CN105089721A - 热能回收装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热能回收装置和控制方法。本发明的热能回收装置包括：循环流路，将加热器、膨胀机、冷凝器及循环泵连接，使工作介质循环；旁通阀，设置在将循环流路中的比膨胀机靠上游侧的部位和膨胀机的下游侧的部位连接的旁通路中；动力回收机，与膨胀机连接；循环泵，将由冷凝器冷凝后的工作介质向加热器输送；冷却介质泵，向冷凝器输送冷却介质；上游侧传感器，检测循环流路中的膨胀机的上游侧的工作介质的压力或温度；和控制部，控制旁通阀及冷却介质泵，控制部在循环泵停止后将旁通阀打开，在膨胀机的上游侧的工作介质的压力或温度成为阈值以上的情况下，使冷却介质泵驱动。

Description

热能回收装置和控制方法

技术领域

本发明涉及将排热回收的热能回收装置。

背景技术

以往已知有将地热水等的热能回收的热能回收装置，其代表性的是双循环发电装置。

在日本特开平11－107906号中公开了双循环发电系统的一例。该双循环发电系统具有依次连接蒸发器、螺旋式涡轮机及冷凝器而使工作介质循环的闭环。在闭环中的将螺旋式涡轮机的上游侧和下游侧连接的旁通路中设置有压力调节阀。当设置在闭环中的螺旋式涡轮机的上游侧的压力传感器的检测值超过设定值时，压力调节阀打开。在闭环中的蒸发器与冷凝器之间设置有自动阀。自动阀通常打开，且设定为当发生某种故障而断电时自动地关闭。如果断电而自动阀关闭，则不向蒸发器供给工作介质，所以即使向蒸发器供给热源流体，在蒸发器中也不继续工作介质的蒸发，抑制了设置在闭环中的安全阀由于异常的压力上升而工作。

但是，在上述现有技术中，在断电的状态下，向冷凝器供给冷却水的冷却水泵保持停止的状态，所以不进行由冷却水对工作介质进行的强制冷却。因此，即使压力传感器的检测值超过设定值而使压力调节阀打开，使闭环内的压力下降的效率也不充分，不一定能够防止安全阀的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种在循环泵停止后能够抑制工作介质的循环流路中的压力的过度上升的热能回收装置。

作为解决上述课题的手段，本发明是一种热能回收装置，包括：加热器，通过使热介质与工作介质热交换，将该工作介质加热；膨胀机，从上述加热器流出的工作介质流入该膨胀机；动力回收机，与上述膨胀机连接；冷凝器，通过与冷却介质的热交换，使从上述膨胀机流入的工作介质冷凝；循环泵，将由上述冷凝器冷凝后的工作介质向上述加热器输送；供工作介质循环的循环流路，将上述加热器、上述膨胀机、上述冷凝器及上述循环泵相连；旁通路，将上述循环流路的比上述膨胀机靠上游侧的部位与比上述膨胀机靠下游侧的部位连接；旁通阀，设置在上述旁通路中；冷却介质泵，将上述冷却介质输送至上述冷凝器；和控制部；上述控制部在检测到上述循环泵停止时，为了使由上述加热器蒸发的工作介质冷凝，而执行连通控制，该连通控制是通过打开上述旁通阀而经由上述旁通路将上述加热器与上述冷凝器连通的控制。

在本热能回收装置中，由于在循环泵停止后，能够将由加热器蒸发的工作介质迅速地向冷凝器输送，所以防止了由于利用加热器将工作介质加热而使循环流路内的压力过度地上升。

在本发明中优选的是，上述控制部在检测到上述循环泵停止时，为了使由上述加热器蒸发的工作介质冷凝，而执行供给控制，该供给控制是使上述冷却介质泵驱动而向上述冷凝器供给冷却介质的控制。

如果这样，则能够容易地控制冷却介质的流量。

此外，在本发明中优选的是，还包括配置在上述循环流路中的从上述加热器至上述冷凝器的路径中且检测工作介质的压力或温度的传感器，上述控制部先仅进行上述连通控制，在上述传感器的检测值成为阈值以上的情况下进行上述供给控制。

如果这样，则防止了不必要地输送冷却介质。

此外，在本发明中优选的是，还包括配置在上述循环流路中的上述加热器与上述膨胀机之间的部位且检测工作介质的压力或温度的传感器，上述控制部在上述传感器的检测值成为阈值以上的情况下，进行上述连通控制和上述供给控制。

