RZECZPOSPOLITA POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej

Polskiej

(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 2264288

(96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 11.06.2009 09162513.7 (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 03.08.2011 Europejski Biuletyn Patentowy 2011/31 EP 2264288 B1

(13) (51)

T3 Int.Cl. F01K 25/14 (2006.01) F02C 1/02 (2006.01) F17D 1/075 (2006.01) F17D 1/00 (2006.01) F02C 1/00 (2006.01)

(54) Tytuł wynalazku:

Układ do sprawnego obniżania ciśnienia płynów

PL/E

P 22

6428

8 T3

(30) Pierwszeństwo:

(43) Zgłoszenie ogłoszono:

22.12.2010 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2010/51

(45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono:

31.01.2012 Wiadomości Urzędu Patentowego 2012/01

(73) Uprawniony z patentu:

Thermonetics LTD., Dublin, IE

(72) Twórca(y) wynalazku:

PAUL SIKORA, Rosscarbery, IE

(74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Bolesław Krzysztof Kiciak

PRZEDSIĘBIORSTWO RZECZNIKÓW PATENTOWYCH PATPOL SP. Z O.O. SKR. POCZT.37 02-770 Warszawa 130

Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

EP 2 264 288 B1

1

Opis wynalazku

Dziedzina wynalazku

[0001] Przedmiotem niniejszego wynalazku jest układ do sprawnego obniżania ciśnienia płynów w

rurociągach o wysokim ciśnieniu. Układ może zapewniać wytwarzanie mocy netto bez skraplania, 5

zestalania ani niedopuszczalnego obniżania temperatury płynu wskutek procesu Joule'a-Thomsona.

Układ szczególnie nadaje się do obniżania ciśnienia w wysokociśnieniowych rurociągach gazu ziemnego

w sposób efektywny energetycznie, zarazem umożliwiając wytwarzanie mocy netto.

Tło wynalazku

[0002] Gaz ziemny przesyła się rurociągami wysokociśnieniowymi, a do użytkowników końcowych roz-10

prowadza pod znacznie niższymi ciśnieniami. Ogólnie, do podnoszenia ciśnienia i do utrzymywania go

podczas przesyłu na dużą odległość stosuje się stacje sprężarek. Godne uwagi jest to, że do linii przesy-

łowych w różnych warunkach geograficznych stosuje się w rurociągach różne ciśnienia, i odpowiednio, że

ciśnienia muszą być obniżane zgodnie z wymaganiami projektowymi sieci w zmiennej liczbie etapów,

które zależą od wielkości i charakteru użytkownika końcowego lub węzła dystrybucji w układzie. 15

[0003] Proces obniżania ciśnienia normalnie realizuje się przy pomocy małej kryzy lub zaworu dławią-

cego, i powoduje on istotne obniżenie temperatury gazu. Naturalnie stopień spadku temperatury jest bez-

pośrednio proporcjonalny do stopnia zachodzącego obniżania ciśnienia.

[0004] Spadek temperatury powodowany przez procesy Joule'a-Thomsona jest niepożądany i z szeregu

względów konieczne jest unikanie go albo co najmniej ograniczanie. Nadmierne chłodzenie może powo-20

dować niepożądane naprężenia w rurach i wyposażeniu pomocniczym; może ono uszkadzać pewne

powłoki rur i materiały rur; może ono także powodować zamarzanie ziemi otaczającej rurociąg, przy

związanym z tym ryzyku wysadzin od mrozu. Ponadto, sam gaz może zawierać składniki zdolne do

kondensacji, których skroplenie lub zestalenie w obniżonych temperaturach może sprawiać problemy dla

dalszej części sieci. 25

[0005] Najbardziej bezpośredni sposób unikania takich problemów polega na ogrzaniu strumienia gazu

bezpośrednio przed zmniejszeniem jego ciśnienia. Ilość dostarczonego ciepła reguluje się tak, że tempe-

ratura gazu po rozprężeniu pozostaje dostatecznie wysoka dla obejścia problemów z niską temperaturą

przy obniżaniu ciśnienia.

[0006] Logiczne źródło ciepła dostępnego dla stacji redukującej ciśnienie gazu ziemnego stanowi spala-30

nie części gazu. O ile nie ma innego niezawodnego i nieprzerwanego źródła ciepła dostępnego dla stacji

obniżania ciśnienia, to zazwyczaj do uzyskania niezbędnego ciepła stosuje się zespół wysokowydajnych

kotłów opalanych gazem. Ten środek zaradczy jest skuteczny i prosty w realizacji, ale działa kosztem

zużywania części energii dostarczanego gazu. Proponowano stosowanie ogniw paliwowych lub zespołów

kogeneracji (ang. combined heat and power, CHP) zamiast kotłów do dostarczania ciepła razem z 35

energią elektryczną, ale w kategorii zużycia gazu wciąż pozostaje strata energii.

[0007] Znane sposoby obniżania lub eliminowania straty energii w procesie zmniejszania ciśnienia gazu

ziemnego są opisane poniżej.

EP 2 264 288 B1

2

[0008] Opis patentowy USA nr 4,677,827 opisuje dodawanie inhibitora do gazu przed etapem obniżania

ciśnienia. Celem inhibitora jest zapobieganie kondensacji ochłodzonego gazu. Po dodaniu inhibitora

dopuszczalne jest obniżanie ciśnienia bez ogrzewania wstępnego.

[0009] Ponowne ogrzewanie po obniżeniu ciśnienia można zrealizować przez zapewnienie kontaktu ter-

micznego z otoczeniem, gdyż gaz rozprężony ogólnie będzie mieć temperaturę poniżej otoczenia. Można 5

to zrealizować na szereg sposobów. Na przykład: przez zapewnienie swobodnego chłodzenia jakiegoś

dostępnego strumienia materiału (pod warunkiem, że można znaleźć taki strumień materiału); przez

zapewnienie bezpośredniego lub pośredniego połączenia wymiany ciepła między gazem i otoczeniem lub

przez uzupełnienie pasywnej wymiany ciepła ciepłem dostarczanym przez pompę ciepła. Te sposoby

pozwalają dostarczyć z otoczenia dużą część, o ile nie całość, ponownego ogrzania, czego następstwem 10

są oszczędności na cieple wytwarzanym przez spalanie gazu.

[0010] Trudności związane z tym podejściem obejmują konieczność dostarczenia dodatkowego mate-

riału zużywanego, tj. inhibitora, do każdej z instalacji i do odmierzania jego wtryskiwania do strumienia

gazu. Ponadto konieczne może być odzyskiwanie inhibitora przed dostarczeniem gazu do użytkownika

końcowego. Odzyskiwanie inhibitora wymaga dodatkowego wyposażenia i przyczynia się materialnie do 15

złożoności stacji i do jej obsługi.

[0011] Pozivil (Acta Montanistica Slovaca, rocznik 9 (2004), nr 3, 258-260) opisuje przekształcanie ener-

gii kinetycznej uwalnianej w procesie rozprężania gazu w energię mechaniczną w turbinie rozprężającej i,

w większości przypadków, z kolei w energię elektryczną. Tej energii elektrycznej można następnie użyć

na rozmaite sposoby: oddać do sieci elektrycznej; stosować do zaspokojenia części lub całości zapotrze-20

bowania elektrycznego instalacji, i ewentualnie stosować do napędzania pompy ciepła w celu dostar-

czenia ciepła do gazu rozprężonego.

[0012] Istnieje szereg kwestii, które należy rozstrzygnąć rozważając zastosowanie któregokolwiek z tych

sposobów wytwarzania energii. Pierwszy jest fakt, że spadek temperatury gazu, który towarzyszy

rozprężaniu z wytwarzaniem energii, jest kilkukrotnie większy niż ten, który towarzyszy rozprężaniu przez 25

dławienie do tego samego ciśnienia końcowego. Jeżeli trzeba przeciwdziałać temu chłodzeniu przez

spalanie gazu przed rozprężarką, to proces ponownego ogrzania zużyje energii więcej niż wytworzyć

może nawet najbardziej wydajny zespół rozprężarka-generator. Musi także istnieć stałe obciążenie

elektryczne dostępne dla stacji w celu wykorzystywania wytworzonej energii elektrycznej. Praktycznie

oznacza to zazwyczaj połączenie z siecią elektryczną, przez które elektryczność oddaje się do sieci. W 30

każdym przypadku, istnieje wypadkowa strata energii użytecznej, nawet jeżeli w pełni wykorzystuje się

wytworzoną elektryczność. Nakłady na taki system muszą uzasadniać czynniki inne niż oszczędności

energii.

