CN104420901A - 具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器及其方法 - Google Patents

Abstract

一种具气态工作流体最小压力控制机制的热交换器，应用于热机循环系统，包括一蒸发器、一流量控制阀、一压力感测器以及一控制器。蒸发器用以加热一工作流体至一气态。蒸发器具有一液态工作流体入口管路以及一气态工作流体出口管路。流量控制阀设置于气态工作流体出口管路上。压力感测器设置于流量控制阀的上游，用以检测蒸发器内工作流体的蒸发压力。控制器用以调整流量控制阀的开度，以保持蒸发器内工作流体的最小蒸发压力。

Description

具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器及其方法

技术领域

本发明涉及一种热传装置，且特别涉及一种应用于热机循环系统的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器。 

背景技术

中低温废热发电市场近几年蓬勃发展，其中有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)为目前中低温废热发电技术中最为成熟且具经济效益的一种技术。有机朗肯循环为一封闭热机循环系统，其关键元件和工作原理如下：(1)工作流体升压泵(pump)：升压液态工作流体，并送入蒸发器中加热；(2)蒸发器(evaporator)：吸取热源流体的热能，以汽化工作流体；(3)膨胀机及发电机组(expander and power generator)：转换工作流体的热能和压力能为膨胀机的轴功率(shaft power)，再经由发电机产生电力；(4)冷凝器(condenser)：冷凝做功后的气态工作流体成为液态，并送往工作流体升压泵的入口，完成循环。 

有机朗肯循环(ORC)属于双循环系统(binary cycle system)。其一，ORC回路中的工作流体，经历液泵升压、蒸发器汽化、膨胀机做功、冷凝器液化等过程，完成密闭式热机循环系统。其二，来自热源的热流(hot stream)，则通过蒸发器，将热能传递给工作流体。在蒸发器内，工作流体通过热传介质（例如：壳管式热交换器的热传管、板式热交换器的热传板）吸收热流热能。热流于蒸发器放热后，即经由蒸发器的热流出口流回至外界环境。视热流出口的温度与流量，热流可能直接排放或再利用。 

在一应用中，低温热能发电的ORC系统，若热流于蒸发器内放热后，被导引至下游热工艺再利用，则必须限制热流出口的最低温度，以确保下游热工艺的品质要求。另外，应用于以常温水（或海水）为热源，以液态天然气、液态氮或液态氧为工作流体的极低温ORC发电系统，则必须限制热流（常温水或表层海水）出口的最低温度，防止热流结冰，以免导致因热流结冰造成蒸发器破裂、损毁和工作流体泄漏等问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于热机循环系统的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器及热机循环系统，以限流的方式调整蒸发器内工作流体的蒸发压力，以使工作流体的蒸发压力保持在最小压力设定值以上。 

本发明是利用一种气态工作流体最小压力持压控制方法，以限流的方式调整蒸发器内工作流体的蒸发压力，以使工作流体的蒸发压力保持在最小压力设定值以上。 

根据本发明的一方面，提出一种具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器，包括一蒸发器、一流量控制阀、一压力感测器以及一控制器。蒸发器用以加热一工作流体至一气态。蒸发器具有一液态工作流体入口管路以及一气态工作流体出口管路。流量控制阀设置于气态工作流体出口管路上。压力感测器设置于流量控制阀的上游，用以检测蒸发器内工作流体的蒸发压力。控制器用以调整流量控制阀的开度，以控制蒸发器内工作流体的最小蒸发压力。 

根据本发明的一方面，提出一种具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，包括一蒸发器、一流量控制阀、一压力感测器、一控制器、一冷凝器、一发电模块以及一泵。蒸发器用以加热一工作流体至一气态。蒸发器具有一液态工作流体入口管路以及一气态工作流体出口管路。流量控制阀设置于气态工作流体出口管路上。压力感测器设置于流量控制阀的上游，用以检测蒸发器内工作流体的蒸发压力。控制器用以调整流量控制阀的开度，以控制蒸发器内工作流体的最小蒸发压力。冷凝器用以冷却工作流体至一液态。发电模块藉由一第一管路连接流量控制阀的一出口，并藉由一第二管路连接冷凝器的一入口。泵藉由一第三管路连接冷凝器的一出口，并藉由一第四管路连接蒸发器的一入口。 

根据本发明的一方面，提出一种气态工作流体最小压力持压控制方法，包括下列步骤。提供一蒸发器，并通入一工作流体至蒸发器中，以加热工作流体至一气态。设置一流量控制阀于蒸发器的一出口。检测蒸发器内工作流体的蒸发压力。调整流量控制阀的开度，以控制蒸发器内工作流体的蒸发压力。 