如果这样，则防止了不必要地输送冷却介质。

此外，在本发明中优选的是，还包括将工作介质向上述膨胀机的流入截止的截止阀，上述控制部对应于上述循环泵的停止而将上述截止阀关闭。

如果这样，则能够将蒸发的全部量的工作介质经由旁通路输送至冷凝器，能够更迅速地使压力降低。

此外，本发明是一种热能回收装置的控制方法，上述热能回收装置包括：使工作介质在加热器、膨胀机、冷凝器及循环泵之间循环的循环流路；和与上述膨胀机连接的动力回收机，上述控制方法是上述热能回收装置停止时的压力控制方法，所述热能回收装置的控制方法包括：停止步骤，使上述循环泵停止；连通步骤，在上述停止步骤后，将上述加热器与上述冷凝器连通；和供给步骤，是在上述停止步骤后向上述冷凝器供给冷却介质的控制。

在本控制方法中，防止了在循环泵停止后由于利用加热器将工作介质加热而使循环流路内的压力过度地上升。

如以上说明的那样，根据本发明，能够提供一种在循环泵停止后能够抑制工作介质的循环流路中的压力的过度上升的热能回收装置。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的热能回收装置的结构的框图。

图2是表示热能回收装置的控制部的工作的流程图。

图3是表示本发明的第2实施方式的热能回收装置的结构的框图。

图4是表示热能回收装置的控制部的工作的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式详细说明。

（第1实施方式）

图1是表示本发明的第1实施方式的热能回收装置1的结构的框图。在图1中，实线的箭头表示各种介质的流动，虚线的箭头表示电信号的流动。热能回收装置1包括加热器2、膨胀机3、冷凝器5、循环泵7、作为动力回收机的发电机4、冷却介质泵6、循环流路8和控制部14。热能回收装置1还包括截止阀13、上游侧传感器9、上游侧安全阀17和下游侧安全阀18。发电机4与膨胀机3连接。在循环流路8中依次连接着加热器2、膨胀机3、冷凝器5及循环泵7，工作介质在这些部件之间循环。作为工作介质，可以使用例如R245fa等比水沸点低的低沸点有机介质（氟利昂等）。在以下的说明中，将循环流路8中的作为膨胀机3的上游侧的部位的加热器2与膨胀机3之间的部位称为“上游路81”。将循环流路8中的作为膨胀机3的下游侧的部位的膨胀机3与冷凝器5之间的部位称为“下游路82”。循环流路8包括绕过膨胀机3的旁通路11和设置在旁通路11中的旁通阀12。控制部14进行截止阀13和旁通阀12的开闭控制、以及循环泵7和冷却介质泵6的驱动控制。

加热器2具有供工作介质流动的流路和供热介质流动的流路，在工作介质与热介质之间进行热交换，将液相工作介质加热而使其蒸发。在重力方向上，加热器2位于比冷凝器5靠下方的位置。作为热介质，例如利用来自船舶等的内燃机的排热或从增压器放出的压缩空气等。此外，可以举出从压缩机放出的高温压缩气体等，但并没有特别限定。在热能回收装置1中，不论是驱动时或停止时，热介质都总是或断续地向加热器2流入。

膨胀机3是螺旋膨胀机，配置在循环流路8中的加热器2的下游侧。从加热器2流出的气相工作介质流入膨胀机3。作为膨胀机，也可以使用涡旋式或涡轮式。在膨胀机3中，通过工作介质膨胀，使膨胀机3内的转子旋转。由此，由与膨胀机3连接的发电机4进行发电。

冷凝器5具有供冷却介质流动的流路和供工作介质流动的流路，在冷却介质与从膨胀机3流入的工作介质之间进行热交换，将工作介质冷却而冷凝。另外，在循环流路8中，在冷凝器5与循环泵7之间也可以设置贮存液相工作介质的贮存器。冷却介质被设置在冷却介质流路16中的冷却介质泵6向冷凝器5输送，在冷凝器5中从工作介质带走热。冷却介质泵6例如是包括叶轮作为转子的离心泵、转子是由一对齿轮构成的齿轮泵等。

循环泵7设置在循环流路8中的冷凝器5与加热器2之间，将由冷凝器5冷凝后的工作介质向加热器2输送。作为循环泵7，例如利用离心泵或齿轮泵。循环泵7将自身是工作中还是停止中的信息发送至控制部14。这里，所谓循环泵7停止，不仅是循环泵7的加压部停止，还包括进行对于驱动该加压部的驱动部的停止控制且加压部实质上不对工作介质进行加压的状态。

