CN102639818B - 热力机器及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热力机器(1)，它包括循环系统(2)、热交换器(3)、膨胀机器(5)、冷凝器(6)以及流体泵(8)，在循环系统(2)中，尤其是低沸点的工作流体(10)交替地以气相和液相循环。本发明还涉及一种用于运行所述热力机器的方法。根据本发明规定，通过加入非凝结性辅助气体(20)将提高系统压力的部分压力施加到位于流体泵(8)的压头中的液态的工作流体(10)上。以此可以实现紧凑的小型化ORC机器，从而防止液态的工作流体(10)中的气穴现象。

Description

热力机器及其运行方法

本发明涉及一种具有循环系统的热力机器，尤其是低沸点的工作流体交替地以气相和液相在该循环系统中循环。在此，该机器包括热交换器、膨胀机器、冷凝器及液泵。本发明另外还涉及一种用于运行这样的热力机器的方法，其中，工作流体在循环中被加热、膨胀、凝结并且通过泵送液态的工作流体进行输送。

这样的热力机器应尤其理解为根据热力学朗肯循环过程(Rankine-Kreisprozess)运行的一种机器。在此，朗肯循环过程的特征是泵送液态工作介质、在高压下蒸发该工作介质、通过作机械功使得该气态的工作流体膨胀以及在低压下使得该气态的工作流体凝结。例如现代的常规火力发电站是根据朗肯循环过程运行的。在化石燃料加热的火力发电站中通常在超过200bar的压力下产生温度超过500°C的水蒸气。该膨胀的水蒸汽的凝结发生在约25°C和约30mbar的压力下。

例如，根据朗肯循环过程运行的热力机器以及用于运行该热力机器的方法可以从WO 2005/021936A2中获知。在此，水用作工作流体。

如果将相对于冷却源仅具有相对较小的温度差的热源用于蒸发工作流体，那么以水的形式的工作流体可实现的效率就不再足以用于一种经济的运行模式。然而，这样的热源可以在所谓的ORC机器的协助下被利用，其中替代形式为水的工作流体使用低沸点的尤其是有机的流体。术语“低沸点”应理解为，这种流体与水相比较在更低的压力下沸腾或与水相比较具有更高的蒸汽压力。ORC机器相应于所谓的有机朗肯循环过程(ORC)来运行，即基本上是利用不同于水的、尤其是有机的、低沸点的工作流体。作为用于ORC机器的工作流体，已知的是例如碳氢化合物、芳香烃、氟化烃、碳合成物尤其是烷烃、氟代醚、氟代乙烷或也可以是合成的硅油。

通过ORC机器或ORC设备，例如在地热或太阳能发电厂中可用的热源可以经济地用于发电。此外可借助ORC机器将来自排放空气、冷却回路、废气等的迄今未利用的内燃机废热用于做功或发电。

如果压力低于液体的与相应温度相关联的蒸汽压力，则该液体蒸发。低于蒸汽压力会发生在静止或移动的液体中。例如，在流动液体的情况下，压力可能由于流体的强烈偏转或加速而局部低于蒸汽压力，从而发生局部蒸发。这些局部生成的蒸汽气泡在压力较高的部位再次凝结并且向内破裂。这整个过程称为气穴现象。

在开头所述类型的热力机器中，在工作流体的液相中产生气穴现象这个问题并不是无关紧要的。由于蒸汽气泡的尺寸较小，这些蒸汽气泡的凝结实际上非常迅速地发生。由于蒸汽气泡的突然内爆，在该过程中可能形成微射束。如果该微射束指向周围的壁，则可以局部达到高达10000bar的压力峰值。此外，可能由于高压力而达到远远高于1000°C的局部温度，而这能够导致在壁材料中发生融化过程。气穴现象导致的损坏效应会在数小时内发生。

