat exchanger 102. In one illustrative embodiment, the temperature of the heat source 106 delivered to the second heat exchanger 104 may be approximately 250-300 degrees Celsius. It should be noted that the illustrative operating temperatures, pressures and flow rates, as shown in the drawings, are purely illustrative and should in no way be construed as limiting the scope of the invention.

[0027] Как можно видеть, большее количество тепловой энергии передается от источника 106 тепла через последовательно расположенные первый и второй теплообменники 102, 104, причем первый теплообменник 102 передает тепло в относительно более высоком температурном спектре в поток 106 отработанного тепла, чем второй теплообменник 104. Следовательно, использование связанных турбин или расширительных устройств приводит к генерации большего количества электроэнергии, как будет более подробно описано ниже.[0027] As you can see, a larger amount of thermal energy is transferred from the heat source 106 through the first and second heat exchangers 102, 104 in series, the first heat exchanger 102 transferring heat in a relatively higher temperature spectrum to the waste heat stream 106 than the second heat exchanger 104. Therefore, the use of coupled turbines or expansion devices leads to the generation of more electricity, as will be described in more detail below.

[0028] Рабочая текучая среда, циркулирующая в контуре 110 для рабочей текучей среды и в других иллюстративных контурах, описанных ниже в настоящем изобретении, может представлять собой диоксид углерода (СО₂). Диоксид углерода в качестве рабочей текучей среды для циклов выработки электроэнергии имеет много преимуществ. Он не вызывает парникового эффекта или является или нейтральной рабочей текучей средой в отношении парникового эффекта, что дает такие преимущества, как отсутствие токсичности, негорючесть, доступность, низкая цена и отсутствие необходимости утилизации. Отчасти благодаря его относительно высокому рабочему давлению, система с CO₂ может быть выполнена гораздо более компактной, чем системы, использующие другие рабочие текучие среды. Высокая плотность и объемная теплоемкость CO₂ относительно других рабочих текучих сред делает его более «энергетически плотным», что означает, что размеры всех элементов системы можно значительно уменьшить без потери производительности. Следует отметить, что использование термина «диоксид углерода» в настоящем изобретении не предназначено для ограничения CO₂ тем или иным типом, чистотой или классом. Например, в по меньшей мере одном иллюстративном варианте выполнения, без отступления от объема изобретения, может быть использован CO₂ промышленного типа.[0028] The working fluid circulating in the working fluid circuit 110 and in the other illustrative circuits described below in the present invention may be carbon dioxide (CO ₂ ). Carbon dioxide as a working fluid for power generation cycles has many advantages. It does not cause a greenhouse effect or is either a neutral working fluid with respect to the greenhouse effect, which provides benefits such as no toxicity, incombustibility, affordability, low cost and no need for disposal. Due in part to its relatively high operating pressure, a CO _{2 system} can be made much more compact than systems using other working fluids. The high density and volumetric heat capacity of CO ₂ relative to other working fluids makes it more “energetically dense”, which means that the dimensions of all elements of the system can be significantly reduced without loss of performance. It should be noted that the use of the term “carbon dioxide” in the present invention is not intended to limit CO ₂ to a particular type, purity or class. For example, in at least one illustrative embodiment, without departing from the scope of the invention, industrial-type CO ₂ can be used.

[0029] В других иллюстративных вариантах выполнения рабочая текучая среда в контуре 10 может представлять собой двойные, тройные или другие смеси рабочих текучих сред. Смесь или комбинация рабочих текучих сред может быть выбрана для уникальности свойств, которыми обладает комбинация текучих сред в системе рекуперации тепла, как описано в настоящем изобретении. Например, одна такая комбинация текучих сред содержит смесь жидкого абсорбента и CO₂, обеспечивая комбинации этих текучих сред возможность перекачки в жидком состоянии в состояние высокого давления с меньшей подводимой энергией, чем необходимо для сжатия CO₂. В другом иллюстративном варианте выполнения рабочая текучая среда может представлять собой комбинацию CO₂ или сверхкритического диоксида углерода (ScCO₂) и одной или нескольких других смешивающихся текучих сред или химических соединений, В других иллюстративных вариантах выполнения рабочая текучая среда может представлять собой комбинацию из CO₂ и пропана, или из CO₂ и аммиака, без отхода от объема настоящего изобретения.[0029] In other illustrative embodiments, the working fluid in circuit 10 may be double, triple, or other mixtures of working fluids. A mixture or combination of working fluids can be selected to uniqueness the properties of a combination of fluids in a heat recovery system, as described in the present invention. For example, one such combination of fluids contains a mixture of a liquid absorbent and CO ₂ , allowing combinations of these fluids to pump in a liquid state to a high pressure state with less energy input than is necessary to compress CO ₂ . In another illustrative embodiment, the working fluid may be a combination of CO ₂ or supercritical carbon dioxide (ScCO ₂ ) and one or more other miscible fluids or chemical compounds. In other illustrative embodiments, the working fluid may be a combination of CO ₂ and propane, or from CO ₂ and ammonia, without departing from the scope of the present invention.

[0030] Использование термина «рабочая текучая среда» не предназначено для ограничения состояния или фазового состояния вещества, в котором находится рабочая текучая среда. Другими словами, рабочая текучая среда может находиться в жидком фазовом состоянии, газообразном фазовом состоянии, в сверхкритическом фазовом состоянии, докритическом фазовом состоянии или в любом другом фазовом состоянии в любой одной или нескольких точках в цикле текучей среды. Рабочая текучая среда может находиться в сверхкритическом состоянии в определенных частях контура 110 («на стороне повышенного давления»), и в докритическом состоянии в других частях контура 110 («на стороне пониженного давления»). В других иллюстративных вариантах выполнения весь контур 110 рабочей текучей среды может работать и управляться таким образом, что рабочая текучая среда находится в сверхкритическом или докритическом состоянии в течение всей работы контура 110.[0030] The use of the term "working fluid" is not intended to limit the state or phase state of the substance in which the working fluid is located. In other words, the working fluid may be in a liquid phase state, a gaseous phase state, in a supercritical phase state, a subcritical phase state, or in any other phase state at any one or more points in the fluid cycle. The working fluid may be in a supercritical state in certain parts of the circuit 110 (“on the pressure side”), and in a subcritical state in other parts of the circuit 110 (“on the pressure side”). In other illustrative embodiments, the entire working fluid circuit 110 may be operated and controlled so that the working fluid is in a supercritical or subcritical state during the entire operation of the circuit 110.

[0031] Теплообменники 102, 104 расположены последовательно в источнике 106 тепла, но расположены параллельно в контуре 110 рабочей текучей среды. Первый теплообменник 102 может быть проточно соединен с первой турбиной 112, а второй теплообменник 104 может быть проточно соединен со второй турбиной 114. В свою очередь, первая турбина 112 может быть проточно соединена с первым рекуператором 116, а вторая турбина 114 может быть проточно соединена со вторым рекуператором 118. Одна или обе турбины 112, 114 могут представлять собой силовые турбины, выполненные с возможностью обеспечения электрической энергией вспомогательных систем и процессов. Рекуператоры 116, 118 могут быть расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура 110, и параллельно на высокотемпературной стороне контура 110. Рекуператоры 116, 118 разделяют контур 110 на высокотемпературную и низкотемпературную стороны. Например, высокотемпературная сторона контура 110 содержит части контура 110, расположенные ниже по потоку от каждого рекуператора 116, 118, откуда рабочая текучая среда направляется в теплообменники 102, 104. Низкотемпературная сторона контура 110 содержит части контура, расположенные ниже по потоку от каждого рекуператора 116, 118, откуда рабочая текучая среда направляется от теплообменников 102, 104.[0031] Heat exchangers 102, 104 are arranged in series in the heat source 106, but are arranged in parallel in the working fluid circuit 110. The first heat exchanger 102 may be flow-coupled to the first turbine 112, and the second heat exchanger 104 may be flow-connected to the second turbine 114. In turn, the first turbine 112 may be flow-coupled to the first heat exchanger 116, and the second turbine 114 may be flow-coupled to the second recuperator 118. One or both of the turbines 112, 114 may be power turbines, configured to provide electrical energy to auxiliary systems and processes. Recuperators 116, 118 may be arranged in series on the low temperature side of circuit 110, and in parallel on the high temperature side of circuit 110. Recuperators 116, 118 divide circuit 110 into the high temperature and low temperature sides. For example, the high temperature side of circuit 110 contains parts of the circuit 110 located downstream of each recuperator 116, 118, from where the working fluid is directed to heat exchangers 102, 104. The low temperature side of circuit 110 contains parts of the circuit located downstream of each recuperator 116, 118, from where the working fluid is directed from the heat exchangers 102, 104.

[0032] Контур 110 рабочей текучей среды может дополнительно содержать первый насос 120 и второй насос 122, находящиеся в проточном сообщении с элементами контура 110 текучей среды и выполнен с возможностью циркуляции рабочей текучей среды. Первый и второй насосы 120, 122 могут представлять собой турбонасосы или могут приводиться в действие независимо одним или несколькими внешними механизмами или такими устройствами, как двигатель. В одном иллюстративном варианте выполнения первый насос 120 может быть использован для обеспечения циркуляции рабочей текучей среды во время нормальной работы цикла 100, тогда как второй насос 122 может номинально приводиться в действие и использоваться только для запуска цикла 100. По меньшей мере в одном иллюстративном варианте выполнения вторая турбина 114 может быть использована для приведения в действие первого насоса 120, но в других вариантах выполнения первая турбина 112 может быть использована для приведения в действие первого насоса 120, или же первый насос 120 может номинально приводиться в действие электродвигателем (не показан).[0032] The working fluid circuit 110 may further comprise a first pump 120 and a second pump 122 in fluid communication with the elements of the fluid circuit 110 and configured to circulate the working fluid. The first and second pumps 120, 122 may be turbopumps or may be driven independently by one or more external mechanisms or devices such as an engine. In one illustrative embodiment, the first pump 120 can be used to circulate the working fluid during normal operation of cycle 100, while the second pump 122 can nominally be driven and used only to start cycle 100. In at least one illustrative embodiment the second turbine 114 may be used to drive the first pump 120, but in other embodiments, the first turbine 112 may be used to drive the first pump 120, or the first pump 120 may be nominally driven by an electric motor (not shown).

[0033] Первая турбина 112 может работать при более высокой относительной температуре (например, более высокой температуре на входе турбины), чем вторая турбина 114, из-за перепада температур в источнике 106 тепла, которое имеет место в первом теплообменнике 102. В одном или нескольких иллюстративных вариантах выполнения, однако, каждая турбина 112, 114 может быть выполнена с возможностью работы с тем же самым или по существу таким же давлением на входе. Это может быть достигнуто путем разработки контура и управления контуром 110, включая, но не ограничиваясь этим, управление первым и вторым насосом 120, 122 и/или использование многоступенчатого насоса для оптимизации давления на входе каждой турбины 112, 114 для соответствующих температур на входе контура 110.[0033] The first turbine 112 may operate at a higher relative temperature (for example, a higher temperature at the inlet of the turbine) than the second turbine 114, due to the temperature difference in the heat source 106 that occurs in the first heat exchanger 102. In one or In several illustrative embodiments, however, each turbine 112, 114 may be configured to operate with the same or substantially the same inlet pressure. This can be achieved by designing the circuit and controlling the circuit 110, including, but not limited to, controlling the first and second pump 120, 122 and / or using a multi-stage pump to optimize the inlet pressure of each turbine 112, 114 for the respective inlet temperatures of the circuit 110 .