旁通路11的两端部与作为膨胀机3的上游侧的部位的上游路81及作为下游侧的部位的下游路82连接。通过设置旁通路11，使得从加热器2流出的工作介质能够绕过膨胀机3向冷凝器5流入。在旁通路11中设置有旁通阀12。该旁通阀12可以是仅能够开闭的开闭阀，或者也可以是能够调节开度的流量控制阀。

截止阀13位于上游路81中的比与旁通路11的端部连接的位置靠膨胀机3侧的位置。通过将截止阀13关闭，而将工作介质从加热器2向膨胀机3的流入截止。截止阀13能够由后述的控制部14控制其开闭。

上游侧传感器9是压力传感器，位于加热器2与截止阀13之间，检测上游路81中的工作介质的压力P1。上游侧传感器9将与检测值对应的信号发送至控制部14。

上游侧安全阀17位于加热器2与截止阀13之间。当上游路81中的工作介质的压力P1超过上限值th1时，上游侧安全阀17开放。上限值th1是上游路81的设计压力（或允许压力）。通过将上游侧安全阀17开放，使得工作介质向外部逸出，所以防止了上游路81的压力异常地增大。

下游侧安全阀18位于下游路82中，当下游路82中的气相工作介质的压力P2超过上限值th3时开放。通过将下游侧安全阀18开放，使得工作介质向外部逸出，所以防止了下游路82的压力过度地上升。上限值th3是下游路82的设计压力（或允许压力），设定为比上限值th1低的值。

接着，参照图2，对热能回收装置1停止后即循环泵7停止后的控制部14的压力控制动作进行说明。当热能回收装置1停止时，将循环泵7停止。进而，对应于循环泵7的停止，将截止阀13关闭，膨胀机3也被停止。在加热器2与循环泵7之间残留有没有被加热器2蒸发的液相工作介质。此外，如已经说明的那样，由于加热器2位于冷凝器5的重力方向上的下方，所以也有时液相工作介质从冷凝器5（或省略图示的贮存器）经过循环泵7的部件间的间隙漏出到加热器2与循环泵7之间。

当将循环泵7停止时，首先将旁通阀12开放（步骤S21）。经由旁通路11将加热器2和冷凝器5连通。在热介质流入到加热器2中的情况下，存在于加热器2与循环泵7之间的液相工作介质被加热而蒸发，上游路81及下游路82的压力上升。在控制部14中，判断上游侧传感器9检测到的工作介质的压力P1是否是阈值th2以上（步骤S22）。阈值th2设定为比对上游侧安全阀17设定的上限值th1及对下游侧安全阀18设定的上限值th3低。在判断为压力P1是阈值th2以上的情况下（判断为是），通过控制部14的指示来驱动冷却介质泵6（步骤S23），将冷却介质向冷凝器5供给。由加热器2蒸发的工作介质被冷凝器5强制地冷却而冷凝。其结果为，防止了上游路81及下游路82的工作介质的压力的上升。由于阈值th2比上述的上限值th1、th3小，所以防止了上游侧安全阀17及下游侧安全阀18被开放。

在经过一定时间后再次检测压力P1，在压力P1小于阈值th2的情况下（步骤S22），将冷却介质泵6的驱动停止（步骤S24）。再经过一定时间后再次检测压力P1，与阈值th2比较（步骤S22）。在压力P1再次为阈值th2以上的情况下，再次开始冷却介质泵6的驱动（步骤S23），利用冷凝器5将工作介质冷却。这样，在热能回收装置1停止时，通过反复检测压力P1，来防止上游路81及下游路82的压力上升。另外，压力P1的检测也可以连续地进行。在以下的其他实施方式中也同样。

如以上说明那样的那样，在本实施方式的热能回收装置1中，在循环泵7停止后，进行将加热器2与冷凝器5连通的控制（以下称为“连通控制”。）和向冷凝器5供给冷却介质的控制（以下称为“供给控制”。）。由此，将由加热器2蒸发后的工作介质强制地冷却而冷凝，防止了上游路81及下游路82的压力即膨胀机3的上游侧及下游侧的压力过度地上升。其结果为，防止了上游侧安全阀17及下游侧安全阀18动作（开放）。