对于泵来说，气穴现象的发生还令人不希望地减小了流体的通流量。因为蒸汽气泡在其密度上通常与液体差异相当大，所以在给定的体积流量下，在作为蒸汽的工作流体质量比例较低的情况下，可输送的质量流自动减小。在蒸汽大量产生时，质量流甚至可能中断。如果工作机器例如作为泵使用在ORC设备中，则整个循环过程可能会发生停顿。作为这种不足的泵功率的结果，在冷凝器中的液态工作流体发生倒流，由此使其作用明显减小。热量的排放由此停止。整个系统是不能轻易脱离这种状态的。必须等待直至工作流体通过冷却而自己降温。如果在蒸发器中的通流继续中断，也不再有热量能够排放出去。所使用的工作流体于是可能会由于超过其稳定极限而受损。

对于根据朗肯循环过程运行的机器，发生气穴现象的问题被描述在例如EP 1624269A2中。在那里，冷凝器内部的以及在后续泵内部的形式为水的工作流体中的气穴现象应通过在冷凝器上设置特别的压力和温度控节装置来防止。为此而包括了相应的压力和温度传感器。尤其将冷凝器中的水位维持在预定水平上。这是通过排放阀来协助的，该排放阀向外排放水或非凝结性气体。

此外，冷凝器中恒定的水位对于根据朗肯循环过程运行的机器的重要性还被描述在US 7,131,290B2中。尤其说明了可变的水位对冷凝器中发挥作用的冷却表面的影响。如果由于在冷凝器中占优势的负压条件，非凝结性气体(如空气)渗透到工作流体的循环系统中，那么非凝结性气体会尤其在冷凝器中聚集。为防止由此导致的冷却效率的损失，US 7,131,290B2建议了一种相应的分离和排放装置。

从DE 10 2006 013 190 A1中获知一种根据克劳修斯朗肯循环过程(Clausius-Rankine-Kreisprozess)运行的复杂的流体机器。这种流体机器具有用于施加负压并且用于泵出液相工作流体的泵以及与该泵串联的膨胀装置，该膨胀装置用于通过工作流体的膨胀来产生驱动力，该工作流体被加热以便变成气相工作流体。在此规定，将膨胀装置出口侧上的工作流体的热量传递给流体泵出口侧上的工作流体。

可以从DE 36 41 122 A1中获知一种用于热量转换的可运输的驱动单元，这种驱动单元设计为开头所述类型的热力机器并且根据朗肯循环过程来运行。

从DE 7 225 314 U中已知一种蒸汽动力设备，其中在朗肯循环过程中使用有机工作介质。

此外，从US 4,291,232中获知一种开头所述类型的热力机器。在此，气体/液体溶液，尤其是氨/水溶液作为工作流体而循环。通过将气体溶解在液体中，气体和液体的压力被降低。通过在升温条件下的气体分离，压力被提高。

本发明所要解决的技术问题在于，扩展设计一种开头所述类型的热力机器，从而尽可能地避免在液体中或在液态的工作流体中发生气穴现象。本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种对应的方法用于运行这样的热力机器，其中尽可能地避免液体中的气穴现象。

在机器方面，所要解决的技术问题根据本发明通过根据权利要求1的特征组合解决。据此，对于开头所述类型的热力机器规定，通过加入非凝结性的辅助气体而将提高系统压力的部分压力施加到位于液泵的入流管或压头(Vorlauf)中的液态的工作流体上。

本发明在此从这种认知出发，即，在设计ORC机器时低估了在液相中发生气穴现象的可能性。因此使得在整体设计中例如未遵守为泵限定的压头高度。这样的压头高度通过吸入口接头处的液柱而在该处产生必要的压力升高。由于这个连接在上游的冷凝器，在没有注意到压头高度的情况下，如果假设没有发生过冷(Unterkühlung)，则流体以饱和蒸汽压力或凝结蒸汽压力施加到泵。当泵接通时，在没有注意到压头高度的情况下，可能由于所形成的抽吸功率而低于饱和蒸汽压力。于是发生了气穴现象。