[0013] Odmiana tego podejścia polega na zastosowaniu zespołu kogeneracji (CHP) dodatkowo do

zespołu rozprężarki-generatora. Wielkość CHP jest określona przez ilość wymaganego ponownego 35

ogrzania, tak, że oddawaną moc cieplną CHP można zastosować do przeciwdziałania chłodzeniu gazu

wywołanego rozprężaniem. Oddawaną moc elektryczną rozprężarki-generatora dodaje się do oddawanej

mocy elektrycznej zespołu CHP i obie z nich dostarcza się do sieci. Obie z oddawanych mocy elektrycz-

nych przynoszą dochód ekonomiczny operatorowi, ale trudniej określić główne korzyści energetyczne i

CO2 dla tego podejścia. Przyczyną umieszczenia zespołu CHP jest głównie wykorzystanie jego 40

oddawanej mocy cieplnej, więc tę część energii spalania trzeba widzieć jako poświęcenie w całkowitym

EP 2 264 288 B1

3

schemacie. Rolę CHP można byłoby zastąpić ogniwem paliwowym, a ogólne podejście byłoby takie

samo.

[0014] Jeżeli ciepło ma być dostarczane po rozprężeniu, wówczas konieczne będzie dodawanie inhibito-

rów kondensacji do strumienia gazu. W rzeczywistości, ze względu na bardzo duży spadek temperatury,

konieczne może być zwiększanie dozowania inhibitora, żeby dalej pozostał skuteczny. Konieczne będzie 5

także ocenienie konsekwencji dla wyposażenia powodowanych chłodzeniem przez spadki temperatury

do -80°C, które mogą występować nawet w pojedynczym etapie rozprężania. Ten sposób daje możliwość

osiągania istotnych pierwotnych oszczędności energii, ale jego realizacja sprawia w bardziej skrajnej

postaci wszystkie z trudności zauważonych wyżej w kontekście sposobu z dodawaniem inhibitora.

[0015] Patent USA nr 5,628,191 ujawnia układ obejmujący pompę ciepła do ogrzewania gazu przed 10

rozprężaniem. Wykorzystując podejście z pompą ciepła przed rozprężaniem, napotyka się problem

ogrzewania gazu aż do temperatur sięgających 80-90°C od temperatury wlotowej typowo wynoszącej

5-10°C, żeby uniknąć omawianych wyżej problemów związanych z chłodzeniem (patrz wyżej). Dla dowol-

nej konwencjonalnej pompy ciepła takie osiągnięcie bardzo wysokich temperatur końcowych stanowi

herkulesowe wyzwanie. Ponadto, konieczność osiągnięcia takiego dużego podwyższenia temperatury w 15

pojedynczym przejściu będzie mieć bardzo szkodliwy wpływ na sprawność pompy ciepła. Jeżeli spraw-

ność pompy ciepła nie osiągnie poziomu progowego sprawności minimalnej, to proces może nadal

wymagać ogrzewania uzupełniającego (przez spalanie).

[0016] Publikacja zgłoszenia patentowego USA nr 2003/0172661 dotyczy zastosowania wielu etapów

rozprężania o małym stosunku ciśnień w celu ograniczenia spadków temperatury do zakresu, który 20

pompa ciepła byłaby w stanie obsłużyć. Takie podejście pociągnęłoby za sobą znacznie większe koszty i

złożoność wyposażenia, bez jakiejkolwiek dodatkowej korzyści. Powyższe względy razem sprawiają, że

nieprawdopodobne jest, żeby konwencjonalne pompy ciepła mogły odgrywać jakąkolwiek znaczącą rolę

w tym szczególnym zastosowaniu.

[0017] Nie uchybiając stanowi techniki, wciąż byłoby pożądane uzyskanie układu, który nadawałby się 25

do wstępnego ogrzewania płynu pod ciśnieniem w stopniu dostatecznym, żeby uniknąć problemów

związanych z chłodzeniem przy obniżaniu ciśnienia płynu. Byłoby pożądane, żeby taki układ był sprawny

energetycznie. Ponadto pożądany byłby układ nadający się do wytwarzania mocy netto.

Streszczenie wynalazku

[0018] Przedmiotem niniejszego wynalazku jest układ do minimalizowania skutków chłodzenia wskutek 30

rozprężania dowolnego płynu ulegającego obniżaniu ciśnienia w procesie ciągłym lub zbliżonym do

ciągłego. Układ może być wykorzystywany do odzyskiwania energii uwalnianej przez rozprężanie płynu.

[0019] W szczególności, przedmiotem niniejszego wynalazku jest układ wykorzystywany do łagodzenia

skutków chłodzenia wskutek rozprężania w procesach obniżania ciśnienia w rurociągu gazu ziemnego.

Korzystnie, układ może umożliwiać odzyskiwanie energii podczas procesu chłodzenia wskutek rozpręża-35

nia gazu ziemnego.

[0020] W jednym z aspektów przedmiotem niniejszego wynalazku jest układ do obniżania ciśnienia

płynu pod ciśnieniem w rurociągu, zawierający:

EP 2 264 288 B1

4

co najmniej jeden środek zmniejszający ciśnienie do rozprężania płynu pod ciśnieniem w

rurociągu do niższego ciśnienia; i

transkrytyczną pompę ciepła do wymuszania obiegu płynu nadkrytycznego (czynnika

chłodniczego),

gdzie płyn nadkrytyczny ulega chłodzeniu tak, że uwalnia ciepło do przenoszenia do płynu pod 5

ciśnieniem w rurociągu przed co najmniej jednym rozprężaniem wspomnianego płynu pod

ciśnieniem.

[0021] Jak przyzna specjalista, przy chłodzeniu płynu nadkrytycznego jako czynnika chłodniczego tem-

peratura i ciśnienie płynu chłodniczego mogą spaść poniżej temperatury krytycznej i ciśnienia krytycz-

nego płynu chłodniczego. Jako taka, transkrytyczna pompa ciepła może także mieć region niskiego 10

ciśnienia i niskiej temperatury do wymuszania obiegu płynu chłodniczego w temperaturze i ciśnieniu

poniżej jego temperatury krytycznej i ciśnienia krytycznego. Transkrytyczna pompa ciepła może mieć:

region wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia do wymuszania obiegu płynu chłodniczego w

temperaturze i ciśnieniu powyżej jego temperatury krytycznej i ciśnienia krytycznego; i

region niskiej temperatury, niskiego ciśnienia do wymuszania obiegu płynu chłodniczego w 15

temperaturze i ciśnieniu poniżej jego temperatury krytycznej i ciśnienia krytycznego.

Transkrytyczna pompa ciepła może także być rozumiana jako obejmująca fazę oddawania ciepła

do przenoszenia ciepła od płynu chłodniczego w temperaturze i ciśnieniu powyżej jego tempera-

tury krytycznej i ciśnienia krytycznego.

[0022] Układ według niniejszego wynalazku może dalej zawierać co najmniej jeden wymiennik ciepła do 20

przenoszenia ciepła do płynu pod ciśnieniem w rurociągu.

[0023] Ciepło uwalniane przez płyn nadkrytyczny ulegający chłodzeniu może być przenoszone bez-

pośrednio do płynu pod ciśnieniem w rurociągu przed co najmniej jednym rozprężaniem wspomnianego

płynu pod ciśnieniem. Na przykład, płyn chłodniczy może ulegać ogrzewaniu i sprężaniu w pompie ciepła

tak, że staje się nadkrytyczny, i może być prowadzony bezpośrednio do co najmniej jednego wymiennika 25

ciepła do ogrzewania płynu pod ciśnieniem w rurociągu. Płyn nadkrytyczny może ulegać chłodzeniu w

wymienniku ciepła w celu ogrzewania płynu pod ciśnieniem w rurociągu.

[0024] Odwrotnie, ciepło uwalniane przez płyn nadkrytyczny ulegający chłodzeniu może być przenoszo-

ne pośrednio do płynu pod ciśnieniem w rurociągu przed co najmniej jednym rozprężaniem wspomniane-

go płynu pod ciśnieniem. Na przykład, może to obejmować wtórny obwód przenoszenia ciepła, który z 30

kolei jest sprzężony z co najmniej jednym wymiennikiem ciepła do ogrzewania płynu pod ciśnieniem w

rurociągu. Ogrzewany płyn nadkrytyczny może ulegać chłodzeniu w wymienniku ciepła tak, żeby przeno-

sić ciepło do wtórnego obwodu przenoszenia ciepła, przez to ogrzewając płyn (na przykład wodę) we

wtórnym obwodzie przenoszenia ciepła. Ogrzewany płyn we wtórnym obwodzie przenoszenia ciepła

może być prowadzony do co najmniej jednego wymiennika ciepła do ogrzewania płynu pod ciśnieniem w 35

rurociągu.

