CN105042952B - 用于控制以兰金循环工作的闭合回路的设备及使用该设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制以兰金循环工作的闭合回路(10)的设备，所述回路包括用于液态形式流体的压缩/循环泵(12)，被热源(C)扫过以蒸发所述流体的换热器(20)，用于蒸汽形式流体的膨胀装置(32)，被冷源(F)扫过以冷凝工作流体的冷却换热器(44)，工作流体箱体(50)以及工作流体循环管路(60，62，64，66，68)。根据本发明，箱体(50)连接至压力调节装置(52，54)。

Description

用于控制以兰金循环工作的闭合回路的设备及使用该设备的 方法
技术领域
本发明涉及一种控制以兰金循环工作的闭合回路的设备，以及一种使用该设备的方法。
众所周知，兰金循环是其中来自外部热源的热量被传送至包含工作流体的闭合回路的热力学循环。
存在许多许多种类型的兰金循环回路，且更具体地，它们均涉及工作流体(液体/蒸汽)相变。
这种类型的循环通常被分解为其中之前以液态形式使用的工作流体被以等熵方式压缩的阶段，以及之后的其中该被压缩的液态流体在与热源接触时被加热和蒸发的阶段。
该蒸汽接着在另一阶段在膨胀机中以等熵方式被膨胀，随后，在最后一个阶段，该被膨胀的蒸汽在与冷源接触时被冷却和冷凝。
为执行这些不同的阶段，回路包括用于循环和压缩液态流体的压缩机泵，被热流体扫过以至少部分地蒸发被压缩的流体的蒸发器，膨胀蒸汽的膨胀机(诸如将蒸汽的能量变压器为如机械能或电能之类的另一种能量的涡轮机)，以及冷凝器，借助于该冷凝器包含在蒸汽中的热量屈服于冷源(通常在扫过该冷凝器的空气之外)以将这种蒸汽转变成液态形式的流体。
在这种类型的回路中，所使用的流体通常为水，但也可使用其他类型的流体，例如有机流体或有机流体混合物。
作为示例，有机流体可以是丁烷、乙醇、氢氟烃、氨、二氧化碳等。
背景技术
同样众所周知(特别是通过文献FR-2884555)，使用如尤其是那些用于机动车的内燃机的废气传递的热能，作为用于加热和蒸发流过蒸发器的流体的热源。
这能通过回收尾气中损失的能量的大部分并通过兰金循环回路将其变压器为可用于机动车的能量从而提高该内燃机的能效。
从而兰金循环回路允许提高内燃机能效以及有助于减少其中的消耗和排放。
在车用的上下文中，尤其是运输领域，获得兰金循环回路的工作流体的冷凝的冷源通常并不简单，在有些情形下，是消耗能源的。
进一步地，使用低沸点的工作流体(如有机流体(尤其是HFCs))以形成ORC(有机兰金循环)时，不能保证在冷凝器出口能达到流体的冷凝甚至过冷。如果没有足够的流体过冷，在当与使流体进入泵入口的吸气相关联的压力突然下降时会在压缩泵入口具有一定的气穴风险。
为保证回路上的泵不产生气穴，已知的是，如专利US-7174732中通过在冷凝器采取强制通风，其允许增加其中的换热能力并减少出口的流体温度，以控制过冷。
该选择包含重大的导致非常不利的缺点，因为其会因通风导致高能量消耗，其对于兰金回收循环的能效有不利的影响。
本发明致力于克服前述的缺点，提供一种替代该温度降低的手段，同时保证甚至在泵的瞬时操作期间泵入口也不存在气穴风险。
发明内容
本发明因此涉及一种用于控制以兰金循环工作的闭合回路的设备，所述回路包括用于液态形式流体的压缩/循环泵，被热源扫过以蒸发所述流体的换热器，用于蒸汽形式流体的膨胀装置，被冷源扫过以冷凝工作流体的冷却换热器，工作流体箱体以及工作流体循环管路，其特征在于箱体连接至压力调节装置。
压力调节装置可包括关联于排放装置的减压阀。
排放装置可包括阀。
减压阀可一方面连接至箱体，另一方面连接至压力源。
压力源可包括空气或氮气。
箱体可包括可扩张的部分以接纳箱体顶部空间。
本发明还涉及一种用于控制以兰金循环工作的闭合回路的方法，所述回路包括用于液态形式流体的压缩/循环泵，被热源扫过以蒸发所述流体的换热器，用于蒸汽形式流体的膨胀装置，被冷源扫过以冷凝工作流体的冷却换热器，工作流体箱体以及工作流体循环管路，其特征在于该方法包括调节箱体内的压力。
该方法可包括将连接至箱体的减压阀调节至某个值，从而设定的压力在冷却换热器出口处的流体的饱和压力的区域内。
该方法可包括当回路停滞时，产生高于环境压力的压力，从而防止外部空气流入。
附图说明
