Бетонно-трубчатый горячий теплообменник, накопитель энергии и способ контроля градиента температуры

Бетонно-трубчатый горячий теплообменник, накопитель энергии и способ контроля градиента температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уведомление об авторском праве

[001] Часть описания этого патентного документа может содержать материал, который защищен законом об авторских правах. Обладатель авторских прав не возражает против факсимильного воспроизведения кем-либо патентного документа или описания патента в том виде, как это отражено в патентных документах или записях Ведомства по патентам и товарным знакам, но в остальном оставляет за собой все авторские права. К данному документу должно применяться следующее уведомление: Copyright© 2015, Bright Energy Systems, Inc.

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[002] Настоящая заявка не является предварительной, и испрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на патент США №62/066,773, поданной 21 октября 2014 года, и с предварительной заявкой на патент США №62/220,796, поданной 18 сентября 2015 года, содержание которых полностью включено в данный документ посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

[003] Примерная, иллюстративная технология, описанная здесь, относится к системам, программному обеспечению и способам для управления тепловыми двигателями - обычно двигателями на основе цикла перехода фазы, подобно циклу Ранкина, и, в частности, управления захватом тепла, его хранением и использованием. Как описано здесь, термин «цикл Ранкина» относится к большому семейству циклов, в которых рабочий флюид подвергается давлению в жидком состоянии, возможно, сверх- или подкритическим давлениям, и/или возможно с использованием смесей флюидов, как, например, в цикле Калины.

Предшествующий уровень техники

[004] Системы, которые захватывают и повторно используют отработанное тепло, широко описаны в данной области техники. Обычно, такие системы задействуют ряд инженерных компромиссов для оптимизации эффективности посредством оптимизации теплопередачи от источника тепла к двигателю Ранкина, который преобразует перенесенную энергию в механическую энергию. Обычно, такие компромиссы фокусируются на эффективности теплообменника и характеристиках рабочего флюида.

[005] Эффективность теплообменника зависит от материалов теплообменника и конструкции теплообменника, тогда как рабочие флюиды оптимизируются под совпадение характеристик захвата и освобождения тепла у флюида и рабочей температуры системы.

[006] Очень важен эффективный по стоимости накопитель энергии. Электрохимический накопитель энергии имеет сильные стороны, но часто довольно дорогостоящий, не всегда безопасный и может иметь не слишком долгий срок службы. Системы с механической энергией, такие как накопители энергии на основе закачивания жидкости и сжатого воздуха, сегодня являют собой огромный ряд мощностей крупномасштабных накопителей электроэнергии, демонстрируя долговременную надежность и приемлемую производительность.

[007] Экономически эффективная и имеющая подходящую производительность система на основе сжатого флюида должна хранить энергию рентабельно и задействовать термодинамический процесс, который будет эффективен в обоих направлениях: зарядка и сброс. Общепринятый способ этого добиться относится к состояниям процесса, которые должны быть очень похожи на каждом этапе процесса в каждом направлении; то есть соответствующие давления и температуры в каждой точке процесса очень похожи между процессом зарядки и процессом сброса.

[008] Имеется две больших категории систем хранения механической энергии на основе сжатого флюида: 1) тепловые насосы, как часть систем накопления перекачиваемой тепловой энергии (PTES) и 2) системы накопления энергии на основе сжатого флюида (CFES), где системы накопления энергии на основе сжатого воздуха (CAES) являют собой широко изученное подмножество в этой области. Разграничение здесь заключается в том, что флюид может не быть воздухом, и может не всегда быть газом - это может быть надкритический флюид, и могут существовать части процесса, где флюид находится в жидкой фазе, или сочетать жидкую и газовую фазы.

[009] Системы PTES обычно хранят энергию в качестве разницы тепловой энергии между некоторыми массами. Зарядка предполагает увеличение количества массы, которая имеет разницу температур (или, более строго, энтальпии), или увеличение энтальпии фиксированной массы [относительно окружающей среды], или какую-то степень и того и другого, а разрядка забирает эту потенциальную энергию и преобразует ее в механическую и/или электрическую работу.