[0025] Układ według niniejszego wynalazku może zapewniać pośrednie ogrzewanie płynu pod

ciśnieniem w rurociągu przez płyn nadkrytyczny. Korzystnie, konfigurację do pośredniego ogrzewania

płynu pod ciśnieniem w rurociągu płynem nadkrytycznym można wbudować do normalnych zestawów

pomp ciepła. Instalacja transkrytycznej pompy ciepła zawierającej związane z nią wymienniki ciepła 40

EP 2 264 288 B1

5

wymagałaby jedynie kwalifikacji hydraulika zamiast kwalifikacji do montażu transkrytycznych urządzeń

chłodniczych.

[0026] Układ według niniejszego wynalazku nie wyklucza etapu obniżania ciśnienia przed ogrzewaniem

płynu pod ciśnieniem przez wymiennik ciepła. Zakładając, że temperatura wchodzącego gazu jest dosta-

tecznie wysoka, żeby pozwolić na mały stopień obniżenia ciśnienia, i/lub stopień obniżenia ciśnienia jest 5

dostatecznie mały, powinno się uniknąć problemów związanych z chłodzeniem, takich jak skraplanie lub

zestalanie.

[0027] Ogrzewany płyn nadkrytyczny może ulegać chłodzeniu w wymienniku ciepła tak, żeby ogrzewać

płyn pod ciśnieniem w rurociągu przed rozprężeniem wspomnianego płynu pod ciśnieniem.

[0028] Stosowane niniejszym określenie "transkrytyczna pompa ciepła" dotyczy pompy ciepła, w której 10

płyn chłodniczy przechodzi obieg transkrytyczny, tj. płyn chłodniczy zmienia stan między nadkrytycznym

a podkrytycznym. W układzie według niniejszego wynalazku płyn nadkrytyczny może ulegać chłodzeniu

jako części obiegu transkrytycznego, uwalniając ciepło do płynu pod ciśnieniem w rurociągu.

[0029] Korzystnie, układ według niniejszego wynalazku działa bez potrzeby stosowania dodatkowych

materiałów zużywających się, na przykład inhibitorów kondensacji, w instalacji obniżania ciśnienia. To 15

eliminuje dodatkowe koszty związane z odmierzaniem inhibitora do rurociągu z płynem pod ciśnieniem i

odzyskiwaniem inhibitora przed dostarczeniem płynu do użytkownika końcowego.

[0030] Układ według niniejszego wynalazku zapewnia wysoką wydajność ogrzewania w następstwie

zdolności transkrytycznej pompy ciepła do dostarczania ciepła w długim zakresie jednostajnie ciągle

malejącej temperatury chłodzącego płynu nadkrytycznego (w przeciwieństwie do niemal izotermicznej 20

charakterystyki dostarczania ciepła kondensacji w normalnym odwrotnym obiegu Rankine'a).

[0031] W układzie według niniejszego wynalazku proces oddawania ciepła (w wymienniku ciepła trans-

krytycznej pompy ciepła) zachodzi pod ciśnieniem powyżej ciśnienia krytycznego płynu nadkrytycznego.

Umożliwia to zatem osiągnięcie znacznie wyższych temperatur płynu nadkrytycznego. Ponadto, proces

oddawania ciepła w transkrytycznej pompie ciepła zachodzi w szerokim pasie temperatur zamiast w 25

pojedynczej temperaturze kondensacji. Umożliwia to wysoce sprawne ogrzewanie płynu pod ciśnieniem

w rurociągu, tak że temperaturę płynu pod ciśnieniem można podwyższyć dostatecznie, żeby zmniejszyć

spadek temperatury związany z chłodzeniem wskutek rozprężania płynu pod ciśnieniem.

[0032] Układ według niniejszego wynalazku może nadawać się do dostarczania energii elektrycznej do

instalacji (tj. z powrotem do układu). Energia uwalniana w etapie rozprężania płynu (obniżania ciśnienia) 30

może być wykorzystywana. Energię wykorzystywaną można oddawać z powrotem do układu według

niniejszego wynalazku jako źródło energii. Na przykład, transkrytyczna pompa ciepła w układzie według

niniejszego wynalazku może być napędzana przez generator energii. Generator energii może być

napędzany przez energię uwalnianą w etapie rozprężania płynu.

[0033] Energia uwalniana przez obniżanie ciśnienia gazu może być bezpośrednio sprzężona ze 35

sprężarką transkrytycznej pompy ciepła. To ustawienie może umożliwić zmniejszenie kosztów, gdyż

eliminuje zapotrzebowanie na generator prądu i związane z nim wyposażenie.

[0034] Alternatywnie, układ według niniejszego wynalazku może być dostosowany do dostarczania

energii na zewnątrz układu, na przykład do dostarczania energii elektrycznej do sieci elektrycznej. Układ

EP 2 264 288 B1

6

według niniejszego wynalazku może być dostosowany do dostarczania energii elektrycznej z powrotem

do układu według niniejszego wynalazku, oprócz dostarczania energii elektrycznej do sieci elektrycznej.

[0035] Transkrytyczna pompa ciepła według niniejszego wynalazku może być termicznie sprzężona ze

źródłem ciepła z otoczenia (przez wymiennik ciepła). Ciepło z otoczenia może być przenoszone do płynu

chłodniczego bezpośrednio lub pośrednio (podobnie jak wyżej). 5

[0036] Bezpośrednie ogrzewanie przez otoczenie może obejmować bezpośrednie przenoszenie ciepła

między płynem chłodniczym i wymiennikiem ciepła sprzężonym ze źródłem ciepła z otoczenia. Pośrednie

sprzężenie z otoczeniem można osiągnąć przez wtórny obwód przenoszenia ciepła, który może być

sprzężony z wymiennikiem ciepła ze źródła ciepła z otoczenia, i który pobiera ciepło z otoczenia, z kolei

ogrzewając płyn chłodniczy. Źródło ciepła z otoczenia może być wybrane z grupy obejmującej powietrze, 10

ziemię, wody gruntowe, wody powierzchniowe lub ich kombinacje. Może to umożliwić pobór energii

termicznej w niskiej temperaturze przez pompę ciepła. Otoczenie może dostarczać ciepło do płynu

chłodzącego, gdy jest on w stanie podkrytycznym.

[0037] Wymiennik ciepła w komunikacji z płynem pod ciśnieniem w rurociągu może być umieszczony w

ułożeniu przeciwprądowym do płynu pod ciśnieniem w rurociągu. Zapewnia to bardziej wydajne 15

oddawanie ciepła.

[0038] Czynnikiem chłodniczym do obiegu transkrytycznego może być płyn o temperaturze krytycznej

dostatecznie wysokiej, żeby umożliwić odparowanie przez wrzenie do około 20-25°C, i dostatecznie

niskiej, żeby normalne chłodnicze temperatury oddawania ciepła wynoszące 40-80°C znajdowały się

powyżej jego temperatury krytycznej. Płyn powinien mieć duże ciepło parowania. Korzystnie, płyn będzie 20

mieszalny z olejem, żeby zapewnić dostateczne smarowanie. Jak przyzna specjalista, można wykorzys-

tać dowolny przydatny płyn. Na przykład, transkrytyczny czynnik chłodniczy może być wybrany spośród

CO2, C2H6, N2O, B2H6, C2H4. Niniejszy wynalazek obejmuje także ich połączenia. Płynem ulegającym

chłodzeniu transkrytycznemu może być CO2. Co korzystne, CO2 jest płynem niepalnym i nietoksycznym.

Co dalej korzystne, CO2 ma wartość potencjału wyczerpywania ozonu (ang. Ozone Depletion Potential, 25

ODP) równą zero oraz wartość potencjału globalnego ocieplenia (ang. Global Warming Potential, GWP)

równą jeden, co czyni go jedną z najbardziej atrakcyjnych możliwości wyboru płynu transkrytycznego.

[0039] Środek zmniejszający ciśnienie w układzie według niniejszego wynalazku może stanowić zawór

dławiący.

[0040] Korzystnie, układ według niniejszego wynalazku jest skonfigurowany dla wytwarzania całej ener-30

gii potrzebnej do ogrzewania płynu pod ciśnieniem, bez spalania w procesie ogrzewania jakiegokolwiek

wspomnianego płynu pod ciśnieniem. Na przykład, gdy płyn pod ciśnieniem stanowi gaz ziemny, bez

spalania w ogóle gazu ziemnego. Taki układ byłby wydajny energetycznie.