图1示出了用于控制以兰金循环运行的闭合回路的设备。参考附图1，阅读随后的通过非限制性的实施例的方式的说明，可以清楚了解本发明的其他特征和优点。
具体实施方式
在该附图中，兰金循环闭合回路10包括压缩以及循环工作流体的正排量泵12，为了简化在说明书中接下来均简称为泵，其具有用于液态形式工作流体的入口14，以及用于同样为液态形式的、但已在高压下被压缩的该工作流体的出口16。该泵有利地是由电动马达18驱动旋转。
仅为了举例，这里使用的工作流体为出自Honeywell的R245fa(C3H3F5)或出自3M公司的HFE7100(C5H3F9O)或出自Solvay公司的R365mfc(C4H5F5)。
该循环还包括换热器20(被称为蒸发器)，其被液态流体入口22和出口24之间的被压缩的工作流体横穿，且工作流体以被压缩的蒸汽形式经由出口24流出蒸发器。该蒸发器被来自于循环在内燃机30尤其是汽车发动机的废气管路28的废气的热源流过(箭头C)。
回路还包括膨胀机32，其通过其入口34接收高压压缩蒸汽形式的工作流体，该流体以低压膨胀蒸汽的形式经由该机器的出口36流出。
有利地是，该膨胀机可以膨胀涡轮机的形式出现，当驱动连接轴38时，该膨胀涡轮机的转子由蒸汽形式的工作流体驱动旋转。优选地，该轴能将回收的能量传送至任意变压器装置，诸如发电机40。
该膨胀机还可以是输出轴连接至变压器装置的往复活塞式或旋转活塞式机器。
如附图中虚线所示，该膨胀机还可以包括将该机器的转子连接至泵的转子的驱动轴42。在该构造中，泵的马达18能有利地被抑制，接着该泵的转子经由驱动轴42连接的涡轮机的转子的旋转来驱动。
回路还包括冷却换热器44(即冷凝器)，其具有被膨胀的低压蒸汽入口46，以及用于在通过该冷凝器后将工作流体转换为液态形式的出口48。冷凝器被冷源(通常为处于环境温度的冷空气流(箭头F))扫过以冷却被膨胀的蒸汽从而冷凝该蒸汽且将其转换为液态。当然，任意其他冷源(诸如水)均可用于蒸汽的冷凝。
该回路还包括闭合箱体50以允许将工作流体保持为液态。
该箱体包括压力调节装置，该压力调节装置包括关联于排放阀54形式的排放装置的减压阀52。
减压阀一方面连接至存在于箱体50的上部的顶部空间56中的气体(通常为空气)，另一方面连接至压力源58，诸如低压空气或氮气。该减压阀和排放阀由此允许为箱体内部尤其是其顶部空间提供可控的加压。
回路的各种元件通过流体循环管路60、62、64、66以及68相互连接，从而允许将泵连接至蒸发器(蒸发器管路60)，将蒸发器连接至涡轮机(涡轮机管路62)，将涡轮机连接至冷凝器(冷凝器管路64)，将冷凝器连接至泵(泵管路66)，以及将泵管路连接至箱体(箱体管路68)。
进一步地，回路包括设置在箱体管路68上的冷凝器44的出口的温度检测器70，以及设置在管路68上的泵的入口14处的压力检测器72。
还提供了用于减压阀和可选的排放阀54的控制单元74；其从这些检测器以及存在于回路中的任意其他检测器接收信息。
在回路操作期间，控制单元74用所设定的值来控制减压阀52，以使得箱体50的压力达到工作流体在冷凝器44出口处的饱和压力，且具有过冷安全余量(如10℃)。
仅作为示例，在R365mfc的情况下，对于检测器70在冷凝器出口处测量到的对应于工作流体的4bar的饱和压力的温度85℃，该减压阀52被控制为具有等价于流体在95℃的温度的饱和压力的5.2bar压力的设定值。
从而构造成，减压阀恒定地确保泵入口处的流体具有足够的过冷水平(如10℃)，且几近完全没有汽相或气相中的流体，因此避免了泵处的气穴风险。
当泵在瞬时状况下操作时，关联于排放阀54的减压阀52允许调节泵的入口的压力。泵的该瞬时操作发生在热源的瞬时操作(热能增加或减少)期间，该热源需要对兰金循环中的热载体流率进行持续调节以使其在蒸发器出口的温度保持稳定。
因此，当泵增加其循环流率时，存在于箱体50内的工作流体的液面下降。该液面下降接着导致箱体的顶部空间56的压力下降。接着该压力下降通过致动减压阀来进行补偿，该减压阀允许空气或氮气在压力下进入该箱体，直至达到泵入口处所需的压力水平，从而确保冷凝器出口处的有利的冷凝条件。
相反，当泵12降低其循环流率时，从冷凝器44返回至箱体50的工作流体流动大于该流体从该箱体至泵的初始流动，箱体的液面因此提高，从而导致顶部空间56的压力上升。
