CN105202509B - 蒸发器、朗肯循环装置以及热电联供系统 - Google Patents

蒸发器、朗肯循环装置以及热电联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种蒸发器、朗肯循环装置以及热电联供系统。蒸发器通过高温流体对工作流体进行加热，使所述工作流体蒸发，具备沿着高温流体的流动方向配置的、供工作流体流动的工作流体流路，所述蒸发器还具备设置于所述工作流体流路的第1温度传感器，所述工作流体流路的一部分向所述蒸发器的壳体的外侧露出，所述温度传感器设置于在如下区域中的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述区域是供所述工作流体从所述蒸发器的外部流入的所述工作流体流路的流入口和供所述工作流体向所述蒸发器的外部流出的所述工作流体流路的流出口以外的区域，所述温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度。

Description

蒸发器、朗肯循环装置以及热电联供系统
技术领域
本发明涉及蒸发器、朗肯循环装置以及热电联供系统。
背景技术
如本领域技术人员所熟知，朗肯循环是蒸汽轮机的理论循环。与朗肯循环相关的研究开发长久以来一直在进行。另一方面，如专利文献1所记载，也在进行与应用了朗肯循环的热电联供系统相关的研究开发。热电联供系统(CHP系统：Combined Heat and PowerSystem)是指构成为能够从单一或多个资源同时得到热和电力这样的多个形态的能量的系统。近年来，不仅是大规模的CHP系统，能够与医院、学校、图书馆等规模较小的设施并设的CHP系统、进而普通家庭用的CHP系统(所谓的微CHP) 也正受到关注。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2003/0213854号说明书
发明内容
专利文献1的CHP系统构成为将由燃气锅炉(boiler)生成的燃烧气体作为用于朗肯循环装置的热能利用来得到电力。另外，专利文献1公开了用于防止气相的有机工作流体在锅炉中被过度加热的蒸发器的构造。
专利文献1所公开的蒸发器在朗肯循环装置稳定运转时可能确实有效。但是，专利文献1所公开的结构不足以防止工作流体被过度加热。
本发明的目的在于提供一种用于防止在蒸发器中工作流体被过度加热的新技术。
即，本发明的蒸发器，通过高温流体对工作流体进行加热，使所述工作流体蒸发，
具备以沿着高温流体的流动方向形成多个段的方式配置的、供工作流体流动的工作流体流路，
所述蒸发器还具备设置于所述工作流体流路的第1温度传感器，
所述工作流体流路在所述多个段的各段中呈蜿蜒形状配置，所述蜿蜒形状的弯曲部分向所述蒸发器的壳体的外侧露出，
所述多个段包括位于所述高温流体的流动方向的最上游的第1段和所述第1段以外的段，
所述工作流体流路使所述工作流体从所述第1段以外的段所包括的工作流体流路的流出口向所述蒸发器的外部流出，
在将配置于所述第1段的工作流体流路的全长定义为L时，所述第1 温度传感器设置于在如下地点的所述工作流体的流动方向下游侧的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述地点是与形成所述第1段的工作流体流路的下游端相距L/2的所述工作流体的流动方向的上游侧的地点，
所述第1温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器的所述工作流体的温度。
根据上述蒸发器，能够防止工作流体被过度加热。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的CHP系统的结构图。
图2A是图1所示的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
图2B是图2A所示的蒸发器的概略平面图。
图2C是变形例的蒸发器的概略平面图。
图3是由控制电路执行的控制的流程图。
图4是示出蒸发器中的工作流体的温度与传热管的内壁面的温度的关系的图。
图5是本发明的实施方式2的CHP系统的结构图。
图6A是图5所示的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
图6B是图6A所示的蒸发器的概略平面图。
图7是由控制电路执行的控制的流程图。
图8是示出蒸发器中的工作流体的温度与传热管的内壁面的温度的关系的图。
图9是本发明的实施方式3的CHP系统的结构图。
图10A是图9所示的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
图10B是图10A所示的蒸发器的概略平面图。
图11是由控制电路执行的控制的流程图。
图12是示出蒸发器中的工作流体的温度与传热管的内壁面的温度的关系的图。
图13是本发明的实施方式4的CHP系统的结构图。
图14是图13所示的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
图15是以往的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
标号说明
10 锅炉
12 燃烧室
14 燃烧器
20、20B、20C、20D 朗肯循环装置
21 膨胀机
22 冷凝器
23 泵
24、34、44、54 蒸发器
25 工作流体流路
25a 最上游工作流体流路
25p 上游端
25q、25r 下游端
25b 最下游工作流体流路
26 发电机
27 翅片
28 传热管
29 连接管
29a 带隔热材料的连接管
30 热介质回路
31 泵
32 放热器
35 温度传感器(第1温度传感器)
36 第2温度传感器
38 吸气控制风扇
39 流路变更构造
40 分隔件
41 隔热材料
43 旁通回路
45 流量控制阀
50 控制电路
100、200、300、400CHP 系统
具体实施方式
(成为本发明的基础的见解)
在朗肯循环装置的蒸发器中，当在由气体燃烧装置生成的燃气等高温流体与气相的工作流体之间产生过度的热交换时，可能会招致工作流体的热分解、润滑油的劣化等不良状况。该问题在使用了有机工作流体的情况和使用了需要润滑油的膨胀机的情况下变得显著。
为了避免上述问题，专利文献1提出了图15所示的构造的蒸发器104。在蒸发器104中，在高温流体(由燃烧装置生成的燃烧气体)的流路104C 的下游侧设置有工作流体的入口110A。从入口110A流入到远位部104D 的工作流体以对向流的形式与高温流体进行热交换。然后，工作流体经由连接管104H而被输送到在高温流体的流路104C的上游侧配置的近位部 104E。在近位部104E中，工作流体依次流过第1部分104E1和第2部分 104E2。即，在近位部104E中，工作流体以平行流的形式与高温流体进行热交换。工作流体的出口110C设置于外壳(enclosure)104A的中央附近。此外，传热管(圆形记号)中的数值表示工作流体的温度(华氏温度)的例子。
根据图15所示的蒸发器104，可推测确实能够防止工作流体的过度加热。这是因为，可推测工作流体在远位部104D处于液相状态，在第1部分104E1处于液相状态或气液二相状态，在第2部分104E2处于气液二相状态或气相状态。但是，该推测只不过是在朗肯循环装置稳定运转时的推测。例如，在根据电力需求的变化而减少了工作流体的循环流量的情况下，工作流体有可能在第1部分104E1就会成为气相状态。其结果，在第1部分104E1中，气相的工作流体可能会被过度加热。
