CN101573564B - 一种闭合循环传热设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种闭合循环传热设备，包括锅炉(10)和冷凝器(13)，冷凝器用于通过潜热蒸发回收有用的热量。由锅炉(10)、冷凝器(13)和导管(12、15)限定的回路将进行刚刚高于大气压的压力的液体填充。膨胀装置(16)维持回路中的工作压力，但是将接收多余的液体相冷凝物，以补偿从锅炉(10)到冷凝器(13)的工作流体蒸气的膨胀。膨胀室包含可移动或柔性部件，当工作液体被接收在所述室中时，该部件被移动以压缩室中的气体。

Description

一种闭合循环传热设备和方法

技术领域

本发明涉及闭合热力设备，比如热虹吸器和热管，该设备经常出现在许多工程应用中，比如有机郎肯循环(Organic Rankine Cycle)中的工作流体的直接加热。

背景技术

在这种设备中，热量主要通过潜热蒸发传递。在闭合系统内的固定容积的传热流体通过在蒸发器中施加热量而蒸发。然后蒸气传到冷凝器，在冷凝器中热量传递到一些其它的过程，蒸发的工作流体被冷却介质冷凝。当热量散出后，冷凝的工作流体返回到蒸发器，从而完成过程或重复过程。在大多数这种应用中，循环是连续的并且传递的热量决定了连续蒸发和冷凝的工作流体的质量流量。在热虹吸器和热管中，利用在行进到冷凝器的蒸气和回到蒸发器的冷凝物之间的密度的显著的差异，以便产生重力返回路径，并且在这种系统中，冷凝器必须总是位于比蒸发器高的高度上。然而，在冷凝器和蒸发器必须在大约相同的高度上的情形下，例如在头上空间有限的情形下，可使用泵使冷凝物返回到蒸发器。

如果不是必要的，则理想的是，在上面描述的类型的传热设备的运行中，闭合系统只包含一种工作流体，或预先确定的流体混合物，并且不存在在冷凝器的工作温度下不冷凝的气体。

对于涉及许多这种系统的特殊应用必须从循环中排除空气，如果空气存在，则空气将趋向于在冷凝器中聚集，其使传热效率下降。同样，空气会影响系统的压力/温度特性。实际上，在冷凝温度下不冷凝的气体将占用系统的容积，于是使其不能用于潜热传递。

为了消除不可冷凝的气体，具体是空气，通常为了充入或填充这种系统，常见的做法是，在引入为液体的工作流体之前，首先通过在倒空的系统中实现真空，采取预防措施以确保空气及其他不可冷凝气体不被引入。用这样的方式被引入系统的工作流体的容积从而限定可用的蒸气空间。取决于工作流体的饱和特性，当系统为冷态时，这种填充方法也意味着这种系统可以是真空条件。因此，当系统不运行时，条件可以允许通过渗漏将空气引入到系统中。对于许多高温工作流体，包括水，即对于在大气压下在超过系统的不运行温度的温度沸腾的工作流体，将发生这种条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种闭合循环传热设备和方法，所述设备和方法包括在所述设备中补偿流体蒸气相的膨胀的装置，同时保证系统内不存在不可冷凝气体。

根据本发明的一个方面，提供一种闭合循环传热设备，包括：蒸发器和冷凝器；第一流体导管，该第一流体导管用于将加热的流体从蒸发器传送到冷凝器；和第二流体导管，该第二流体导管用于使冷凝物从冷凝器返回到蒸发器；其特性在于，膨胀装置，该膨胀装置连接到第二流体导管并与第二流体导管连通，以接收来所述第二流体导管中的液体冷凝物，从而补偿在至少第一流体导管中的流体蒸气相的膨胀。

膨胀装置可以包括容器，该容器内部被柔性膜分成为若干密闭的单独室，使得第一所述室与第二流体导管连通，第二所述室与第一室隔离开，以容纳气体。

可以提供使第二所述室填充预定压力的气体的装置。

所述填充装置可以适合于调节第二所述室中的压力。

蒸发器可以是锅炉。

冷凝器可以是连接到用于在有机郎肯循环中加热工作流体的装置的间接换热器。

可以提供用于使所述设备填充工作流体的装置。

冷凝器可以设置在相对于蒸发器升高的高度，从而作为热虹吸器运行。

泵可以连接到第二流体导管以产生冷凝物到蒸发器的正返回流动。

一个或多个另外的冷凝器可以连接到第一流体导管，并且通过调节阀连接到第二流体导管。

根据本发明另一方面，提供一种使在闭合循环传热设备内的蒸气相的工作流体膨胀的方法，所述设备包括：蒸发器和冷凝器；第一流体导管，该第一流体导管用于将加热的流体从蒸发器传送到冷凝器；和第二流体导管，该第二导管用于使冷凝物从冷凝器返回到蒸发器，所述方法包括以下步骤：提供连接到第二流体导管的膨胀室，并且控制液体相的工作流体进入膨胀室的流动，以补偿工作流体蒸气的膨胀。