[0034] В одном или нескольких иллюстративных вариантах выполнения входное давление на первом насосе 120 может превышать давление паров рабочей текучей среды на малую величину, достаточную для предотвращения испарения рабочей текучей среды в локальных областях низкого давления и/или высокой скорости. Это особенно в случае высокоскоростных насосов, таких как турбонасосы, которые могут быть использованы в различных вариантах выполнения, описанных в настоящем изобретении. Таким образом, традиционная система статического давления, такая как та, которая использует уравнительный резервуар, который только обеспечивает дополнительное давление силы тяжести относительно давления паров текучей среды, может оказаться недостаточной для иллюстративных вариантов выполнения, описанных в настоящем изобретении.[0034] In one or more illustrative embodiments, the inlet pressure at the first pump 120 may exceed the vapor pressure of the working fluid by a small amount sufficient to prevent evaporation of the working fluid in local areas of low pressure and / or high speed. This is especially the case with high speed pumps, such as turbopumps, which can be used in the various embodiments described in the present invention. Thus, a conventional static pressure system, such as one that uses a surge tank that only provides additional gravity pressure relative to the vapor pressure of the fluid, may not be sufficient for the illustrative embodiments described in the present invention.

[0035] Контур 110 рабочей текучей среды может дополнительно содержать конденсатор 124, находящийся в проточном сообщении с одним или обоими первым и вторым рекуператорами 116, 118. Выпуск рабочей текучей среды низкого давления на выходе из каждого рекуператор 116, 118 может быть направлен через конденсатор 124 для охлаждения, чтобы возвратиться в низкотемпературную сторону контура 110 и в либо первый, либо второй насос 120, 122.[0035] The working fluid circuit 110 may further comprise a condenser 124 in fluid communication with one or both of the first and second recuperators 116, 118. The discharge of the low pressure working fluid at the outlet of each recuperator 116, 118 may be directed through a condenser 124 for cooling, to return to the low temperature side of circuit 110 and to either the first or second pump 120, 122.

[0036] Во время работы рабочая текучая среда в контуре 110 рабочей текучей среды разделяется в точке 126 на первый массовый поток m₁ и второй массовый поток m₂. Первый массовый поток m₁ направляется через первый теплообменник 102, а затем расширяется в первой турбине 112. После первой турбины 112 первый массовый поток m₁ проходит через первый рекуператор 116 для того, чтобы передать остаточное тепло обратно в первый массовый поток m₁, когда тот направляется в первый теплообменник 102. Второй массовый поток m₂ может быть направлен через второй теплообменник 104, а затем расширен во второй турбине 114. После второй турбины 114 второй массовый поток m₂ проходит через второй рекуператор 118 для передачи остаточного тепла во второй массовый поток m₂, когда тот направляется во второй теплообменник 104. Второй массовый поток m₂ затем повторно объединяется в контуре 110 рабочей текучей среды с первым массовым потоком m₁ в точке 128 для получения объединенного массового потока m₁+m₂. Объединенный массовый поток m₁+m₂ может быть направлен через конденсатор 124 и обратно к насосу 120 для начала повторного цикла. По меньшей мере в одном из вариантов выполнения рабочая текучая среда на входе насоса 120 является сверхкритической.[0036] During operation, the working fluid in the working fluid circuit 110 is separated at a point 126 into a first mass stream m ₁ and a second mass stream m ₂ . The first mass stream m _{1 is} directed through the first heat exchanger 102, and then expanded in the first turbine 112. After the first turbine 112, the first mass stream m ₁ passes through the first recuperator 116 in order to transfer residual heat back to the first mass stream m ₁ when it is directed to the first heat exchanger 102. The second mass stream m ₂ can be directed through the second heat exchanger 104, and then expanded in the second turbine 114. After the second turbine 114, the second mass stream m ₂ passes through the second heat exchanger 118 to transfer residual heat into the second mass stream m ₂ when it is sent to the second heat exchanger 104. The second mass stream m _{2 is} then re-combined in the circuit 110 of the working fluid with the first mass stream m ₁ at point 128 to obtain a combined mass stream m ₁ + m ₂ . The combined mass flow m ₁ + m ₂ may be directed through the capacitor 124 and back to the pump 120 to start a second cycle. In at least one embodiment, the working fluid at the pump inlet 120 is supercritical.

[0037] Как можно видеть, каждая ступень теплообменника с источником 106 тепла может быть включена в контур 110 рабочей текучей среды, где она наиболее эффективно используется в полном термодинамическом цикле 100. Например, путем разделения теплообмена на несколько ступеней, либо с отдельными теплообменниками (например, первым и вторым теплообменниками 102, 104), либо с одним или несколькими теплообменниками с несколькими ступенями, из источника 106 тепла может быть извлечено дополнительное тепло для более эффективного использования в расширении и, прежде всего, чтобы получить от источника 106 тепла несколько расширений.[0037] As you can see, each stage of the heat exchanger with the heat source 106 can be included in the circuit 110 of the working fluid, where it is most effectively used in the full thermodynamic cycle 100. For example, by dividing the heat exchange into several stages, or with separate heat exchangers (for example , the first and second heat exchangers 102, 104), or with one or more heat exchangers with several stages, additional heat can be extracted from the heat source 106 for more efficient use in expansion and, irst to receive from the heat source 106 several extensions.

[0038] Кроме того, при использовании нескольких турбин 112, 114 при тех же или по существу аналогичных степенях расширения, большая часть имеющегося источника 106 тепла может быть эффективно использована путем использовании остаточного тепла от каждой турбины 112, 114 через рекуператоры 116, 118, так что остаточное тепло не теряется или не уменьшается. Расположение рекуператоров 116, 118 в контуре 110 рабочей текучей среды может быть оптимизировано с источником 106 тепла для максимизации выходной мощности нескольких температурных расширений в турбинах 112, 114. Путем выборочного слияния параллельных потоков рабочей текучей среды указанные две стороны любого из рекуператоров 116, 118 могут быть сбалансированы, например, путем согласования теплоемкости, С=m*c_p, где С - теплоемкости, m - скорость массового потока рабочей текучей среды, а c_p - удельная теплоемкость при постоянном давлении.[0038] Furthermore, when using multiple turbines 112, 114 at the same or substantially similar degrees of expansion, most of the available heat source 106 can be efficiently used by using the residual heat from each turbine 112, 114 through recuperators 116, 118, so that the residual heat is not lost or reduced. The location of the recuperators 116, 118 in the working fluid circuit 110 can be optimized with a heat source 106 to maximize the output power of several temperature extensions in the turbines 112, 114. By selectively merging the parallel flows of the working fluid, the two sides of any of the recuperators 116, 118 can be balanced, for example, by matching the heat capacity, C = m * c _p , where C is the heat capacity, m is the mass flow rate of the working fluid, and c _p is the specific heat at constant pressure.

[0039] На Фиг.2 показан другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 200, выполненный в соответствии с одним или несколькими раскрытыми вариантами выполнения. Цикл 200 может быть аналогичен в некоторых отношениях термодинамическому циклу 100, описанному выше со ссылкой на Фиг.1. Соответственно, термодинамический цикл 200 можно лучше понять со ссылкой на Фиг.1, на котором одинаковые номера позиций соответствуют одинаковым элементам, и поэтому снова не будут описаны подробно. Цикл 200 содержит первый и второй теплообменники 102, 104, снова расположенные последовательно в тепловом контакте с источником 106 тепла, но параллельно с контуром 210 рабочей текучей среды. Первый и второй рекуператоры 116 и 118 расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура 210 и параллельно на высокотемпературной стороне контура 210.[0039] Figure 2 shows another illustrative embodiment of a thermodynamic cycle 200, made in accordance with one or more of the disclosed embodiments. Cycle 200 may be similar in some respects to the thermodynamic cycle 100 described above with reference to FIG. Accordingly, the thermodynamic cycle 200 can be better understood with reference to FIG. 1, in which like reference numbers correspond to like elements, and therefore will not be described in detail again. The cycle 200 comprises first and second heat exchangers 102, 104, again arranged in series in thermal contact with the heat source 106, but in parallel with the working fluid circuit 210. The first and second recuperators 116 and 118 are arranged in series on the low temperature side of circuit 210 and in parallel on the high temperature side of circuit 210.

[0040] В контуре 210 рабочая текучая среда разделяется в точке 202 на первый массовый поток m₁ и второй массовый поток m₂. Первый массовый поток m₁ в конечном счете направляется через первый теплообменник 102, а затем расширяется в первой турбине 112. Первый массовый поток m₁ затем проходит через первый рекуператор 116 для передачи остаточного тепла обратно к первому массовому потоку m₁, циркулирующему через состояние 25, и в первый рекуператор 116. Второй массовый поток m₂ может быть направлен через второй теплообменник 104, а затем расширен во второй турбине 114. После второй турбины 114 второй массовый поток m₂ повторно объединяется с первым массовым потоком m₁ в точке 204, чтобы создать объединенный массовый поток m₁+m₂. Объединенный массовый поток m₁+m₂ может быть направлен через второй рекуператор 118 для передачи остаточного тепла к первому массовому потоку m₁, проходящему через второй рекуператор 118.[0040] In circuit 210, the working fluid is separated at point 202 into a first mass stream m ₁ and a second mass stream m ₂ . The first mass stream m ₁ is ultimately directed through the first heat exchanger 102, and then expanded in the first turbine 112. The first mass stream m ₁ then passes through the first recuperator 116 to transfer residual heat back to the first mass stream m ₁ circulating through state 25, and to the first recuperator 116. The second mass stream m ₂ can be directed through the second heat exchanger 104, and then expanded in the second turbine 114. After the second turbine 114, the second mass stream m _{2 is} re-combined with the first mass stream m ₁ at point 20 4 to create a combined mass stream m ₁ + m ₂ . The combined mass stream m ₁ + m ₂ may be directed through the second heat exchanger 118 to transfer residual heat to the first mass stream m ₁ passing through the second heat exchanger 118.

[0041] Расположение рекуператоров 116, 118 обеспечивает поступление объединенного массового потока m₁+m₂ во второй рекуператор 118 прежде, чем тот достигнет конденсатора 124. Как можно видеть, это может увеличить термический коэффициент полезного действия контура 210 рабочей текучей среды, обеспечивая лучшее согласование теплоемкостей, как определено выше.[0041] The location of the recuperators 116, 118 allows the combined mass flow m ₁ + m ₂ to enter the second recuperator 118 before it reaches the condenser 124. As you can see, this can increase the thermal efficiency of the working fluid circuit 210, providing better matching heat capacities as defined above.

[0042] Как показано на чертеже, вторая турбина 114 может быть использована для приведения в действие первого или основного насоса 120 рабочей текучей среды. В других вариантах выполнения, однако, первая турбина 112 может быть использована для приведения в действие насоса 120, без отхода от объема настоящего изобретения. Как будет описано более подробно ниже, первая и вторая турбины 112, 114 могут работать при общем давлении на входе в турбину, или с различными давлениями на входе в турбину, путем управления соответствующими скоростями массовых потоков в соответствующих состояниях 41 и 42.[0042] As shown in the drawing, a second turbine 114 may be used to drive the first or main pump 120 of the working fluid. In other embodiments, however, the first turbine 112 may be used to drive the pump 120, without departing from the scope of the present invention. As will be described in more detail below, the first and second turbines 112, 114 can operate at a common pressure at the entrance to the turbine, or with different pressures at the entrance to the turbine, by controlling the corresponding mass flow velocities in the respective states 41 and 42.