[0010] Классической сложностью при попытке использования флюида в дополнение к газу в системах хранения механической энергии является то, что при этом обычно требуется хранить флюид низкого давления, который часто очень объемен, что повышает стоимость хранения и повышает сложность размещения на участках. Также если флюиды представляют собой химикаты, подобные охладителям, необходимо учитывать стоимость материалов, равно как и риски и издержки при утечке из системы.

[0011] Технологии, описанные здесь, могут применяться в области захвата и управления отработанным теплом, и для управления и оптимизации тепловых двигателей, приводимых в действие этим теплом.

Раскрытие изобретения

[0012] В соответствии с одним аспектом изобретения, установка для захвата тепла, хранения тепла и теплообмена содержит:, по меньшей мере, один массив теплового обмена и хранения (TXES), каждый из таких TXES содержит: один или несколько элементов TXES, каждый из которых выполнен с возможностью получения потока флюида посредством каждого нагретого исходного флюида и рабочий флюид, при этом каждый из этих элементов TXES обеспечивает передачу тепловой энергии между нагретым исходным флюидом и элементами TXES; и коллекторную систему с соединением с таким одним или несколькими элементами TXES посредством трубопроводов с возможностью предоставления рабочего флюида на вход одного или нескольких элементов TXES и получения рабочего флюида с выхода одного или нескольких элементов TXES; и, по меньшей мере, один двигатель, выполненный с возможностью функционирования при помощи, по меньшей мере, одного массива TXES для извлечения тепла из, по меньшей мере, одного массива TXES и преобразования его в механическую энергию, каждый из таких, по меньшей мере, одного теплового двигателя избирательно соединен с коллекторной системой соответствующего массива TXES для пропуска рабочего флюида через один или несколько элементов TXES соответствующего массива TXES таким образом, что осуществляется передача тепловой энергии между рабочим флюидом и одним или несколькими соответствующими элементами TXES.

[0013] В соответствии с еще одним аспектом изобретения, установка для захвата тепла, хранения тепла и теплообмена содержит:, по меньшей мере, один модульный массив теплового обмена и хранения тепла (TXES), каждый из таких, по меньшей мере, одного модульного массива TXES содержит один или несколько элементов TXES, каждый из которых включает в себя: матричный субстрат материала; одну или несколько дымовых труб или каналов, с формированием или расположением в таком матричном субстрате материала, для обеспечения потока нагретого исходного флюида через элемент TXES, при этом нагретый исходный флюид поступает от источника тепла; и одну или несколько труб рабочего флюида, с расположением в матричном субстрате материала, отдельно от одной или нескольких дымовых труб или каналов для обеспечения потока рабочего флюида через элемент TXES; один или несколько тепловых двигателей, с возможностью эксплуатации при помощи, по меньшей мере, одного массива TXES для извлечения тепла из, по меньшей мере, одного массива TXES и преобразования его в механическую энергию, при этом такие один или несколько тепловых двигателей подают рабочий флюид, по меньшей мере, в один модульный массив TXES; и систему клапанов, с расположением в трубопроводе и каналах, соединяющих источник тепла и, по меньшей мере, один модульный массив TXES, с соединением одного или нескольких тепловых двигателей и, по меньшей мере, одного модульного массива TXES, при этом система клапанов избирательно контролирует поток нагретого исходного флюида к, по меньшей мере, одному модульному массиву TXES и одному или нескольким его элементам TXES, и избирательно контролирует поток рабочего флюида к, по меньшей мере, одному модульному массиву TXES и одному или нескольким его элементам TXES.