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。 

附图说明

图1绘示依照本发明一实施例的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器； 

图2绘示依照本发明一实施例的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统； 

图3绘示依照本发明一实施例的气态工作流体最小压力持压控制方法的各个步骤； 

图4绘示有机朗肯循环(ORC)系统中温度-熵的性能图。 

其中，附图标记 

100：热机循环系统 

101：热交换器 

110：蒸发器 

111：热流管路 

112：液态工作流体入口管路 

114：气态工作流体出口管路 

120：流量控制阀 

121：第一管路 

122：第二管路 

123：第三管路 

124：第四管路 

130：压力感测器 

132：温度感测器 

134：温度感测器 

140：控制器 

142：控制平台 

150：发电模块 

151：膨胀机 

152：发电机 

160：冷凝器 

170：泵 

F：工作流体 

C:冷流 

H：热流 

In：入口 

Out：出口 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述： 

在本实施例的一范例中，以限流的方式调整蒸发器内工作流体的蒸发压力。例如：在蒸发器的出口处设置一流量控制阀，并以一压力计来量测工作流体的蒸发压力。当蒸发器内的工作流体处于汽液两相状态时，蒸发压力与蒸发温度是彼此相依的。蒸发温度是指液态的工作流体在一定的压力下蒸发或沸腾时的饱和温度（沸点），此时的压力称为蒸发压力。保持蒸发器内工作流体的蒸发压力在最小压力设定值以上，即可保持工作流体离开蒸发器的出口温度在设定温度以上。 

在一实施例中，控制工作流体的蒸发压力的目的是防止热流于蒸发器内结霜或结冰，造成蒸发器热传功能降低，甚至损毁。应用于以常温水（或海水）为热源的ORC系统中，常温水（或海水）作为蒸器器的热流，一旦蒸发器的热流出口温度过低时，可能造成蒸发器内热传介质（例如：壳管式热交换器的热传管、板式热交换器的热传板）阻塞或破损。传统做法为了避免这种情况的发生，就必须控制蒸发器的热流出口温度在某一设定值以上，一旦热流出口温度过低，就停止ORC系统的运转，无法持续发电，因而无法达到充分利用的目的。 

在本实施例的一范例中，控制工作流体的蒸发压力的方法通常利用流量控制阀（或蒸发器压力调节器）控制蒸发器内的压力。只要将蒸发器出口的压力控制在设定值以上，就可以避免蒸发器内热流的结冰、冻结之虞。流量控制阀（或蒸发压力调节器）可以根据热流的流量大小调节蒸发器出口的压力，确保蒸发器出口的压力在最小压力设定值以上。 

在一实施例中，当蒸发器内热流的流量不足或热流在蒸发器出口的温度低 于设定值时，蒸发器内工作流体的压力随之下降。当压力感测器（压力计）检测到工作流体的压力低于设定值时，启动流量控制阀，藉由控制阀体的孔口大小或匣门开度，限制工作流体通过控制阀的流量，以限流手段达到蒸发器内工作流体最小压力保持和限制热流在蒸发器的出口最低温度的目的，以控制热流的出口温度在冰点或凝固点以上。 

以下是提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。 

请参照图1，其绘示依照本发明一实施例的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器101，其包括一蒸发器110、一流量控制阀120、一压力感测器130以及一控制器140。蒸发器110用以加热一工作流体F至一气态。蒸发器110内例如设有一个或多个热流管路111，由入口In通向出口Out，使来自于热源的热流H通过热流管路111将热能传递给工作流体F。蒸发器110具有一液态工作流体入口管路112以及一气态工作流体出口管路114，使工作流体F经由液态工作流体入口管路112进入后，可在蒸发器110内蒸发、汽化，并由液态变为气态，之后再由气态工作流体出口管路114排出。 

在一实施例中，蒸发器110可为壳管式热交换器或板式热交换器。上述的热流管路111可为壳管式热交换器的热传管或板式热交换器的热传板等。此外，应用在有机朗肯循环中，可利用常压低沸点的有机物质(例如：冷媒、碳氢化合物)为工作流体，并可利用工业废热、地热、温泉或太阳能等多样化的中低温热源来加热工作流体，使工作流体在蒸发器110内蒸发、汽化，汽化后的工作流体再导引至发电模块150(参见图2)做功并发电。 