首先可以将膨胀室填充到第一预定压力，于是将工作流体引入以填充设备，然后将膨胀室中的压力降低到第二预定压力。

可以通过气体对着柔性膜的一侧作用，对膨胀室加压，所述柔性膜的相对一侧与液体相的工作流体连通。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本发明的实施例，其中：

图1是适合于作为热虹吸器运行的闭合循环传热设备在非运行的条件的示意图；

图2示出了在运行条件下的设备；

图3是形成图1和2的设备的部分的膨胀容器的示意图；

图4示出了设备的另一实施例；

图5是形成根据本发明的闭合循环传热设备的热管的示意图；

图6示出了配备泵从而不作为热虹吸器运行的设备；以及

图7示出了用于应用于有机郎肯循环民用热电联产锅炉(CHPboiler)的设备。

具体实施方式

现在参考图1至4、6和7，闭合循环传热回路包括形成该传热回路的部分的蒸发器，该蒸发器呈含有加热线圈11的锅炉10的形式。第一流体导管12从锅炉10的输出连接到冷凝器13，冷凝器13可以适于例如加热有机郎肯循环回路14中的工作流体。由此，冷凝器13作为用于有机郎肯循环的闭合回路的蒸发器。排气口9设置在导管12中，以便如有必要时允许空气排出。

第二流体导管15连接到冷凝器13以使冷凝物返回到锅炉10。

膨胀装置16在接近锅炉10的返回入口的位置连接到第二流体导管，如图3所示，该膨胀装置16包括容器17，该容器17内部被柔性膜20分成两个密闭的单独室18和19。室18与导管15永久连通。阀形式的气体充注入口21与室19连通，用于将要描述的目的。

在运行中，在此示例中，系统最初经由进入流体导管15的进口阀22填充冷水，达到略微超过大气压的压力。通过入口21建立比回路中的水压力更高的室19内的气体压力，使得膜20处于图1示出的位置。这样，膨胀装置16填充有气体并且含有少量水或不含有水。室19中的压力最初可以被建立成大约6巴，然后下降到大约1.5巴。

当例如通过气体火焰在锅炉10内施加热量时，水开始升高温度直到它达到相应于其压力的沸点，即对于1.2巴的绝对压力是104℃。最初，产生的蒸气没有地方膨胀，回路中的压力将增加到大约1.5巴，该压力大约等于在膨胀装置的室19中建立的压力。由于蒸气产生并且由于第一导管12中的压力增加，所以之后蒸气能够开始填充锅炉10和导管12的一部分。一旦蒸气空间进入冷凝器13，热量从导管12通过在冷凝器之内的热交换进行传递，并且由于热量继续使蒸气空间膨胀升高，并且蒸气压力升高，这样在冷凝器13中露出更大的传热面积。

由于锅炉10、导管12和冷凝器13中的流体蒸气相膨胀，所以导管15中的液体相移动膨胀装置16中的柔性膜20，从而压缩膨胀装置16的室19中的气体，如图2所示。室19中的压缩气体容积因此限定了流体系统中达到的压力，从而得到系统中移动的流体容积和压力之间的确定关联。

这样，膨胀容器提供了移动工作流体的可变容积以在系统中形蒸气空间的机构，当在膨胀装置16的特性限定的压力下为冷态时，该机构使系统能完全地填充有液体形式的工作流体。

希望的是，当系统在不运行时，其中的压力应该在大气压或略微更高的压力下，从而避免可能促使空气或其它不可冷凝气体进入的真空条件。

当系统在高温下运行时，压力以及因此工作流体的沸腾温度通过工作流体饱和特性和膨胀装置的压力/容积特性的组合决定。

现在参考图4，在一些情况下，可以提供至少一个另外的冷凝器23，该至少一个另外的冷凝器23连接到导管12并利用阀24而选择地连接到导管15。如果回路中的压力升高到确定预定水平之上，则这个第二冷凝器23可以允许移除额外的热量，于是阀24将自动打开。可选择地，这可以通过仔细地选择冷凝器23相对于锅炉10和冷凝器13的高度而实现，以便当达到需要的压力时，通过增加的压力产生的另外的蒸气空间开始露出冷凝器23的传热表面。膨胀装置16必须具有在需要的压力下、在冷凝器23中露出足够的蒸气空间的尺寸。这样冷凝器23的顶部优选地位于或稍高于锅炉的高度和冷凝器13的底部。由此，由于换热器的合适定位，阀24可以省略。在运行中，随着压力升高，然后露出了冷凝器23中的换热器表面的增加量，从而移除的热量增加并且提供自动调节系统。