根据工作流体的循环流量来降低燃烧装置的火力虽然是1个有效手段，但从响应性的观点来看未必充分。另外，近年来，也在探讨使用生物燃料、木质颗粒燃料等固形燃料来代替气体燃料的尝试。颗粒燃料锅炉中的固体燃料的燃烧不如气体锅炉中的气体燃料的燃烧那么稳定。当然，颗粒燃料锅炉不适合突然提高或降低火力。因此，用于防止工作流体被过度加热的技术变得越发重要。基于上述见解，本发明人想到了以下说明的各技术方案的发明。
本发明的第1技术方案的蒸发器，通过高温流体对工作流体进行加热，使所述工作流体蒸发，具备以沿着高温流体的流动方向形成多个段的方式配置的、供工作流体流动的工作流体流路，所述蒸发器还具备设置于所述工作流体流路的第1温度传感器，所述工作流体流路在所述多个段中分别配置成蜿蜒形状，所述蜿蜒形状的弯曲部分向所述蒸发器的壳体的外侧露出，所述多个段包括位于所述高温流体的流动方向的最上游的第1段和所述第1段以外的段，所述工作流体流路使所述工作流体从所述第1段以外的段所包括的工作流体流路的流出口向所述蒸发器的外部流出，在将配置于所述第1段的工作流体流路的全长定义为L时，所述第1温度传感器设置于在如下地点的所述工作流体的流动方向下游侧的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述地点是与形成所述第1段的工作流体流路的下游端相距L/2的所述工作流体的流动方向的上游侧的地点，所述第 1温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度。
如前所述，工作流体在成为预定温度以上时会热分解。因此，需要将工作流体流路的内壁面的温度抑制为低于预定温度。对此，根据第1技术方案，通过将1温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度，能够将蒸发器中的工作流体流路的内壁面的温度抑制为低于预定温度。由此，能够抑制工作流体热分解。以下，对第1技术方案的蒸发器发挥上述效果的理由进行详细叙述。
在工作流体流路被高温流体加热时的工作流体流路的内壁面的温度的上升的难易度根据在工作流体流路的内部流动的工作流体的状态而不同。即，在工作流体流路的内部流动的工作流体处于气相状态时，与处于气液二相状态时相比，工作流体流路的内壁面的温度容易上升。其理由在于，在工作流体流路中流动的工作流体处于气相状态时，与处于气液二相状态时相比，工作流体流路的内壁面的热传递率低。即，在工作流体处于气液二相状态时，工作流体流路的内壁面的热传递率足够高。因此，通过向工作流体的热传递可抑制内壁面的温度的上升。另一方面，在工作流体处于气相状态时，工作流体流路的内壁面的热传递率低。因此，向工作流体的热传递少，所以内壁面的温度会上升。
并且，蒸发器从包含液相状态的工作流体生成气相状态的工作流体，因此，越靠工作流体的流动方向上的下游侧，则工作流体流路中的包含气相状态的工作流体的比例越高。
另外，供工作流体向蒸发器的外部流出的工作流体流路的流出口位于工作流体的流动方向的最下游。因此，在以沿着高温流体的流动方向形成多个段的方式配置工作流体流路的蒸发器中，包括供工作流体向蒸发器的外部流出的工作流体流路的流出口的段相对位于工作流体的流动方向上的下游侧。因此，包括供工作流体向蒸发器的外部流出的工作流体流路的流出口的段与其他段相比，工作流体流路中的包含气相状态的工作流体的比例高。
而且，在蒸发器的内部，越靠高温流体的流动方向的上游侧，则高温流体的温度越高。
因此，在以沿着高温流体的流动方向形成多个段的方式配置工作流体流路的蒸发器中，使包括供工作流体向蒸发器的外部流出的工作流体流路的流出口的段位于高温流体的流动方向的最上游会将包括温度最容易上升的工作流体流路的段配置在温度最高的场所。因此，形成该段的工作流体流路的内壁面的温度成为工作流体的热分解温度以上而工作流体热分解的可能性变高。
与此相对，第1技术方案的蒸发器包括位于高温流体的流动方向的最上游的第1段和第1段以外的段，使工作流体从第1段以外的段所包括的工作流体流路的流出口向蒸发器的外部流出。即，第1段位于高温流体的流动方向的最上游，而包括供工作流体向蒸发器的外部流出的工作流体流路的流出口的段不位于高温流体的流动方向的最上游。因此，能够降低工作流体流路的内壁面的温度成为工作流体的热分解温度以上的可能性。
而且，本发明的蒸发器，在将配置于所述第1段的工作流体流路的全长定义为L时，所述第1温度传感器设置于在如下地点的所述工作流体的流动方向下游侧的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述地点是与形成所述第1段的工作流体流路的下游端相距L/2的所述工作流体的流动方向的上游侧的地点。由此，能够进一步防止工作流体被过度加热、工作流体热分解。以下，对理由进行说明。
在位于高温流体的流动方向的最上游的第1段中，在工作流体的状态从气液二相状态向气相状态变化的情况下，根据以下的理由，在形成所述第1段的工作流体流路的下游端处，工作流体流路的内壁面的温度最高。
如前所述，在工作流体流路的内部流动的工作流体处于气相状态时，与处于气液二相状态时相比，工作流体流路的内壁面的温度容易上升。因此，在第1段中，在工作流体的状态从气液二相状态向气相状态变化的情况下，供气相状态的工作流体流动的工作流体流路的内壁面的温度容易上升。而且，如前所述，越靠高温流体的流动方向的上游侧，则高温流体的温度越高。第1段位于高温流体的流动方向的最上游，因此，形成第1段的工作流体流路与其他段相比暴露于高温下。另外，在蒸发器的内部，工作流体一边与高温流体之间进行热交换一边在工作流体流路中流动，因此，越靠工作流体流路的下游侧，工作流体的温度越高。因此，形成所述第1 段的工作流体流路的下游端在形成第1段的工作流体流路中温度最高。由上可知，在位于高温流体的流动方向的最上游的第1段中，在工作流体的状态从气液二相状态向气相状态变化的情况下，在形成所述第1段的工作流体流路的下游端处，工作流体流路的内壁面的温度最高。
对此，第1技术方案的蒸发器，在将配置在第1段的工作流体流路的全长定义为L时，在如下地点的所述工作流体的流动方向下游侧的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路设置第1温度传感器，所述地点是与形成所述第1段的工作流体流路的下游端相距L/2的所述工作流体的流动方向的上游侧的地点。这样，第1技术方案的蒸发器，能够通过第1 温度传感器取得如下地点以后的部位处的工作流体的温度，所述地点是与下游端相距L/2的工作流体的流动方向的上游侧的地点。因此，基于第1 温度传感器的输出值，能够容易地预测工作流体流路的内壁面的温度最高的下游端处的工作流体流路的内壁面的温度(参照图4、图8)。因而，通过将第1温度传感器的输出值用于调整工作流体的温度，能够防止工作流体被过度加热、工作流体热分解。
在第2技术方案中，例如，第1技术方案的蒸发器的第1温度传感器可以设置于如下区域，所述区域是从形成所述第1段的工作流体流路的下游端到与该下游端相距L/2的所述工作流体的流动方向的下游侧的地点为止的区域。