在热能回收装置1中，在循环泵7停止后，预先进行连通控制，在上游侧传感器9的检测值成为阈值以上的情况下，进行冷却介质的供给控制，所以防止了不必要地驱动冷却介质泵6，降低了消耗电力。通过设置旁通路11，能够将由加热器2蒸发的工作介质迅速地向冷凝器5送出。通过将截止阀13关闭，使得全部量的工作介质流过旁通阀12，能够更迅速地将工作介质向冷凝器5送出。由于冷却介质的供给控制基于冷却介质泵6的驱动进行，所以能够容易地控制冷却介质的流量。

（第1实施方式的变形例）

图3是表示第1实施方式的另一例的热能回收装置的结构的框图。另外，这里对与第1实施方式相同的构成要素赋予相同的参考标记并省略其详细的说明。在热能回收装置1的循环流路8中，代替上游侧传感器9而设置有位于下游路82中的下游侧传感器10。下游侧传感器10检测下游路82中的气相工作介质的压力P2。下游侧传感器10将与检测值对应的信号发送至控制部14。

循环泵7停止后的控制部14的动作与图2是大致同样的，首先，将旁通阀12开放（步骤S21）。判断下游侧传感器10检测的工作介质的压力P2是否是阈值th2以上（步骤S22），在判断为压力P2是阈值th2以上的情况下（判断为是），通过控制部14的指示来驱动冷却介质泵6（步骤S23）。从加热器2流出的工作介质被冷凝器5强制地冷却而冷凝。在经过一定时间后，再次检测压力P2，在压力P2小于阈值th2的情况下（步骤S22），将冷却介质泵6的驱动停止（步骤S24）。在再经过一定时间后，再次检测压力P2，并与阈值th2比较（步骤S22），在压力P2成为阈值th2以上的情况下，再次开始冷却介质泵6的驱动（步骤S23），由冷凝器5将工作介质冷却。

在热能回收装置1中，也防止了上游路81及下游路82的压力过度地上升，防止了上游侧安全阀17及下游侧安全阀18被开放。

（第2实施方式）

接着，说明热能回收装置1停止时的控制部14的另一动作例作为第2实施方式。图4是表示控制部14的压力控制动作的流程图。热能回收装置1的结构与图1是同样的。当将循环泵7停止时，在将截止阀13及旁通阀12关闭的状态下，由位于上游路81的上游侧传感器9检测工作介质的压力P1。判断压力P1是否是阈值th2以上（步骤S31）。在压力P1小于阈值th2的情况下（判断为否），隔开一定时间再次检测压力P1。在判断为压力P1是阈值th2以上的情况下（判断为是），控制部14进行将旁通阀12打开而将加热器2与冷凝器5连通的连通控制。对应于连通控制，还进行驱动冷却介质泵6（步骤S32）并向冷凝器5供给冷却介质的供给控制。由此，利用冷凝器5将由加热器2蒸发的工作介质强制地冷却而冷凝。另外，只要能够利用冷凝器5将工作介质冷凝，并不需要一定同时进行连通控制和供给控制。

并且，在经过一定时间后，再次检测压力P1，在压力P1小于阈值th2的情况下（步骤S31），将旁通阀12关闭并且停止冷却介质泵6的驱动（步骤S33）。在再经过一定时间后，当检测到的压力P1再次成为阈值th2以上时（步骤S31），将旁通阀12打开并且驱动冷却介质泵6（步骤S32），利用冷凝器5将工作介质冷却。

在第2实施方式中，在循环泵7停止后，在上游路81的工作介质的压力成为阈值以上的情况下，进行连通控制及冷却介质的供给控制。由此，防止了上游路81的压力过度地上升，防止了上游侧安全阀17动作。由于供给控制在上游侧传感器9的检测值成为阈值以上的情况下进行，所以防止了不必要地驱动冷却介质泵6。

（其他实施方式）

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种各样的变更。

在上述第1实施方式中，并不需要一定在上游侧传感器9（或下游侧传感器10）的检测值成为阈值以上的情况下驱动冷却介质泵6，在循环泵7停止后也可以继续冷却介质泵6的驱动，换言之，也可以通过将冷却介质的供给控制比循环泵7的停止靠前进行，来使蒸发的工作介质冷凝。在第2实施方式中也是同样的。