[0043] Фиг.3 иллюстрирует другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 300, выполненный в соответствии с одним или несколькими вариантами выполнения настоящего изобретения. Цикл 300 может в некоторых отношениях быть аналогичен термодинамическим циклам 100 и/или 200 тем самым цикл 300 можно лучше понять со ссылкой Фиг.1 и 2, на которых одинаковые ссылочные позиции соответствуют одинаковым элементам, и поэтому не будут описаны подробно повторно. Термодинамический цикл 300 может содержать контур 310 рабочей текучей среды, использующий третий теплообменник 302 в тепловом контакте с источником 106 тепла. Третий теплообменник 302 может представлять собой теплообменник такого типа, который похож на первый и второй теплообменники 102, 104, как описано выше.[0043] FIG. 3 illustrates another illustrative embodiment of a thermodynamic cycle 300, made in accordance with one or more embodiments of the present invention. The cycle 300 may in some respects be similar to the thermodynamic cycles 100 and / or 200, thereby the cycle 300 can be better understood with reference to FIGS. 1 and 2, in which the same reference numbers correspond to the same elements, and therefore will not be described in detail again. The thermodynamic cycle 300 may include a working fluid circuit 310 using a third heat exchanger 302 in thermal contact with a heat source 106. The third heat exchanger 302 may be a heat exchanger of the type that is similar to the first and second heat exchangers 102, 104, as described above.

[0044] Теплообменники 102, 104, 302 могут быть расположены последовательно в тепловом контакте с потоком источника 106 тепла и расположены параллельно в контуре 310 рабочей текучей среды. Соответствующий первый и второй рекуператоры 116, 118 расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура 310 с конденсатором 124, и параллельно на высокотемпературной стороне контура 310. После того, как рабочая текучая среда в точке 304 разделилась на первый и второй массовые потоки m₁ и m₂, третий теплообменник 302 может быть выполнен с возможностью приема первого массового потока m₁ и передачи тепла от источника 106 тепла к первому массовому потоку m₁ перед тем, как достичь первой турбины 112 для расширения. После расширения в первой турбине 112 первый массовый поток m₁ направляется через первый рекуператор 116 для передачи остаточного тепла к первому массовому потоку m₁, выпущенного из третьего теплообменника 302.[0044] The heat exchangers 102, 104, 302 may be arranged in series in thermal contact with the flow of the heat source 106 and arranged in parallel in the circuit 310 of the working fluid. The respective first and second recuperators 116, 118 are arranged in series on the low-temperature side of the circuit 310 with a condenser 124, and in parallel on the high-temperature side of the circuit 310. After the working fluid at point 304 is divided into the first and second mass flows m ₁ and m ₂ , the third heat exchanger 302 may be configured to receive the first mass stream m ₁ and transfer heat from the heat source 106 to the first mass stream m ₁ before reaching the first expansion turbine 112. After expansion in the first turbine 112, the first mass stream m _{1 is} directed through the first recuperator 116 to transfer residual heat to the first mass stream m ₁ discharged from the third heat exchanger 302.

[0045] Второй массовый поток m₂ направляется через второй теплообменник 104, а затем расширяется во второй турбине 114. После второй турбины 114 второй массовый поток m₂ повторно объединяется с первым массовым потоком m₁ в точке 306, чтобы генерировать объединенный массовый поток m₁+m₂, который передает остаточное тепло во второй массовый поток m₂ во втором рекуператоре 118.[0045] The second mass stream m _{2 is} guided through the second heat exchanger 104 and then expanded in the second turbine 114. After the second turbine 114, the second mass stream m _{2 is} re-combined with the first mass stream m ₁ at point 306 to generate a combined mass stream m ₁ + m ₂ , which transfers residual heat to the second mass stream m ₂ in the second recuperator 118.

[0046] Вторая турбина 114 снова может быть использована для приведения в действие первого или основного насоса 120, или она может быть приведена в действие другими средствами, как описано в настоящем изобретении. Второй, или запускающий, насос 122 может быть предусмотрен на низкотемпературной стороне контура 310 и обеспечивает циркуляцию рабочей текучей среды через параллельный контур теплообменника, включая второй и третий теплообменники 104, 302. В одном иллюстративном варианте выполнения первый и третий теплообменники 102, 302 могут иметь по существу нулевой поток во время запуска цикла 300. Контур 310 рабочей текучей среды может также содержать дроссельный клапан 308, такой как дроссельный клапан привода насоса, и запорный клапан 312 для управления потоком рабочей текучей среды.[0046] The second turbine 114 can again be used to drive the first or main pump 120, or it can be powered by other means, as described in the present invention. A second or starting pump 122 may be provided on the low-temperature side of the circuit 310 and circulates the working fluid through a parallel circuit of the heat exchanger, including the second and third heat exchangers 104, 302. In one illustrative embodiment, the first and third heat exchangers 102, 302 may have substantially zero flow at the start of cycle 300. The process fluid circuit 310 may also include a butterfly valve 308, such as a pump driver butterfly valve, and a shutoff valve 312 for controlling the flow working fluid.

[0047] Фиг.4 изображает другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 400, выполненный в соответствии с одним или несколькими раскрытыми иллюстративными вариантами выполнения. Цикл 400 может в некоторых отношениях быть аналогичен термодинамическим циклам 100, 200 и/или 300, и, таким образом, цикл 400 можно лучше понять со ссылкой на Фиг.1-3, на которых одинаковые номера позиций соответствуют одинаковым элементам, и поэтому не будут описаны подробно повторно. Термодинамический цикл 400 может содержать контур 410 рабочей текучей среды, в котором первый и второй рекуператоры 116, 118 объединены или иным образом заменены одним рекуператором 402. Рекуператор 402 может иметь тот же тип, что и рекуператоры 116, 118, описанные в настоящем изобретении, или может представлять собой рекуператор или теплообменник другого типа, известного специалистам в этой области техники.[0047] FIG. 4 depicts another illustrative embodiment of a thermodynamic cycle 400, made in accordance with one or more disclosed illustrative embodiments. Cycle 400 may in some respects be similar to thermodynamic cycles 100, 200 and / or 300, and thus cycle 400 can be better understood with reference to FIGS. 1-3, in which the same reference numbers correspond to the same elements, and therefore will not be described in detail repeatedly. The thermodynamic cycle 400 may include a working fluid circuit 410 in which the first and second recuperators 116, 118 are combined or otherwise replaced with one recuperator 402. The recuperator 402 may be of the same type as the recuperators 116, 118 described in the present invention, or may be another type of heat exchanger or heat exchanger known to those skilled in the art.

[0048] Как показано, рекуператор 402 может быть выполнен с возможностью передачи тепла к первому массовому потоку m₁ на входе первого теплообменника 102 и получения тепла от первого массового потока m₁ на выходе первой турбины 112. Рекуператор 402 может также передавать тепло во второй массовый поток m₂, когда тот входит во второй теплообменник 104, и получать тепло от второго массового потока m₂ на выходе из второй турбины 114. Объединенный массовый поток m₁+m₂ вытекает из рекуператора 402 к конденсатору 124.[0048] As shown, the recuperator 402 can be configured to transfer heat to the first mass stream m ₁ at the inlet of the first heat exchanger 102 and to receive heat from the first mass stream m ₁ at the output of the first turbine 112. The recuperator 402 can also transfer heat to the second mass flow m ₂ when it enters the second heat exchanger 104 and receive heat from the second mass flow m ₂ at the outlet of the second turbine 114. The combined mass flow m ₁ + m ₂ flows from the recuperator 402 to the condenser 124.

[0049] В других иллюстративных вариантах выполнения рекуператор 402 может быть увеличен, как показано пунктирными линиями, показанными на Фиг.4, или иным образом выполнен с возможностью получения первого массового потока m₁, входящего в третий теплообменник 302 и выходящего из него. Следовательно, дополнительная тепловая энергия может быть извлечена из рекуператора 304 и направлена в третий теплообменник 302, чтобы повысить температуру первого массового потока m₁.[0049] In other illustrative embodiments, the recuperator 402 may be increased, as shown by the dashed lines shown in FIG. 4, or otherwise configured to receive a first mass flow m ₁ entering and leaving the third heat exchanger 302. Therefore, additional thermal energy can be extracted from the recuperator 304 and sent to the third heat exchanger 302 to raise the temperature of the first mass stream m ₁ .

[0050] Фиг.5 изображает другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 500, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Цикл 500 может в некоторых отношениях быть аналогичен термодинамическому циклу 100, и, таким образом, может быть лучше понят со ссылкой на приведенный выше Фиг.1, на котором одинаковые номера позиций соответствуют одинаковым элементам, которые не будут описаны еще раз. Термодинамический цикл 500 может содержать контур 510 рабочей текучей среды, по существу аналогичный контуру 110 рабочей текучей среды, показанному на Фиг.1, но с другим расположением первого и второго насосов 120, 122. Как показано на Фиг.1, каждый из параллельных циклов имеет один независимый насос (соответственно, насос 120 для высокотемпературного цикла и насос 122 для низкотемпературного цикла) для подачи потока рабочей текучей среды во время нормальной работы. Для сравнения, в термодинамическом цикле 500, изображенном на Фиг.5, используется основной насос 120, который может приводиться в действие второй турбиной 114, чтобы обеспечивать протекание рабочей текучей среды для обоих параллельных циклов. Запускающий насос 122 на Фиг.5 работает только в процессе запуска теплового двигателя, поэтому при нормальной работе насоса с приводом от двигателя не требуются.[0050] Figure 5 depicts another illustrative embodiment of a thermodynamic cycle 500 made in accordance with the present invention. The cycle 500 may in some respects be similar to the thermodynamic cycle 100, and thus can be better understood with reference to the above Figure 1, in which the same reference numbers correspond to the same elements that will not be described again. The thermodynamic cycle 500 may include a working fluid circuit 510, substantially similar to the working fluid circuit 110 shown in FIG. 1, but with a different arrangement of the first and second pumps 120, 122. As shown in FIG. 1, each of the parallel cycles has one independent pump (respectively, pump 120 for the high temperature cycle and pump 122 for the low temperature cycle) for supplying the flow of the working fluid during normal operation. For comparison, in the thermodynamic cycle 500 shown in FIG. 5, a primary pump 120 is used, which can be driven by a second turbine 114 to allow the flow of working fluid for both parallel cycles. The start-up pump 122 in FIG. 5 only works during the start-up of the heat engine, therefore, during normal operation of the pump, the motor-driven pump is not required.

[0051] Фиг.6 изображает другой иллюстративный вариант выполнения термодинамического цикла 600, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Цикл 600 может в некоторых отношениях быть аналогичен термодинамическому циклу 300, и, таким образом, его можно лучше понять со ссылкой на описанный выше Фиг.3, на котором одинаковые номера позиций соответствуют одинаковым элементам и, поэтому, не будут описаны более подробно повторно. Термодинамический цикл 600 может иметь контур 610 рабочей текучей среды, по существу аналогичный контуру 310 рабочей текучей среды, изображенному на Фиг.3, но с добавлением третьего рекуператора 602, который извлекает дополнительную тепловую энергию из объединенного массового потока m₁+m₂, выпущенного из второго рекуператора 118. Соответственно, температура первого массового потока m₁, поступающего в третий теплообменник 302, может быть увеличена еще до получения остаточного тепла, передаваемого от источника 106 тепла.[0051] FIG. 6 depicts another illustrative embodiment of a thermodynamic cycle 600 made in accordance with the present invention. Cycle 600 may in some respects be similar to the thermodynamic cycle 300, and thus, it can be better understood with reference to the above-described Figure 3, in which the same position numbers correspond to the same elements and, therefore, will not be described in more detail again. The thermodynamic cycle 600 may have a working fluid circuit 610 substantially similar to the working fluid circuit 310 shown in FIG. 3, but with the addition of a third recuperator 602, which extracts additional thermal energy from the combined mass stream m ₁ + m ₂ discharged from the second recuperator 118. Accordingly, the temperature of the first mass stream m ₁ entering the third heat exchanger 302 can be increased even before the residual heat transferred from the heat source 106 is obtained.