根据第2技术方案，设置第1温度传感器的场所是从下游端到与该下游端相距L/2的工作流体的流动方向的下游侧的地点为止的区域。因此，设置第1温度传感器的场所被限定为下游端的附近，所以能够更容易地预测下游端处的工作流体流路的内壁面的温度。
在第3技术方案中，例如，第1技术方案的蒸发器的所述多个段可以包括在所述高温流体的流动方向上接着所述第1段而位于下游的第2段，所述第1温度传感器可以设置在所述第1段与第2段之间。
根据第3技术方案，设置第1传感器的场所被限定为第1段与接着所述第1段而位于下游的第2段之间。因此，设置第1温度传感器的场所被进一步限定为下游端的附近，所以能够更容易地预测下游端处的工作流体流路的内壁面的温度。
在第4技术方案中，例如，第1技术方案～第3技术方案中任一技术方案的蒸发器的所述多个段可以包括位于所述高温流体的流动方向的最下游的第3段，所述工作流体流路可以使所述工作流体从所述第3段所包括的工作流体流路的流入口向所述蒸发器的内部流入。
根据第4技术方案，使所述工作流体从所述第3段所包括的工作流体流路的流入口向所述蒸发器的内部流入。因此，能够高效地进行高温流体与在工作流体流路中流动的工作流体之间的热交换。
在第5技术方案中，例如，第1技术方案～第4技术方案中任一技术方案的蒸发器的所述工作流体流路可以包括在所述蒸发器的壳体的内部配置的多个传热管和与所述蜿蜒形状的弯曲部分对应的多个连接管。
在第6技术方案中，第1技术方案～第5技术方案的蒸发器的至少配置于所述第1段的工作流体流路可以是内面带槽管(inner grooved pipe)。
根据第6技术方案，在内面带槽管的内部形成工作流体的回旋流。在产生回旋流时，可抑制内面带槽管内部的工作流体的局部升温。
在第7技术方案中，第1技术方案～第6技术方案的蒸发器可以还具备包围所述第1温度传感器的隔热材料，可以通过所述隔热材料来抑制所述温度传感器与所述蒸发器的周围环境之间的热影响。
根据第7技术方案，能够准确地检测工作流体的温度。
在第8技术方案中，第1技术方案～第6技术方案的蒸发器可以还具备配置在所述第1温度传感器与所述蒸发器的周围环境之间的分隔件，可以通过所述分隔件来抑制所述第1温度传感器与所述蒸发器的周围环境之间的热影响。
根据第8技术方案，能够准确地检测工作流体的温度。
在第9技术方案中，第1技术方案～第6技术方案的蒸发器中，所述第1温度传感器与所述蒸发器的周围环境之间的热影响可以受到抑制。
根据第9技术方案，能够准确地检测工作流体的温度。
在第10技术方案中，第1技术方案～第9技术方案的蒸发器可以是翅管热交换器。
第11技术方案的朗肯循环装置具备：泵，其对所述工作流体进行加压；第1技术方案～第10技术方案中任一技术方案所述的蒸发器，其供从所述泵排出的所述工作流体流入；膨胀机，其使由所述蒸发器加热后的所述工作流体膨胀；冷凝器，其对从所述膨胀机排出的所述工作流体进行冷却；以及控制电路。
根据第11技术方案，能够得到与第1技术方案相同的效果。
在第12技术方案中，例如，第11技术方案的朗肯循环装置的所述控制电路可以在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时使所述高温流体的供给量减少，在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时使所述高温流体的供给量增加。
在第13技术方案中，例如，第11技术方案的朗肯循环装置的所述控制电路可以在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时使所述泵的转速增加，在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时使所述泵的转速减少。
在第14技术方案中，例如，第11技术方案的朗肯循环装置的所述控制电路可以在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时使所述膨胀机的转速增加，在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时使所述膨胀机的转速减少。
在第15技术方案中，例如，第11技术方案的朗肯循环装置可以还具备能够调整所述工作流体的循环流量的控制阀，所述控制电路可以在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时使所述控制阀的开度增加，在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时使所述控制阀的转速减少。
在第16技术方案中，例如，第11技术方案的朗肯循环装置的所述控制电路可以在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时使所述高温流体的温度降低，在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时使所述高温流体的温度增加。
另外，在其他技术方案中，例如，第11技术方案的朗肯循环装置可以还具备设置于所述蒸发器的内部的、向所述高温流体供给空气的风扇，所述控制电路可以在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时使所述风扇的转速增加而使所述高温流体的温度降低，在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时使所述风扇的转速降低而使所述高温流体的温度增加。
根据第12技术方案～第16技术方案，能够抑制工作流体被过度加热。
在第17技术方案中，例如，第1技术方案～第3技术方案中任一技术方案的蒸发器中，可以在比所述第1段靠上游侧的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路设置不同于所述第1温度传感器的第2温度传感器，所述第1温度传感器和所述第2温度传感器的输出值可以用于调整所述蒸发器的所述工作流体的温度。
根据第17技术方案，使用2个温度传感器。因此，能够进行更准确的温度管理。另外，根据由第1温度传感器检测到的温度与由第2温度传感器检测到的温度之差，能够准确地得知工作流体流路(尤其是最上游工作流体流路)中的工作流体的状态。
在第18技术方案中，例如，第11技术方案～16技术方案中任一技术方案的朗肯循环装置的所述高温流体的温度可以比所述工作流体的热分解温度高。
高温流体的温度越高，则能够使朗肯循环装置以越高的效率运转。
在第19技术方案中，例如，第11技术方案～16技术方案以及第18技术方案中任一技术方案的朗肯循环装置的所述工作流体可以是有机工作流体。
本发明的第19技术方案，若使用有机工作流体，则不仅是锅炉这样的高温的热源，也能够构筑使用了温度较低的热源的朗肯循环装置。
第20技术方案的热电联供系统具备：第11技术方案～16技术方案、第18技术方案以及第19技术方案中任一技术方案的朗肯循环装置；和热介质回路，其供作为在所述朗肯循环装置的所述冷凝器中冷却所述工作流体冷却的低温热源的热介质流动。