泵的压头高度通常通过所谓的NPSH值给出。在此，NPSH(净正吸入压头)值理解为高于饱和蒸汽压力的必要的最小吸入头或扬程。换言之，这个必要的NPSH值表示了泵的抽吸功率。NPSH值以米给出。对于在此适合的泵，这个NPSH值通常为几米。如果对于一个给定的泵在压头中没有遵守该NPSH值，那么在运行中会发生不可忽视的气穴现象问题。就会不希望地形成蒸汽气泡。

因此不利地恰恰在设计小型和紧凑型ORC机器时，泵必须相对于动力设备布置在降低的水平高度处，这导致结构空间不希望地增大。

对在液相的工作流体中避免气穴现象的替代方案(如为降低蒸气压力而使工作流体过冷)由于附加的成本而是昂贵的。也导致了额外的面积要求。而且，必须施加更多的能量用于加热过冷的工作流体。同等地，使用在吸入口接头处产生额外压力的增压泵也是不经济的。除此之外，额外的泵也需要额外的结构空间。

出人意料地，本发明现在认识到在热力机器中产生气穴现象的问题可以通过使用非凝结性气体来解决。尽管迄今在根据朗肯循环过程运行的机器中，在循环中的非凝结性气体作为不希望的成分(因为它降低了效率)是以昂贵方式被去除，而本发明现在规定有意地将其引入。

本发明认识到在非凝结性气体处于循环中的情况下，它在气相中的部分压力被加到凝结压力上。由此得到的以令人希望的方式方法升高了的系统压力施加到液态的工作流体上，尤其是在液体泵的压头中。与加入非凝结性气体到循环中相关联的缺点(如尤其是对于膨胀机器的背压增加)在低沸点工作流体的情况下通过避免气穴现象的优点来消除。在低沸点工作流体的情况下，该工作流体与水相比在更高的压力下凝结。该工作流体通常可以在室温下在大气压力以上凝结。通过辅助气体而必然地产生的部分压力对整体效率的影响较小并且按照整体设计概念可以忽略。

详细地，本发明允许对辅助气体的加入物质量进行选择，从而使得按照可使用的结构空间泵的压头高度可以相应地减小。同时在此可以注意到，妨碍膨胀机器的背压保持在整体可接受的水平。

本发明在这方面提供的显著优点是，可以设计一种用于充分利用低温热源的紧凑的热力机器。在这种情况下，结构空间不再必需通过所需的泵压头高度来预先确定。因为原则上这种非凝结性的辅助气体在填充设备时可以一次性地一同引入，所以甚至可能完全不需要结构上的附加措施。在这方面，本发明为使热力机器变得更紧凑提出了一种特别廉价的可能性。本发明在这方面极其适合于设计小型移动机器，这些小型移动机器使用在例如汽车上用于利用发动机热量、冷却介质热量或废气热量。

在一个有利的设计方案中，通过加入辅助气体而产生的部分压力足以使得在液泵工作的过程中在该压头中的压力不会低于饱和蒸汽压力。如在下文中解释的，在进行某些简化的假设(没有液体的额外过冷)的情况下，例如当所产生的部分压力至少相当于液泵的NPSH值时就是这种情形。泵的压头高度必要时甚至可完全取消。在实际的条件下，所加入的辅助气体量必须这样确定，使得所产生的部分压力超过吸入压力或换算出的NPSH值。

本发明不一定局限于一种根据朗肯循环过程运行的热力机器。例如也可以包括如下的机器，这种机器不包括在膨胀机器的上游蒸发工作流体，而是在这种机器中在膨胀机器中通过连续增大的工作空间对工作流体进行闪蒸。尤其可以进行连续的相转换。

按照ORC机器，还可以使用不同工作介质的混合物来作为工作流体，以便由此实现与所给定的条件相适配的理想的机器工作方式。

通过参照图2左边部分的图，在现有技术的热力机器中，在冷凝器中相应于给定的温度调节形成工作流体的饱和蒸汽压力p_s。如果用于抽出液相的工作流体的泵被接通，则在吸入口接头处产生了根据给定NPSH值的吸入压力。饱和蒸汽压力p_s减小了该吸入压力p_NPSH那么多。结果是，在泵上得到进口压力p_E，这个进口压力低于饱和蒸汽压力p_s。结果形成蒸汽气泡，因此发生气穴现象。