[0014] В соответствии с еще одним аспектом изобретения, способ сборки установки для захвата тепла, хранения тепла и теплообмена, содержащий: предоставление, по меньшей мере, одного модульного массива теплового обмена и хранения тепла (TXES), выполненного с возможностью хранения тепла и теплообмена, при этом предоставление каждого из, по меньшей мере, одного модульных массивов TXES содержит: предоставление нужного числа модульных элементов TXES; расстановку нужного числа модульных элементов TXES с возможностью формирования модульного массива TXES; и сопряжение нужного числа модульных элементов TXES с коллекторной системой посредством трубопровода для обеспечения переноса рабочего флюида между коллекторной системой и модульными элементами TXES; с гидравлическим сопряжением, по меньшей мере, одного модульного массива TXES и источника тепла для получения оттуда нагретого исходного флюида, при этом тепловая энергия от нагретого исходного флюида хранится в одном или нескольких модульных элементах TXES, по меньшей мере, одного модульного массива TXES; предоставление, по меньшей мере, одного теплового двигателя, который выполнен с возможностью работы, по меньшей мере, с одним массивом TXES для извлечения тепла из, по меньшей мере, одного массива TXES посредством рабочего флюида и преобразования его в механическую энергию; с возможностью гидравлического соединения каждого из, по меньшей мере, одного тепловых двигателей и коллекторной системы соответствующего модульного массива TXES для пропуска рабочего флюида через один или несколько его модульных элементов TXES, таким образом, чтобы осуществлялся перенос тепловой энергии между рабочим флюидом и одним или несколькими соответствующими элементами TXES.

Краткое описание чертежей

[0015] Отличительные признаки настоящего изобретения будут более понятны из подробного описания изобретения и примерных вариантов его осуществления, выбранных в целях иллюстрации и показанных на сопроводительных чертежах.

[0016] Фигура 1 иллюстрирует использование TXES в существующей расстановке отвода отработанного тепла.

[0017] Фигура 2 иллюстрирует примерную систему, в соответствии с настоящим изобретением.

[0018] Фигура 3 иллюстрирует компоненты контроллера компьютеризированного процесса, используемые системой.

[0019] Фигура 4 иллюстрирует пример контура рабочего флюида в пределах массива элементов TXES для теплообмена и хранения тепла.

[0020] Фигуры 5а, 5b и 5с иллюстрируют различные конфигурации элементов TXES со множеством встроенных дымовых труб и труб флюида процесса.

[0021] Фигура 6 иллюстрирует примерный элемент TXES с выемками и с литьем в дымовых каналах.

[0022] Фигура 7 иллюстрирует расстановку элементов TXES с выемками.

[0023] Фигуры 8, 9, 10 и 11 иллюстрируют различные расстановки спиральных труб рабочего флюида в пределах элементов TXES.

[0024] Фигура 12 содержит примерные кривые нагрева для элемента TXES в его различных состояниях.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Обзор

[0025] Система, в соответствии с настоящим изобретением, и способы работы предоставляют конфигурируемую систему захвата тепла, хранения тепла и теплообмена, которая может работать с высоким уровнем производительности при разнообразных условиях. Эта система называется TXES, то есть система теплового обмена и хранения энергии. В отличие от традиционных систем теплообмена и хранения тепла, описанная система может эффективно и надежно работать с целым рядом источников тепла, рабочими флюидами и режимами давления, может легко собираться из модулей, является гибкой в своей конфигурации, при этом оставаясь рентабельной. Ее можно использовать для обмена тепловой энергией одновременно с многочисленными потоками флюида различных составов или характеристик.

[0026] В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, система может работать, как часть вытяжного теплоотвода промышленной печи, электростанции или иного промышленного источника тепла, для захвата отработанного тепла и использования его для других нужд, в том числе производства энергии. Эффективность захвата и переноса тепла зависит от переноса тепла от источника тепла (например, отработанные газы) в рабочий флюид, где тепло можно использовать при помощи хорошо известных процессов, таких как двигатели на основе цикла Ранкина. В случаях, когда все тепло от источника тепла не может эффективно переноситься в рабочий флюид, или когда источник тепла имеет недостаточно остаточного тепла для эффективного нагрева рабочего флюида до экономически рентабельной температуры, эффективность теряется, или же необходимо использовать альтернативные механизмы захвата и хранения. Описана модульная система захвата, хранения и извлечения, которая может захватывать тепло из источника тепла в широком диапазоне температур, и затем делает это тепло доступным для подходящей рабочего флюида.