[0052] Как показано, рекуператоры 116, 118, 602 могут работать в качестве отдельных теплообменников. В других вариантах выполнения, однако, рекуператоры 116, 118, 602 могут быть объединены в единый рекуператор, аналогичный рекуператору 406, описанному выше со ссылкой на Фиг.4.[0052] As shown, recuperators 116, 118, 602 can operate as separate heat exchangers. In other embodiments, however, recuperators 116, 118, 602 can be combined into a single recuperator similar to recuperator 406 described above with reference to FIG. 4.

[0053] Как проиллюстрировано каждым иллюстративным термодинамическим циклом 100-600, описанным в настоящем изобретении (т.е. в циклах 100, 200, 300, 400, 500 и 600), параллельный теплообменный цикл и конструкция, включенные в каждый контур 110-610 рабочей текучей среды (означая контура 110, 210, 310, 410, 510 и 610) обеспечивает возможность генерации большего количества энергии из заданного источника 106 тепла за счет повышения входной температуры силовой турбины до уровней, недостижимых в одном цикле, что приводит к более высоким тепловым коэффициентам полезного действия для каждого иллюстративного цикла 100-600. добавление низкотемпературных теплообменных циклов посредством второго и третьего теплообменников 104, 302 обеспечивает возможность рекуперации более высокой доли доступной энергии из источника 106 тепла. кроме того, степень расширения для каждого отдельного теплообменного цикла может быть оптимизирована для дополнительного улучшения теплового коэффициента полезного действия.[0053] As illustrated by each illustrative thermodynamic cycle 100-600 described in the present invention (ie, cycles 100, 200, 300, 400, 500 and 600), a parallel heat exchange cycle and structure included in each circuit 110-610 working fluid (meaning circuits 110, 210, 310, 410, 510 and 610) provides the ability to generate more energy from a given heat source 106 by increasing the input temperature of the power turbine to levels unattainable in one cycle, which leads to higher thermal performance factors I for each illustrative cycle 100-600. the addition of low temperature heat exchange cycles through the second and third heat exchangers 104, 302 enables the recovery of a higher fraction of the available energy from the heat source 106. in addition, the degree of expansion for each individual heat exchange cycle can be optimized to further improve the thermal efficiency.

[0054] Другие варианты, которые могут быть реализованы в любом из раскрытых иллюстративных вариантов выполнения, включают, без ограничения, использование двухступенчатого или многоступенчатого насоса 120, 122 для оптимизации давления на входе для турбин 112, 114 для любой конкретной соответствующей температуры на входе любой из турбин 112, 114. В других иллюстративных вариантах выполнения турбины 112, 114 могут быть соединены друг с другом, как, например, с использованием дополнительных ступеней турбины, параллельно на общем валу силовой турбины. Другие варианты, рассматриваемые в настоящем изобретении, представляют собой, но не ограничиваются этим, использование дополнительных ступеней турбины в параллели на валу насоса с приводом от турбины; соединение турбин через редуктор; использование различных конструкций рекуператора для оптимизации общего коэффициента полезного действия; и использование поршневых детандеров и насосов вместо турбин. Кроме того, можно соединить выход второй турбины 114 с генератором или генерирующим электроэнергию устройством, приводимым в движение первой турбиной 112, или даже интегрировать первую и вторую турбины 112, 114 в один агрегат турбомашин, например многоступенчатую турбину, использующую отдельные лопатки/диски на общем валу, или как отдельные ступени радиальной турбины, приводящие в действие главное зубчатое колесо с использованием отдельных шестерен для каждой радиальной турбины. Тем не менее, предусмотрены и другие иллюстративные варианты выполнения, в которых первая и/или вторая турбины 112, 114 соединены с основным насосом 120 и двигатель-генератором (не показан), который служит как в качестве стартового двигателя, так и в качестве генератора.[0054] Other options that may be implemented in any of the disclosed illustrative embodiments include, but are not limited to, using a two-stage or multi-stage pump 120, 122 to optimize the inlet pressure for turbines 112, 114 for any particular appropriate inlet temperature of any of turbines 112, 114. In other illustrative embodiments, turbines 112, 114 may be connected to each other, such as using additional turbine stages, in parallel on a common shaft of a power turbine. Other options contemplated by the present invention include, but are not limited to, using additional turbine stages in parallel on a turbine driven pump shaft; turbine connection through gearbox; the use of various designs of the recuperator to optimize the overall efficiency; and the use of piston expanders and pumps instead of turbines. In addition, it is possible to connect the output of the second turbine 114 to a generator or an electric power generating device driven by the first turbine 112, or even integrate the first and second turbines 112, 114 into one turbomachine assembly, for example a multi-stage turbine using separate blades / disks on a common shaft , or as separate stages of a radial turbine driving the main gear using separate gears for each radial turbine. However, other illustrative embodiments are provided in which the first and / or second turbines 112, 114 are connected to the main pump 120 and an engine generator (not shown) that serves both as a starting engine and as a generator.

[0055] Каждый из описанных циклов 100-600 может быть реализован в различных физических вариантах выполнения, включая, но не ограничиваясь этим, стационарными или интегрированными установками, или в качестве автономного устройства, такого как портативный двигатель или «модуль» отработанного тепла. Иллюстративный модуль двигателя отработанного тепла может организовать объединенными в виде единого блока каждый контур 110-610 циркуляции рабочей текучей среды и связанные с ним элементы, такие как турбины 112, 114, рекуператоры 116, 118, конденсаторы 124, насосы 120, 122, клапаны, источник рабочей текучей среды и системы управления, и механические и электронные элементы управления. Иллюстративный модуль двигателя отработанного тепла описан и проиллюстрирован в совместно рассматриваемой заявке на патент США №12/631,412, озаглавленной «Устройство преобразования тепловой энергии», поданной 9 декабря 2009 года, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в части, не противоречащей настоящему изобретению.[0055] Each of the described cycles 100-600 can be implemented in various physical embodiments, including, but not limited to, stationary or integrated installations, or as a stand-alone device, such as a portable engine or a "module" of waste heat. An illustrative engine of the waste heat engine can organize, combined as a single unit, each circuit 110-610 of the working fluid circulation and associated elements, such as turbines 112, 114, recuperators 116, 118, condensers 124, pumps 120, 122, valves, source working fluid and control systems; and mechanical and electronic controls. An exemplary waste heat engine module is described and illustrated in co-pending U.S. Patent Application No. 12 / 631,412, entitled “Thermal Energy Conversion Unit”, filed December 9, 2009, the contents of which are incorporated herein by reference in part that does not contradict the present invention.

[0056] Иллюстративные варианты выполнения, раскрытые в настоящем изобретении, могут дополнительно содержать включение и использование системы управления массой (MMS), в соединении с или интегрированной в описанные термодинамические циклы 100-600. MMS может быть предусмотрена для управления давлением на входе первого насоса 120 путем добавления и удаления массы (т.е. рабочей текучей среды) из контура 100-600 рабочей текучей среды, повышая, тем самым, коэффициент полезного действия цикла 100-600. В одном иллюстративном варианте выполнения MMS работает с циклом 100-600 полуактивно и использует датчики для контроля давлений и температур на стороне повышенного давления (от выходного отверстия насоса 120 до входного отверстия в детандер 116, 118) и на стороне пониженного давления (от выходного отверстия детандера 112, 114 до входного отверстия в насос 120) контура 110-610. MMS может также содержать клапаны, нагреватели резервуара или другое оборудование для облегчения перемещения рабочей текучей среды в контуры 110-610 рабочей текучей среды и из них, и резервуар управления массой для хранения рабочей текучей среды. Иллюстративные варианты выполнения MMS проиллюстрированы и описаны в совместно рассматриваемой заявке на патент США №12/631,412, №12/631,400 и №12/631,379, каждая из которых была подана 4 декабря 2009, заявке на патент США №12/880,428, поданной 13 сентября 2010 года, и заявке PCT/US 2011/029486, поданной 22 марта 2011. Содержание каждого из вышеизложенного случаев включено в настоящее изобретение в качестве ссылки, в той степени, в которой оно не противоречит настоящему изобретению.[0056] The illustrative embodiments disclosed in the present invention may further comprise incorporating and using a mass control system (MMS) in conjunction with or integrated into the described thermodynamic cycles 100-600. MMS can be provided to control the inlet pressure of the first pump 120 by adding and removing mass (i.e., working fluid) from the working fluid circuit 100-600, thereby increasing the cycle efficiency of 100-600. In one illustrative embodiment, the MMS operates in a 100-600 cycle semi-actively and uses sensors to monitor pressures and temperatures on the high pressure side (from the pump outlet 120 to the inlet to the expander 116, 118) and on the low pressure side (from the outlet of the expander 112, 114 to the inlet to the pump 120) of the circuit 110-610. MMS may also include valves, reservoir heaters, or other equipment to facilitate movement of the working fluid into and out of the working fluid circuits 110-610, and a mass control tank for storing the working fluid. Illustrative MMS embodiments are illustrated and described in co-pending US Patent Application No. 12/631,412, No. 12/631,400, and No. 12/631,379, each of which was filed December 4, 2009, US Patent Application No. 12/880,428, filed September 13. 2010, and PCT / US 2011/029486, filed March 22, 2011. The contents of each of the foregoing cases are included in the present invention by reference, to the extent that it does not contradict the present invention.

[0057] Со ссылкой теперь на Фиг.7 и 8 представлены иллюстративные системы управления массой, соответственно, 700 и 800, которые могут быть использованы в одном или нескольких иллюстративных вариантах выполнения совместно с термодинамическими циклами 100-600, описанными в настоящем изобретении. Точки А, В, и С врезки системы, как показано на Фиг.7 и 8 (на Фиг.8 показаны только точки А и С) соответствуют точкам А, В, и С врезки системы, показанным на Фиг.1-6. Соответственно, как MMS 700, так и MMS 800 может быть проточно соединена с термодинамическими циклами 100-600, изображенными на Фиг.1-6, в соответствующих точках А, В, и С врезки системы (если применимо). Иллюстративная MMS 800 удерживает рабочую текучую среду при низкой (ниже температуры окружающей среды) температуре и, следовательно, низком давлении, а иллюстративная MMS 700 удерживает рабочую текучую среду при температуре окружающей среды или вблизи этой температуры. Как обсуждалось выше, рабочая текучая среда может представлять собой CO₂, но также может представлять собой и другие рабочие текучие среды, без отступления от объема изобретения.[0057] With reference now to FIGS. 7 and 8, illustrative mass control systems, 700 and 800, respectively, that can be used in one or more illustrative embodiments in conjunction with the thermodynamic cycles 100-600 described in the present invention are presented. System insert points A, B, and C, as shown in FIGS. 7 and 8 (only points A and C are shown in FIG. 8) correspond to system insert points A, B, and C shown in FIGS. 1-6. Accordingly, both the MMS 700 and the MMS 800 can be flow-coupled to the thermodynamic cycles 100-600 shown in FIGS. 1-6 at the respective points A, B, and C of the system insert (if applicable). Illustrative MMS 800 holds the working fluid at a low (below ambient temperature) temperature and, therefore, low pressure, and the illustrative MMS 700 holds the working fluid at or near ambient temperature. As discussed above, the working fluid may be CO ₂ , but may also be other working fluids, without departing from the scope of the invention.