[0041] Układ może dalej zawierać generator energii do przekształcania energii uwalnianej przez roz-

prężanie płynu w energię elektryczną. Korzystnie, płyn pod ciśnieniem w rurociągu jest ogrzewany przez 35

wymiennik ciepła przed przekształcaniem energii uwalnianej przez rozprężanie płynu w energię

elektryczną. Korzystnie, przez ogrzanie płynu pod ciśnieniem do dostatecznie wysokiej temperatury układ

według niniejszego wynalazku może wyeliminować zużycie płynu pod ciśnieniem, na przykład przez

spalanie, do przeciwdziałania niepożądanemu chłodzeniu wskutek obniżania ciśnienia.

EP 2 264 288 B1

7

[0042] Energia uwalniana przez rozprężanie płynu może być przenoszona do generatora energii.

Generator energii może zawierać składnik mechaniczny napędzany przez rozprężający się płyn w celu

wytwarzania energii. Na przykład, płyn pod ciśnieniem może być rozprężony przez turbinę. W jednym z

pożądanych ustawień, energia uwalniana przez rozprężany płyn pod ciśnieniem może być odbierana

przez turbinę rozprężającą. Korzystnie, płyn pod ciśnieniem w rurociągu jest ogrzewany (w wymienniku 5

ciepła) przed rozprężeniem płynu pod ciśnieniem przez generator energii.

[0043] Układ według niniejszego wynalazku zawierający generator energii wykorzystujący proces roz-

prężania płynu może zapewnić wytwarzanie mocy netto. Rozprężarka wytwarzająca energię (na przykład,

turbina rozprężająca) może wytwarzać znacznie więcej energii niż potrzeba do napędzania trans-

krytycznej pompy ciepła. Stąd, układ według niniejszego wynalazku może być skonfigurowany do 10

wytwarzania nadwyżki energii, nadwyżki ciepła (do dostarczania do płynu pod ciśnieniem w rurociągu),

lub ich kombinacji.

[0044] Rozprężanie płynu pod ciśnieniem może być podzielone między jeden lub więcej środków

zmniejszających ciśnienie, na przykład turbinę rozprężającą i jeden lub więcej zaworów dławiących

Joule'a-Thomsona. Zespoły rozprężarki-generatora są bardziej kosztowne niż zawory dławiące Joule'a-15

Thomsona, i bardziej ekonomiczne może być podzielenie rozprężania między zespół rozprężarki-

generatora i szereg zaworów dławiących Joule'a-Thomsona.

[0045] Układ według niniejszego wynalazku może zapewniać szereg środków zmniejszających ciśnienie

w ułożeniu typu szeregowego. To może umożliwić stopniowe rozprężanie płynu pod ciśnieniem. Każdy ze

środków zmniejszających ciśnienie może rozprężać płyn pod ciśnieniem przez generator energii, żeby 20

wytwarzać energię z każdego rozprężania. Alternatywnie, jeden z wielu środków zmniejszających

ciśnienie może rozprężać płyn pod ciśnieniem przez generator energii. Pozostałe środki zmniejszające

ciśnienie mogą stanowić zawory dławiące.

[0046] Układ według niniejszego wynalazku może dalej zawierać co najmniej jeden spośród:

co najmniej jednego środka zmniejszającego ciśnienie do rozprężania płynu pod ciśnieniem 25

przed ogrzewaniem płynu pod ciśnieniem przez wymiennik ciepła;

co najmniej jednego środka zmniejszającego ciśnienie do rozprężania płynu pod ciśnieniem po

uprzednim rozprężaniu ogrzanego płynu pod ciśnieniem; oraz

ich połączeń.

[0047] Włączenie do układu według niniejszego wynalazku środka zmniejszającego ciśnienie do 30

rozprężania płynu pod ciśnieniem przed ogrzewaniem płynu pod ciśnieniem przez wymiennik ciepła może

być korzystne dla całkowitego procesu. Nieznaczne wstępne ochłodzenie płynu pod ciśnieniem może

umożliwić niższą temperaturę wlotową gazu do wymiennika ciepła na linii gazu. Może to mieć korzystny

wpływ na współczynnik sprawności pompy ciepła i może zwiększyć sprawność pompy ciepła.

[0048] Wstępne rozprężanie płynu pod ciśnieniem może zwiększyć całkowity spadek ciśnienia, który 35

można osiągnąć w pojedynczym etapie. Tak więc, może to zwiększyć całkowitą zdolność obniżania ciś-

nienia dla układu według niniejszego wynalazku poza limit narzucony przez najwyższy stosunek ciśnień

wlotowych/wylotowych dla zespołu rozprężarki-generatora działającego osobno. Zakładając, że tempe-

ratura wchodzącego gazu jest dostatecznie wysoka, żeby pozwolić na mały stopień obniżenia ciśnienia,

powinno się uniknąć problemów związanych z chłodzeniem, takich jak skraplanie lub zestalanie. 40

EP 2 264 288 B1

8

[0049] Włączenie do układu według niniejszego wynalazku środka zmniejszającego ciśnienie do

rozprężania płynu pod ciśnieniem po uprzednim rozprężaniu ogrzanego płynu pod ciśnieniem zmniejsza

zdolność pompy ciepła do wytwarzania więcej ciepła niż potrzeba do przeciwdziałania chłodzeniu, które

jest skutkiem etapu rozprężania gazu wytwarzającego energię. Tak więc, dodatkowe chłodzenie można

zapewnić przez dalsze obniżanie ciśnienia. 5

[0050] Układ według niniejszego wynalazku może uwzględniać wielość linii obniżania ciśnienia, ewentu-

alnie umieszczonych równolegle do siebie. Każda z linii obniżania ciśnienia może obejmować co najmniej

jeden wymiennik ciepła. Alternatywnie, jeden wymiennik ciepła może ogrzewać płyn pod ciśnieniem dla

następnego rozdzielenia do każdej z linii obniżania ciśnienia. Każda z linii obniżania ciśnienia może

zawierać środek zmniejszający ciśnienie. Każda z linii obniżania ciśnienia może zawierać co najmniej 10

jeden środek zmniejszający ciśnienie.

[0051] Każda z linii obniżania ciśnienia może zawierać co najmniej jeden środek zmniejszający ciśnienie

skonfigurowany do rozprężania płynu pod ciśnieniem przez generator energii (rozprężarka-generator). W

korzystnym ustawieniu, jedna linia obniżania ciśnienia obejmuje generator energii, który może dostarczać

energię potrzebną do ogrzewania płynu w każdej z linii obniżania ciśnienia. Na przykład, pojedynczy 15

generator energii może dostarczać energię do napędzania pojedynczej pompy ciepła albo wielu pomp

ciepła. Wymienniki ciepła powiązane z pompami ciepła mogą być umieszczone w tej samej linii obniżania

ciśnienia lub w osobnych liniach obniżania ciśnienia. Alternatywnie, pojedynczy generator energii może

dostarczać energię do napędzania pojedynczej pompy ciepła, której składowy wymiennik ciepła ogrzewa

płyn pod ciśnieniem przed rozprowadzeniem płynu pod ciśnieniem do każdej z linii obniżania ciśnienia. 20

[0052] Każda z linii obniżania ciśnienia może być skonfigurowana dla rozprężania płynu pod ciśnieniem

do innego ciśnienia. Może to być szczególnie korzystne w przypadkach, gdzie płyn pod ciśnieniem, na

przykład gaz ziemny, ma być rozprowadzany do różnych użytkowników końcowych przez różne linie

obniżania ciśnienia. Dogodnie, układ według niniejszego wynalazku może zaopatrywać 2 do 5 linii

obniżania ciśnienia umieszczonych równolegle do siebie. 25

[0053] Należy rozumieć, że płynem pod ciśnieniem w rurociągu w układzie według niniejszego wynalaz-

ku może być gaz. Płynem pod ciśnieniem może być gaz ziemny.

[0054] W dalszym aspekcie przedmiotem niniejszego wynalazku jest zastosowanie płynu nadkrytycz-

nego w pompie ciepła do przenoszenia ciepła do płynu pod ciśnieniem w rurociągu przed obniżaniem

ciśnienia płynu pod ciśnieniem. Płyn nadkrytyczny może ulegać chłodzeniu w fazie oddawania ciepła w 30

wymienniku ciepła. Płyn nadkrytyczny może ulegać chłodzeniu jako części obiegu transkrytycznego,

uwalniając ciepło do płynu pod ciśnieniem w rurociągu. Ciepło dostarczane przez chłodzenie płynu nad-

krytycznego może być przenoszone do płynu pod ciśnieniem w rurociągu bezpośrednio lub pośrednio.