另外，应用在极低温ORC发电系统，可利用常温水（或表层海水）为热流来加热低沸点工作流体(例如：丙烷、R507A等)，使工作流体在蒸发器110内蒸发、汽化，汽化后的工作流体再导引至发电模块150（参见图2）做功并发电。当工作流体于ORC蒸发器内的压力过低时(例如：以R507A为工作流体，其压力低于703kPa时，其液态饱和温度低于5℃)，工作流体温度随之调降(在两相共存时，工作流体的压力和温度相依)，造成热流(常温水或表层海水)温度降低，达到冰点温度，造成热流结霜、结冰等堵塞现象。因此，若将蒸发器内工作流体保持于某一设定压力值以上时(例如：以R507A为工作流体，其压力高于703kPa时，R507A的液态饱和温度高于5℃)，热流出口温度将高于 某温度设定值以上，免除热流有结霜、结冰之虞。 

在一实施例中，为了确保热流H的出口温度，以限流的方式调整蒸发器110内工作流体的蒸发压力，以使工作流体的蒸发压力保持在最小压力设定值以上。请参照图1，流量控制阀120设置于气态工作流体出口管路114上，用以控制工作流体F的流量。此外，压力感测器130设置于流量控制阀120的上游，用以检测蒸发器110内工作流体的蒸发压力并输出一蒸发压力信号。另外，控制器140（或控制平台，参见图2）用以接收蒸发压力信号，并调整流量控制阀120的开度。 

在一实施例中，流量控制阀120的种类可分为节流阀(Throttle valve)、止回节流阀(Throttle-Check Valve)、压力补偿型流量控制阀(Pressure Compensated Flow Control Valve)、温度补偿型流量控制阀(Temperature Compensated Flow Control Valve)以及温度压力补偿型流量控制阀(Temperature-Pressure Compensated Flow Control Valve)。若依节流的型式，可分为闸门(sluice gate)流量控制、孔口板(Orifice plate)流量控制、球阀(globe valve)流量控制或其他型式的流量控制阀。 

控制器140例如以机械控制或电磁控制的方式调整流量控制阀120的开度，并接收压力感测器130所输出的蒸发压力信号，藉以判断工作流体的蒸发压力是否小于一最小压力设定值，若是，限制流量控制阀120的开度。因此，当蒸发器110内的蒸发压力低于设定值时，调整流量控制阀120的开度或孔口大小，而当蒸发器110内的蒸发压力大于或等于最小压力设定值时，流量控制阀120保持全开。 

在上述实施例中，压力感测器130可设置于流量控制阀120的入口端或蒸发器110的气态工作流体出口管路114上，以检测蒸发压力。 

另外，在另一实施例中，压力感测器130可被一温度感测器132所取代或同时使用。温度感测器132用以检测蒸发器110内工作流体的蒸发温度并输出一蒸发温度信号。温度感测器132可设置于流量控制阀120的入口端或蒸发器110的气态工作流体出口管路114上，或是配置于蒸发器110内工作流体的入口侧。无论是检测蒸发压力或蒸发温度，只要将蒸发器110出口的最小压力控制在一定的数值即可。 

上述实施例中，虽以三个独立的元件（流量控制阀120、压力感测器130 以及控制器140）来实施本发明，但上述三个独立的元件可组成单一控制元件（例如：蒸发器压力调节器），本发明对此不加以限制。此外，在另一实施例中，流量控制阀120、温度感测器132以及控制器140可为三个独立的元件，亦可将此三个独立的元件组成单一控制元件（例如：蒸发器温度调节器），本发明对此不加以限制。 

上述的蒸发器压力调节器安装在蒸发器110的出口管路114中，主要由金属波纹管、活塞、弹簧等组成，在管路中形成了一个可调节工作流体流量的阀门。当蒸发器110出口处工作流体的压力降低时，作用在活塞上的力若小于金属波纹管内弹簧的弹力，活塞横向移动，以使阀门的开度减小，此时，工作流体的流量也随之减小，并使蒸发器110出口处的压力升高。反之，作用在活塞上的力若大于金属波纹管内弹簧的弹力，活塞反向移动，阀门开度增大，以增加工作流体的流量，并使蒸发器110出口处的压力减小。 

接着，在图1中，为了确保热流出口的温度，更可设置一温度感测器134于蒸发器110的热流出口Out侧。温度感测器132用以检测热流管路111的出口温度并输出一温度信号。控制器140（或控制平台，参见图2）接收温度信号，并进一步判断热流管路111的出口温度是否小于一最小温度设定值（以水为例，例如是常压下的结冰温度0℃），若是，限制流量控制阀120的开度，以避免出口温度过低。另一方面，当热流出口温度大于或等于最小温度设定值时，流量控制阀120保持全开。 