在上述第2实施方式中，也可以在循环泵7停止后，通过将旁通阀12及截止阀13打开，使从旁通路11及从上游路81经由膨胀机3直至下游路82的路径两者将由加热器2蒸发的工作介质向冷凝器5送出。只要在膨胀机3的上游与下游之间稍稍产生压力差，工作介质的一部分就能够经由膨胀机3流入冷凝器5。另外，截止阀13也可以在循环泵7停止的前后维持开放的状态，换言之，也可以比循环泵7的停止靠前进行连通控制。在第1实施方式中，也可以在循环泵7停止后，在上游侧传感器9的检测值成为阈值以上的情况下，将旁通阀12及截止阀13打开，而将蒸发的工作介质向冷凝器5送出。

在上述实施方式中，作为控制部14的连通控制，也可以进行将旁通阀12关闭而将截止阀13打开并将全部量的工作介质经由膨胀机3向冷凝器5送出的控制。

在上述第1实施方式中，也可以在旁通路11中设置压力传感器。这样，压力传感器只要设置在循环流路8中的从加热器2至冷凝器5的路径上，则可以设置在任意的位置。此外，由于在气相工作介质的温度与压力之间存在对应关系，所以也可以代替压力传感器而设置温度传感器。通过在由温度传感器检测到的气相工作介质的温度成为预定阈值以上的情况下进行连通控制及供给控制，防止了在循环流路8中气相工作介质的压力过度地上升。在第2实施方式中也是同样的。

在热能回收装置1中，也可以由多个热交换器构成加热器。

Claims (7)

1.一种热能回收装置，其特征在于，

包括：

加热器，通过使热介质与工作介质热交换，将该工作介质加热；

膨胀机，从上述加热器流出的工作介质流入该膨胀机；

动力回收机，与上述膨胀机连接；

冷凝器，通过与冷却介质的热交换，使从上述膨胀机流入的工作介质冷凝；

循环泵，将由上述冷凝器冷凝后的工作介质向上述加热器输送；

供工作介质循环的循环流路，将上述加热器、上述膨胀机、上述冷凝器及上述循环泵相连；

旁通路，将上述循环流路的比上述膨胀机靠上游侧的部位与比上述膨胀机靠下游侧的部位连接；

旁通阀，设置在上述旁通路中；

冷却介质泵，将上述冷却介质输送至上述冷凝器；和

控制部；

上述控制部在检测到上述循环泵停止时，为了使由上述加热器蒸发的工作介质冷凝，而执行连通控制，该连通控制是通过打开上述旁通阀而经由上述旁通路将上述加热器与上述冷凝器连通的控制。

2.如权利要求1所述的热能回收装置，其特征在于，

上述控制部在检测到上述循环泵停止时，为了使由上述加热器蒸发的工作介质冷凝，而执行供给控制，该供给控制是使上述冷却介质泵驱动而向上述冷凝器供给冷却介质的控制。

3.如权利要求2所述的热能回收装置，其特征在于，

还包括配置在上述循环流路中的从上述加热器至上述冷凝器的路径中且检测工作介质的压力或温度的传感器，

上述控制部先仅进行上述连通控制，在上述传感器的检测值成为阈值以上的情况下进行上述供给控制。

4.如权利要求2所述的热能回收装置，其特征在于，

还包括配置在上述循环流路中的上述加热器与上述膨胀机之间的部位且检测工作介质的压力或温度的传感器，

上述控制部在上述传感器的检测值成为阈值以上的情况下，进行上述连通控制和上述供给控制。

5.如权利要求1所述的热能回收装置，其特征在于，

还包括将工作介质向上述膨胀机的流入截止的截止阀，

上述控制部对应于上述循环泵的停止而将上述截止阀关闭。

6.一种热能回收装置的控制方法，上述热能回收装置包括：使工作介质在加热器、膨胀机、冷凝器及循环泵之间循环的循环流路；和与上述膨胀机连接的动力回收机，上述控制方法是上述热能回收装置停止时的压力控制方法，其特征在于，所述热能回收装置的控制方法包括：

停止步骤，使上述循环泵停止；

连通步骤，在上述停止步骤后，将上述加热器与上述冷凝器连通；和

供给步骤，是在上述停止步骤后向上述冷凝器供给冷却介质的控制。

7.如权利要求6所述的热能回收装置的控制方法，其特征在于，还包括：

检测步骤，在上述停止步骤后，检测上述循环流路中的上述膨胀机的上游侧的工作介质的压力或温度；和

冷却步骤，在上述检测步骤中检测到的压力或温度成为阈值以上的情况下，使上述冷却介质泵工作，从而向上述冷凝器输送冷却介质。