具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器及其方法
【專利摘要】一種具氣態(tài)工作流體最小壓力控制機(jī)制的熱交換器，應(yīng)用于熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，包括一蒸發(fā)器、一流量控制閥、一壓力感測器以及一控制器。蒸發(fā)器用以加熱一工作流體至一氣態(tài)。蒸發(fā)器具有一液態(tài)工作流體入口管路以及一氣態(tài)工作流體出口管路。流量控制閥設(shè)置于氣態(tài)工作流體出口管路上。壓力感測器設(shè)置于流量控制閥的上游，用以檢測蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力?？刂破饔靡哉{(diào)整流量控制閥的開度，以保持蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的最小蒸發(fā)壓力。
【專利說明】具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱傳裝置，且特別涉及一種應(yīng)用于熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器。

【背景技術(shù)】
[0002]中低溫廢熱發(fā)電市場近幾年蓬勃發(fā)展,其中有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic RankineCycle, 0RC)為目前中低溫廢熱發(fā)電技術(shù)中最為成熟且具經(jīng)濟(jì)效益的一種技術(shù)。有機(jī)朗肯循環(huán)為一封閉熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其關(guān)鍵元件和工作原理如下:(I)工作流體升壓泵(pump):升壓液態(tài)工作流體，并送入蒸發(fā)器中加熱；(2)蒸發(fā)器(evaporator):吸取熱源流體的熱能，以汽化工作流體；(3)膨脹機(jī)及發(fā)電機(jī)組(expander and power generator):轉(zhuǎn)換工作流體的熱能和壓力能為膨脹機(jī)的軸功率(shaft power)，再經(jīng)由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力；(4)冷凝器(condenser):冷凝做功后的氣態(tài)工作流體成為液態(tài)，并送往工作流體升壓泵的入口，完成循環(huán)。
[0003]有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)屬于雙循環(huán)系統(tǒng)(binary cycle system)。其一,ORC回路中的工作流體，經(jīng)歷液泵升壓、蒸發(fā)器汽化、膨脹機(jī)做功、冷凝器液化等過程，完成密閉式熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)。其二，來自熱源的熱流(hot stream),則通過蒸發(fā)器,將熱能傳遞給工作流體。在蒸發(fā)器內(nèi)，工作流體通過熱傳介質(zhì)(例如:殼管式熱交換器的熱傳管、板式熱交換器的熱傳板)吸收熱流熱能。熱流于蒸發(fā)器放熱后，即經(jīng)由蒸發(fā)器的熱流出口流回至外界環(huán)境。視熱流出口的溫度與流量，熱流可能直接排放或再利用。
[0004]在一應(yīng)用中，低溫?zé)崮馨l(fā)電的ORC系統(tǒng)，若熱流于蒸發(fā)器內(nèi)放熱后，被導(dǎo)引至下游熱工藝再利用，則必須限制熱流出口的最低溫度，以確保下游熱工藝的品質(zhì)要求。另外，應(yīng)用于以常溫水(或海水)為熱源，以液態(tài)天然氣、液態(tài)氮或液態(tài)氧為工作流體的極低溫ORC發(fā)電系統(tǒng)，則必須限制熱流(常溫水或表層海水)出口的最低溫度，防止熱流結(jié)冰，以免導(dǎo)致因熱流結(jié)冰造成蒸發(fā)器破裂、損毀和工作流體泄漏等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器及熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，以限流的方式調(diào)整蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力，以使工作流體的蒸發(fā)壓力保持在最小壓力設(shè)定值以上。