[0027] Один подход состоит в том, чтобы создать расстановку с противотоком тепла, при этом элемент TXES нагревается посредством горячего флюида (или газа), затекающего в «горячий» конец элемента TXES, с переносом тепла в элемент TXES, и истощенный горячий флюид, покидает элемент TXES на «холодном» конце. Рабочий флюид движется в противоположном направлении, поступая в элемент TXES на «холодном» конце, с поглощением тепловой энергии из матрицы элементов TXES, и покидая элемент через «горячий» конец. Это делает тепловой градиент более крутым. Тепловой градиент - это зона, в которой большая часть поступающего тепла извлекается и переносится в рабочий флюид на достаточно короткой линейной дистанции. Входной (например, «горячий») конец поддерживается при температуре, которая очень близка ко входной температуре источника тепла, а «холодный» конец поддерживается при температуре, близкой к входной температуре рабочего флюида. Такая расстановка может обеспечить оптимальный теплоперенос от источника тепла к рабочему флюиду посредством матрицы элементов TXES.

[0028] Массив TXES может также использоваться при работе параллельным потоком. Например, массив TXES может нагреваться параллельно при помощи нагретого рабочего флюида с подкачкой и нагретого отработанного флюида, или же, в качестве альтернативы, с нагревом двух флюидов параллельно с использованием тепла, сохраненного в TXES.

[0029] Для общей эффективности процесса желательно, чтобы среда хранения тепла была способна отдавать тепло назад в процессе разрядки с минимальной потерей энтропии по всему диапазону возможных уровней тепловых колебаний (например, при различных показателях массы потока, температур и конденсации). Традиционные противоточные теплообменники обеспечивают немедленный перенос тепла от исходного флюида к рабочему флюиду, и поэтому эффективны только когда присутствует источник тепла, а рабочий флюид течет, и наиболее эффективны, когда тепловые потоки постоянно соответствуют в реальном времени. Тепловой градиент поэтому нестабилен и меняется сразу же, как только меняются характеристики источника тепла или потоков рабочего флюида (например, нагрев или охлаждение рабочих флюидов на входе изменяет скорость потока). Это создает сложности для конструкторов из-за необходимости добиваться соответствия источника тепла и теплового двигателя, а также эксплуатационные сложности при запуске и остановке, что являет собой одну из самых больших проблем тепловых станций на основе цикла Ранкина. Массивы TXES и элементы TXES можно сконфигурировать с возможностью захвата и хранения тепла, которое обычно остается не захваченным в традиционном теплообменнике (например, если рабочий флюид не может поглотить столько тепла, сколько имеется на входе). Элемент TXES сохраняет излишек тепла от флюида на входе, фактически, заряжая элемент TXES тепловой энергией. Зарядка элемента TXES сдвигает положение температурного градиента в элементе TXES. Контролируя источник тепла и потоки рабочего флюида (например, тепло, добавляемое в элемент TXES, и количество тепла, которое отброшено в рабочий флюид, может меняться в процессе контроля), можно управлять положением и формой температурного градиента в пределах элемента TXES.

[0030] Массив TXES работает в разных температурных диапазонах источника(ов) тепла (при этом такие источники могут быть источниками тепла от выходных газов, жидкостей, например, отвод геотермального или промышленного тепла, или другими источниками тепла, или от сжатого флюида при процессе зарядки при сжатии) для захвата, хранения и отбрасывания тепла по необходимости. Массив TXES может обеспечить многоступенчатый теплоперенос в системы двигателей с оптимизацией по температуре. Также можно разделить скорость теплообмена с источником тепла и тепло, требуемое тепловым двигателем. Такая гибкость обеспечивает более эффективный захват и перенос тепловой энергии от источника тепла в один или несколько рабочих флюидов. В этой системе, в первом примерном варианте осуществления, процесс разрядки являет собой по сути цикл Ранкина, где флюид подвергается давлению в жидком состоянии (при этом энергия нагнетания давления относительна низка) и затем она нагревается, затем испаряется, и затем перегревается. После этого она расширяется для извлечения механической энергии, и затем конденсируется в жидкость, чтобы ее можно было сжимать снова. Скрытое тепло испарения - это значительный процент входного тепла, который можно извлечь из системы. Чем выше температура, тем выше чистая работа против скрытой затраты тепла, необходимой для испарения флюида.

[0031] Описанная выше система обеспечивает захват отработанного тепла и его сохранение в широком диапазоне входных диапазонов тепла, и обеспечивает функцию сглаживания для источников тепла с переменной интенсивностью. Тепло, извлеченное из системы, может иметь задержку по времени относительно тепла на входе источника тепла.