第21技术方案的蒸发器，通过高温流体对工作流体进行加热，使所述工作流体蒸发，具备沿着所述高温流体的流动方向配置的、供工作流体流动的工作流体流路，所述蒸发器还具备设置于所述工作流体流路的温度传感器，所述工作流体流路的一部分向所述蒸发器的壳体的外侧露出，所述温度传感器设置于在供所述工作流体从所述蒸发器的外部流入的所述工作流体流路的流入口和供所述工作流体向所述蒸发器的外部流出的所述工作流体流路的流出口以外的区域中的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度。
根据第21技术方案，所述温度传感器设置于在供所述工作流体从所述蒸发器的外部流入的所述工作流体流路的流入口和供所述工作流体向所述蒸发器的外部流出的所述工作流体流路的流出口以外的区域中的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路。由此，能够掌握热交换器内部的工作流体的温度，所以能够容易地调整蒸发器中的所述工作流体的温度。
在第22技术方案中，例如，第21技术方案的蒸发器中，所述工作流体流路可以沿着所述高温流体的流动方向形成多个段，在所述多个段中分别配置成蜿蜒形状，露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路的一部分可以是所述蜿蜒形状的弯曲部分。
在第23技术方案中，例如，第22技术方案的蒸发器的所述多个段可以包括位于所述高温流体的流动方向的最上游的第1段、位于所述高温流体的流动方向的最下游的第3段、以及所述第1段与所述第3段之间的第 2段，所述工作流体流路可以使所述工作流体从所述蒸发器的外部向所述第1段所包括的工作流体流路流入，在经由所述第3段之后，使所述工作流体经由所述第2段所包括的工作流体流路而向所述蒸发器的外部流出，所述温度传感器可以设置于所述工作流体从所述第3段流向所述第2段的所述工作流体流路的区域。
根据第23技术方案，所述工作流体流路使所述工作流体从所述蒸发器的外部向所述多个段中位于所述高温流体的流动方向的最上游的第1段流入。如前所述，在蒸发器的内部，越靠高温流体的流动方向的上游侧，则高温流体的温度越高。另外，蒸发器从包括液相状态的工作流体生成气相状态的工作流体，因此，越靠工作流体的流动方向上的下游侧，则工作流体流路中的包含气相状态的工作流体的比例越高。因此，根据第23技术方案，将包括温度最不容易上升的工作流体流路的段配置于温度最高的场所。因此，能够防止形成该段的工作流体流路的内壁面的温度成为工作流体的热分解温度以上。
第24技术方案的蒸发器，通过高温流体对工作流体进行加热，使所述工作流体蒸发，具备：燃烧器，其具有圆筒形状，生成所述高温流体，并从所述圆筒形状的中心轴朝向圆周方向送出所述高温流体(燃烧器，其从所述圆筒形状的中心轴朝向圆周方向而从在所述圆筒形状的表面设置的孔送出所述高温流体)；和工作流体流路，其具有线圈形状，配置于所述燃烧器的周围，供所述工作流体流动，所述蒸发器还具备设置于所述工作流体流路的温度传感器，所述工作流体流路的一部分向所述蒸发器的壳体的外侧露出，所述温度传感器设置于在供所述工作流体从所述蒸发器的外部流入的所述工作流体流路的流入口和供所述工作流体向所述蒸发器的外部流出的所述工作流体流路的流出口以外的区域中的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度。
根据第24技术方案，工作流体流路配置在燃烧器的周围。换言之，燃烧器配置在工作流体流路所形成的线圈形状的内部(形成线圈的中心轴的区域)。因此，第25技术方案的蒸发器与其他技术方案的蒸发器相比，能够使装置整体小型。
在第25技术方案中，所述第24技术方案的蒸发器的所述工作流体流路可以在所述蒸发器的剖视(从与所述线圈形状的中心轴垂直的方向观察的情况)下具备：第1部位，其与所述蒸发器重叠；和第2部位，其位于比与所述蒸发器重叠的部位靠所述工作流体的流动方向下游侧的位置，不与所述蒸发器重叠，所述温度传感器可以设置在所述工作流体流路中的所述第1部位与所述第2部位之间且露出于所述蒸发器的壳体的外侧的部位。
根据第25技术方案，在靠近燃烧器的区域即第1部位处，工作流体流路由高温的高温流体加热。因此，从抑制工作流体的热分解的观点来看，适合控制工作流体以使得在第1部位工作流体成为气液二相状态或低温的气相状态，在远离燃烧器的区域即第2部位工作流体成为高温的气相状态。根据本技术方案，通过在第1部位与第2部位之间且露出于蒸发器的壳体的外侧的部位设置温度传感器，能够容易地进行上述控制。
在第26技术方案中，第24技术方案或第25技术方案的蒸发器可以是线圈型热交换器。
在第27技术方案中，第1技术方案的蒸发器可以还具备设置在接受所述高温流体的入口与用于排出所述高温流体的出口之间的、阻碍所述高温流体的流动而使所述高温流体的流动方向变化的构造。
根据第27技术方案，能够设定高温流体的流动方向以使得进行高效的热交换。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。本发明不限于以下的实施方式。
(实施方式1)
如图1所示，本实施方式的热电联供系统100(以下，称为CHP系统) 具备锅炉10、朗肯循环装置20、热介质回路30以及控制电路50。CHP 系统100构成为能够使用由锅炉10生成的热能同时或独立地得到热水和电力。“同时”的意思是在供给热水的同时也能够供给电力。
锅炉10具备燃烧室12和燃烧器14(combustor)。在燃烧室12的上部设置有排气口。燃烧器14是生成燃烧气体G的热源，配置于燃烧室12 的内部。由燃烧器14生成的燃烧气体G在燃烧室12的内部空间中向上移动，通过排气口而排出到外部。若使用生成燃烧气体G的燃烧器14作为 CHP系统100的热源，则能够容易地得到高温的热能。其结果，能够使朗肯循环装置20的发电效率提高。在锅炉10的内部也可以配置有送风机等其他设备。
锅炉10例如是气体锅炉。在锅炉10是气体锅炉时，向燃烧器14供给天然气、生物气体等燃料气体。燃烧器14通过使燃料气体燃烧来生成高温的燃烧气体G。但是，锅炉10也可以是颗粒燃料锅炉等其他锅炉。在该情况下，向燃烧器14供给木质颗粒燃料等固体燃料。
朗肯循环装置20具备膨胀机21、冷凝器22、泵23以及蒸发器24。这些构件以形成闭合回路的方式由多个配管以上述顺序连接成环状。在朗肯循环装置20也可以设置有公知的换热器等。
膨胀机21通过使工作流体膨胀而将工作流体的膨胀能变换为旋转动力。膨胀机21的旋转轴连接有发电机26。发电机26由膨胀机21驱动。膨胀机21例如是容积型或涡轮型的膨胀机。作为容积型的膨胀机，可举出涡旋膨胀机、旋转膨胀机、螺杆膨胀机、往复膨胀机等。涡轮型的膨胀机是所谓的膨胀涡轮。
作为膨胀机21，优选容积型的膨胀机。通常，容积型的膨胀机以范围比涡轮型的膨胀机要广的转速发挥高膨胀机效率。例如，在维持高效率不变的状态下，也能够以额定转速的一半以下的转速使容积型的膨胀机运转。也就是说，能够在维持高效率不变的状态下使发电量降低为额定发电量的一半以下。由于容积型的膨胀机具有这样的特性，所以使用容积型的膨胀机能够灵活地应对与热需求的变化相伴的发电量的变化。另外，对于电力需求的变化，也能够在维持高效率不变的状态下增减发电量。
冷凝器22通过使热介质回路30中的水与从膨胀机21排出的工作流体进行热交换来冷却工作流体并加热水。作为冷凝器22，可以使用板式热交换器、套管式热交换器等公知的热交换器。冷凝器22的种类可以根据热介质回路30中的热介质的种类来适当选择。在热介质回路30中的热介质是水等液体时，可以优选将板式热交换器或套管式热交换器用于冷凝器22。在热介质回路30中的热介质是空气等气体时，可以优选将翅管热交换器用于冷凝器22。