[0006]本發(fā)明是利用一種氣態(tài)工作流體最小壓力持壓控制方法，以限流的方式調(diào)整蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力，以使工作流體的蒸發(fā)壓力保持在最小壓力設(shè)定值以上。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器，包括一蒸發(fā)器、一流量控制閥、一壓力感測器以及一控制器。蒸發(fā)器用以加熱一工作流體至一氣態(tài)。蒸發(fā)器具有一液態(tài)工作流體入口管路以及一氣態(tài)工作流體出口管路。流量控制閥設(shè)置于氣態(tài)工作流體出口管路上。壓力感測器設(shè)置于流量控制閥的上游，用以檢測蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力?？刂破饔靡哉{(diào)整流量控制閥的開度，以控制蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的最小蒸發(fā)壓力。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，包括一蒸發(fā)器、一流量控制閥、一壓力感測器、一控制器、一冷凝器、一發(fā)電模塊以及一泵。蒸發(fā)器用以加熱一工作流體至一氣態(tài)。蒸發(fā)器具有一液態(tài)工作流體入口管路以及一氣態(tài)工作流體出口管路。流量控制閥設(shè)置于氣態(tài)工作流體出口管路上。壓力感測器設(shè)置于流量控制閥的上游，用以檢測蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力。控制器用以調(diào)整流量控制閥的開度，以控制蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的最小蒸發(fā)壓力。冷凝器用以冷卻工作流體至一液態(tài)。發(fā)電模塊藉由一第一管路連接流量控制閥的一出口，并藉由一第二管路連接冷凝器的一入口。泵藉由一第三管路連接冷凝器的一出口，并藉由一第四管路連接蒸發(fā)器的一入口。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種氣態(tài)工作流體最小壓力持壓控制方法，包括下列步驟。提供一蒸發(fā)器，并通入一工作流體至蒸發(fā)器中，以加熱工作流體至一氣態(tài)。設(shè)置一流量控制閥于蒸發(fā)器的一出口。檢測蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力。調(diào)整流量控制閥的開度，以控制蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力。
[0010]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1繪示依照本發(fā)明一實(shí)施例的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器；
[0012]圖2繪示依照本發(fā)明一實(shí)施例的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)；
[0013]圖3繪示依照本發(fā)明一實(shí)施例的氣態(tài)工作流體最小壓力持壓控制方法的各個步驟；
[0014]圖4繪示有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)中溫度-熵的性能圖。
[0015]其中，附圖標(biāo)記
[0016]100:熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)
[0017]101:熱交換器
[0018]110:蒸發(fā)器
[0019]111:熱流管路
[0020]112:液態(tài)工作流體入口管路
[0021]114:氣態(tài)工作流體出口管路
[0022]120:流量控制閥
[0023]121:第一管路
[0024]122:第二管路
[0025]123:第三管路
[0026]124:第四管路
[0027]130:壓力感測器
[0028]132:溫度感測器
[0029]134:溫度感測器
[0030]140:控制器
[0031]142:控制平臺
[0032]150:發(fā)電模塊
[0033]151:膨脹機(jī)
[0034]152:發(fā)電機(jī)
[0035]160:冷凝器
[0036]170:泵
[0037]F:工作流體
[0038]C:冷流
[0039]H:熱流
[0040]In:入口
[0041]Out:出口

【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述:
[0043]在本實(shí)施例的一范例中，以限流的方式調(diào)整蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力。例如:在蒸發(fā)器的出口處設(shè)置一流量控制閥，并以一壓力計(jì)來量測工作流體的蒸發(fā)壓力。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的工作流體處于汽液兩相狀態(tài)時(shí)，蒸發(fā)壓力與蒸發(fā)溫度是彼此相依的。蒸發(fā)溫度是指液態(tài)的工作流體在一定的壓力下蒸發(fā)或沸騰時(shí)的飽和溫度(沸點(diǎn))，此時(shí)的壓力稱為蒸發(fā)壓力。保持蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力在最小壓力設(shè)定值以上，即可保持工作流體離開蒸發(fā)器的出口溫度在設(shè)定溫度以上。
[0044]在一實(shí)施例中，控制工作流體的蒸發(fā)壓力的目的是防止熱流于蒸發(fā)器內(nèi)結(jié)霜或結(jié)冰，造成蒸發(fā)器熱傳功能降低，甚至損毀。應(yīng)用于以常溫水(或海水)為熱源的ORC系統(tǒng)中，常溫水(或海水)作為蒸器器的熱流，一旦蒸發(fā)器的熱流出口溫度過低時(shí)，可能造成蒸發(fā)器內(nèi)熱傳介質(zhì)(例如:殼管式熱交換器的熱傳管、板式熱交換器的熱傳板)阻塞或破損。傳統(tǒng)做法為了避免這種情況的發(fā)生，就必須控制蒸發(fā)器的熱流出口溫度在某一設(shè)定值以上，一旦熱流出口溫度過低，就停止ORC系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，無法持續(xù)發(fā)電，因而無法達(dá)到充分利用的目的。
[0045]在本實(shí)施例的一范例中，控制工作流體的蒸發(fā)壓力的方法通常利用流量控制閥(或蒸發(fā)器壓力調(diào)節(jié)器)控制蒸發(fā)器內(nèi)的壓力。只要將蒸發(fā)器出口的壓力控制在設(shè)定值以上，就可以避免蒸發(fā)器內(nèi)熱流的結(jié)冰、凍結(jié)之虞。流量控制閥(或蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)器)可以根據(jù)熱流的流量大小調(diào)節(jié)蒸發(fā)器出口的壓力，確保蒸發(fā)器出口的壓力在最小壓力設(shè)定值以上。
[0046]在一實(shí)施例中，當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)熱流的流量不足或熱流在蒸發(fā)器出口的溫度低于設(shè)定值時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的壓力隨之下降。當(dāng)壓力感測器(壓力計(jì))檢測到工作流體的壓力低于設(shè)定值時(shí)，啟動流量控制閥，藉由控制閥體的孔口大小或匣門開度，限制工作流體通過控制閥的流量，以限流手段達(dá)到蒸發(fā)器內(nèi)工作流體最小壓力保持和限制熱流在蒸發(fā)器的出口最低溫度的目的，以控制熱流的出口溫度在冰點(diǎn)或凝固點(diǎn)以上。
[0047]以下是提出實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，實(shí)施例僅用以作為范例說明，并非用以限縮本發(fā)明欲保護(hù)的范圍。
[0048]請參照圖1，其繪示依照本發(fā)明一實(shí)施例的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器101，其包括一蒸發(fā)器110、一流量控制閥120、一壓力感測器130以及一控制器140。蒸發(fā)器110用以加熱一工作流體F至一氣態(tài)。蒸發(fā)器110內(nèi)例如設(shè)有一個或多個熱流管路111，由入口 In通向出口 Out，使來自于熱源的熱流H通過熱流管路111將熱能傳遞給工作流體F。蒸發(fā)器110具有一液態(tài)工作流體入口管路112以及一氣態(tài)工作流體出口管路114，使工作流體F經(jīng)由液態(tài)工作流體入口管路112進(jìn)入后，可在蒸發(fā)器110內(nèi)蒸發(fā)、汽化，并由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，之后再由氣態(tài)工作流體出口管路114排出。
[0049]在一實(shí)施例中，蒸發(fā)器110可為殼管式熱交換器或板式熱交換器。上述的熱流管路111可為殼管式熱交換器的熱傳管或板式熱交換器的熱傳板等。此外，應(yīng)用在有機(jī)朗肯循環(huán)中，可利用常壓低沸點(diǎn)的有機(jī)物質(zhì)(例如:冷媒、碳?xì)浠衔?為工作流體，并可利用工業(yè)廢熱、地?zé)帷厝蛱柲艿榷鄻踊闹械蜏責(zé)嵩磥砑訜峁ぷ髁黧w，使工作流體在蒸發(fā)器110內(nèi)蒸發(fā)、汽化，汽化后的工作流體再導(dǎo)引至發(fā)電模塊150(參見圖2)做功并發(fā)電。