Chłodzenie bezpośrednie może obejmować bezpośrednie przenoszenie ciepła między płynem nadkry-

tycznym i płynem pod ciśnieniem w rurociągu. Pośrednie przenoszenie ciepła można osiągnąć przez 35

wtórny obwód przenoszenia ciepła, zawierający płyn (na przykład wodę), który jest sprzężony z

wymiennikiem ciepła do ogrzewania płynu pod ciśnieniem w rurociągu, i który jest ogrzewany przez płyn

nadkrytyczny ulegający chłodzeniu, z kolei ogrzewając płyn pod ciśnieniem w rurociągu. Płyn pod

ciśnieniem w rurociągu może stanowić gaz ziemny.

EP 2 264 288 B1

9

[0055] W jeszcze dalszym aspekcie przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób ogrzewania płynu

pod ciśnieniem w rurociągu, obejmujący:

zapewnienie transkrytycznej pompy ciepła, i

chłodzenie płynu nadkrytycznego z uwalnianiem ciepła do przenoszenia do płynu pod ciśnieniem

w rurociągu. 5

[0056] Płyn nadkrytyczny może ulegać chłodzeniu jako części obiegu transkrytycznego, uwalniając

ciepło do płynu pod ciśnieniem w rurociągu. Ciepło dostarczane przez chłodzenie płynu nadkrytycznego

może być przenoszone do płynu pod ciśnieniem w rurociągu bezpośrednio lub pośrednio. Bezpośrednie

przenoszenie ciepła może obejmować bezpośrednie przenoszenie ciepła od płynu nadkrytycznego

ulegającego chłodzeniu oraz wymiennik ciepła w komunikacji z płynem pod ciśnieniem w rurociągu. 10

Transkrytyczna pompa ciepła może prowadzić ogrzewany płyn nadkrytyczny bezpośrednio do wymien-

nika ciepła.

[0057] Pośrednie przenoszenie ciepła można osiągnąć przez wtórny obwód przenoszenia ciepła

zawierający płyn (na przykład wodę), który jest sprzężony z wymiennikiem ciepła do ogrzewania płynu

pod ciśnieniem w rurociągu, i który jest ogrzewany przez płyn nadkrytyczny ulegający chłodzeniu trans-15

krytycznemu, w celu ogrzewania z kolei płynu pod ciśnieniem w rurociągu. Płyn pod ciśnieniem w

rurociągu może stanowić gaz ziemny.

[0058] Bezpośredni charakter układu według niniejszego wynalazku oznacza, że jego działanie powinno

pociągać za sobą małą, o ile w ogóle jakąkolwiek, zmianę wobec już istniejących ustawień do użytkowa-

nia i konserwacji. Oczekiwany długi okres użytkowania i minimalne wymagania użytkowania/dostoso-20

wania układu dają mu doskonałe perspektywy ekonomiczności.

[0059] Gdzie to przydatne, należy rozumieć, że wszystkie ewentualne i/lub dodatkowe cechy jednego z

wariantów wykonania wynalazku można łączyć z ewentualnymi i/lub dodatkowymi cechami innego

wariantu (wariantów) wykonania wynalazku.

Zwięzły opis rysunków 25

[0060] Dodatkowe cechy i zalety niniejszego wynalazku są opisane w szczegółowym opisie wynalazku, i

będą widoczne z niego oraz z rysunków, w których:

[0061] Figura 1 ilustruje układ według niniejszego wynalazku zawierający generator energii;

[0062] Figura 2 ilustruje układ według niniejszego wynalazku zawierający zawór dławiący do obniżania

ciśnienia płynu pod ciśnieniem przed ogrzewaniem; 30

[0063] Figura 3 ilustruje układ według niniejszego wynalazku, w którym płyn pod ciśnieniem ulega

dalszemu rozprężaniu po pierwszym rozprężaniu wytwarzającym energię;

[0064] Figura 4 ilustruje układ według niniejszego wynalazku, w którym płyn pod ciśnieniem ulega

obniżaniu ciśnienia w szeregu instalacji;

[0065] Figura 5 ilustruje układ według niniejszego wynalazku mający dwie równoległe linie obniżania 35

ciśnienia;

[0066] Figura 6 ilustruje układ według niniejszego wynalazku mający sprzężenie mechaniczne bez-

pośrednio sprzężone z transkrytyczną pompą ciepła; i

EP 2 264 288 B1

10

[0067] Figura 7 ilustruje układ według niniejszego wynalazku obejmujący wtórne obwody wymiany

ciepła.

Szczegółowy opis wynalazku

[0068] Dla specjalisty powinno być łatwo dostrzegalne, że przykłady ujawnione niniejszym poniżej

przedstawiają tylko przykłady uogólnione, i że inne ustawienia i sposoby nadające się do odtworzenia 5

wynalazku są możliwe i są objęte niniejszym wynalazkiem.

[0069] Układ według niniejszego wynalazku zapewnia urządzenie przekształcające energię rozprężania

płynu (typowo turbinę rozprężającą z wlotem promieniowym sprzężoną z generatorem prądu) i trans-

krytyczną pompę ciepła ze źródła w otoczeniu. Ciepło z otoczenia może pochodzić z co najmniej jednego

spośród wody, powietrza, lub gruntu. Konfiguracja składników do zmniejszania ciśnienia w zestawie linii 10

wysokociśnieniowej gazu ziemnego jest pokazana na Figurze 1.

[0070] Wchodzący gaz o wysokim ciśnieniu w rurze 101 jest przyjmowany przez wymiennik ciepła 102,

w którym zostaje ogrzewany, korzystnie w ustawieniu przeciwprądowym, przez płyn chłodniczy ulegający

chłodzeniu transkrytycznemu. Temperaturę gazu wychodzącego z wymiennika ciepła przez odcinek rury

103 utrzymuje się na poziomie dostatecznie wysokim, żeby zapobiec wszelkim problemom związanym z 15

niską temperaturą po etapie rozprężania.

[0071] Gaz przechodzi dostając się do urządzenia rozprężającego wytwarzającego energię 104,

korzystnie do wysokowydajnej turbiny rozprężającej z wlotem promieniowym, w której temperatura gazu

spada do poziomu bliskiego poziomu wchodzącego gazu o wysokim ciśnieniu. Ciśnienie gazu wychodzą-

cego w odcinku rury 105 jest niższe niż ciśnienie gazu wchodzącego 101 o stosunek zmniejszenia 20

ciśnienia gazu zaprojektowany dla konkretnej stacji. Następnie gaz przechodzi do dalszych etapów

przetwarzania (które mogą obejmować jeden lub więcej dalszych etapów rozprężania) lub do układu

dystrybucji do rozprowadzania do użytkownika końcowego. Energię rozprężania gazu wytworzoną w

rozprężarce 104 przekazuje się, z rozprężarki 104, przez sprzężenie mechaniczne 106 do generatora

107, gdzie zostaje ona przekształcona w elektryczność. 25

[0072] Całość lub część wytworzonej elektryczności stosuje się do napędzania zespołu transkrytycznej

pompy ciepła 108. Generator energii 107 może być bezpośrednio połączony (nie pokazano) z pompą

ciepła 108. Niniejsze ujawnienie obejmuje transkrytyczną pompę ciepła 108 w celu przezwyciężenia kilku

trudności, które sprawiają, że większość pomp ciepła jest niewydajna lub niezdolna do spełnienia wyma-

gań temperaturowych zastosowania. W obiegu transkrytycznym proces oddawania ciepła następuje pod 30

ciśnieniem powyżej ciśnienia krytycznego czynnika chłodniczego, tak umożliwiając mu osiągnięcie

znacznie wyższych temperatur. Ponadto proces oddawania ciepła w transkrytycznej pompie ciepła

zachodzi w szerokim paśmie temperatur zamiast w pojedynczej temperaturze kondensacji, co czyni go

szczególnie dobrze dopasowanym do niniejszego zastosowania.

[0073] Współczynnik sprawności (ang. coefficient of performance, COP) procesu transkrytycznego jest 35

określony przez średnią temperaturę uwalniania ciepła. To, w połączeniu z długim okresem ciągłego

jednostajnego spadku temperatury dla chłodzenia płynu nadkrytycznego, umożliwia osiąganie bardzo

korzystnych wartości COP przez transkrytyczną pompę ciepła, zarazem dający wymagane wysokie

temperatury końcowe gazu.