泵23吸入从冷凝器22流出的工作流体并进行加压，将加压后的工作流体供给至蒸发器24。作为泵23，可以使用通常的容积型或涡轮型的泵。作为容积型的泵，可举出活塞泵、齿轮泵、叶片泵、旋转泵等。作为涡轮型的泵，可举出离心泵、斜流泵、轴流泵等。
蒸发器24是吸收由锅炉10生成的燃烧气体G的热能的热交换器。蒸发器24例如是翅管热交换器，以位于燃烧气体G的流路上的方式配置于锅炉10的内部。在本实施方式中，蒸发器24位于燃烧器14的正上方。在锅炉10生成的燃烧气体G与朗肯循环装置20的工作流体在蒸发器24中进行热交换。由此，工作流体被加热而蒸发。
作为朗肯循环装置20的工作流体，可以优选使用有机工作流体。作为有机工作流体，可举出卤代烃、烃、醇等。作为卤代烃，可举出R-123、 R-245fa、R-1234ze等。作为烃，可举出丙烷、丁烷、正戊烷、异戊烷等烷烃。作为醇，可举出乙醇等。这些有机工作流体既可以单独使用，也可以使用2种以上的混合物。作为工作流体，也存在可以使用水、二氧化碳、氨等无机工作流体的可能性。
热介质回路30是供作为在冷凝器22中冷却朗肯循环装置20的工作流体的低温热源的水(热介质)流动的回路，连接于冷凝器22。热介质回路 30中的水由从膨胀机21排出的工作流体加热。在热介质回路30设置有泵 31和放热器32。放热器32例如是室内的地热设备的一部分。由冷凝器22 制出的热水由泵31供给至放热器32，用于室内的制热。也就是说，在本实施方式中，热介质回路30是热水制热回路。在利用冷凝器22加热自来水的情况下，也可以将由冷凝器22生成的热水用于供给热水。通过有效利用工作流体的低温排热，能够使朗肯循环装置20的综合热效率提高。
在如本实施方式这样应该通过热介质回路30而被加热的热介质是水、盐水等液体时，热介质回路30可由多个配管形成。与此相对，在应该通过热介质回路30而被加热的热介质是空气等气体时，热介质回路30可由用于使气体流动的风路或管道形成。由冷凝器22生成的热风被供给至室内，用于室内的制热。
由热介质回路30生成的热水也可供给至淋浴器、水龙头、热水箱等其他设备。即，热介质回路30既可以以对低温的热水进行再加热的目的来使用，也可以以加热自来水的目的来使用。此外，CHP系统100也可以构成为能够停止热介质回路30的热水供给而仅供给电力。
控制电路50控制泵23、泵31、燃烧器14以及发电机26等控制对象。控制电路50只要具有控制功能即可，具备运算处理部(未图示)和存储控制程序的存储部(未图示)。作为运算处理部，可例示MPU(Microprocessor Uni：微处理器)、CPU(Central Processing Unit：中央处理器)。作为存储部，可例示存储器(memory)。控制电路既可以由进行集中控制的单独的控制电路构成，也可以由彼此协调地进行分散控制的多个控制电路构成 (在其他实施方式及其变形例的控制电路中也同样)。在控制电路50中储存有用于使CHP系统100适当运转的程序。
接着，对蒸发器24的详细构造进行详细说明。
如图2A和图2B所示，蒸发器24具有供工作流体流动的工作流体流路25。工作流体流路25在应该与工作流体进行热交换的燃烧气体G(高温流体)的流动方向上以多个段形成。在工作流体流路25设置有温度传感器35。基于温度传感器35的输出值(检测值)来调整蒸发器24中的工作流体的温度。
在本实施方式中，蒸发器24是具有多个翅片27、多个传热管28以及多个连接管29的翅管热交换器。多个翅片27以其表面和背面与铅垂方向平行的方式在水平方向上排列。在翅片27与翅片27之间形成的空间形成燃烧气体G的排气路径。多个传热管28在应该与工作流体进行热交换的燃烧气体G的流动方向(高度方向)上以多个段排列。在本实施方式中，多个传热管28在高度方向上以3段排列。多个连接管29与多个传热管28 彼此连接。连接管29是所谓的弯管。
工作流体流路25由多个传热管28和多个连接管29构成。传热管28 位于燃烧室12的内部，连接管29位于燃烧室12的外部。传热管28处于燃烧气体G的流路上，与燃烧气体G进行热交换。连接管29处于燃烧气体G的流路的外部，不与燃烧气体G直接进行热交换。
传热管28在水平方向(与燃烧气体G的流动方向垂直的方向)上也以多个列(在本实施方式中为4列)排列。也就是说，传热管28在高度方向(Y方向)和水平方向(X方向)这两个方向上排列成矩阵状。工作流体在流过位于同一段的多个传热管28之后，被输送至位于另一段的传热管 28。如图2B所示，当从与翅片27的表面垂直的方向观察蒸发器24时，多个传热管28以交错排列的方式配置。多个传热管28由在这些传热管28 的长度方向的两端设置的连接管29以形成1个流路的方式彼此连接。但是，不是必须由所有传热管28形成单一的流路。也可以通过使用分配器等公知的部件而并列形成2个以上的流路。另外，作为传热管28和连接管29，也可以使用所谓的发夹管(hairpin pipe)。在该情况下，可以利用发夹管置换2个直线状的传热管28与1个连接管29的组合。
工作流体流路25包括最上游工作流体流路25a、最下游工作流体流路 25b以及中间工作流体流路25c。最上游工作流体流路25a是位于燃烧气体 G的流动方向的最上游侧的段的流路。最下游工作流体流路25b是位于燃烧气体G的流动方向上的最下游侧的段的流路。中间工作流体流路25c是在燃烧气体G的流动方向上位于最上游工作流体流路25a与最下游工作流体流路25b之间的流路。也可以存在多个中间工作流体流路25c。最上游工作流体流路25a、最下游工作流体流路25b以及中间工作流体流路25c 也由多个传热管28和多个连接管29构成。
构成最下游工作流体流路25b的传热管28形成蒸发器24的入口，以使得流入到蒸发器24的工作流体最先流过构成最下游工作流体流路25b 的传热管28。构成中间工作流体流路25c的传热管28形成蒸发器24的出口。最上游工作流体流路25a形成工作流体流路25的中间部分。从泵23 排出的工作流体依次流过最下游工作流体流路25b、最上游工作流体流路 25a以及中间工作流体流路25c。
在从泵23排出而刚流入到蒸发器24之后，工作流体处于液相状态或气液二相状态，工作流体的温度在蒸发器24中最低。工作流体在蒸发器 24的内部流动，由燃烧气体G加热而蒸发。在蒸发器24的出口处，工作流体处于气相状态，工作流体的温度在蒸发器24中最高。若在蒸发器24 中在燃烧气体G与工作流体之间产生过度的热交换而工作流体的温度过度上升，则有可能招致工作流体的热分解、润滑油的劣化等不良状况。
在本实施方式中，温度传感器35设置于在工作流体的流动方向上比最上游工作流体流路25a的下游端25p靠下游侧的工作流体流路25。基于温度传感器35的输出值来调整蒸发器24中的工作流体的温度。详细而言，进行用于将设置有温度传感器35的位置处的工作流体的温度维持为比设定上限温度低的温度的控制。由此，能够防止在蒸发器24中工作流体被过度加热。其理由如下。即，传热管28的内壁面的温度在最上游工作流体流路25a的下游端25p显示出最高温度。因而，若比下游端25p靠下游侧的任意位置处的工作流体的温度低于上限温度，则可以判断为也防止了工作流体被过度加热。