[0050]另外，應(yīng)用在極低溫ORC發(fā)電系統(tǒng)，可利用常溫水(或表層海水)為熱流來加熱低沸點(diǎn)工作流體(例如:丙烷、R507A等)，使工作流體在蒸發(fā)器110內(nèi)蒸發(fā)、汽化，汽化后的工作流體再導(dǎo)引至發(fā)電模塊150 (參見圖2)做功并發(fā)電。當(dāng)工作流體于ORC蒸發(fā)器內(nèi)的壓力過低時(shí)(例如:以R507A為工作流體，其壓力低于703kPa時(shí)，其液態(tài)飽和溫度低于5°C )，工作流體溫度隨之調(diào)降(在兩相共存時(shí)，工作流體的壓力和溫度相依)，造成熱流(常溫水或表層海水)溫度降低，達(dá)到冰點(diǎn)溫度，造成熱流結(jié)霜、結(jié)冰等堵塞現(xiàn)象。因此，若將蒸發(fā)器內(nèi)工作流體保持于某一設(shè)定壓力值以上時(shí)(例如:以R507A為工作流體，其壓力高于703kPa時(shí)，R507A的液態(tài)飽和溫度高于5°C )，熱流出口溫度將高于某溫度設(shè)定值以上，免除熱流有結(jié)霜、結(jié)冰之虞。
[0051]在一實(shí)施例中，為了確保熱流H的出口溫度，以限流的方式調(diào)整蒸發(fā)器110內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力，以使工作流體的蒸發(fā)壓力保持在最小壓力設(shè)定值以上。請參照圖1，流量控制閥120設(shè)置于氣態(tài)工作流體出口管路114上，用以控制工作流體F的流量。此外，壓力感測器130設(shè)置于流量控制閥120的上游，用以檢測蒸發(fā)器110內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力并輸出一蒸發(fā)壓力信號。另外，控制器140 (或控制平臺，參見圖2)用以接收蒸發(fā)壓力信號，并調(diào)整流量控制閥120的開度。
[0052]在一實(shí)施例中，流量控制閥120的種類可分為節(jié)流閥(Throttle valve)、止回節(jié)流閥(Throttle-Check Valve)、壓力補(bǔ)償型流量控制閥(Pressure Compensated FlowControl Valve)、溫度補(bǔ)償型流量控制閥(Temperature Compensated Flow ControlValve)以及溫度壓力補(bǔ)償型流量控制閥(Temperature-Pressure Compensated FlowControl Valve)。若依節(jié)流的型式,可分為閘門(sluice gate)流量控制、孔口板(Orificeplate)流量控制、球閥(globe valve)流量控制或其他型式的流量控制閥。
[0053]控制器140例如以機(jī)械控制或電磁控制的方式調(diào)整流量控制閥120的開度，并接收壓力感測器130所輸出的蒸發(fā)壓力信號，藉以判斷工作流體的蒸發(fā)壓力是否小于一最小壓力設(shè)定值，若是，限制流量控制閥120的開度。因此，當(dāng)蒸發(fā)器110內(nèi)的蒸發(fā)壓力低于設(shè)定值時(shí)，調(diào)整流量控制閥120的開度或孔口大小，而當(dāng)蒸發(fā)器110內(nèi)的蒸發(fā)壓力大于或等于最小壓力設(shè)定值時(shí)，流量控制閥120保持全開。
[0054]在上述實(shí)施例中，壓力感測器130可設(shè)置于流量控制閥120的入口端或蒸發(fā)器110的氣態(tài)工作流體出口管路114上，以檢測蒸發(fā)壓力。
[0055]另外，在另一實(shí)施例中，壓力感測器130可被一溫度感測器132所取代或同時(shí)使用。溫度感測器132用以檢測蒸發(fā)器110內(nèi)工作流體的蒸發(fā)溫度并輸出一蒸發(fā)溫度信號。溫度感測器132可設(shè)置于流量控制閥120的入口端或蒸發(fā)器110的氣態(tài)工作流體出口管路114上，或是配置于蒸發(fā)器110內(nèi)工作流體的入口側(cè)。無論是檢測蒸發(fā)壓力或蒸發(fā)溫度，只要將蒸發(fā)器110出口的最小壓力控制在一定的數(shù)值即可。
[0056]上述實(shí)施例中，雖以三個獨(dú)立的元件(流量控制閥120、壓力感測器130以及控制器140)來實(shí)施本發(fā)明，但上述三個獨(dú)立的元件可組成單一控制元件(例如:蒸發(fā)器壓力調(diào)節(jié)器)，本發(fā)明對此不加以限制。此外，在另一實(shí)施例中，流量控制閥120、溫度感測器132以及控制器140可為三個獨(dú)立的元件，亦可將此三個獨(dú)立的元件組成單一控制元件(例如:蒸發(fā)器溫度調(diào)節(jié)器)，本發(fā)明對此不加以限制。