EP 2 264 288 B1

11

[0074] Pompa ciepła 108, której składnik oddawania ciepła stanowi opisany wyżej wymiennik ciepła 102,

obejmuje także sprężarkę, parownik, wewnętrzny wymiennik ciepła i inne składniki konieczne dla działa-

nia obiegu transkrytycznej pompy ciepła. Sprężarka, wymienniki ciepła, urządzenia do regulacji przepły-

wów i składniki wewnętrznego obwodu czynnika chłodniczego mogą być dowolnego z typów stoso-

wanych w przemyśle chłodniczym/pomp ciepła do układów transkrytycznych. Gorący płyn chłodniczy pod 5

wysokim ciśnieniem jest przenoszony do wymiennika ciepła 102 z pompy ciepła 108 przy pomocy

dostarczającej ogrzany czynnik chłodniczy rury 109. Ochłodzony środek chłodniczy pod wysokim

ciśnieniem jest zawracany do pompy ciepła 108 od wysokotemperaturowego wymiennika ciepła 102 rurą

110. Ewentualnie, pętla dostarczania ciepła obejmująca wymiennik ciepła 102 oraz rury 109 i 110 może

zapewniać obieg wody lub innej przydatnej cieczy zamiast samego czynnika chłodniczego. Parownik 10

pompy ciepła 108 jest termicznie sprzężony z lokalnym otoczeniem. Może on być sprzężony z

powietrzem, gruntem, źródłem wody gruntowej lub powierzchniowej, strumieniem ciepła odpadowego, lub

dowolnym połączeniem tych elementów. Sprzęgający z otoczeniem obwód wymiany ciepła 111 może być

albo bezpośredni (na przykład, wymuszający obieg układowego czynnika chłodniczego przez obwód

zbierający ciepło) albo pośredni (na przykład, przy użyciu zabezpieczonej przed zamarzaniem cieczy do 15

pobierania ciepła z otoczenia). Sprzęgający z otoczeniem wymiennik ciepła 112 może przybierać

rozmaite postacie, zależnie od konkretnego typu wymiany ciepła najlepiej dostosowanego do każdej z

instalacji.

[0075] Energia do działania wyposażenia układu, takiego jak sprężarka i inne elektryczne urządzenia

peryferyjne w pompie ciepła jest dostarczana przez generator 107 (który z kolei jest sprzężony z 20

zespołem rozprężarki 104). Energia termiczna jest pobierana ze źródła z otoczenia i jej temperatura

zostaje podnoszona przez transkrytyczną pompę ciepła, dostarczającą ciepło wlotowemu gazowi przed

jego rozprężaniem. Wielkość pompy ciepła (w tym jej źródła energii z otoczenia) dobiera się dla

uzyskania niezbędnego ogrzania gazu, a niekoniecznie dla całkowitego wykorzystania dostępnej energii

rozprężania gazu. 25

[0076] Ilość ciepła, która musi być dostarczana do strumienia gazu przez wymiennik ciepła 102 w celu

przeciwdziałania chłodzeniu przy rozprężaniu, będzie znacznie większa niż ilość energii elektrycznej

wytwarzanej przez generator 107. Sprawność rozprężarki 104, generatora 107 i elektroniki przekształca-

jącej energię ograniczy energię, którą można dostarczać do pompy ciepła z odzysku energii rozprężania

gazu. Nawet przy dobrze dobranym nowoczesnym wyposażeniu nie jest prawdopodobne, żeby energia 30

odzyskiwana jako elektryczność przekraczała 75-80% dostępnej energii rozprężania gazu.

[0077] Nieodmiennie, powyższe straty energii nie nadają się do odzyskania jako ciepło użyteczne w celu

ogrzania gazu. Stąd te straty energii muszą być uzupełniane z wydajności cieplnej pompy ciepła. Poza

uzupełnianiem tych strat konieczne jest dostarczanie ciepła w celu przeciwdziałania chłodzeniu Joule'a-

Thomsona, które następuje nawet pod nieobecność jakiegokolwiek odzyskiwania energii gazu. Spraw-35

ność pompy ciepła musi zatem przekraczać minimalną wartość COP ogrzewania wynoszącą w przybliże-

niu 2 w celu uzyskania pełnego odzysku energii wchodzącego gazu wysokotemperaturowego bez zuży-

wania jakiegokolwiek gazu (lub innego paliwa komercyjnego). Transkrytyczna pompa ciepła wyjątkowo

nadaje się do spełniania tego wymagania sprawności, zarazem zapewniając wysokie temperatury i

wysokie podwyższenie temperatury potrzebne do ogrzania wstępnego. 40

EP 2 264 288 B1

12

[0078] Układ na Figurze 2 obejmuje ewentualny etap rozprężania gazu, przy użyciu zaworu dławiącego

213, umieszczonego przed wymiennikiem ciepła 102 i główną rozprężarką 104. Zakładając, że tempe-

ratura wchodzącego gazu jest dostatecznie wysoka, żeby pozwolić na mały stopień obniżenia ciśnienia,

powinno uniknąć się związanych z chłodzeniem problemów skraplania i zestalania. Sprzężenie mecha-

niczne 106 łączy rozprężarkę 104 z generatorem energii 107. Energię wytwarzaną przez generator 107 5

można wykorzystywać do zasilania transkrytycznej pompy ciepła 108. Transkrytyczna pompa ciepła 108

jest termicznie sprzężona z otoczeniem przez obwód 111 i wymiennik ciepła 112. Odcinki rur 109 i 110

łączą wymiennik ciepła 102 z transkrytyczną pompą ciepła 108. Ciśnienie gazu wychodzącego gazu

wychodzącego w odcinku rury 105 jest niższe niż gazu wchodzącego 101. Następnie gaz przechodzi do

dalszych etapów przetwarzania (które mogą obejmować jeden lub więcej dalszych etapów rozprężania) 10

lub do układu dystrybucji do rozprowadzania do użytkownika końcowego.

[0079] Zapewnienie dodatkowego etapu rozprężania gazu, przez zawór dławiący 213, przed wymienni-

kiem ciepła 102, może być korzystne dla całkowitego procesu na dwa różne sposoby. Po pierwsze,

niewielkie chłodzenie wstępne gazu pozwala na niższą temperaturę wlotową gazu do wymiennika ciepła

na linii gazu 101. Ma to dodatni wpływ na współczynnik sprawności pompy ciepła i zwiększa sprawność 15

pompy ciepła. Po drugie, wstępne rozprężanie gazu zwiększa całkowity spadek ciśnienia, który można

osiągnąć w pojedynczym etapie i przez to zwiększa całkowitą zdolność agregatu do obniżania ciśnienia

poza limit narzucony przez maksymalny stosunek ciśnienia wlotowego/wylotowego dla rozprężarki

działającej osobno.

[0080] Figura 3 ilustruje odmianę, w której obecny jest etap zmniejszania ciśnienia, przez zawór 20

dławiący 314, za procesem wytwarzania energii przez rozprężanie. Sprzężenie mechaniczne 106 łączy

rozprężarkę 104 z generatorem energii 107. Energia wytwarzana przez generator 107 może być

wykorzystywana do napędzania transkrytycznej pompy ciepła 108. Transkrytyczna pompa ciepła 108 jest

termicznie sprzężona z otoczeniem przez obwód 111 i wymiennik ciepła 112. Odcinki rur 109 i 110 łączą

wymiennik ciepła 102 z transkrytyczną pompą ciepła 108. Ciśnienie gazu wychodzącego w odcinku rury 25

105 jest niższe niż ciśnienie gazu wchodzącego 101.

[0081] Odmiana zilustrowana na Figurze 3 zmniejsza zdolność transkrytycznej pompy ciepła 108 do

wytwarzania więcej ciepła niż potrzeba do przeciwdziałania chłodzeniu, które jest skutkiem etapu

rozprężania gazu z wytwarzaniem energii przez rozprężarkę 104. Następujący dalej etap zmniejszania

ciśnienia osiąga się przez zastosowanie konwencjonalnego wyposażenia dławiącego 314 i będzie mu 30

towarzyszyć chłodzenie Joule'a-Thomsona. Wielkość drugiego etapu zmniejszania ciśnienia, związanego

z chłodzeniem, któremu można przeciwdziałać nadmiarem ciepła dostarczanego przez pompę ciepła,

będzie ograniczana przez sprawność pompy ciepła możliwą do osiągnięcia w każdej z indywidualnych

instalacji. Następnie gaz może przechodzić do dalszych etapów przetwarzania (które mogą obejmować

jeden lub więcej dalszych etapów rozprężania) lub do układu dystrybucji do rozprowadzania do 35

użytkownika końcowego.