在本实施方式中，温度传感器35在工作流体的流动方向上比最上游工作流体流路25a的下游端25p靠下游侧安装于构成工作流体流路25的连接管29。详细而言，温度传感器35安装于与最上游工作流体流路25a的下游端25p连接的连接管29。在将温度传感器35配置于这样的位置时，能够得到上述效果。
温度传感器35例如粘接于连接管29的外周面。也可以将温度传感器35的检测部(热电偶、热敏电阻等)放入连接管29的内部。另外，温度传感器35优选配置在自连接管29的两端起的距离相等的位置。在传热管 28与温度传感器35适度分离时，能够抑制热传导的影响波及到温度传感器35。其结果，能够准确地检测到在连接管29中流动的工作流体的温度。
在本实施方式中，温度传感器35与蒸发器24的周围环境之间的热影响受到抑制。详细而言，蒸发器24还具备包围温度传感器35的隔热材料 41。通过隔热材料41来抑制温度传感器35与蒸发器24的周围环境之间的热影响。隔热材料41包围连接管29和温度传感器35。由连接管29和隔热材料41形成带隔热材料的连接管29a。根据这样的结构，能够准确地检测在连接管29中流动的工作流体的温度。作为隔热材料41，可举出纺布、无纺布、毛毡、石棉、玻璃棉、硅海绵等。
在本实施方式中，最上游工作流体流路25a由内面带槽管形成。详细而言，构成最上游工作流体流路25a的至少1个传热管28是内面带槽管。也可以是构成最上游工作流体流路25a的所有传热管28都是内面带槽管。构成最上游工作流体流路25a的多个连接管29既可以是内面带槽管，也可以是内面平滑管。内面带槽管是考虑了制冷剂等工作流体处于气液二相状态和向蒸发器的应用的传热管。当在传热管28的内周面形成有槽时，液相的工作流体沿着槽流动而形成回旋流。
在最上游工作流体流路25a中，通过火焰的辐射，传热管28表面的特定部分(面对火焰的部分)所接收的热量相对大，剩余部分所接收的热量相对小。其结果，存在工作流体的温度局部上升的危险性。但是，若传热管28是内面带槽管，则会在传热管28的内部形成工作流体的回旋流。当产生回旋流时，可抑制传热管28内部的工作流体的局部升温。另外，也可抑制局部的温度差。因而，根据本实施方式，能够在抑制最上游工作流体流路25a的局部温度变化的影响的同时，通过温度传感器35准确地检测工作流体的温度。
另外，在比最上游工作流体流路25a的上游端25q靠下游侧，可以利用内面带槽管形成工作流体流路25的一部分或全部。例如，连接最上游工作流体流路25a与中间工作流体流路25c的连接管29也可以是内面带槽管。在该情况下，能够减小温度传感器的计测误差。另外，构成中间工作流体流路25c的多个传热管28和多个连接管29也可以是内面带槽管。构成最下游工作流体流路25b的多个传热管28和多个连接管29也可以是内面平滑管。
接着，参照图3的流程图，对为了调整蒸发器24中的工作流体的温度而由控制电路50执行的控制进行说明。通过执行图3所示的控制，蒸发器 24的特定位置处的工作流体的温度接近目标温度。特定位置例如是设置有温度传感器35的位置。图3的流程图所示的控制例如与朗肯循环装置20 的起动同时开始。
首先，由温度传感器35检测工作流体的温度Th(步骤S1)。接着，基于检测到的温度Th，判断蒸发器24中的工作流体的温度是否过高(步骤S2)。具体而言，判断检测到的温度Th是否为预先设定的上限温度以上。在工作流体的温度过高的情况下，执行用于降低工作流体的温度的处理。在执行用于降低工作流体的温度的处理之前，检测泵23的转速fp(运转频率)(步骤S3)。
接着，通过减少向蒸发器24供给的燃烧气体G的流量来降低工作流体的温度。换言之，控制燃烧器14来减少每单位时间的燃烧气体G的产生量(每单位时间内产生的燃烧热的量)(步骤S4)。作为用于减少燃烧气体G的供给流量的方法，可举出减少向燃烧器14供给的燃料量(每单位时间的供给量)的方法。在设置有用于向锅炉10的内部供给空气的送风机的情况下，也可以通过减少来自送风机的送风量来减少燃烧气体G的供给流量。也就是说，通过调整燃烧气体G的供给流量，能够调整蒸发器24 中的工作流体的温度。
接着，判断泵23的转速fp是否为上限以下(步骤S5)。在泵23的转速fp为上限以下的情况下，提高泵23的转速fp(步骤S6)。由此，朗肯循环装置20中的工作流体的循环流量增加。若提高泵23的转速fp，则蒸发器24中的工作流体的流量增加，因此，能够降低工作流体的温度。也就是说，通过调整泵23的转速，能够调整蒸发器24中的工作流体的温度。在提高泵23的转速fp之后，由温度传感器35检测工作流体的温度Th(步骤S7)。判断检测到的温度Th是否低于上限温度(步骤S8)。反复进行从步骤S3到步骤S8的处理，直到工作流体的温度Th低于上限温度。
图4示出蒸发器24中的工作流体的温度与传热管的内壁面的温度的关系。图4的横轴表示自蒸发器24的入口起的距离。图4的纵轴表示温度。在图4所示的例子中，在朗肯循环装置20设置有再热器，在蒸发器24的入口处工作流体处于气液二相状态。
工作流体由燃烧气体G加热，在蒸发器24的入口与出口之间成为气相状态，并以气相状态从蒸发器24流出。气液二相状态的工作流体的温度是恒定的，工作流体的温度在变化为气相状态之后上升。只要工作流体是气液二相状态，传热管28的内壁面的温度就不会急剧上升。因而，在最上游工作流体流路25a中，工作流体的温度过度上升的可能性也低。在工作流体处于气液二相状态时，传热管28的内壁面的热传递率足够高。通过向工作流体的热传递，可抑制内壁面的温度上升。
当工作流体从气液二相状态变化为气相状态时，传热管28的内壁面的温度急剧上升。在工作流体处于气相状态时，传热管28的内壁面的热传递率低，传热管28的内壁面的温度上升。在蒸发器24的内部，当工作流体从某段向另一段移动时，燃烧气体G的温度也会变化。因此，传热管28 的内壁面的温度也会变化。燃烧气体G的温度在上游侧(第1段)相对高，在下游侧(第2段)相对低。在工作流体从第1段移动至第2段时，传热管28的内壁面的温度也会降低。在工作流体处于气相状态时，随着工作流体的温度的上升，传热管28的内壁面的温度也持续上升。工作流体的温度在蒸发器24的出口成为最大。因此，蒸发器24的出口优选设置于燃烧气体G的流动方向上的下游侧。
在蒸发器24的出口设置于燃烧气体G的流动方向上的下游侧的情况下，在最上游工作流体流路25a的下游端25p处，传热管28的内壁面的温度成为最大。也就是说，在该位置最容易引起工作流体的热分解。因而，掌握构成最上游工作流体流路25a的下游端25p的传热管28的温度并控制朗肯循环装置20以使得工作流体的温度低于热分解温度，在安全方面是有意义的。
在图4所示的例子中，在最上游工作流体流路25a中，工作流体从气液二相状态向气相状态变化。从安全性的观点来看，优选，工作流体在最上游工作流体流路25a的整个流路上都处于气液二相状态。但是，朗肯循环装置20的运转条件根据季节等而变化。因此，在工作流体在最上游工作流体流路25a的整个流路上都处于气液二相状态的情况下，在特定的运转条件下，有可能无法向膨胀机21供给目标温度的气相的工作流体。因而，并不禁止在最上游工作流体流路25a中工作流体从气液二相状态向气相状态变化。只要在配置有温度传感器35的位置处工作流体的温度低于上限温度，就能够确保安全性。