[0032] Способность интегрировать процесс захвата отработанного тепла в систему хранения электроэнергии (такую, которая использует электричество для исходной энергии при зарядке) для создания гибридной системы хранения электричества с циклом дополнительной выработки электроэнергии с использованием отработанного тепла обеспечивает выдающуюся эффективность.

[0033] Ценный актив любого теплообменника - это лучшая стоимость на единицу площади поверхности. В трубе резервуара под давлением толщина стенок трубы определяется давлением, прочностью материала, факторами безопасности и диаметром трубы. Стоимость материала трубы на единицу площади поверхности пропорциональна толщине стенки. Таким образом, меньшее количество материала на единицу площади поверхности достигается при меньшем диаметре трубы. Прагматическая сложность - это стоимость соединения намного большего числа малых труб вместе; разветвления vs. меньшие издержки по трудозатратам при сочленении для труб большего диаметра, которые дороже. Использование труб очень большой длины, что возможно благодаря спиралевидной форме таких труб, в том виде, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, позволяет использовать меньше отдельных труб на той же площади поверхности без использования выступов и других сложных для производства элементов. Спиральная расстановка также обеспечивает более равномерное рассеивание по области теплообмена в элемент TXES.

[0034] Эти и другие аспекты и преимущества станут очевидными, когда описание, приведенное ниже, будет прочитано в сочетании с сопроводительными чертежами.

Примерная архитектура системы

[0035] Фигура 1 иллюстрирует примерный вариант осуществления массива TXES на выпускной системе. При работе, выпускная система транспортирует горячие выпускные газы от источника тепла, через выпускной патрубок (110), через один или несколько массивов (125а/b) TXES перед выпуском теперь охлажденных выпускных газов в дымоход (120). Следует отметить, что патрубок и дымоход в этом примере являются иллюстративными для установки на основе выпускного газа. Системы обработки выпускных газов и конденсата (не показано) также можно интегрировать в массив TXES, или же в качестве установки для пред- или постобработки, по необходимости, для обработки выпускных газов для удаления загрязнителей, таких как сера или оксиды азота. Без отступления от существа изобретения, можно добавить другие установки для источников тепла, содержащих теплопроводные флюиды (например, источники тепла с жидкими, двухфазными или надкритическими флюидами на входе, в противоположность газовым фазам на входе), или для дальнейшей пред- или постобработки выпускных газов.

[0036] Массивы (125) TXES можно установить таким образом, чтобы они способствовали сбору конденсата, который образуется при переносе тепла от выпускного газа в элементы TXES, которые составляют массив TXES. Один способ заключается в том, чтобы наклонить элементы TXES таким образом, чтобы конденсат стекал в точку сбора, где он собирается и может быть подвергнут дальнейшей обработке. Следует отметить, что конденсат часто довольно теплый (например, 70°С), и его можно пропустить через дополнительные элементы TXES (либо в том же самом массиве TXES, либо в одном или нескольких дополнительных массиве(ах) TXES), которые оптимизированы для извлечения более низких уровней тепла, оставшегося в конденсате.

[0037] Фигура 2 иллюстрирует вариант осуществления изобретения для захвата тепла с газовых входов. Этот примерный вариант осуществления содержит источник (200) тепла сгорания, один или несколько выпускных патрубков (один патрубок показан как 110, другие опущены для ясности), который переносит горячие выпускные газы от источника тепла в один или несколько массивов хранения тепла/элементов теплообмена (названные массивы TXES и элементы TXES, соответственно) (например, 125а, 125b). Выпускные патрубки могут быть совмещены с одним или несколькими гасителями (270а, 270b) системы выпуска под контролем одного или нескольких необязательных контроллеров процесса, которые контролируют поток горячих выпускных газов из источника тепла в обозначенный контроллером процесса один или несколько массивов (125а, 125b) TXES, и массивы TXES, расставлены так, что горячие газы текут от источника тепла через, по меньшей мере, один из выбранных массивов TXES, прежде чем будут выпущены в дымоход (120). В некоторых вариантах осуществления, где выпускные газы могут различаться по температуре, массивы TXES могут быть расставлены последовательно, чтобы первый массив TXES получал самые горячие выпускные газы, а второй массив TXES получал менее горячие выпускные газы. Это обеспечит захват и повторное использование дополнительной тепловой энергии от выпускных газов благодаря соответствию температуры выпускного газа, по меньшей мере, одному элементу TXES (и способствуя работе двигателя преобразования тепла), с оптимизацией для захвата, хранения и повторного использования энергии тепла выпускного газа именно при текущей температуре.