通过加入的非凝结性的辅助气体(图2右边部分的图)在泵上产生了由辅助气体的部分压力p_part与饱和蒸汽压力p_s相加得到的系统压力。在接通该泵之后，该系统压力又减小了由NPSH值所预先确定的吸入压力p_NPSH那么多。如果非凝结性气体的部分压力p_part(它是由于引入的辅助气体产生的)大于或至少等于泵的吸入口接头处的吸入压力p_NPSH，则进口压力p_E现在就至少等于或大于饱和蒸汽压力p_s。因此就防止了气穴现象。

系统压力与饱和蒸汽压力之间的希望的压力差Δp(它通过辅助气体来施加)有利地至少是p_NPSH，其中辅助气体的必要物质量x_i根据如下公式计算：

$x_i=\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\Δp}+p_s}$

对于实际的系统，辅助气体的物质量x_i这样确定的，使得即使在不利的条件下(即在降低的凝结温度以及由此降低的饱和蒸汽压力下)也有足够的辅助气体可供使用。同样需要考虑的是，部分辅助气体进入到溶液中并且因此不再可供用于产生压力差。当确定加入的辅助气体物质量时，也可以将机器的不同运行状态(部分负荷、满负荷)考虑在内。

在所述机器的一个优选设计方案中，可以根据上述的实施形式通过以下方式相应地减小结构高度，即，相较于考虑了NPSH值和必要时考虑了液态工作流体过冷的必要压头高度减小液泵的实际压头高度。通过液体的额外过冷，必要的压头高度由于降低了的蒸汽压力而减小。通过所引入的辅助气体的部分压力使得实际压头高度可进一步减小。在此，为保持一定的预留量，尽管相应地供应辅助气体，但也可以保持较小的压头高度。在这方面，压头高度的减小通过相应物质量的辅助气体来补偿。

用于辅助气体的引入点原则上可以设置在机器循环系统的任何部位。在此，引入点可以设计用于一次性引入辅助气体或者用于重复性引入辅助气体。在一种优选的设计方案中，在膨胀机器和液泵之间设置用于辅助气体的引入点。以此方式，辅助气体直接在该循环中的所需部位可供使用。辅助气体在循环过程的冷侧上被引入到液相中。辅助气体尤其还可以在那里被轻易移除，因为它可以在冷凝器中被收集。为此，例如该机器可以“冷运行”，由此使该辅助气体慢慢地流入冷凝器中。为了加入辅助气体，例如可以使用压缩机。替代地，可以连接高压贮气瓶。在循环过程的热侧上加入辅助气体会更加麻烦。

非凝结性的辅助气体是以下这种类型的气体，该气体在热力机器循环中的占优势的或给出的条件下不会凝结。例如稀有气体或氮气适用于作为这种辅助气体。也可以考虑适当的有机气体。

非凝结性的辅助气体在一定程度上通过工作流体在热力机器的循环中移动。在具有形式为水的用于冷凝器的工作流体的根据朗肯循环过程运行的机器中，通常设置有所谓的壳管式热交换器。在此，冷却液体流动通过管的内部。

气态的工作流体沿着管外侧流动，在它们的表面上凝结，并且作为凝结物或液相而滴落。

然而不利地，在这种冷凝器中，非凝结性的辅助气体可能会与冷凝器的定向有关地积聚。在这种情况下，辅助气体作为隔离层残留在这些管的周围，其结果是降低了冷凝器的效率。非凝结性的辅助气体仅可以通过与凝结物流动方向相反地抽取或通过扩散而被排出。