[0058] Во время иллюстративной работы MMS 700 резервуар 702 хранения рабочей текучей среды находится под давлением путем выпуска рабочей текучей среды из контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды через первый клапан 704 в точке А врезки. При необходимости дополнительная рабочая текучая среда может быть добавлена в контур(ы) 110-610 рабочей текучей среды путем открытия второго клапана 706, расположенного в нижней части резервуара 702, для того, чтобы обеспечить возможность протекания дополнительной рабочей текучей среды через точку С врезки, расположенную вверх по потоку от насоса 120 (Фиг.1-6). Добавление рабочей текучей среды в контур(ы) 110-610 в точке С врезки может содействовать повышению давления на входе первого насоса 120. Для извлечения текучей среды из контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды и, тем самым, уменьшению давления на входе первого насоса 120, третий клапан 708 может быть открыт для обеспечения вхождения охлажденной текучей среды под давлением в резервуар через точку В врезки. Хотя это и не является необходимым в каждом приложений, MMS 700 может также содержать перекачивающий насос 710, выполненный с возможностью удаления рабочей текучей среды из резервуара 702 и введения ее в контур(ы) 110-610 рабочей текучей среды.[0058] During the illustrative operation of MMS 700, the working fluid storage tank 702 is pressurized by discharging the working fluid from the working fluid circuit (s) 110-610 through the first valve 704 at the insertion point A. If necessary, additional working fluid may be added to the working fluid circuit (s) 110-610 by opening a second valve 706 located at the bottom of the reservoir 702 in order to allow additional working fluid to flow through the insertion point C located upstream of the pump 120 (Fig.1-6). Adding a working fluid to the inlet circuit (s) 110-610 at the tapping point C may contribute to increasing the inlet pressure of the first pump 120. To extract the fluid from the working fluid circuit (s) 110-610 and thereby reducing the inlet pressure of the first pump 120, the third valve 708 may be opened to allow the entry of chilled fluid under pressure into the reservoir through the insertion point B. Although not necessary in every application, the MMS 700 may also include a transfer pump 710 configured to remove the working fluid from the reservoir 702 and introduce it into the working fluid circuit (s) 110-610.

[0059] MMS 800, изображенная на Фиг.8, использует только две точки врезки системы или точки А и С интерфейса. Управляемый клапаном интерфейс А не используется во время фазы управления (например, нормального функционирования устройства), и обеспечивается только для предварительного создания давления в контуре(ах) 110-610 рабочей текучей среды с помощь пара, так что температура контура(ов) 110-610 во время заполнения остается выше минимального порогового значения. Может быть включен испаритель, использующий тепло окружающей среды, для преобразования рабочей текучей среды в жидкой фазе в рабочую текучую среду в паровой фазе приблизительно при температуре окружающей среды. Без испарителя система могла бы резко снизить температуру при заполнении. Испаритель также подает пар обратно в резервуар 702, чтобы компенсировать потерянный объем жидкости, который был извлечен, и, тем самым, выступает в качестве средства повышения давления. По меньшей мере в одном варианте выполнения испаритель может быть нагрет электрически или нагрет вторичной текучей средой. В процессе работы, когда требуется повысить давление всасывания первого насоса 120 (Фиг.1-6), рабочая текучая среда может быть избирательно добавлена в контур(ы) 110-610 рабочей текучей среды путем ее перекачки с помощью перекачивающего насоса 802, предусмотренного в точке С врезки или вблизи нее. Если требуется уменьшить давление всасывания насоса 120, рабочая текучая среда избирательно извлекается из системы на интерфейсе С и расширяется посредством одного или нескольких клапанов 804 и 806 до относительно более низкого давления хранения резервуара 702 хранения.[0059] The MMS 800 shown in FIG. 8 uses only two system insertion points or interface points A and C. The valve-driven interface A is not used during the control phase (for example, the normal operation of the device), and is only provided for pre-creating pressure in the circuit (s) 110-610 of the working fluid using steam, so that the temperature of the circuit (s) 110-610 during filling remains above the minimum threshold value. An evaporator using ambient heat may be included to convert the working fluid in the liquid phase to the working fluid in the vapor phase at approximately ambient temperature. Without an evaporator, the system could drastically lower the temperature during filling. The evaporator also feeds steam back to reservoir 702 to compensate for the lost volume of liquid that has been recovered, and thereby acts as a means of increasing pressure. In at least one embodiment, the evaporator may be electrically heated or heated by a secondary fluid. During operation, when it is desired to increase the suction pressure of the first pump 120 (FIGS. 1-6), the working fluid can be selectively added to the working fluid circuit (s) 110-610 by pumping it using a transfer pump 802 provided at a point From or near the sidebar. If it is desired to reduce the suction pressure of the pump 120, the working fluid is selectively removed from the system at interface C and expanded by one or more valves 804 and 806 to a relatively lower storage pressure of the storage tank 702.

[0060] В большинстве случаев расширенная текучая среда после клапанов 804, 806 будет двухфазной (т.е. пар + жидкость). Чтобы предотвратить превышение допустимого уровня давления в резервуаре 702, может быть предусмотрен небольшой холодильный цикл сжатия пара, включающий компрессор 808 пара и сопровождающий его конденсатор 810. В других вариантах выполнения конденсатор может использоваться в качестве испарителя, в котором вода из конденсатора используется в качестве источника тепла, а не теплоотвода. Холодильный цикл может быть выполнен с возможностью уменьшения температуры рабочей текучей среды и конденсации пара в достаточной степени, чтобы поддерживать давление в резервуаре 702 на расчетном уровне. Как должно быть понятно, холодильный цикл сжатия пара может быть интегрирован в MMS 800 или может быть автономным циклом сжатия пара с независимым холодильным контуром.[0060] In most cases, the expanded fluid after valves 804, 806 will be biphasic (ie, vapor + liquid). To prevent exceeding the permissible pressure level in the tank 702, a small refrigeration steam compression cycle may be provided, including a steam compressor 808 and its accompanying condenser 810. In other embodiments, the condenser can be used as an evaporator in which water from the condenser is used as a heat source rather than heat sink. The refrigeration cycle may be configured to reduce the temperature of the working fluid and to condense the vapor sufficiently to maintain the pressure in the reservoir 702 at a design level. As should be understood, the refrigeration vapor compression cycle may be integrated into the MMS 800 or may be an autonomous vapor compression cycle with an independent refrigeration circuit.

[0061] Рабочая текучая среда, содержащаяся в резервуаре 702 хранения, будет иметь тенденцию к расслоению с рабочей текучей средой более высокой плотности, находящейся в нижней части резервуара 702, и рабочей текучей средой более низкой плотности, находящейся в верхней части резервуара 702. Рабочая текучая среда может находиться в жидкой фазе, паровой фазе, или в обеих фазах, или в сверхкритическом состоянии; причем, если рабочая текучая среда находится в обеих фазах - паровой фазе и жидкой фазе, то будет иметься граница раздела фаз, отделяющая одну фазу рабочей текучей среды от другой, при этом более плотная рабочая текучая среда будет находиться в нижней части резервуара 702. Таким образом, MMS 700, 800 может быть выполнена с возможностью доставки в контуры 110-610 самой плотной рабочей текучей среды, имеющейся в резервуаре 702 хранения.[0061] The working fluid contained in the storage tank 702 will tend to stratify with a higher density working fluid located at the bottom of the tank 702 and a lower density working fluid located at the top of the tank 702. the medium may be in a liquid phase, a vapor phase, or in both phases, or in a supercritical state; moreover, if the working fluid is in both phases — the vapor phase and the liquid phase, then there will be a phase boundary separating one phase of the working fluid from the other, while a denser working fluid will be in the lower part of the reservoir 702. Thus , MMS 700, 800 may be configured to deliver to circuits 110-610 the densest working fluid available in storage tank 702.

[0062] Все различные описанные управления или изменения в состоянии рабочей текучей среды и состояние всех контуров 110-610 рабочей текучей среды, включая температуру, давление, направление потока и скорость, и работу компонентов, таких как насосы 120, 122 и турбины 112, 114, может контролироваться и/или управляться системой 712 управления, в общем виде изображенной на Фиг.7 и 8. Иллюстративные системы управления, совместимые с вариантами выполнения настоящего изобретения, описаны и проиллюстрированы в одновременно рассматриваемой заявке на патент США, серийный номер 12/880,428, озаглавленной «Тепловой двигатель и системы и способы преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью системы заполнения рабочей текучей средой», поданной 13 сентября 2010, и включенной в настоящий документ посредством ссылки, как указано выше.[0062] All of the various described controls or changes in the state of the working fluid and the condition of all circuits 110-610 of the working fluid, including temperature, pressure, flow direction and speed, and the operation of components such as pumps 120, 122 and turbines 112, 114 can be monitored and / or controlled by a control system 712, generally depicted in FIGS. 7 and 8. Illustrative control systems compatible with embodiments of the present invention are described and illustrated in the simultaneously contemplated US patent application, serial number 12 / 880,428, entitled “Heat engine and systems and methods for converting thermal energy into electrical energy using a working fluid filling system”, filed September 13, 2010, and incorporated herein by reference, as described above.

[0063] В одном иллюстративном варианте выполнения система 712 управления может содержать один или несколько пропорциональных интегрально-дифференциальных (PID) контроллеров в качестве петли обратной связи системы управления. В другом иллюстративном варианте выполнения система 712 управления может представлять собой любую микропроцессорную систему, выполненную с возможностью хранения управляющей программы и выполнения управляющей программы для получения входных сигналов датчика и генерации сигналов управления в соответствии с заранее заданным алгоритмом или таблицей. Например, система 712 управления может представлять собой основанный на микропроцессоре компьютер с выполняемой управляющей программой программного обеспечения, хранящейся на машиночитаемом носителе. Программное обеспечение может быть выполнено с возможностью приема входных сигналов датчика из различных датчиков давления, температуры, потока и т.п., расположенных во всех контурах 110-610 рабочей текучей среды, и генерации управляющих сигналов, причем указанные управляющие сигналы генерируются с возможностью оптимизации и/или избирательного управления работой контуров 110-610.[0063] In one illustrative embodiment, the control system 712 may comprise one or more proportional integral differential (PID) controllers as a feedback loop of the control system. In another illustrative embodiment, the control system 712 may be any microprocessor system configured to store a control program and execute a control program to receive sensor inputs and generate control signals in accordance with a predetermined algorithm or table. For example, the control system 712 may be a microprocessor-based computer with executable software control program stored on a computer-readable medium. The software may be configured to receive sensor inputs from various pressure, temperature, flow sensors, and the like, located in all circuits 110-610 of the working fluid, and generate control signals, said control signals being generated with the possibility of optimization and / or selectively controlling the operation of circuits 110-610.