[0038] Гасители (270а, 270b), управляемые компьютером или вручную, можно использовать для контроля входящих потоков газа от источника тепла на один или несколько выбранных массивов TXES посредством открывания или закрывания гасителей. Компьютер (240) контроля за процессом контролирует выпускные гасители (270а, 270b), когда система работает с контролем за процессом, например, когда температуры выпускного газа постоянно меняются, и требуется оптимизация, в реальном времени, процесса теплообмена и повторного использования тепла. Можно настраивать гасители вручную для систем с более постоянными температурами и давлениями выпускного газа. В качестве альтернативы, можно использовать сочетание обеих техник управления гасителями.

[0039] Гасители можно использовать для изолирования массива TXES от потока выпускных газов. Это может потребоваться по различным причинам, например, массив TXES мог достичь нужной рабочей температуры, и тепло будет более оптимально использовать в другом массиве TXES, потому что выпускные газы имеют температуру, при которой конкретный массив TXES не сможет оптимальным образом извлечь тепло из выпускных газов, или же для вывода массива TXES из работы (например, для ремонта).

[0040] В некоторых вариантах осуществления, и при определенных условиях работы, может использоваться обходная труба для направления горячих выпускных газов по такому пути, чтобы система не захватывала тепло. Обходная труба управляется дополнительным гасителем/клапаном (270b). В некоторых вариантах осуществления, такой гаситель обходной трубы может быть сконфигурирован с возможностью «открывания при отказе», для обеспечения безопасной работы выпускной системы в случае, если один или несколько массивов TXES функционируют неправильно (например, при отказе подсистем извлечения тепла).

[0041] Выпускной патрубок, дымоход и массивы TXES предпочтительно снабжены датчиками, например, датчиками давления и температуры, которые измеряют давление и температуру флюидов процесса выпускного патрубка, дымохода и массивов TXES, и отдельных элементов TXES (например, 230а, 230b, 231а, 231b). Каждый датчик температуры и давления соединен с контроллером процесса (с использованием механизма, подходящего для датчика, обычно электрически) для подачи входных сигналов на контроллер процесса, согласно управляющим алгоритмам, которые управляют извлечением тепла, его хранением и повторным использованием в пределах массивов TXES.

[0042] Элемент(ы) TXES дополнительно имеют гидравлическое сопряжение (при помощи трубопровода 260а, 260b рабочего флюида) с одной или несколькими подсистемами (250а, 250b) теплового двигателя, при этом рабочий флюид для каждого теплового двигателя циркулирует через один или несколько элементов TXES, по меньшей мере, одного из массивов TXES. Элементы TXES могут быть «горячими» или «холодными». Горячий элемент TXES - это TXES, который нагрет посредством входа (например, выпускного газа), и затем сохраняет тепло и переносит его в рабочий флюид процесса. Холодный элемент TXES - это такой элемент, который охлажден посредством входа, сохраняет уменьшение тепла и поглощает тепло от рабочего флюида процесса. Массив TXES может содержать только горячие элементы TXES (в различной степени), только холодные элементы TXES (в различной степени), или сочетание горячих или холодных элементов TXES.