为了在加入非凝结性的辅助气体时避免这种缺点，冷凝器有利地被设计用于在凝结物或液态工作流体的流动方向上挟带辅助气体。这种冷凝器例如被设计为空气冷凝器或者通过板式热交换元件设计而成。在空气冷凝器中，气态的工作流体流动通过管的内部，而这些管在外侧例如由空气但也可以由其它冷却介质绕流。在这种情况下，辅助气体沿流动方向至少部分地由后续的气态工作流体推动通过所述管。这还适用于通过多个板式热交换元件形成的冷凝器。在此，气态的工作流体也流过这些板式热交换元件的间隙，并且从冷凝器中带走一部分辅助气体。其结果是，减小了对于壳管式热交换器来说所不期望的隔离层的形成。

此外优选地在集液箱中布置用于检测辅助气体浓度的传感器。通过这样的传感器(该传感器布置在位于工作流体被收集的液体之上的气体空间中)，例如可以测量在循环系统中存在的辅助气体的物质量，并且当低于或超过预定的极限值时发出警告信号。随后可相应于该警告信号加入或抽取一定物质的量的辅助气体。

如前所述，所说明的热力机器尤其适合用于汽车中的移动设备，其中热交换器热耦连到车辆的废热源上。这种废热源例如是冷却剂、其它工作介质(如油)、发动机缸体本身或废气。

为了发电而与相应发电机耦连的膨胀机器优选地设计为挤压机器这种挤压机器例如是螺旋式或活塞式膨胀机器或者是滚动式膨胀机器。还可以使用叶片机器。

关于方法的技术问题按本发明通过根据权利要求9的特征组合解决。据此，对于一种用于运行热力机器的方法规定，通过加入非凝结性的辅助气体来将提高系统压力的部分压力施加到泵压头中的液态工作流体上。

可以从关于方法的从属权利要求中获得其它优选的实施方案。在此就其含义而言，可相应地延承关于机器所提及的优点。

参照附图更详细地阐述了本发明的实施例。在附图中：

图1示意性地示出ORC机器，其中辅助气体的部分压力被施加在泵压头中，并且

图2示出不同的压力关系的示意图。

在图1中示意性地示出ORC机器1，其尤其适合于作为利用内燃发动机的废热的移动设备。ORC机器1在此(在作为热交换器3的循环系统2中)包括蒸发器、膨胀机器5、冷凝器6以及液泵8。所示的ORC机器1根据朗肯循环过程运行，其中在膨胀机器5上做功用于驱动发电机9。发电机9尤其设计用于将获得的电流给送到汽车自身的电气网络中或者该发电机被连接于该电气网络上。与水相比较具有明显更高的蒸汽压力的碳氢化合物被用作工作流体10。工作流体10处于封闭的循环中。

通过液泵8输送的液态工作流体10在蒸发器3中在高压下蒸发。在设计为挤压机器的膨胀机器5中，气态的工作流体10膨胀并且做功。膨胀的气态工作流体10在冷凝器6中在低压下凝结。在冷凝器6中调节形成的饱和蒸汽压力约为1.2bar。凝结物或液态的工作流体10在它被泵8再次输送用于蒸发之前收集在集液箱11中。

设置有废热排放手段14用于对冷凝器6进行冷却。例如，这可以是汽车的循环空气，其中，工作流体的凝结热量例如用于加热车辆客舱而输送给循环空气。该冷凝器6设计成空气冷凝器，在该空气凝结器中待冷却的工作流体10沿着被绕流的管的内部流动。

为了使由泵8输送的工作流体10蒸发，通过废热供给手段16将热量供给到蒸发器3。为此，车辆发动机废气的热量通过适当的热交换而供给到蒸发器3。替代地，可以由内燃发动机的冷却回路来供应热量。内燃发动机及其产生的废气中的废热还可以通过相应的第三介质集中地供给至蒸发器3。

在膨胀机器5与液泵8之间，在冷凝器6上设置有引入点18用于将非凝结性的辅助气体20引入到ORC机器1的循环中。通过相应的阀，可一次性或多次地将特定物质的量x_i的辅助气体20引入到ORC机器的循环中。在此，物质的量x_i这样确定，使得在泵8的压头中，辅助气体20的部分压力和工作流体10的饱和蒸汽压力(由冷凝器6中的凝结得到)相加为系统压力，使得在接通泵之后，不会低于该工作流体的饱和蒸汽压力。由此也防止了在以液相流动的工作流体的偏转处低于饱和蒸汽压力。物质的量x_i尤其这样确定，使得所形成的辅助气体部分压力大于与泵的NPSH值相对应的吸入压力。因此防止了在压头中并且尤其是在液泵8的吸入口接头处的气穴现象。因为在运行中不会低于工作流体10的饱和蒸汽压力，所以不会在该处形成蒸汽气泡。