[0057]上述的蒸發(fā)器壓力調(diào)節(jié)器安裝在蒸發(fā)器110的出口管路114中，主要由金屬波紋管、活塞、彈簧等組成，在管路中形成了一個可調(diào)節(jié)工作流體流量的閥門。當(dāng)蒸發(fā)器110出口處工作流體的壓力降低時(shí)，作用在活塞上的力若小于金屬波紋管內(nèi)彈簧的彈力，活塞橫向移動，以使閥門的開度減小，此時(shí)，工作流體的流量也隨之減小，并使蒸發(fā)器110出口處的壓力升高。反之，作用在活塞上的力若大于金屬波紋管內(nèi)彈簧的彈力，活塞反向移動，閥門開度增大，以增加工作流體的流量，并使蒸發(fā)器110出口處的壓力減小。
[0058]接著，在圖1中，為了確保熱流出口的溫度，更可設(shè)置一溫度感測器134于蒸發(fā)器110的熱流出口 Out側(cè)。溫度感測器132用以檢測熱流管路111的出口溫度并輸出一溫度信號?？刂破?40 (或控制平臺，參見圖2)接收溫度信號，并進(jìn)一步判斷熱流管路111的出口溫度是否小于一最小溫度設(shè)定值(以水為例，例如是常壓下的結(jié)冰溫度0°C)，若是，限制流量控制閥120的開度，以避免出口溫度過低。另一方面，當(dāng)熱流出口溫度大于或等于最小溫度設(shè)定值時(shí)，流量控制閥120保持全開。
[0059]請參照圖2，其繪示依照本發(fā)明一實(shí)施例的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)100。此熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)100包括一蒸發(fā)器110、一流量控制閥120、一壓力感測器130、一控制器140、一發(fā)電模塊150、一冷凝器160以及一泵170。蒸發(fā)器110用以加熱工作流體F至一氣態(tài)。冷凝器160用以冷卻一工作流體F至一液態(tài)。發(fā)電模塊150藉由一第一管路121連接流量控制閥120的一出口，并藉由一第二管路122連接冷凝器160的一入口。此外，泵170藉由一第三管路123連接冷凝器160的一出口，并藉由一第四管路124連接蒸發(fā)器110的一入口，以形成一封閉回路。因此，此熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)可為一封閉熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)。
[0060]上述的發(fā)電模塊150例如是由膨脹機(jī)(例如:渦輪機(jī)、螺旋式膨脹機(jī)、渦卷式膨脹機(jī))以及發(fā)電機(jī)組合而成。請參照圖2，在一實(shí)施例中，具有高溫蒸汽狀態(tài)的工作流體F的熱能和壓力能轉(zhuǎn)換為膨脹機(jī)151的軸功率，再將工作流體F膨脹做功產(chǎn)生的機(jī)械能輸入至發(fā)電機(jī)152，并由發(fā)電機(jī)152產(chǎn)生電力。此外，做功完后的工作流體F流經(jīng)冷凝器160，并通過熱傳介質(zhì)中的冷流C吸收工作流體F的熱能，而成為液態(tài)工作流體F，接著，藉由泵170升壓液態(tài)工作流體F，并送入蒸發(fā)器110中加熱，以構(gòu)成一熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)。
[0061]有關(guān)蒸發(fā)器110、流量控制閥120、壓力感測器130以及控制器140的工作原理，請參照圖1及相關(guān)內(nèi)容，以下略述氣態(tài)工作流體最小壓力持壓控制方法。請參照圖3，其繪示依照本發(fā)明一實(shí)施例的氣態(tài)工作流體最小壓力持壓控制方法的各個步驟。首先，在步驟301中，提供一蒸發(fā)器110，并通入一工作流體F至蒸發(fā)器110中，以加熱工作流體F至一氣態(tài)。在步驟302中，設(shè)置一流量控制閥120于蒸發(fā)器110的一出口上。在步驟303中，檢測蒸發(fā)器110內(nèi)工作流體F的蒸發(fā)壓力。此蒸發(fā)壓力例如以電信號輸出至一控制器140 (或控制平臺，參見圖2)。在步驟304中，以一控制器140調(diào)整流量控制閥120的開度，以控制蒸發(fā)器110內(nèi)工作流體F的最小蒸發(fā)壓力。在步驟304中，控制器140 (或控制平臺)判斷工作流體F的蒸發(fā)壓力是否小于一最小壓力設(shè)定值，若是，限制流量控制閥120的開度。
[0062]由上述的控制方法可知，以限流的方式調(diào)整蒸發(fā)器110內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力，可使工作流體的蒸發(fā)壓力保持在最小壓力設(shè)定值以上。