请参照图2，其绘示依照本发明一实施例的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统100。此热机循环系统100包括一蒸发器110、一流量控制阀120、一压力感测器130、一控制器140、一发电模块150、一冷凝器160以及一泵170。蒸发器110用以加热工作流体F至一气态。冷凝器160用以冷却一工作流体F至一液态。发电模块150藉由一第一管路121连接流量控制阀120的一出口，并藉由一第二管路122连接冷凝器160的一入口。此外，泵170藉由一第三管路123连接冷凝器160的一出口，并藉由一第四管路124连接蒸发器110的一入口，以形成一封闭回路。因此，此热机循环系统可为一封闭热机循环系统。 

上述的发电模块150例如是由膨胀机（例如：涡轮机、螺旋式膨胀机、涡卷式膨胀机）以及发电机组合而成。请参照图2，在一实施例中，具有高温蒸 汽状态的工作流体F的热能和压力能转换为膨胀机151的轴功率，再将工作流体F膨胀做功产生的机械能输入至发电机152，并由发电机152产生电力。此外，做功完后的工作流体F流经冷凝器160，并通过热传介质中的冷流C吸收工作流体F的热能，而成为液态工作流体F，接着，藉由泵170升压液态工作流体F，并送入蒸发器110中加热，以构成一热机循环系统。 

有关蒸发器110、流量控制阀120、压力感测器130以及控制器140的工作原理，请参照图1及相关内容，以下略述气态工作流体最小压力持压控制方法。请参照图3，其绘示依照本发明一实施例的气态工作流体最小压力持压控制方法的各个步骤。首先，在步骤301中，提供一蒸发器110，并通入一工作流体F至蒸发器110中，以加热工作流体F至一气态。在步骤302中，设置一流量控制阀120于蒸发器110的一出口上。在步骤303中，检测蒸发器110内工作流体F的蒸发压力。此蒸发压力例如以电信号输出至一控制器140（或控制平台，参见图2）。在步骤304中，以一控制器140调整流量控制阀120的开度，以控制蒸发器110内工作流体F的最小蒸发压力。在步骤304中，控制器140（或控制平台）判断工作流体F的蒸发压力是否小于一最小压力设定值，若是，限制流量控制阀120的开度。 

由上述的控制方法可知，以限流的方式调整蒸发器110内工作流体的蒸发压力，可使工作流体的蒸发压力保持在最小压力设定值以上。 

请参照图4，其绘示有机朗肯循环(ORC)系统中温度-熵的性能图。当热流H的入口温度降低（由Ti变为Ti’）或流量不足时，传统的ORC系统自动调降内部循环回路中泵170出口处工作流体的流量，如图2所示，控制平台控制泵170出口处工作流体的流量。此时，蒸发器110内工作流体的压力亦随之降低，此方式同时降低热流于ORC蒸发器110内放热后的出口温度（由T0变为T0’）。然而，为了避免热流（例如烟气）温度降低后，NOx、SOx对烟道产生腐蚀作用，均会设定最低排烟温度，使得ORC系统在热流（例如烟气）出口温度低于设定温度时停机，烟气直接以高温状态排放，其残余的热能无法供给下流热工艺使用，造成热源的取热量受到限制，系统的操作范围受限，以及系统的发电量无法提升等问题。若以烟气作为ORC蒸发器的热流，当工作流体压力低于某一压力时(例如：以R245fa为工作流体，当压力低于1569kPa时，工作流体的饱和温度低于110℃)，热流于蒸发器出口温度，将有可能低于 110℃，甚或低于热流的酸露点温度以下，造成烟囱管壁腐蚀、破损。因此，藉由本最小压力保持装置，限制蒸发器内工作流体压力在某一设定值以上时(例如：以R245fa为工作流体，当压力高于1569kPa)，可以保证热流于热交换器出口温度在某一设定值以上，免除热流温度低于其酸露点温度之虞。 

同样，应用在低温热能发电的ORC系统中，当海水温度因季节更迭温度下降或流量不足时，传统的ORC系统自动调降内部循环回路中泵170出口处工作流体的流量，同时海水于蒸发器110内放热后的出口温度也会随之降低（由T0变为T0’）。然而，为了避免海水出口温度降低后，有结冰的风险，均会设定最低出口温度，使得ORC系统在海水出口温度低于设定温度时停机，因而造成热源的取热量受到限制，系统的操作范围受限，以及系统的发电量无法提升等问题。 