压头高度21(在此示意性绘出)相对于液泵8的NPSH值明显地降低为只有几十厘米。在集液箱11中设置有用于测量辅助气体20的浓度的传感器22。

附图标记清单

1     ORC机器

2     循环系统

3     热交换器

5     膨胀机器

6     冷凝器

8     液泵

9     发电机

10    工作流体

11    集液箱

14    废热排放手段

16    废热供给手段

18    引入点

20    辅助气体

21    压头高度

22    传感器

Claims (14)

1.一种热力机器(1)，具有循环系统(2)、热交换器(3)、膨胀机器(5)、冷凝器(6)和液泵(8)，工作流体(10)交替地以气相和液相在所述循环系统(2)中循环，其特征在于，通过加入非凝结性的辅助气体(20)将提高系统压力的部分压力施加到位于所述液泵(8)的压头中的液态的工作流体(10)上，并且所述冷凝器(6)为了在所述工作流体(10)的流动方向上挟带所述辅助气体(20)而设计具有在外侧由空气绕流的管或者板式热交换元件，其中，所述工作流体(10)流动通过管的内部或者流动通过板式热交换元件的间隙。

2.如权利要求1所述的热力机器(1)，其特征在于，通过加入所述辅助气体(20)而产生的部分压力足以使得在所述液泵(8)工作的过程中在该压头中的压力不会低于饱和蒸汽压力。

3.如权利要求1或2所述的热力机器(1)，其特征在于，与将NPSH值以及在必要时将所述液态的工作流体(10)的过冷却考虑在内的必要压头高度相比较，所述液泵(8)的实际压头高度(21)被减小。

4.如权利要求1所述的热力机器(1)，其特征在于，在所述膨胀机器(5)与所述液泵(8)之间设有用于所述辅助气体(20)的引入点(18)。

5.如权利要求1所述的热力机器(1)，其特征在于，所述膨胀机器(5)是挤压机器。

6.如权利要求1所述的热力机器(1)，其特征在于，在所述液态的工作流体(10)的集液箱(11)中布置有用于检测辅助气体浓度的传感器(22)。

7.如权利要求1所述的热力机器(1)，其特征在于，所述工作流体(10)是低沸点的工作流体。

8.一种如以上权利要求之一所述的热力机器(1)作为用于汽车的移动设备的应用，其中，所述热交换器(3)与汽车的废热源(16)热耦连。

9.一种用于运行热力机器(1)的方法，其中，工作流体(10)交替地以气相和液相在循环系统(2)中循环，并且其中，对所述工作流体(10)进行加热、膨胀、凝结并且通过泵送液体来输送该工作流体(10)，其特征在于，通过加入非凝结性的辅助气体(20)将提高系统压力的部分压力施加到位于泵压头中的液态的工作流体(10)上，并且所述辅助气体(20)在冷凝器(6)中在所述工作流体(10)的流动方向上被挟带，其中，所述冷凝器(6)设计具有在外侧由空气绕流的管或者板式热交换元件，并且其中，所述工作流体(10)流动通过管的内部或者流动通过板式热交换元件的间隙。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，引入的所述辅助气体(20)的量使得所产生的部分压力足够大而不会在输送位于泵压头中的液态的工作流体(10)期间低于饱和蒸汽压力。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，将所述辅助气体(20)加入膨胀的、气态的工作流体(10)中。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述工作流体(10)在挤压机器中进行膨胀。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，将汽车的废热(16)用于加热和/或蒸发所述工作流体(10)。

14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述工作流体(10)是低沸点的工作流体。