[0064] Каждая MMS 700, 800 может быть соединена с возможностью обмена данными с такой системой 712 управления таким образом, что управление различными клапанами и другим оборудованием, описанным в настоящем изобретении, автоматизировано или полуавтоматизировано и реагирует на данные о производительности системы, полученные с помощью различных датчиков, расположенных по всем контурам 110-610, а также реагирует на окружающие условия и условия окружающей среды. То есть система 712 управления может находиться в состоянии обмена данными с каждым из компонентов MMS 700, 800 и может быть выполнена с возможностью управления его работой, чтобы более эффективно выполнять функцию термодинамического цикла(ов) 100-600. Например, система 712 управления может осуществлять связь (через провода, ВЧ-сигнал и т.д.) с каждым из клапанов, насосов, датчиков и т.д. в системе, и выполнена с возможностью управления работой каждого из элементов, в соответствии с управляющим программным обеспечением, алгоритмом, или другим заранее заданным механизмом управления. Это может оказаться преимущественным для управления температурой и давлением рабочей текучей среды на входе первого насоса 120, чтобы активным образом увеличивать давление всасывания первого насоса 120 за счет уменьшения сжимаемости рабочей текучей среды. Это может предотвратить повреждение первого насоса 120, а также увеличить суммарную степень сжатия термодинамического цикла(ов) 100-600, повышая, тем самым, коэффициент полезного действия и выходную мощность.[0064] Each MMS 700, 800 can be connected to exchange data with such a control system 712 such that the control of various valves and other equipment described in the present invention is automated or semi-automated and responds to system performance data obtained using various sensors located along all circuits 110-610, and also responds to environmental and environmental conditions. That is, the control system 712 can be in a state of data exchange with each of the components of MMS 700, 800 and can be configured to control its operation in order to more effectively fulfill the function of thermodynamic cycle (s) 100-600. For example, control system 712 may communicate (via wires, RF signal, etc.) with each of the valves, pumps, sensors, etc. in the system, and is configured to control the operation of each of the elements, in accordance with the control software, algorithm, or other predetermined control mechanism. This may be advantageous for controlling the temperature and pressure of the working fluid at the inlet of the first pump 120, in order to actively increase the suction pressure of the first pump 120 by reducing the compressibility of the working fluid. This can prevent damage to the first pump 120, and also increase the total compression ratio of the thermodynamic cycle (s) 100-600, thereby increasing the efficiency and output power.

[0065] В одном или нескольких иллюстративных вариантах выполнения может оказаться выгодным поддерживать давление всасывания насоса 120 выше давления кипения рабочей текучей среды на входе в насос 120. Один способ управления давлением рабочей текучей среды на низкотемпературной стороне контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды заключается в управлении температурой рабочей текучей среды в резервуаре 702 хранения, изображенном на Фиг.7. Это может быть достигнуто путем поддержания температуры резервуара 702 хранения на более высоком уровне, чем температура на входе в насос 120. Чтобы достичь этого, MMS 700 может включать использование нагревателя и/или спирали 714 в резервуаре 702. Нагреватель/спираль 714 может быть выполнена с возможностью добавления или удаления тепла из текучей среды/пара в резервуаре 702. В одном иллюстративном варианте выполнения температура резервуара 702 хранения может управляться с использованием прямого электрического нагрева. В других иллюстративных вариантах выполнения, однако, температура резервуара 702 хранения может управляться с помощью других устройств, например, но не ограничиваясь этим, спиралью теплообменника с выпущенной насосом текучей средой (которая находится при более высокой температуре, чем на входе в насос), спиралью теплообменника с отработанной охлаждающей водой из охладителя/конденсатора (также при более высокой температуре, чем на входе в насос), или их комбинации.[0065] In one or more illustrative embodiments, it may be advantageous to maintain the suction pressure of the pump 120 above the boiling pressure of the working fluid at the inlet to the pump 120. One way to control the pressure of the working fluid on the low temperature side of the working fluid circuit (s) 110-610 consists in controlling the temperature of the working fluid in the storage tank 702 shown in Fig.7. This can be achieved by maintaining the temperature of the storage tank 702 at a higher level than the temperature at the inlet to the pump 120. To achieve this, the MMS 700 may include the use of a heater and / or coil 714 in the tank 702. The heater / coil 714 may be configured with the ability to add or remove heat from the fluid / steam in the tank 702. In one illustrative embodiment, the temperature of the storage tank 702 can be controlled using direct electrical heating. In other illustrative embodiments, however, the temperature of the storage tank 702 may be controlled by other devices, for example, but not limited to, a heat exchanger coil with a pumped fluid (which is at a higher temperature than the pump inlet), a heat exchanger coil with spent cooling water from a cooler / condenser (also at a higher temperature than at the pump inlet), or a combination thereof.

[0066] Со ссылкой теперь на Фиг.9 и 10, системы охлаждения, соответственно, 900 и 1000, также могут быть использованы в связи с любым из описанных выше циклов, для того, чтобы обеспечить охлаждение в других областях промышленного процесса, в том числе, но не ограничиваясь этим, предварительным охлаждением воздуха на входе газовой турбины или других воздушно-реактивных двигателей, обеспечивая тем самым более высокую выходную мощность двигателя. Точки В и D или С и D врезки системы, показанные на Фиг.9 и 10, могут соответствовать точкам В, С, D врезки системы, изображенным на Фиг.1-6. Соответственно, каждая система 900, 1000 охлаждения может быть проточно соединена с одним или несколькими контурами 110-610 рабочей текучей среды, показанными на Фиг.1-6, в соответствующих точках В, С и/или D врезки системы (где это применимо).[0066] With reference now to FIGS. 9 and 10, cooling systems, respectively, 900 and 1000, can also be used in connection with any of the above cycles in order to provide cooling in other areas of the industrial process, including , but not limited to, pre-cooling the air at the inlet of a gas turbine or other jet engines, thereby providing a higher engine power output. Points b and D or C and D tie-in system shown in Fig.9 and 10 may correspond to points B, C, D tie-in system shown in Fig.1-6. Accordingly, each cooling system 900, 1000 may be fluidly connected to one or more of the working fluid circuits 110-610 shown in FIGS. 1-6, at the respective tie-in points B, C and / or D (where applicable).

[0067] В системе 900 охлаждения, изображенной на Фиг.9, часть рабочей текучей среды может быть извлечена из контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды в точке С врезки системы. Давление этой части текучей среды уменьшается за счет расширительного устройства 902, которое может представлять собой клапан, отверстие или расширитель текучей среды, такой как турбина или детандер с положительным смещением. Этот процесс расширения снижает температуру рабочей текучей среды. Затем тепло добавляют к рабочей текучей среде в теплообменнике 904 испарителя, который снижает температуру текучей среды внешнего процесса (например, воздуха, воды и т.д.). Давление рабочей текучей среды затем повторно увеличивают за счет использования компрессора 906, после чего ее снова вводят в контур(ы) 110-610 рабочей текучей среды через точку D врезки системы.[0067] In the cooling system 900 of FIG. 9, a portion of the working fluid may be removed from the working fluid circuit (s) 110-610 at the insert point C of the system. The pressure of this part of the fluid is reduced by an expansion device 902, which may be a valve, orifice or expander of a fluid, such as a positive offset turbine or expander. This expansion process lowers the temperature of the working fluid. Heat is then added to the working fluid in the heat exchanger 904 of the evaporator, which reduces the temperature of the fluid of the external process (for example, air, water, etc.). The pressure of the working fluid is then re-increased by using a compressor 906, after which it is again introduced into the circuit (s) 110-610 of the working fluid through the insert point D of the system.

[0068] Компрессор 906 может либо представлять собой компрессор с приводом от двигателя, либо управляться турбиной либо от любой специально предназначенной для этого турбины, либо от дополнительного колеса, добавленного к основной турбине системы. В других иллюстративных вариантах выполнения компрессор 906 может быть объединен с основным(и) контуром(ами) 110-610 циркуляции рабочей текучей среды. В других вариантах выполнения компрессор 906 может принимать форму эжектора текучей среды, причем рабочую текучую среду подают из точки А врезки системы и выпускают в точке D врезки системы, вверх по потоку от конденсатора 124 (Фиг.1-6).[0068] Compressor 906 can either be an engine driven compressor, or controlled by a turbine, either from any specially designed turbine, or from an additional wheel added to the system’s main turbine. In other illustrative embodiments, the compressor 906 may be combined with the primary circuit (s) 110-610 for circulating the working fluid. In other embodiments, the compressor 906 may take the form of a fluid ejector, wherein the working fluid is supplied from the system insert point A and discharged at the system insert point D, upstream of the condenser 124 (FIGS. 1-6).

[0069] Система 1000 охлаждения, изображенная на Фиг.10, может также содержать компрессор 1002, по существу аналогичный компрессору 906, описанному выше. Компрессор 1002 может принимать форму эжектора текучей среды, причем рабочую текучую среду подают из контура(ов) 110-610 рабочей текучей среды через точку А врезки (не показанной, но соответствующей точке, показанной на Фиг.1-6) и выпускают в контур(ы) 110-610 через точку D врезки. В показанном иллюстративном варианте выполнения рабочую текучую среду извлекают из контура(ов) 110-610 через точку В врезки и предварительно охлаждают теплообменником 1004 прежде, чем осуществить расширение в расширительном устройстве 1006, аналогичном расширительному устройству 902, описанному выше. В одном иллюстративном варианте выполнения теплообменник 1004 может содержать теплообменник типа вода-CO₂ или воздух-CO₂. Как можно видеть, добавление теплообменника 1004 может обеспечивать дополнительную охлаждающую способность, выше той, которая возможна с системой 900 охлаждения, показанной на Фиг.9.[0069] The cooling system 1000 shown in FIG. 10 may also comprise a compressor 1002 substantially similar to the compressor 906 described above. Compressor 1002 may take the form of a fluid ejector, wherein the working fluid is supplied from the working fluid circuit (s) 110-610 through the insert point A (not shown, but corresponding to the point shown in FIGS. 1-6) and discharged into the circuit ( s) 110-610 through point D of the inset. In the illustrated exemplary embodiment, the working fluid is removed from the circuit (s) 110-610 through the tapping point B and pre-cooled by the heat exchanger 1004 before being expanded in the expansion device 1006 similar to the expansion device 902 described above. In one illustrative embodiment, the heat exchanger 1004 may comprise a water-CO ₂ or air-CO ₂ heat exchanger. As you can see, the addition of the heat exchanger 1004 can provide additional cooling capacity, higher than that which is possible with the cooling system 900 shown in Fig.9.

[0070] Термины «выше по потоку» и «ниже по потоку», используемые в настоящем изобретении, предназначены для более четкого описания различных иллюстративных вариантов выполнения и конфигураций настоящего изобретения. Например, термин «выше по потоку» обычно означает в направлении по или в направлении против потока рабочей текучей среды во время нормальной работы, а термин «ниже по потоку» обычно означает вместе с или в направлении потока рабочей текучей среды во время нормальной работы.[0070] The terms “upstream” and “downstream” used in the present invention are intended to more clearly describe various illustrative embodiments and configurations of the present invention. For example, the term “upstream” generally means in the direction of upstream or downstream of the working fluid during normal operation, and the term “downstream” usually means together with or in the direction of flow of the working fluid during normal operation.

[0071] Вышеизложенное в чертах описало характеристики нескольких вариантов выполнения, так что специалистам в данной области техники смогут лучше понять настоящее изобретение. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что они могут легко использовать настоящее изобретение в качестве основы для разработки или изменения других процессов и конструкций для достижения тех же целей и/или для достижения таких же преимуществ указанных в настоящем документе вариантов выполнения. Специалисты в этой области техники должны понимать, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы сущности и объема настоящего изобретения, и что в настоящем изобретении они могут сделать различные изменения, замены и перестановки без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.[0071] The foregoing has described the characteristics of several embodiments so that those skilled in the art will better understand the present invention. Those of skill in the art would understand that they can easily use the present invention as a basis for developing or modifying other processes and designs to achieve the same objectives and / or to achieve the same advantages of the embodiments described herein. Those skilled in the art should understand that such equivalent constructions do not fall within the spirit and scope of the present invention, and that in the present invention they can make various changes, replacements, and permutations without departing from the spirit and scope of the present invention.