在需要将热量从系统中移除而不是将热量传给冷凝器13的情况下，可以布置用于启动或其它异常条件的第二甚至第三换热器。

现在参考图5，图1、2和4的物理上的闭合循环回路可以被替换为所谓的热管，其中液体填充的柱25在其底部被加热，并且有用的热量聚集在其顶部。在循环继续时，在柱内，被加热的液体向上地传送接近柱壁，同时冷却的冷凝物向下通过中心区域。

同样，在此实施例中，与膨胀装置16相似的膨胀装置26连接到柱25，从而当热量增加时，吸收多余的流体并留下足够的空间用于蒸气相的容积的增加。

现在参考图6，如果头上空间不足以通过在锅炉上方足够的高度定位冷凝器13，用于热虹吸器运行，则泵27被引入导管15中以产生冷凝物返回进入锅炉10的正流动。

现在参考图7，示出了连接到有机郎肯循环的传热设备，该传热设备用于将热量提供到民用热电联产锅炉(未示出)。有机郎肯循环包括也作为蒸发器的用于循环的冷凝器13、膨胀器30、换热器31形式的节能器、冷凝器32、泵33和加热回路34a、34b。

在这种循环中，冷凝器13中的冷凝蒸气用于蒸发循环的导管35中的有机液体。导管35中产生的蒸气然后驱动膨胀器30，从而在低压力蒸气在冷凝器32中冷凝将其热量供给到民用供暖系统34a、34b之前产生能量，然后通过泵33被泵送返回到冷凝器13的蒸发器回路。

在此示例中，另外的换热器或节能器31用于从留在膨胀器中的热蒸气回收热量，以便在留在泵33中的液体回到冷凝器13的蒸发器回路之前预热该留在泵33中的液体。如在图4的实施例中，当有机郎肯循环获得能够获得的大量热量并且供暖系统还需要进一步的热量时，则另外的燃料被提供到锅炉，并且压力将增加，这样使得连接到另外的冷凝器23的阀24打开。已经用于从有机郎肯循环移除热量的水因此能用于从冷凝器23移除另外的热量。

将会看出，在所描述的类型的闭合循环传热设备中使用膨胀装置，用来吸收在液体沸腾时增加的液体容积，产生蒸气空间以便有效地发生传热。当系统是冷态时，系统填充有刚刚高于大气压的压力的液体，不需要用于在填充系统之前去除任何空气或不冷凝气体的真空泵或其它专用工具。系统可以在大气压下或刚刚高于大气压时进行充注，在运行中膨胀装置将用以接收一定比例的液体，从而使得在冷凝器中的流体蒸气相能够有效地产生和使用。

不希望将本发明局限于上述具体的描述。例如，不同于水的液体也能用于系统，并且根据液体的沸腾温度和饱和特性选择填充压力。

运行中，当达到足够的温度时实现平衡，使得通过锅炉提供的热量平衡冷凝器接纳的热量。在图5中示出的热管的情形中，液体可能是制冷剂而不是水。

膨胀装置16和26中的柔性膜可以由任何其它可变形的或可移动的装置替代，比如由气缸内的活塞替代。

由于在这种系统中提供膨胀装置，产生许多优点，也就是：

-能够以消除比如空气的不可冷凝气体的方式填充热虹吸器或类似的传热装置；

-能够填充这种装置而不需要真空设备和制冷工程技工；

-当装置不使用时，避免真空条件，从而消除空气或其它不可冷凝气体的进入；

-允许通过工作液体饱和特性限定的压力/温度运行，以便当另外的热量传递到装置周围时，提高可利用的换热器表面面积；

-利用温度、压力和系统容积、和浓缩程度之间的关系，以便当需要时，使另外热量能引导到另外的冷凝器；和

-提供通过将多余热量引导到另外的冷凝器的热交换表面来限制装置内的最大压力的方法，因此最大可能达到热量输入的平衡。

Claims (17)

1.一种闭合循环传热设备，包括：蒸发器和第一冷凝器；第一流体导管，该第一流体导管用于将加热的流体从所述蒸发器传送到所述第一冷凝器；第二流体导管，该第二流体导管用于使冷凝物从所述第一冷凝器返回到所述蒸发器；和膨胀装置，该膨胀装置连接到所述第二流体导管并与所述第二流体导管连通，以接收来自所述第二流体导管中的液体冷凝物，以补偿在至少所述第一流体导管中的流体蒸气相的膨胀，