本说明书所公开的技术在工作流体是有机工作流体的情况下尤其有效。更详细而言，在燃烧气体G的温度超过了工作流体的热分解温度的情况下尤其有效。若使用有机工作流体，则不仅是锅炉10这样的高温的热源，也能够构筑使用了比较低温的热源的朗肯循环装置。燃烧气体G的温度越高，则能够使朗肯循环装置20以越高的效率运转。在一例中，由气体锅炉生成的燃烧气体的温度最高为1500℃，有机工作流体的热分解温度处于 150～300℃的范围。
(变形例)
如图2C所示，温度传感器35也可以设置于最上游工作流体流路25a。在本变形例中，在将最上游工作流体流路25a的全长定义为L时，温度传感器35位于从最上游工作流体流路25a的下游端25p朝向工作流体的流动方向的上游侧直到L/2为止的范围内。详细而言，温度传感器35在该范围内安装于构成最上游工作流体流路25a的连接管29。根据在比较接近最上游工作流体流路25a的下游端25p的位置检测到的温度，能够推定最上游工作流体流路25a的下游端25p处的工作流体的温度或传热管28的内壁面的温度。因而，即使在图2C所示的位置设置温度传感器35，也能够与在图2B所示的位置设置温度传感器35的情况同样地执行用于调整蒸发器24中的工作流体的温度的控制。从下游端25p到温度传感器35的距离越大，则下游端25p处的工作流体的温度或传热管28的内壁面的温度的推定程度越增加。因此，从下游端25p到温度传感器35的距离应该如本实施方式这样限制为最大也只是L/2。
以下，对CHP系统的其他实施方式进行说明。对在实施方式1和其他实施方式中共通的要素标注相同的附图标记，并省略其说明。即，各实施方式的说明只要在技术上不矛盾，就可以彼此适用。
(实施方式2)
如图5所示，本实施方式的CHP系统200具备锅炉10、朗肯循环装置20B、热介质回路30以及控制电路50。除了朗肯循环装置20B的蒸发器34和旁通回路43以外，本实施方式的CHP系统200的结构与实施方式1的CHP系统100的结构相同。
在朗肯循环装置20B中，旁通回路43是绕过膨胀机21的回路。旁通回路43从将蒸发器34的出口与膨胀机21的入口连接的流路分支，与将膨胀机21的出口与冷凝器22的入口(或再热器的入口)连接的流路汇合。在旁通回路43设置有流量控制阀45。通过调整流量控制阀45的开度，能够调整朗肯循环装置20B中的工作流体的循环流量。
如图6A和图6B所示，蒸发器34具有第1温度传感器35和第2温度传感器36。如在实施方式1中所说明，第1温度传感器35安装于与最上游工作流体流路25a的下游端25p连接的连接管29。第2温度传感器36 设置于在工作流体的流动方向上比最上游工作流体流路25a的上游端25q 靠上游侧的工作流体流路25。详细而言，第2温度传感器36安装于与最上游工作流体流路25a的上游端25q连接的连接管29。第1温度传感器 35和第2温度传感器36均位于燃烧室12的外部。基于第1温度传感器35 和第2温度传感器36的输出值来调整蒸发器34中的工作流体的温度。由此，能够防止在蒸发器34中工作流体被过度加热。若使用2个温度传感器 35和36，则能够进行更准确的温度管理。尤其是，在与最上游工作流体流路25a的下游端25p和上游端25q相邻的2个连接管29分别设置有第1 温度传感器35和第2温度传感器36。在该情况下，根据由第1温度传感器35检测到的温度Th1与由第2温度传感器36检测到的温度Th2之差 (Th1-Th2)，能够准确地得知工作流体流路25(尤其是最上游工作流体流路25a)中的工作流体的状态。即，差(Th1-Th2)表示工作流体的过热度。在差(Th1-Th2)为零时，在最上游工作流体流路25a的整个区域中，工作流体处于气液二相状态。在差(Th1-Th2)大于零时，在最上游工作流体流路25a的下游端25p，工作流体处于气相状态。
另外，蒸发器34具有分隔件40。分隔件40配置在第1温度传感器35 与蒸发器34的周围环境之间。详细而言，分隔件40包围连接管29和第1 温度传感器35。分隔件40例如是由树脂板、金属板等制成的罩。通过分隔件40来抑制第1温度传感器35与蒸发器34的周围环境之间的热影响。同样的分隔件40也配置在第2温度传感器36与蒸发器34的周围环境之间。根据这样的结构，能够准确地检测在连接管29中流动的工作流体的温度。
接着，参照图7的流程图，对为了调整蒸发器34中的工作流体的温度而由控制电路50执行的控制进行说明。通过执行图7所示的控制，蒸发器 34的特定位置处的工作流体的温度接近目标温度。特定位置例如是设置有第1温度传感器35的位置。
首先，由第1温度传感器35和第2温度传感器36检测工作流体的温度Th1和Th2(步骤S11)。接着，基于检测到的2个温度，判断蒸发器 34中的工作流体的温度是否过高(步骤S12)。具体而言，判断检测到的2 个温度之差(Th1-Th2)是否为预先设定的阈值温度以下。在差(Th1-Th2) 超过了阈值温度的情况下，执行用于降低工作流体的温度的处理。在执行用于降低工作流体的温度的处理之前，检测膨胀机21的转速fp(运转频率)(步骤S13)。阈值温度例如处于5～30℃的范围。
接着，通过增加工作流体的循环流量来降低工作流体的温度。具体而言，增加流量控制阀45的开度(步骤S14)。通过增加流量控制阀45的开度，能够增加朗肯循环装置20B中的工作流体的循环流量。当工作流体的循环流量增加时，蒸发器34中的工作流体的温度降低。这样，通过调整流量控制阀45的开度，能够调整蒸发器34中的工作流体的温度。
接着，判断膨胀机21的转速fp是否为上限以下(步骤S15)。在膨胀机21的转速fp为上限以下的情况下，提高膨胀机21的转速fp(步骤S16)。由此，朗肯循环装置20中的工作流体的循环流量增加。当提高膨胀机21 的转速fp时，蒸发器34中的工作流体的流量增加，因此，能够降低工作流体的温度。也就是说，通过调整膨胀机21的转速fp，能够调整蒸发器 44中的工作流体的温度。在提高了膨胀机21的转速fp之后，由第1温度传感器35和第2温度传感器36检测工作流体的温度Th1和Th2(步骤 S17)。判断检测到的2个温度的差(Th1-Th2)是否为预先设定的阈值温度以下(步骤S18)。反复进行步骤S13～步骤S18的处理，直到差(Th1-Th2) 成为阈值温度以下。
此外，流量控制阀45也可以是仅被控制为打开状态和关闭状态的开闭阀。
图8是示出蒸发器34中的工作流体的温度与传热管的内壁面的温度的关系的、与图4同样的图。在本实施方式中，第2温度传感器36安装于与最上游工作流体流路25a的上游端25q相邻的连接管29。在该位置处，工作流体处于气液二相状态。通过第1温度传感器35和第2温度传感器36，能够掌握工作流体的过热度、工作流体的压力等工作流体的状态。也就是说，能够进行在详细地掌握了工作流体的状态的基础上的控制。
越增加温度传感器，则能够越准确地掌握蒸发器34中的工作流体的温度变化。但是，温度传感器的增加意味着成本的增加。可以如本实施方式这样利用2个温度传感器35和36来预测蒸发器34中的工作流体的温度变化。若限制温度传感器的数量，则能够抑制成本的增加，且能够达成安全的控制。此外，工作流体的温度不仅是蒸发器34中的工作流体的温度，也可以执行用于使用在朗肯循环装置20B的其他位置设置的温度传感器的检测值来调整蒸发器34中的工作流体的温度的控制。而且，也可以使用通过压力传感器检测到的压力来执行控制。
(实施方式3)
如图9所示，本实施方式的CHP系统300具备锅炉10、朗肯循环装置20C、热介质回路30以及控制电路50。除了朗肯循环装置20C的蒸发器44和吸气控制风扇38以外，本实施方式的CHP系统300的结构与实施方式1的CHP系统100的结构相同。