然后通过控制单元74或自动地打开排放阀以排出顶部空间的部分气体，从而限制箱体的压力的增加，该增加可能对回收循环的能效是有害的。
当然，在不背离本发明的范围的情况下，能够提供通过在冷凝器出口处测量到的流体温度的饱和压力(如果可变)来控制的对减压阀的可变压力调节。
同样，能够提供具有“可扩张”顶部空间的例如囊状类型的箱体，以将工作流体与加压流体隔离开，以防止在蒸汽形式的工作流体是有害的情况下通过排放阀将蒸汽形式的工作流体排放至环境中。
在具有调节装置的情况下，由此确保对回路的低压部分(管路66、管路68以及箱体50)中的压力的最优调节。这允许具有工作流体的良好冷凝，且因此没有气穴风险，同时限制了回路的低压部分中的压力上升中所固有的回收循环的能效降低。
进一步地，当回路停滞时，其中的元件冷却至外部环境温度，有些情况下会低于0℃。
在这些情形下，在没有任何特定装置的情况下，回路中的压力将会是流体该温度下的饱和蒸汽压力。
对于一些热载体，饱和蒸汽压力会严重地负压，从而在更长的停滞期间产生空气侵入回路的风险。为了防止该效应(在重启时很有可能干扰回收回路的正确操作)，箱体需要通过减压阀来加压至略高于大气压力的值，因此不会发生外部空气的侵入。

Claims (8)

1.一种用于控制以兰金循环工作的闭合回路的设备，所述回路包括用于液态形式的工作流体的压缩/循环泵，设置在所述压缩/循环泵的入口处的压力检测器，被热源扫过以蒸发所述工作流体的换热器，用于蒸汽形式的工作流体的膨胀装置，被冷源扫过以冷凝所述工作流体的冷却换热器，设置在所述冷却换热器的出口的温度检测器，工作流体箱体以及工作流体循环管路，其特征在于所述工作流体箱体连接至压力调节装置，所述压力调节装置包括关联于排放装置的减压阀，所述设备还包括用于所述减压阀和所述排放装置的控制单元，所述控制单元使用来自所述温度检测器以及来自所述压力检测器的信息来控制所述减压阀，并且其中所述控制单元被配置成当所述压缩/循环泵增加其循环流率时，致动所述减压阀直至达到所述压缩/循环泵入口处所需的压力水平，以及所述压缩/循环泵降低其循环流率时打开所述排放装置。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述排放装置包括阀。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述减压阀一方面连接至所述工作流体箱体，另一方面连接至压力源。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，压力源包括空气或氮气。
5.如上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述工作流体箱体包括可扩张部分以接纳箱体顶部空间。
6.一种控制以兰金循环工作的闭合回路的方法，所述回路包括用于液态形式的工作流体的压缩/循环泵，设置在所述压缩/循环泵的入口处的压力检测器，被热源扫过以蒸发所述工作流体的换热器，用于蒸汽形式的工作流体的膨胀装置，被冷源扫过以冷凝所述工作流体的冷却换热器，设置在所述冷却换热器的出口的温度检测器，工作流体箱体以及工作流体循环管路，其特征在于，所述方法包括使用连接至所述工作流体箱体的压力调节装置来调节所述工作流体箱体内的压力，其中所述压力调节装置包括关联于排放装置的减压阀，所述调节还包括使用来自所述温度检测器以及来自所述压力检测器的信息来控制所述减压阀以调节所述工作流体箱体内的压力，
其中所述调节还包括当所述压缩/循环泵增加其循环流率时，致动所述减压阀直至达到所述压缩/循环泵入口处所需的压力水平，以及所述压缩/循环泵降低其循环流率时打开所述排放装置。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括将连接至所述工作流体箱体的所述减压阀调节至一个值，以使得所设定的压力在冷却换热器出口处的所述工作流体的饱和压力的区域内。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括当所述回路停滞时，产生高于环境压力的压力以防止外部空气流入。
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