本发明上述实施例所揭露的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器及热机循环系统和应用其的控制方法，是利用限流的方式调整蒸发器内工作流体的蒸发压力，以使工作流体的蒸发压力保持在最小压力设定值以上。由热力学第二定律知，冷、热流于蒸发器内做热交换时，热流侧的温度恒高于冷流侧温度，故限制冷流测（工作流体）的最低温度（或最低蒸发压力）即可使热流侧的热流出口温度维持在一定温度以上。因此，本发明可扩大ORC系统的操作范围，提升中低温热能转换为电力的可利用率，增加ORC系统总发电量，以避免传统ORC系统必须于热流出口温度低于设定温度时停机所造成的问题。 

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。 

Claims (19)

1.一种具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器，应用于热机循环系统，其特征在于，包括： 

一蒸发器，用以加热一工作流体至一气态，该蒸发器具有一液态工作流体入口管路以及一气态工作流体出口管路； 

一流量控制阀，设置于该气态工作流体出口管路上； 

一压力感测器，设置于该流量控制阀的上游，用以检测该蒸发器内该工作流体的蒸发压力；以及 

一控制器，用以调整该流量控制阀的开度，以控制该蒸发器内该工作流体的最小蒸发压力。 

2.根据权利要求1所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器，其特征在于，该控制器判断该工作流体的蒸发压力是否小于一最小压力设定值，若是，限制该流量控制阀的开度。 

3.根据权利要求2所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器，其特征在于，该工作流体的蒸发压力大于或等于该最小压力设定值时，该流量控制阀保持全开。 

4.根据权利要求1所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器，其特征在于，该蒸发器更包括一热流管路以及一温度感测器，该温度感测器用以检测该热流管路的出口温度。 

5.根据权利要求4所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器，其特征在于，该控制器判断该热流管路的出口温度是否小于一最小温度设定值，若是，限制该流量控制阀的开度。 

6.根据权利要求5所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器，其特征在于，该热流管路的出口温度大于或等于该最小温度设定值时，该流量控制阀保持全开。 

7.根据权利要求1所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器，其特征在于，该控制器以机械控制或电磁控制的方式调整该流量控制阀的开度。 

8.根据权利要求1所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器， 其特征在于，该流量控制阀的节流型式包括闸门、孔口板或球阀。 

9.一种具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，其特征在于，包括： 

一蒸发器，用以加热一工作流体至一气态，该蒸发器具有一液态工作流体入口管路以及一气态工作流体出口管路； 

一流量控制阀，设置于该气态工作流体出口管路上； 

一压力感测器，设置于该流量控制阀的上游，用以检测该蒸发器内该工作流体的蒸发压力；以及 

一控制器，用以调整该流量控制阀的开度，以控制该蒸发器内该工作流体的最小蒸发压力； 

一冷凝器，用以冷却该工作流体至一液态； 

一发电模块，藉由一第一管路连接该流量控制阀的一出口，并藉由一第二管路连接该冷凝器的一入口；以及 

一泵，藉由一第三管路连接该冷凝器的一出口，并藉由一第四管路连接该蒸发器的一入口。 

10.根据权利要求9所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，其特征在于，该控制器判断该工作流体的蒸发压力是否小于一最小压力设定值，若是，限制该流量控制阀的开度。 

11.根据权利要求10所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，其特征在于，该工作流体的蒸发压力大于或等于该最小压力设定值时，该流量控制阀保持全开。 

12.根据权利要求9所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，其特征在于，该蒸发器更包括一热流管路以及一温度感测器，该温度感测器用以检测该热流管路的出口温度。 

13.根据权利要求12所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，其特征在于，该控制器判断该热流管路的出口温度是否小于一最小温度设定值，若是，限制该流量控制阀的开度，该最小温度设定值为热流的冰点。 

14.根据权利要求13所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，其特征在于，该热流管路的出口温度大于或等于该最小温度设定值时，该流量控制阀保持全开。 

15.根据权利要求9所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，其特征在于，该控制器以机械控制或电磁控制的方式调整该流量控制阀的开度。 

16.根据权利要求9所述的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，其特征在于，该流量控制阀的节流型式包括闸门、孔口板或球阀。 

17.一种气态工作流体最小压力持压控制方法，其特征在于，包括： 

提供一蒸发器，并通入一工作流体至该蒸发器中，以加热该工作流体至一气态； 

设置一流量控制阀于该蒸发器的一出口； 

检测该蒸发器内该工作流体的蒸发压力；以及 

调整该流量控制阀的开度，以控制该蒸发器内该工作流体的最小蒸发压力。 

18.根据权利要求17所述的气态工作流体最小压力持压控制方法，其特征在于，该工作流体的蒸发压力小于一最小压力设定值时，限制该流量控制阀的开度。 

19.根据权利要求18所述的气态工作流体最小压力持压控制方法，其特征在于，该工作流体的蒸发压力大于或等于该最小压力设定值时，该流量控制阀保持全开。