[0082] W korzystnych okolicznościach drugi stosunek zmniejszania ciśnienia, przez zawór dławiący 314,

może być równie duży jak pierwszy stosunek zmniejszania ciśnienia (z odzyskiem energii). Może to dać

dwuetapowe zmniejszanie ciśnienia, w którym całe zapotrzebowanie na ponowne ogrzanie może zostać

zaspokojone przez pojedynczy zestaw rozprężarki-generatora-pompy ciepła. 40

EP 2 264 288 B1

13

[0083] Układ mając etapy rozprężania z dławieniem zarówno wcześniej w procesie technologicznym,

przez zawór dławiący 413, jak i później, przez zawór dławiący 414, rozprężarki wytwarzającej energię

104 jest przedstawiony na Figurze 4. Sprzężenie mechaniczne 106 łączy rozprężarkę 104 z generatorem

energii 107. Energia wytwarzana przez generator 107 może być wykorzystywana do napędzania trans-

krytycznej pompy ciepła 108. Transkrytyczna pompa ciepła 108 jest termicznie sprzężona z otoczeniem 5

przez obwód 111 i wymiennik ciepła 112. Odcinki rur 109 i 110 łączą wymiennik ciepła 102 z trans-

krytyczną pompą ciepła 108. Ciśnienie gazu wychodzącego w odcinku rury 105 jest niższe niż ciśnienie

gazu wchodzącego 101. Następnie gaz przechodzi do dalszych etapów przetwarzania (które mogą

obejmować jeden lub więcej dalszych etapów rozprężania) lub do układu dystrybucji do rozprowadzania

do użytkownika końcowego. 10

[0084] To ustawienie pokazane na Figurze 4 umożliwia optymalizowanie układu dla uzyskania maksy-

malnego COP pompy ciepła, zarazem dając większe obniżenie ciśnienia niż można osiągnąć w

pojedynczym etapie wytwarzania energii.

[0085] Na Figurze 5 znajdują się dwie równoległe linie obniżania ciśnienia 515 i 516. Każda z linii obni-

żania ciśnienia 515 i 516 ma wymiennik ciepła 517 i 518. Ogrzewany płyn nadkrytyczny jest prowadzony 15

do wymienników ciepła 517 i 518 w odcinkach rur 109 i 109a przez transkrytyczną pompę ciepła 108.

Ochłodzony płyn wraca do pompy w rurach 110 i 110a. Transkrytyczna pompa ciepła 108 jest termicznie

sprzężona z otoczeniem przez obwód 111 i wymiennik ciepła 112. Jak uzna specjalista, układ może

obejmować szereg równoległych linii obniżania ciśnienia. Każda z linii obniżania ciśnienia może zawierać

rozprężarkę wytwarzającą energię. Każda z linii obniżania ciśnienia może zawierać zawór dławiący. 20

Każda z wielu linii obniżania ciśnienia może obejmować albo rozprężarkę wytwarzającą energię albo

zawór dławiący (zależnie od potrzeb układu).

[0086] Linia obniżania ciśnienia 516 obejmuje rozprężarkę wytwarzającą energię 104, i uwolniona

energia jest wykorzystywana przez sprzężenie mechaniczne 106 z generatorem energii 107. Ciśnienie

gazu wychodzącego w rurze 521 jest niższe niż ciśnienie gazu w rurze 516. Następnie gaz przechodzi do 25

dalszych etapów przetwarzania (które mogą obejmować jeden lub więcej dalszych etapów rozprężania)

lub do układu dystrybucji do rozprowadzania do użytkownika końcowego.

[0087] Linia obniżania ciśnienia 515 obejmuje zawór dławiący 519. Energia uwalniana podczas

obniżania ciśnienia nie jest wykorzystywana przez generator energii. Ciśnienie gazu wychodzącego w

odcinku rury 520 jest niższe niż ciśnienie gazu w rurze 515. Następnie gaz przechodzi do dalszych 30

etapów przetwarzania (które mogą obejmować jeden lub więcej dalszych etapów rozprężania) lub do

układu dystrybucji do rozprowadzania do użytkownika końcowego. Energia potrzebna do ogrzania gazu

w liniach obniżania ciśnienia 515 i 516 może być dostarczana przez transkrytyczną pompę ciepła 108,

który z kolei może być napędzana przez rozprężarkę wytwarzającą energię 104.

[0088] Każda z linii obniżania ciśnienia 515 i 516 może być skonfigurowana do rozprężania gazu pod 35

ciśnieniem do różnego ciśnienia. Może to być szczególnie korzystne tam, gdzie gaz ziemny ma być

rozprowadzany do różnych sieci lub użytkowników końcowych przez różne linie obniżania ciśnienia 515 i

516.

[0089] Należy rozumieć, że na każdej z omawianych wyżej Figur 1 do 5 energia elektryczna w nad-

miarze wobec ilości wymaganej do działania transkrytycznej pompy ciepła 108 może być dostarczana 40

EP 2 264 288 B1

14

przez generator 107. W takich okolicznościach podstawowe wymaganie jest takie, że zespół rozprężarka

104 - generator 107 dobiera się do pełnego wykorzystania nadającej się do odzyskania energii

rozprężania, zaś pompę ciepła 108 projektuje się tak, żeby dostarczała nie więcej niż niezbędne

minimum ponownego ogrzania i wykorzystywała minimum energii dostarczanej w procesie. O ile istnieje

przydatne obciążenie (na przykład, połączenie z siecią, oświetlenie, regulacja, oprzyrządowanie i wypo-5

sażenie komunikacyjne, zespoły akumulatorów, pompy, i inne urządzenia zewnętrzne w instalacjach),

które zawsze może przyjmować wytwarzaną energię elektryczną, to ta możliwość daje środek do

odzyskiwania maksymalnej ilości energii dostępnej w procesie obniżania ciśnienia. W celu zrealizowania

tej możliwości potrzebne będzie tylko jedno lub więcej dodatkowych wyjść z generatora. Na przykład,

można zapewnić jedno lub więcej dodatkowych połączeń z końcówkami elektrycznymi generatora i w 10

sterowniku układu możliwość kierowania dostarczaniem energii elektrycznej z generatora.

[0090] Na Figurze 6 energię mechaniczną wytworzoną przez obniżanie ciśnienia gazu sprzęga się

bezpośrednio ze sprężarką 622. Sprężarka 622 jest połączona z transkrytyczną pompą ciepła 108 przez

obwód 623. Sprzężenie mechaniczne 106 połączone z rozprężarką 104 napędza sprężarkę 622.

Transkrytyczna pompa ciepła 108 jest termicznie sprzężona z otoczeniem przez obwód 111 i wymiennik 15

ciepła 112. Rury 109 i 110 łączą wymiennik ciepła 102 z transkrytyczną pompą ciepła 108. Ciśnienie

gazu wychodzącego w rurze 105 jest niższe niż ciśnienie gazu wchodzącego 101. Następnie gaz

przechodzi do dalszych etapów przetwarzania (które mogą obejmować jeden lub więcej dalszych etapów

rozprężania) lub do układu dystrybucji do rozprowadzania do użytkownika końcowego.

[0091] Konfiguracja zilustrowana na Figurze 6 obejmująca sprężarkę 622 sprzężoną bezpośrednio z 20

rozprężarką 104 (przez sprzężenie mechaniczne 106) wyklucza wytwarzanie nadwyżek elektryczności,

ale osiąga wyższą sprawność energetyczną i eliminuje potrzebę stosowania generatora elektrycznego,

pakietu do konwersji energii i elektrycznego napędu sprężarki. To ustawienie umożliwia zmniejszenie

kosztów i łatwiej daje się dostosować do układów o bliskim sprzężeniu, które można wytwarzać fabrycz-

nie, szczególnie dla mniejszych zastosowań, gdzie ekonomiczność wytwarzania i eksportu nadwyżkowej 25

elektryczności wydaje się być nieprawdopodobna.