[0063]請參照圖4，其繪示有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)中溫度-熵的性能圖。當(dāng)熱流H的入口溫度降低(由Ti變?yōu)門i’)或流量不足時(shí)，傳統(tǒng)的ORC系統(tǒng)自動調(diào)降內(nèi)部循環(huán)回路中泵170出口處工作流體的流量，如圖2所示，控制平臺控制泵170出口處工作流體的流量。此時(shí)，蒸發(fā)器110內(nèi)工作流體的壓力亦隨之降低，此方式同時(shí)降低熱流于ORC蒸發(fā)器110內(nèi)放熱后的出口溫度(由TO變?yōu)門O’)。然而，為了避免熱流(例如煙氣)溫度降低后，NOx、SOx對煙道產(chǎn)生腐蝕作用，均會設(shè)定最低排煙溫度，使得ORC系統(tǒng)在熱流(例如煙氣)出口溫度低于設(shè)定溫度時(shí)停機(jī)，煙氣直接以高溫狀態(tài)排放，其殘余的熱能無法供給下流熱工藝使用，造成熱源的取熱量受到限制，系統(tǒng)的操作范圍受限，以及系統(tǒng)的發(fā)電量無法提升等問題。若以煙氣作為ORC蒸發(fā)器的熱流，當(dāng)工作流體壓力低于某一壓力時(shí)(例如:以R245fa為工作流體，當(dāng)壓力低于1569kPa時(shí)，工作流體的飽和溫度低于110°C )，熱流于蒸發(fā)器出口溫度，將有可能低于110°C，甚或低于熱流的酸露點(diǎn)溫度以下，造成煙囪管壁腐蝕、破損。因此，藉由本最小壓力保持裝置，限制蒸發(fā)器內(nèi)工作流體壓力在某一設(shè)定值以上時(shí)(例如:以R245fa為工作流體，當(dāng)壓力高于1569kPa)，可以保證熱流于熱交換器出口溫度在某一設(shè)定值以上，免除熱流溫度低于其酸露點(diǎn)溫度之虞。
[0064]同樣，應(yīng)用在低溫?zé)崮馨l(fā)電的ORC系統(tǒng)中，當(dāng)海水溫度因季節(jié)更迭溫度下降或流量不足時(shí)，傳統(tǒng)的ORC系統(tǒng)自動調(diào)降內(nèi)部循環(huán)回路中泵170出口處工作流體的流量，同時(shí)海水于蒸發(fā)器110內(nèi)放熱后的出口溫度也會隨之降低(由TO變?yōu)門C’)。然而，為了避免海水出口溫度降低后，有結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)，均會設(shè)定最低出口溫度，使得ORC系統(tǒng)在海水出口溫度低于設(shè)定溫度時(shí)停機(jī)，因而造成熱源的取熱量受到限制，系統(tǒng)的操作范圍受限，以及系統(tǒng)的發(fā)電量無法提升等問題。
[0065]本發(fā)明上述實(shí)施例所揭露的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器及熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)和應(yīng)用其的控制方法，是利用限流的方式調(diào)整蒸發(fā)器內(nèi)工作流體的蒸發(fā)壓力，以使工作流體的蒸發(fā)壓力保持在最小壓力設(shè)定值以上。由熱力學(xué)第二定律知，冷、熱流于蒸發(fā)器內(nèi)做熱交換時(shí)，熱流側(cè)的溫度恒高于冷流側(cè)溫度，故限制冷流測(工作流體)的最低溫度(或最低蒸發(fā)壓力)即可使熱流側(cè)的熱流出口溫度維持在一定溫度以上。因此，本發(fā)明可擴(kuò)大ORC系統(tǒng)的操作范圍，提升中低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換為電力的可利用率，增加ORC系統(tǒng)總發(fā)電量，以避免傳統(tǒng)ORC系統(tǒng)必須于熱流出口溫度低于設(shè)定溫度時(shí)停機(jī)所造成的問題。
[0066]當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器，應(yīng)用于熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，包括: 一蒸發(fā)器，用以加熱一工作流體至一氣態(tài)，該蒸發(fā)器具有一液態(tài)工作流體入口管路以及一氣態(tài)工作流體出口管路； 一流量控制閥，設(shè)置于該氣態(tài)工作流體出口管路上； 一壓力感測器，設(shè)置于該流量控制閥的上游，用以檢測該蒸發(fā)器內(nèi)該工作流體的蒸發(fā)壓力；以及 一控制器，用以調(diào)整該流量控制閥的開度，以控制該蒸發(fā)器內(nèi)該工作流體的最小蒸發(fā)壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器，其特征在于，該控制器判斷該工作流體的蒸發(fā)壓力是否小于一最小壓力設(shè)定值，若是，限制該流量控制閥的開度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器，其特征在于，該工作流體的蒸發(fā)壓力大于或等于該最小壓力設(shè)定值時(shí)，該流量控制閥保持全開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器，其特征在于，該蒸發(fā)器更包括一熱流管路以及一溫度感測器，該溫度感測器用以檢測該熱流管路的出口溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器，其特征在于，該控制器判斷該熱流管路的出口溫度是否小于一最小溫度設(shè)定值，若是，限制該流量控制閥的開度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器，其特征在于，該熱流管路的出口溫度大于或等于該最小溫度設(shè)定值時(shí)，該流量控制閥保持全開。