[0043] Путь (канал) течения рабочего флюида для каждого теплового двигателя может различаться (например, различные рабочие флюиды тепловых двигателей могут течь через различные элементы TXES). В более ограниченных вариантах осуществления, участки пути течения могут быть заранее заданы, и/или конфигурироваться с использованием управляемых вручную клапанов, или, в качестве альтернативы, клапаны могут быть опущены, и такой участок пути флюида реализуется статически. Каждый путь течения рабочего флюида конфигурируется с использованием контролируемых значений контроллера процесса, таким образом, что рабочий флюид проходит через, по меньшей мере, один элемент массива TXES, при этом возникает теплоперенос между рабочим флюидом и элементом TXES (нагрев или охлаждение рабочего флюида). В некоторых режимах работы, нагретый рабочий флюид затем циркулирует через турбину и испаритель для преобразования тепла в работу вала в традиционном цикле Ранкина, или нагретый рабочий флюид направляется во внешний бак хранилища (не показано). В других режимах работы, часть рабочего флюида направляется через элементы TXES, а часть флюида направляется по пути, который обходит элементы TXES, и соединяется с флюидом, нагретым в элементах TXES для достижения конкретной температуры полученного рабочего флюида. Клапаны под управлением процессора, таким образом, задают пути прохождения флюида теплового двигателя через один или несколько массивов TXES и/или элементов TXES. Это обеспечивает более эффективное извлечение сохраненного тепла из элементов TXES посредством контроля течения рабочего флюида через выбранные элементы TXES, температура которых соответствует эффективному рабочему диапазону конкретного теплового двигателя. Таким образом, используемые тепловой двигатель/флюид процесса, и тепло/пути течения через элементы TXES можно динамически приводить в соответствие с элементами TXES, когда они меняют температуру (пока они нагреваются и когда из них извлекается тепло).

[0044] В других режимах работы, циркулирует рабочий флюид, который ранее был нагрет (например, другим элементом TXES или из внешнего хранилища рабочего флюида), и он используется для переноса тепла в элемент TXES для целей распределения тепла или предварительного нагрева элемента TXES (например, для понижения теплового напряжения на элемент, когда он подвергается воздействию более горячих выпускных газов). Такой нагревающий поток может осуществляться либо противотоком потоку выпускного газа, или может осуществляться в том же направлении через элементы TXES, что и поток выпускного газа (например, параллельный поток). Может иметься клапан реверса потока для реверса направления потока рабочего флюида через один или несколько элементов TXES. Такой клапан может быть частью присоединенных тепловых двигателей, или может быть интегрирован в массив TXES.

[0045] В некоторых вариантах осуществления,, по меньшей мере, один из клапанов, которые контролируют поток рабочего флюида, может управляться вручную. Такая установка особенно подходит для ситуации, когда массив TXES разворачивается в расстановку, при которой количество тепла, извлеченного из выпускных газов, приблизительно соответствует количеству тепла, извлеченного из массива TXES, и при этом система работает при тепловом равновесии (поступление тепла соответствует уходу тепла в любой конкретной точке во времени).

[0046] Каждая подсистема теплового двигателя может работать в различных температурных диапазонах, и может быть оптимизирована для работы в пределах конкретных температурных диапазонов с использованием одного и того же, или различных, флюидов процесса. Подразумевается несколько типов подсистем теплового двигателя.

[0047] Основной тип процесса теплового насоса или двигателя - это процесс Ранкина. Тепловые двигатели этого типа работают при помощи сжатия рабочего флюида в жидкой фазе, которая, соответственно, имеет низкую энергию работы по сжатию, но высокое поступление тепла, требующееся для закипания рабочего флюида. Эти системы часто имеют довольно высокие рабочие давления и процесс добавления тепла должен принять эти давления рабочего флюида. Традиционные системы теплового флюида двигателя Ранкина наиболее часто используют теплообменники с разделением рабочего флюида высокого давления и потока подачи тепла, часто горючие газы. Ключевые конструктивные признаки тепловых систем Ранкина - это рентабельность при работе с рабочим флюидом под высоким давлением, и часто низкие показатели конвекционного теплопереноса от источника тепла.