[0092] Na Figurze 7 ciepło wytwarzane przez chłodzenie płynu nadkrytycznego jest przenoszone do

płynu pod ciśnieniem w rurociągu 101 przy pomocy wtórnego obwodu płynu wymiany ciepła 701 w

komunikacji z wymiennikiem ciepła 102. Wtórny obwód płynu wymiany ciepła 701 jest napędzany przez

pompę 702, przez co wtórny obwód płynu wymiany ciepła 701 jest oddzielony od transkrytycznej pompy 30

ciepła 108. Przenoszenie ciepła między ogrzewanym płynem nadkrytycznym i wtórnym obwodem płynu

wymiany ciepła 701 zachodzi w wymienniku ciepła 703. Typowo, płynem do wtórnej wymiany ciepła w

obwodzie 701 mogłaby być woda. Woda może zawierać mały ułamek środka zapobiegającego zamar-

zaniu w celu ochrony układu w przypadku wyłączenia instalacji.

[0093] Dalszy wtórny obwód wymiany ciepła 706 jest podany na Figurze 7. Obwód 706 biegnie między 35

wymiennikiem ciepła 704 i wymiennikiem ciepła ze źródłem z otoczenia 112. Wtórny obwód płynu

wymiany ciepła 706 jest napędzany przez pompę 705, przez co wtórny obwód płynu wymiany ciepła 706

jest oddzielony od transkrytycznej pompy ciepła 108. Ciepło z otoczenia przenosi się do wtórnego

obwodu wymiany ciepła 706 w wymienniku ciepła z otoczeniem 112. Z kolei ciepło przenosi się do

ochłodzonego płynu chłodniczego w wymienniku ciepła 704. Płyn wykorzystywany we wtórnym obwodzie 40

EP 2 264 288 B1

15

wymiany ciepła 706 powinien wymagać zasadniczej ochrony przed zamarzaniem, ponieważ może on

pracować w temperaturze około lub poniżej zera stopni Celsjusza.

[0094] Sprzężenie mechaniczne 106 łączy rozprężarkę 104 z generatorem energii 107. Energię

wytwarzaną przez generator 107 można wykorzystać do napędzania transkrytycznej pompy ciepła 108

i/lub pomp 702 i 705. Ciśnienie gazu wychodzącego w odcinku rury 105 jest niższe niż ciśnienie gazu 5

wchodzącego 101.

[0095] Korzystnie, konfiguracja zilustrowana na Figurze 7 może zostać skonstruowana w zestawach

podobnych do stosowanych dla istniejących nietranskrytycznych pomp ciepła. Instalacja transkrytycznej

pompy ciepła 108 w zestawie razem ze związanymi z nią wymiennikami ciepła 703 i 704 wymagałaby

jedynie kwalifikacji hydraulika, zamiast kwalifikacji do montażu transkrytycznych urządzeń chłodniczych. 10

[0096] Należy rozumieć, że każdy z wariantów wykonania ujawnionych na powyższych Figurach (patrz

wyżej) może być zastosowany jeden raz lub więcej razy, na przykład dwa lub więcej układów w

zestawieniach szeregowych lub szeregowo/równoległych w celu realizacji zadań ogrzewania gazu i

wytwarzania energii potrzebnej w dowolnej danej instalacji.

[0097] Stosowane w odniesieniu do niniejszego wynalazku słowa "obejmuje/obejmujący" i słowa 15

"mający/zawierający" mają określać obecność stwierdzanych cech, zespołów, etapów lub składników, ale

nie wykluczają one obecności lub dodatku jednej lub wielu dalszych cech, zespołów, etapów, składników

lub ich grup.

[0098] Uznaje się, że pewne cechy wynalazku, które dla przejrzystości są opisane w kontekście

osobnych wariantów wykonania, mogą także być dane w kombinacji w pojedynczym wariancie wykona-20

nia. I odwrotnie, rozmaite cechy wynalazku, które dla zwięzłości są opisane w kontekście pojedynczego

wariantu wykonania, mogą także być dane oddzielnie lub w dowolnej przydatnej kombinacji.

EP 2 264 288 B1

16

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ do obniżania ciśnienia płynu pod ciśnieniem w rurociągu (101), zawierający:

co najmniej jeden środek zmniejszający ciśnienie (104) do rozprężania płynu pod ciśnieniem w

rurociągu (101) do niższego ciśnienia; znamienny tym, że zawiera

transkrytyczną pompę ciepła (108) do wymuszania obiegu płynu nadkrytycznego, 5

gdzie płyn nadkrytyczny ulega chłodzeniu tak, że uwalnia ciepło do przenoszenia do płynu pod

ciśnieniem w rurociągu (101) przed co najmniej jednym rozprężaniem wspomnianego płynu pod

ciśnieniem.

2. Układ według zastrz. 1, dalej zawierający co najmniej jeden wymiennik ciepła (102) do

przenoszenia ciepła do płynu pod ciśnieniem w rurociągu. 10

3. Układ według zastrz. 1 albo 2, w którym co najmniej jeden wtórny obwód przenoszenia ciepła

(701) przekazuje ciepło od płynu nadkrytycznego ulegającego chłodzeniu do płynu pod ciśnieniem w

rurociągu.

4. Układ według któregokolwiek z poprzednich zastrz., dalej zawierający generator energii (107) do

przekształcania energii uwalnianej przez rozprężanie płynu w energię elektryczną. 15

5. Układ według zastrz. 4, w którym transkrytyczna pompa ciepła jest napędzana przez generator

energii.

6. Układ według któregokolwiek z poprzednich zastrz., w którym transkrytyczna pompa ciepła jest

termicznie sprzężona ze źródłem ciepła z otoczenia.

7. Układ według zastrz. 2 do 6, w którym wymiennik ciepła (102) jest umieszczony w ustawieniu 20

przeciwprądowym do płynu pod ciśnieniem w rurociągu.

8. Układ według któregokolwiek z poprzednich zastrz., w którym płyn nadkrytyczny ulegający

chłodzeniu jest wybrany spośród CO2, C2H6, N2O, B2H6, C2H4 oraz ich połączeń.

9. Układ według zastrz. 4 do 8, w którym energia uwalniana przez rozprężający się gaz jest

przekazywana przez sprzężenie mechaniczne do generatora. 25

10. Układ według któregokolwiek z poprzednich zastrz., dalej zawierający co najmniej jeden spośród:

co najmniej jednego środka zmniejszającego ciśnienie (213) do rozprężania płynu pod ciśnieniem

przed ogrzewaniem płynu pod ciśnieniem przez wymiennik ciepła;

co najmniej jednego środka zmniejszającego ciśnienie (314) do rozprężania płynu pod ciśnieniem

po uprzednim rozprężaniu ogrzanego płynu pod ciśnieniem; oraz 30

ich połączeń.

11. Układ według któregokolwiek z poprzednich zastrz., w którym płyn pod ciśnieniem w rurociągu

stanowi gaz ziemny.

12. Zastosowanie płynu nadkrytycznego w pompie ciepła (108) do przenoszenia ciepła do płynu pod

ciśnieniem w rurociągu (101) przed obniżaniem ciśnienia płynu pod ciśnieniem. 35

13. Sposób ogrzewania płynu pod ciśnieniem w rurociągu (101) znamienny tym, że obejmuje etapy:

EP 2 264 288 B1

17

zapewnienia transkrytycznej pompy ciepła (108) , oraz

chłodzenia płynu nadkrytycznego z uwolnieniem ciepła do przenoszenia do płynu pod ciśnieniem

w rurociągu.

14. Sposób według zastrz. 13, dalej obejmujący zapewnienie co najmniej jednego wtórnego obwodu

przekazywania ciepła (701) do przenoszenia ciepła od płynu nadkrytycznego ulegającego chłodzeniu do 5

płynu pod ciśnieniem w rurociągu.

15. Sposób według zastrz. 13 albo 14, w którym płyn pod ciśnieniem w rurociągu stanowi gaz

ziemny.

EP 2 264 288 B1

18

Figura 1

Figura 2

EP 2 264 288 B1

19

Figura 3

Figura 4

EP 2 264 288 B1

20

Figura 5

Figura 6

EP 2 264 288 B1

21

Figura 7

EP 2 264 288 B1

22

ODNOŚNIKI CYTOWANE W OPISIE

Poniższa lista odnośników cytowanych przez zgłaszającego ma na celu wyłącznie pomoc dla czytającego

i nie stanowi części dokumentu patentu europejskiego. Mimo, że dołożono największej staranności przy

jej tworzeniu, nie można wykluczyć błędów lub przeoczeń i EUP nie ponosi żadnej odpowiedzialności w

tym względzie.

Dokumenty patentowe cytowane w opisie

• US 4677827 A [0008]

• US 5628191 A [0015]

• US 20030172661 A [0016]

Literatura niepatentowa cytowana w opisie

• Pozivil. Acta Montanistica Slovaca, 2004, tom 3, 258-260 [0011]