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器，其特征在于，該控制器以機(jī)械控制或電磁控制的方式調(diào)整該流量控制閥的開度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱交換器，其特征在于，該流量控制閥的節(jié)流型式包括閘門、孔口板或球閥。
9.一種具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，包括: 一蒸發(fā)器，用以加熱一工作流體至一氣態(tài)，該蒸發(fā)器具有一液態(tài)工作流體入口管路以及一氣態(tài)工作流體出口管路； 一流量控制閥，設(shè)置于該氣態(tài)工作流體出口管路上； 一壓力感測器，設(shè)置于該流量控制閥的上游，用以檢測該蒸發(fā)器內(nèi)該工作流體的蒸發(fā)壓力；以及 一控制器，用以調(diào)整該流量控制閥的開度，以控制該蒸發(fā)器內(nèi)該工作流體的最小蒸發(fā)壓力； 一冷凝器，用以冷卻該工作流體至一液態(tài)； 一發(fā)電模塊，藉由一第一管路連接該流量控制閥的一出口，并藉由一第二管路連接該冷凝器的一入口 ；以及 一泵，藉由一第三管路連接該冷凝器的一出口，并藉由一第四管路連接該蒸發(fā)器的一入口。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，該控制器判斷該工作流體的蒸發(fā)壓力是否小于一最小壓力設(shè)定值，若是，限制該流量控制閥的開度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，該工作流體的蒸發(fā)壓力大于或等于該最小壓力設(shè)定值時(shí)，該流量控制閥保持全開。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，該蒸發(fā)器更包括一熱流管路以及一溫度感測器，該溫度感測器用以檢測該熱流管路的出口溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，該控制器判斷該熱流管路的出口溫度是否小于一最小溫度設(shè)定值，若是，限制該流量控制閥的開度，該最小溫度設(shè)定值為熱流的冰點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，該熱流管路的出口溫度大于或等于該最小溫度設(shè)定值時(shí)，該流量控制閥保持全開。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，該控制器以機(jī)械控制或電磁控制的方式調(diào)整該流量控制閥的開度。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具氣態(tài)工作流體最小壓力持壓機(jī)制的熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，該流量控制閥的節(jié)流型式包括閘門、孔口板或球閥。
17.一種氣態(tài)工作流體最小壓力持壓控制方法，其特征在于，包括: 提供一蒸發(fā)器，并通入一工作流體至該蒸發(fā)器中，以加熱該工作流體至一氣態(tài)； 設(shè)置一流量控制閥于該蒸發(fā)器的一出口； 檢測該蒸發(fā)器內(nèi)該工作流體的蒸發(fā)壓力；以及 調(diào)整該流量控制閥的開度，以控制該蒸發(fā)器內(nèi)該工作流體的最小蒸發(fā)壓力。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的氣態(tài)工作流體最小壓力持壓控制方法，其特征在于，該工作流體的蒸發(fā)壓力小于一最小壓力設(shè)定值時(shí)，限制該流量控制閥的開度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的氣態(tài)工作流體最小壓力持壓控制方法，其特征在于，該工作流體的蒸發(fā)壓力大于或等于該最小壓力設(shè)定值時(shí)，該流量控制閥保持全開。
【文檔編號】F01K25/08GK104420901SQ201310703681
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】徐菘蔚, 郭啟榮, 鄭本淵 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院