其特征在于，该设备包括至少一个另外的冷凝器，该至少一个另外的冷凝器连接到所述第一流体导管并连接到所述第二流体导管，以响应于从所述蒸发器流出的工作流体的压力和温度上的升高，接收蒸气相的工作流体，并且

相对于锅炉和所述第一冷凝器的高度选择所述另外的冷凝器的高度，使得当达到需要的压力时，由增加的压力产生的另外的蒸气空间开始露出所述至少一个另外的冷凝器的传热表面；并且/或者

调节阀设置在所述至少一个另外的冷凝器和所述第二流体导管之间。

2.根据权利要求1的闭合循环传热设备，其中所述膨胀装置包括容器，该容器内部被柔性膜分成若干密闭的单独室，使得第一所述室与所述第二流体导管连通，第二所述室与第一所述室隔离开，用以容纳气体。

3.根据权利要求2的闭合循环传热设备，包括向第二所述室充入预定压力的气体的装置。

4.根据权利要求1的闭合循环传热设备，其中所述蒸发器是锅炉。

5.根据权利要求1的闭合循环传热设备，其中所述第一冷凝器是连接到用于在有机郎肯循环中加热工作流体的装置的间接换热器。

6.根据权利要求1-5中的任一项的闭合循环传热设备，包括用于使所述设备充入在大气压下或略微超过大气压的压力下的工作液体的装置。

7.根据权利要求1-5中的任一项的闭合循环传热设备，其中所述第一冷凝器设置在相对于所述蒸发器升高的高度，以作为热虹吸器运行；或者其中泵连接到所述第二流体导管以使冷凝物返回到所述蒸发器。

8.根据权利要求1-5中的任一项的闭合循环传热设备，其中所述调节阀适合于响应所述工作流体的压力和温度的改变自动地打开和关闭。

9.根据权利要求1-5中的任一项的闭合循环传热设备，其中所述另外的冷凝器或者每个所述另外的冷凝器设置在高于所述蒸发器的顶部并且低于所述第一冷凝器的顶部的高度上。

10.根据权利要求5的闭合循环传热设备，其中所述有机郎肯循环本身包括蒸发器、膨胀器、冷凝器和节能器，该节能器连接在所述膨胀器和相联的冷凝器之间，用于从所述膨胀器回收热量以预热所述有机郎肯循环的所述工作流体。

11.根据权利要求10的闭合循环传热设备，其中所述闭合循环传热设备并入到民用供暖系统。

12.根据权利要求3的闭合循环传热设备，其中向第二所述室充入预定压力的气体的所述装置适合于调节第二所述室中的压力。

13.一种运行闭合循环传热设备的方法，所述设备包括：蒸发器和第一冷凝器；第一流体导管，该第一流体导管用于将加热的流体从所述蒸发器传送到所述第一冷凝器；和第二流体导管，该第二流体导管用于使冷凝物从所述第一冷凝器返回到所述蒸发器；以及至少一个另外的冷凝器，该至少一个另外的冷凝器连接到所述第一流体导管并连接到所述第二流体导管，所述方法包括以下步骤：

通过提供连接到所述第二流体导管的膨胀室使得在所述设备内的蒸气相的工作流体能够膨胀，并且控制液体相的工作流体进入所述膨胀室的流动，以补偿所述工作流体蒸气的膨胀；以及

响应于从所述蒸发器流出的工作流体的温度的升高，使蒸气相的工作流体传到相关联的另外的冷凝器。

14.根据权利要求13的方法，其中，所述设备还包括在所述另外的冷凝器和所述第二流体导管之间的调节阀，并且其中，所述方法还包括使所述调节阀响应于从所述蒸发器流出的工作流体的温度的升高打开，从而使蒸气相的所述工作流体传到相关联的另外的冷凝器中。

15.根据权利要求13或14的方法，其中，相对于锅炉和所述第一冷凝器的高度选择所述另外的冷凝器的高度，使得当达到需要的压力时，由增加的压力产生的另外的蒸气空间开始露出所述至少一个另外的冷凝器的传热表面。

16.根据权利要求13或14的方法，进一步包括以下步骤：首先将所述膨胀室填充到第一预定压力，将工作流体引入以填充所述设备，然后将所述膨胀室中的压力降低到第二预定压力。

17.根据权利要求13或14的方法，其中通过气体对着柔性膜的一侧作用，对所述膨胀室加压，所述柔性膜的相对一侧与液体相的工作流体连通。

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