Claims

1. Система для преобразования тепловой энергии в работу, содержащая:
насос, выполненный с возможностью циркуляции рабочей текучей среды через контур рабочей текучей среды, причем ниже по потоку от насоса рабочая текучая среда разделяется на первый массовый поток и второй массовый поток, при этом рабочая текучая среда содержит диоксид углерода и находится в сверхкритическом состоянии по меньшей мере в части контура рабочей текучей среды;
первый теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем первый теплообменник выполнен с возможностью приема первого массового потока и передачи тепла от источника тепла к первому массовому потоку;
первую турбину, проточно соединенную с первым теплообменником и выполненную с возможностью расширения первого массового потока;
первый рекуператор, проточно соединенный с первой турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии из первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, к первому массовому потоку, направляемому в первый теплообменник;
второй теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем второй теплообменник выполнен с возможностью приема второго массового потока и передачи тепла от источника тепла ко второму массовому потоку; и
вторую турбину, проточно соединенную со вторым теплообменником и выполненную с возможностью расширения второго массового потока.1. A system for converting thermal energy into work, comprising:
a pump configured to circulate the working fluid through the circuit of the working fluid, wherein downstream of the pump, the working fluid is divided into a first mass flow and a second mass flow, wherein the working fluid contains carbon dioxide and is in a supercritical state of at least in the part of the circuit of the working fluid;
a first heat exchanger flow-wise connected to the pump and in thermal contact with a heat source, the first heat exchanger configured to receive a first mass stream and transfer heat from the heat source to the first mass stream;
a first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger and configured to expand the first mass flow;
a first recuperator flow-coupled to the first turbine and configured to transfer residual heat energy from the first mass stream discharged from the first turbine to the first mass stream directed to the first heat exchanger;
a second heat exchanger flow-wise connected to the pump and in thermal contact with the heat source, the second heat exchanger configured to receive a second mass stream and transfer heat from the heat source to the second mass stream; and
a second turbine flow-wise connected to the second heat exchanger and configured to expand the second mass flow.

2. Система по п.1, в которой источник тепла представляет собой поток отработанного тепла.2. The system of claim 1, wherein the heat source is a waste heat stream.

3. Система по п.1, в которой рабочая текучая среда находится в сверхкритическом состоянии на стороне повышенного давления контура рабочей текучей среды и в докритическом состоянии на стороне пониженного давления контура рабочей текучей среды.3. The system according to claim 1, in which the working fluid is in a supercritical state on the high pressure side of the working fluid circuit and in a subcritical state on the low pressure side of the working fluid circuit.

4. Система по п.1, в которой рабочая текучая среда на входе в насос находится в сверхкритическом состоянии.4. The system according to claim 1, in which the working fluid at the inlet to the pump is in a supercritical state.

5. Система по п.1, в которой первый и второй теплообменники расположены в источнике тепла последовательно.5. The system of claim 1, wherein the first and second heat exchangers are arranged in series in the heat source.

6. Система по п.1, в которой первый массовый поток циркулирует параллельно со вторым массовым потоком.6. The system according to claim 1, in which the first mass stream circulates in parallel with the second mass stream.

7. Система по п.1, дополнительно содержащая второй рекуператор, проточно соединенный со второй турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии от второго массового потока, выпускаемого из второй турбины, во второй массовый поток, направляемый во второй теплообменник.7. The system of claim 1, further comprising a second recuperator flow-coupled to the second turbine and configured to transfer residual heat energy from the second mass stream discharged from the second turbine to a second mass stream directed to the second heat exchanger.

8. Система по п.7, в которой первый и второй рекуператоры расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура рабочей текучей среды, причем первый и второй рекуператоры на высокотемпературной стороне контура рабочей текучей среды расположены параллельно.8. The system according to claim 7, in which the first and second recuperators are arranged sequentially on the low temperature side of the working fluid circuit, the first and second recuperators on the high temperature side of the working fluid circuit are parallel.

9. Система по п.1, дополнительно содержащая второй рекуператор, проточно соединенный со второй турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии из объединенного первого и второго массового потока в первый массовый поток, направляемый в первый теплообменник.9. The system of claim 1, further comprising a second recuperator flow-coupled to the second turbine and configured to transfer residual heat energy from the combined first and second mass flow to a first mass flow directed to the first heat exchanger.

10. Система по п.1, в которой давление на входе первой турбины по существу равно давлению на входе второй турбины.10. The system of claim 1, wherein the inlet pressure of the first turbine is substantially equal to the inlet pressure of the second turbine.

11. Система по п.10, в которой давление на выходе первой турбины отличается от давления на выходе второй турбины.11. The system of claim 10, in which the pressure at the outlet of the first turbine is different from the pressure at the outlet of the second turbine.

12. Система по п.1, дополнительно содержащая систему управления массой, функционально соединенную с контуром циркуляции рабочей текучей среды через по меньшей мере две точки врезки, причем система управления массой выполнена с возможностью управления количеством рабочей текучей среды в контуре циркуляции рабочей текучей среды.12. The system of claim 1, further comprising a mass control system operatively coupled to the working fluid circuit through at least two tie-in points, the mass control system being configured to control the amount of working fluid in the working fluid circuit.

13. Система для преобразования тепловой энергии в работу, содержащая:
насос, выполненный с возможностью циркуляции рабочей текучей среды в контуре рабочей текучей среды, причем рабочая текучая среда ниже по потоку от насоса разделяется на первый массовый поток и второй массовый поток, при этом рабочая текучая среда содержит диоксид углерода и находится в сверхкритическом состоянии по меньшей мере в части контура рабочей текучей среды;
первый теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем первый теплообменник выполнен с возможностью приема первого массового потока и передачи тепла от источника тепла к первому массовому потоку;
первую турбину, проточно соединенную с первым теплообменником и выполненную с возможностью расширения первого массового потока;
первый рекуператор, проточно соединенный с первой турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии из первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, в первый массовый поток, направляемый в первый теплообменник;
второй теплообменник, проточно соединенный с насосом и находящийся в тепловом контакте с источником тепла, причем второй теплообменник выполнен с возможностью приема второго массового потока и передачи тепла от источника тепла ко второму массовому потоку;
вторую турбину, проточно соединенную со вторым теплообменником и выполненную с возможностью расширения второго массового потока, причем второй массовый поток, выходящий из второй турбины, повторно объединяется с первым массовым потоком для формирования объединенного массового потока;
второй рекуператор, проточно соединенный со второй турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии из объединенного массового потока во второй массовый поток, направляемый во второй теплообменник; и
третий теплообменник, находящийся в тепловом контакте с источником тепла и расположенный между насосом и первым теплообменником, причем третий теплообменник выполнен с возможностью приема и передачи тепла к первому массовому потоку перед его пропусканием через первый теплообменник.13. A system for converting thermal energy into work, comprising:
a pump configured to circulate the working fluid in the working fluid circuit, wherein the working fluid downstream of the pump is divided into a first mass flow and a second mass flow, wherein the working fluid contains carbon dioxide and is in a supercritical state of at least in the part of the circuit of the working fluid;
a first heat exchanger flow-wise connected to the pump and in thermal contact with a heat source, the first heat exchanger configured to receive a first mass stream and transfer heat from the heat source to the first mass stream;
a first turbine flow-wise connected to the first heat exchanger and configured to expand the first mass flow;
a first recuperator flow-coupled to the first turbine and configured to transfer residual heat energy from the first mass stream discharged from the first turbine to the first mass stream directed to the first heat exchanger;
a second heat exchanger flow-wise connected to the pump and in thermal contact with the heat source, the second heat exchanger configured to receive a second mass stream and transfer heat from the heat source to the second mass stream;
a second turbine flow-coupled to the second heat exchanger and configured to expand the second mass stream, the second mass stream exiting the second turbine being re-combined with the first mass stream to form a combined mass stream;
a second recuperator flow-coupled to the second turbine and configured to transfer residual heat energy from the combined mass stream to a second mass stream directed to the second heat exchanger; and
a third heat exchanger in thermal contact with the heat source and located between the pump and the first heat exchanger, the third heat exchanger configured to receive and transfer heat to the first mass stream before passing it through the first heat exchanger.

14. Система по п.13, в которой источник тепла представляет собой поток отработанного тепла.14. The system of claim 13, wherein the heat source is a waste heat stream.

15. Система по п.13, в которой рабочая текучая среда находится в сверхкритическом состоянии на стороне повышенного давления контура рабочей текучей среды и в докритическом состоянии на стороне пониженного давления контура рабочей текучей среды.15. The system of item 13, in which the working fluid is in a supercritical state on the high pressure side of the working fluid circuit and in a subcritical state on the low pressure side of the working fluid circuit.

16. Система по п.13, в которой рабочая текучая среда на входе насоса находится в сверхкритическом состоянии.16. The system according to item 13, in which the working fluid at the pump inlet is in a supercritical state.

17. Система по п.13, в которой первый, второй и третий теплообменники расположены последовательно в потоке отработанного тепла, а первый массовый поток циркулирует параллельно со вторым массовым потоком.17. The system according to item 13, in which the first, second and third heat exchangers are arranged in series in the waste heat stream, and the first mass stream circulates in parallel with the second mass stream.

18. Система по п.13, в которой первый и второй рекуператоры содержат однокомпонентный рекуператор.18. The system of claim 13, wherein the first and second recuperators comprise a one-component recuperator.

19. Система по п.13, в которой первый и второй рекуператоры расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура рабочей текучей среды, причем первый и второй рекуператоры на высокотемпературной стороне контура рабочей текучей среды расположены параллельно.19. The system of claim 13, wherein the first and second recuperators are arranged in series on the low temperature side of the working fluid circuit, the first and second recuperators on the high temperature side of the working fluid circuit being parallel.

20. Система по п.13, дополнительно содержащая третий рекуператор, расположенный между насосом и третьим теплообменником.20. The system of claim 13, further comprising a third recuperator located between the pump and the third heat exchanger.

21. Система по п.20, в которой третий рекуператор выполнен с возможностью передачи остаточного тепла от объединенного массового потока, выпускаемого из второго рекуператора, в первый массовый поток, перед введением первого массового потока в третий теплообменник.21. The system of claim 20, wherein the third recuperator is configured to transfer residual heat from the combined mass stream discharged from the second recuperator to the first mass stream, before introducing the first mass stream into the third heat exchanger.

22. Система по п.21, в которой первый, второй и третий рекуператоры расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура рабочей текучей среды и параллельно на высокотемпературной стороне контура рабочей текучей среды.22. The system according to item 21, in which the first, second and third recuperators are located in series on the low temperature side of the working fluid circuit and in parallel on the high temperature side of the working fluid circuit.

23. Система по п.20, в которой первый, второй и третий рекуператоры содержат однокомпонентный рекуператор.23. The system of claim 20, wherein the first, second, and third recuperators comprise a one-component recuperator.