[0048] Следует отметить, что имеется множество циклов двигателя, которые часто похожи, но имеют, например, надкритическое давление флюида, и поэтому технически не имеют смены фазы в части высокого давления системы. Подобным образом, смеси флюидов имеют температуры, меняющие процессы кипения. Термин «Ранкин» или «подобный Ранкину» относится, в том виде, как это используется здесь, к широкой категории тепловых двигателей/тепловых насосов, где имеется изменение фазы на холодном конце процесса, и к системам двигателей, где происходит нагнетание давления в жидкой фазе. Еще один основной процесс теплового двигателя или теплового насоса - это цикл Брайтона, который работает полностью в газовой фазе. Поскольку сжатие флюида осуществляется в газовой фазе, требуется большое количество работы при сжатии, но отсутствие изменения фазы в процессе снижает количество тепла, добавленного на единицу рабочего флюида при сравнении с процессом Ранкина. Например, в холодной системе хранения тепла Брайтона, газ в качестве рабочего флюида сжимается, перегрев отводится в горячий элемент TXES посредством прохождения газа через элемент TXES, что позволяет не горячему газу высокого давления расшириться до холодного состояния. Этот холодный газ рабочего флюида затем нагревается с использованием холодного элемента TXES, с охлаждением элемента TXES (с созданием холодного элемента TXES). Процесс зарядки обращается в процесс, при котором компрессор прогоняет газ рабочего флюида через холодный элемент TXES (охлаждая рабочий флюид с нагревом элемента TXES), и затем сжимает теперь нагретый рабочий флюид (с созданием газа высокого давления). Нагретый рабочий флюид направляется через горячий элемент TXES для создания горячей газовой фазы рабочего флюида. Горячий рабочий флюид затем расширяется снова примерно до своей начальной температуры, тем самым создавая работу вала.

[0049] Ключевое преимущество элемента TXES над подходом с контейнерным хранением тепла (например, породные резервуары) заключается в том, что контейнерный подход предполагает, что емкость высокого давления намотана вокруг всей тепловой массы, тогда как элемент TXES требует намного меньше структурного материала для объема под давлением, поскольку среда хранения тепла находится вне емкости высокого давления.

[0050] Значительные преимущества конструкции TXES (например, хранение энергии, тепловая избирательность, и сглаживание энергии) повышают ценность целого ряда двигателей с тепловым циклом. Например, система с двумя подсистемами двигателя Ранкина, первая подсистема двигателя Ранкина может быть сконфигурирована с возможностью работы более эффективно при температурах между температурой окружающей среды и 150°С, и вторая подсистема двигателя Ранкина может быть сконфигурирована с возможностью работы наиболее эффективно при температурах выше 150°С. В некоторых вариантах осуществления, можно использовать множество различных рабочих флюидов, каждый как часть отдельной подсистемы двигателя Ранкина. Рабочие флюиды и характеристики теплового двигателя выбирают, основываясь на их рабочих характеристиках (например, тепло испарения, конкретные соответствия тепла и температуры и давления, максимальные пределы по температуре, доступные скорости течения) против температур источника тепла. Это обеспечивает широкий диапазон оптимальной производительности по уровням мощности и температурам источника тепла.

[0051] В качестве альтернативы, несколько подсистем теплового двигателя, с общепринятыми параметрами работы, можно задействовать параллельно, для повышения извлечения тепла и мощности на валу системы. Эти системы могут быть взаимосвязаны или работать независимо.

[0052] Сам по себе, выбор процессов теплового двигателя, флюидов процесса, рабочих давлений и конфигураций с турбиной/испарителем для каждой подсистемы теплового двигателя может быть осуществлен независимо, а информация, относящаяся к этим параметрам конфигурации (критические температуры рабочего флюида, рабочие течения, течение флюида процесса в трубе и показатели теплообмена, параметры управления для насосов и мощности хранилищ и т.д.) сохраняются контроллером процесса.

[0053] Система, в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя датчики давления и температуры под управлением контроллера процесса, встроенные и/или установленные на элементы TXES (например, 230а, 230b выше), и на трубопроводе (260а, 260b) флюида двигателя процесса, а также на гасителях и/или клапанах (например, 270а, 270b и клапанах внутри массива TXES) под управлением контроллера процесса, для эффективного направления потоков рабочих флюидов в направлении «на» или «от» одного или нескольких элементов TXES, насосов, одного или нескольких тепловых двигателей, а также одного или нескольких холодных хранилищ (не показано). Датчики и клапаны соединены с контроллером процесса и управляются им.

[0054] В контроллер процесса также внесены характеристики каждого элемента TXES, и массива TXES, к которым он подсоединен, а также информация по соединениям с датчиками, клапанами и трубопроводом. С использованием этой информации, в сочетании с текущими температурами элементов TXES (поэлементно), и входные температуры, контроллер про