24. Система по п.23, в которой однокомпонентный рекуператор выполнен с возможностью приема первого массового потока, выпускаемого из третьего теплообменника, для передачи дополнительной остаточной тепловой энергии из объединенного массового потока к первому массовому потоку до того, как первый массовый поток проходит через первый теплообменник.24. The system of claim 23, wherein the one-component recuperator is configured to receive a first mass stream discharged from the third heat exchanger to transfer additional residual heat energy from the combined mass stream to the first mass stream before the first mass stream passes through the first heat exchanger .

25. Система по п.13, в которой давление на входе первой турбины по существу равно давлению на входе второй турбины.25. The system of claim 13, wherein the inlet pressure of the first turbine is substantially equal to the inlet pressure of the second turbine.

26. Система по п.25, в которой давление на выходе первой турбины отличается от давления на выходе второй турбины.26. The system according A.25, in which the pressure at the outlet of the first turbine is different from the pressure at the outlet of the second turbine.

27. Способ преобразования тепловой энергии в работу, включающий:
циркуляцию рабочей текучей среды с помощью насоса через контур рабочей текучей среды, при этом рабочая текучая среда содержит диоксид углерода и находится в сверхкритическом состоянии по меньшей мере в части контура рабочей текучей среды;
разделение рабочей текучей среды в контуре циркуляции рабочей текучей среды на первый массовый поток и второй массовый поток;
передачу тепловой энергии в первом теплообменнике от источника тепла в первый массовый поток, причем первый теплообменник находится в тепловом контакте с источником тепла;
расширение первого массового потока в первой турбине, проточно соединенной с первым теплообменником;
передачу остаточной тепловой энергии в первом рекуператоре от первого массового потока, выпускаемого из первой турбины, в первый массовый поток, направляемый в первый теплообменник, причем первый рекуператор проточно соединен с первой турбиной;
передачу тепловой энергии во втором теплообменнике от источника тепла во второй массовый поток, причем второй теплообменник находится в тепловом контакте с источником тепла; и
расширение второго массового потока во второй турбине, проточно соединенной со вторым теплообменником.27. A method of converting thermal energy into work, including:
the circulation of the working fluid using a pump through the circuit of the working fluid, while the working fluid contains carbon dioxide and is in a supercritical state at least in part of the circuit of the working fluid;
dividing the working fluid in the circulation circuit of the working fluid into a first mass stream and a second mass stream;
transferring heat energy in the first heat exchanger from the heat source to the first mass stream, the first heat exchanger being in thermal contact with the heat source;
expanding the first mass flow in a first turbine flow-wise coupled to the first heat exchanger;
transferring the residual heat energy in the first recuperator from the first mass stream discharged from the first turbine to the first mass stream directed to the first heat exchanger, the first recuperator being connected to the first turbine by flow;
transfer of thermal energy in the second heat exchanger from the heat source to the second mass stream, the second heat exchanger being in thermal contact with the heat source; and
expansion of the second mass flow in a second turbine flow-wise connected to the second heat exchanger.

28. Способ по п.27, в котором передают остаточную тепловую энергию во втором рекуператоре от второго массового потока, выпускаемого из второй турбины, во второй массовый поток, направляемый во второй теплообменник, причем второй рекуператор проточно соединен со второй турбиной.28. The method according to item 27, in which the residual heat energy in the second recuperator is transferred from the second mass flow discharged from the second turbine to the second mass flow directed to the second heat exchanger, the second recuperator being connected to the second turbine flowwise.

29. Способ по п.28, в котором передают тепловую энергию в третьем теплообменнике от источника тепла в первый массовый поток перед пропусканием его через первый теплообменник, причем третий теплообменник находится в тепловом контакте с источником тепла и расположен между насосом и первым теплообменником.29. The method according to p. 28, in which thermal energy is transferred in the third heat exchanger from the heat source to the first mass stream before passing it through the first heat exchanger, the third heat exchanger being in thermal contact with the heat source and located between the pump and the first heat exchanger.

30. Способ по п.29, в котором передают остаточное тепло в третьем рекуператоре от объединенного первого и второго массового потока, выпускаемого из второго рекуператора, в первый массовый поток перед введением первого массового потока в третий теплообменник, причем третий рекуператор расположен между насосом и третьим теплообменником.30. The method according to clause 29, in which the residual heat in the third recuperator is transferred from the combined first and second mass flow discharged from the second recuperator to the first mass flow before the first mass flow is introduced into the third heat exchanger, the third recuperator being located between the pump and the third heat exchanger.

31. Способ по п.27, в котором передают остаточную тепловую энергию во втором рекуператоре от объединенного первого и второго массового потока в первый массовый поток, направляемый в первый теплообменник, причем второй рекуператор проточно соединен со второй турбиной.31. The method according to item 27, in which the residual heat energy in the second recuperator is transferred from the combined first and second mass flow to the first mass flow directed to the first heat exchanger, the second recuperator being flow-connected to the second turbine.

32. Система или способ по любому из пп.3-12 или 15-31, в которых источник тепла представляет собой поток отработанного тепла.32. The system or method according to any one of claims 3-12 or 15-31, wherein the heat source is a waste heat stream.

33. Система или способ по любому из пп.2, 4-12, 14 или 16-31, в которых рабочая текучая среда находится в сверхкритическом состоянии на стороне повышенного давления контура рабочей текучей среды и в докритическом состоянии на стороне пониженного давления контура рабочей текучей среды.33. The system or method according to any one of claims 2, 4-12, 14 or 16-31, in which the working fluid is in a supercritical state on the high pressure side of the working fluid circuit and in a subcritical state on the low pressure side of the working fluid circuit Wednesday.

34. Система или способ по любому из пп.2-3, 5-12, 14-15 или 17-31, в которых рабочая текучая среда на входе насоса находится в сверхкритическом состоянии.34. The system or method according to any one of claims 2 to 3, 5-12, 14-15 or 17-31, in which the working fluid at the pump inlet is in a supercritical state.

35. Система или способ по любому из пп.2-4 или 6-31, в которых первый и второй теплообменники расположены в источнике тепла последовательно.35. The system or method according to any one of claims 2 to 4 or 6-31, wherein the first and second heat exchangers are arranged in series in the heat source.

36. Система или способ по любому из пп.2-5 или 7-31, в которых первый массовый поток циркулирует параллельно со вторым массовым потоком.36. The system or method according to any one of claims 2-5 or 7-31, in which the first mass stream is circulated in parallel with the second mass stream.

37. Система или способ по любому из пп.2-6 или 8-31, в которых дополнительно предусмотрен второй рекуператор, проточно соединенный со второй турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии от второго массового потока, выпускаемого из второй турбины, во второй массовый поток, направляемый во второй теплообменник.37. The system or method according to any one of claims 2-6 or 8-31, in which a second recuperator is additionally provided, flow-coupled to the second turbine and configured to transfer residual heat energy from the second mass stream discharged from the second turbine to the second mass flow directed to the second heat exchanger.

38. Система или способ по любому из пп.2-7, 9-12, 14-18 или 20-31, в которых первый и второй рекуператоры расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура рабочей текучей среды, причем первый и второй рекуператоры на высокотемпературной стороне контура циркуляции рабочей текучей среды расположены параллельно.38. The system or method according to any one of claims 2-7, 9-12, 14-18 or 20-31, in which the first and second recuperators are located sequentially on the low temperature side of the working fluid circuit, the first and second recuperators on the high temperature side the circulation circuits of the working fluid are arranged in parallel.

39. Система или способ по любому из пп.2-8 или 10-31, в которых дополнительно предусмотрен второй рекуператор, проточно соединенный со второй турбиной и выполненный с возможностью переноса остаточной тепловой энергии от объединенного первого и второго массового потока в первый массовый поток, направляемый в первый теплообменник.39. The system or method according to any one of claims 2 to 8 or 10-31, in which a second recuperator is additionally provided, flow-coupled to the second turbine and configured to transfer residual heat energy from the combined first and second mass stream to the first mass stream, directed to the first heat exchanger.

40. Система или способ по любому из пп.1-12, 14-24 или 26-31, в которых давление на входе первой турбины по существу равно давлению на входе второй турбины.40. The system or method according to any one of claims 1 to 12, 14-24 or 26-31, in which the pressure at the inlet of the first turbine is essentially equal to the pressure at the inlet of the second turbine.

41. Система или способ по любому из пп.1-25 или 27-31, в которых давление на выходе первой турбины отличается от давления на выходе второй турбины.41. The system or method according to any one of claims 1 to 25 or 27-31, in which the pressure at the outlet of the first turbine is different from the pressure at the exit of the second turbine.

42. Система или способ по любому из пп.2-11 или 13-31, в которых дополнительно предусмотрена система управления массой, функционально соединенная с контуром циркуляции рабочей текучей среды через по меньшей мере две точки врезки, причем система управления массой выполнена с возможностью управления количеством рабочей текучей среды в контуре рабочей текучей среды.42. The system or method according to any one of claims 2-11 or 13-31, in which a mass control system is further provided, operatively connected to the circulation circuit of the working fluid through at least two insertion points, the mass control system being configured to control the amount of working fluid in the working fluid circuit.

43. Система или способ по любому из пп.1-12, 14-16 или 18-31, в которых первый, второй и третий теплообменники расположены последовательно в потоке отработанного тепла, а первый массовый поток циркулирует параллельно со вторым массовым потоком.43. The system or method according to any one of claims 1-12, 14-16 or 18-31, in which the first, second and third heat exchangers are arranged in series in the waste heat stream, and the first mass stream is circulated in parallel with the second mass stream.

44. Система или способ по любому из пп.1-17 или 19-31, в которых первый и второй рекуператоры содержат однокомпонентный рекуператор.44. The system or method according to any one of claims 1 to 17 or 19-31, in which the first and second recuperators contain a one-component recuperator.

45. Система или способ по любому из пп.1-19, 21-28 или 31, в которых дополнительно предусмотрен третий рекуператор, расположенный между насосом и третьим теплообменником.45. The system or method according to any one of claims 1-19, 21-28 or 31, in which a third recuperator located between the pump and the third heat exchanger is additionally provided.

46. Система или способ по п.45, в которых третий рекуператор выполнен с возможностью передачи остаточного тепла от объединенного массового потока, выпускаемого из второго рекуператора, в первый массовый поток, прежде чем первый массовый поток вводится в третий теплообменник.46. The system or method according to item 45, in which the third recuperator is configured to transfer residual heat from the combined mass flow discharged from the second recuperator to the first mass flow before the first mass flow is introduced into the third heat exchanger.

47. Система или способ по п.46, в которых первый, второй и третий рекуператоры расположены последовательно на низкотемпературной стороне контура рабочей текучей среды и параллельно на высокотемпературной стороне контура рабочей текучей среды.47. The system or method according to item 46, in which the first, second and third recuperators are located sequentially on the low temperature side of the circuit of the working fluid and in parallel on the high temperature side of the circuit of the working fluid.

48. Система или способ по п.45, в которых первый, второй и третий рекуператоры содержат однокомпонентный рекуператор.48. The system or method according to item 45, in which the first, second and third recuperators contain a single-component recuperator.

49. Система или способ по п.48, в которых однокомпонентный рекуператор выполнен с возможностью приема первого массового потока, выпускаемого из третьего теплообменника, для передачи дополнительной остаточной тепловой энергии от объединенного массового потока в первый массовый поток, перед пропусканием первого массового потока через первый теплообменник. 49. The system or method according to claim 48, wherein the one-component recuperator is configured to receive a first mass stream discharged from a third heat exchanger to transfer additional residual heat energy from the combined mass stream to the first mass stream, before passing the first mass stream through the first heat exchanger .