吸气控制风扇38配置在锅炉10的内部。详细而言，在用于向燃烧器 14供给空气的流路上配置吸气控制风扇38。吸气控制风扇38起到调整应该向燃烧器14供给的空气的流量的作用。
如图10A和图10B所示，在本实施方式中，构成最上游工作流体流路 25a的传热管28形成蒸发器44的入口，以使得流入到蒸发器44的工作流体最先流过构成最上游工作流体流路25a的传热管28。构成中间工作流体流路25c的传热管28形成蒸发器24的出口。工作流体依次流过最上游工作流体流路25a、最下游工作流体流路25b以及中间工作流体流路25c。
温度传感器35设置于在工作流体的流动方向上比最下游工作流体流路25b的下游端25r靠下游侧的工作流体流路25。详细而言，温度传感器 35安装于与最下游工作流体流路25b的下游端25r连接的连接管29。若温度传感器35处于这样的位置，则能够准确地检测最下游工作流体流路25b 的下游端25r处的工作流体的温度。
接着，参照图11的流程图，对为了调整蒸发器44中的工作流体的温度而由控制电路50执行的控制进行说明。通过执行图11所示的控制，蒸发器44的特定位置处的工作流体的温度接近目标温度。特定位置例如是设置有温度传感器35的位置。
图11的流程图的步骤S21～S23和S25～S28分别与图3的流程图的步骤S1～S3和S5～S8对应。因此，省略这些步骤的说明。
在本实施方式中，通过降低燃烧气体G的温度来降低工作流体的温度。具体而言，提高吸气控制风扇38的转速fp(步骤S24)。若提高吸气控制风扇38的转速，则燃烧所使用的低温的空气的量增加。其结果，能够降低通过燃烧而产生的燃烧气体G的温度。这样，通过调整燃烧气体G 的温度，能够调整蒸发器44中的工作流体的温度。此外，若过于提高吸气控制风扇38的转速fp，则空气会变得过多，有可能会无法维持燃烧。因此，吸气控制风扇38的转速fp优选维持为低于预定的上限。
图12是示出蒸发器44中的工作流体的温度与传热管的内壁面的温度的关系的、与图4同样的图。在本实施方式中，传热管28的内壁面的温度在蒸发器44的出口成为最大。在本实施方式中，工作流体在最上游工作流体流路25a的整个流路上都维持为气液二相状态。因而，能够防止工作流体的热分解。当然，并不禁止工作流体在最上游工作流体流路25a中从气液二相状态变化为气相状态。此外，也可以在与最上游工作流体流路25a 的下游端25p连接的连接管29安装温度传感器(第2温度传感器)。
在实施方式1和实施方式2中，由构成最下游工作流体流路25b的传热管28形成蒸发器24或34的入口。因此，在热交换器24或34的后半部分中，燃烧气体G也与在最下游工作流体流路25b中流动的低温的工作流体进行热交换。另一方面，根据本实施方式，在热交换器44的后半部分中与燃烧气体G进行热交换的工作流体的温度依赖于最下游工作流体流路25b中的工作流体的状态。工作流体的温度越低，则能够从燃烧气体G回收的热量也越大。从提高热交率的观点来看，优选，工作流体在最下游工作流体流路25b的一部分流路或全部流路中处于气液二相状态。
(实施方式4)
如图13所示，本实施方式的CHP系统400具备锅炉10、朗肯循环装置20D、热介质回路30以及控制电路50。除了朗肯循环装置20D的蒸发器54和燃烧器14以外，本实施方式的CHP系统400的结构与实施方式1 的CHP系统100的结构相同。
如图13和图14所示，在本实施方式中，燃烧器14具有圆筒形状。蒸发器54是具有线圈形状的传热管28的线圈型热交换器。工作流体流路25 在应该与工作流体进行热交换的燃烧气体G的流动方向上以多个段形成。在本实施方式中，工作流体流路25以2段形成。详细而言，工作流体流路 25由最上游工作流体流路25a和最下游工作流体流路25b构成。在相对靠近燃烧器14的位置形成最上游工作流体流路25a，在相对远离燃烧器14 的位置形成最下游工作流体流路25b。由最上游工作流体流路25a形成蒸发器54的入口，由最下游工作流体流路25b形成蒸发器54的出口。
在最上游工作流体流路25a与最下游工作流体流路25b之间设置有流路变更构造39。流路变更构造39设置在用于接收燃烧气体G的入口(蒸发器54的入口)与用于排出燃烧气体G的出口(蒸发器54的出口)之间，阻碍燃烧气体G的流动而使燃烧气体G的流动方向变化。燃烧气体G的流动方向在入口侧和出口侧不同。在燃烧室12的内壁面与流路变更构造39之间形成的空间形成燃烧气体G的排气路径。同样，在燃烧室12的内壁面与传热管28之间形成的空间形成燃烧气体G的排气路径。流路变更构造39可以是配置在最上游工作流体流路25a与最下游工作流体流路25b 之间的整流板。整流板例如在平面视图下具有圆形的形状。通过流路变更构造39，能够设定燃烧气体G的流动方向以使得进行高效的热交换。
工作流体流路25既可以由成形为线圈形状的1根传热管28构成，也可以由多个传热管28构成。最上游工作流体流路25a和最下游工作流体流路25b分别既可以由成形为线圈形状的1根传热管28构成，也可以由多个传热管28构成。在本实施方式中，构成最上游工作流体流路25a的传热管28与构成最下游工作流体流路25b的传热管28配置成同轴状，通过连接管29而连接。连接管29的至少一部分位于燃烧室12的外部。温度传感器35和连接管29也可以由隔热材料(实施方式1)或分隔件(实施方式2) 包围。
温度传感器35设置于在比最上游工作流体流路25a的下游端靠下游侧的工作流体流路25。详细而言，温度传感器35在燃烧室12的外部安装于连接管29。与实施方式1～3同样，能够基于温度传感器35的输出值来执行用于防止工作流体的热分解的控制。此外，在燃烧室12的内部，也可以在构成工作流体流路25的传热管28安装有温度传感器35。
在靠近燃烧器14的区域中，燃烧气体G的温度高。因此，在靠近燃烧器14的区域中，工作流体优选处于气液二相状态或低温的气相状态。另一方面，在远离燃烧器14的区域中，燃烧气体G的温度低。因此，在远离燃烧器14的区域中，允许工作流体处于气相状态。鉴于以上情况，应该与实施方式1～3同样，使用在比最上游工作流体流路25a的下游端靠下游侧设置的温度传感器35来调整蒸发器54中的工作流体的状态(温度)。
在本实施方式的CHP系统400中，工作流体流路25配置在燃烧器14 的周围。因此，本实施方式的CHP系统400与其他实施方式的CHP系统相比，能够使系统整体小型。
本说明书所公开的技术不仅适用于通过工作流体来回收热并加以利用的热回收系统，也适用于CHP系统等热电联供系统。本说明书所公开的技术尤其适用于电力需求频繁变化的系统。本说明书所公开的技术还可应用于高温热泵等包括利用高温流体对工作流体进行加热的行程的所有系统。

Claims (25)

1.一种蒸发器，通过高温流体对工作流体进行加热，使所述工作流体蒸发，
具备以沿着高温流体的流动方向形成多个段的方式配置的、供工作流体流动的工作流体流路，
所述蒸发器还具备设置于所述工作流体流路的第1温度传感器，
所述工作流体流路在所述多个段中分别配置成蜿蜒形状，所述蜿蜒形状的弯曲部分向所述蒸发器的壳体的外侧露出，
所述多个段包括位于所述高温流体的流动方向的最上游的第1段和所述第1段以外的段，
所述工作流体流路使所述工作流体从所述第1段以外的段所包括的工作流体流路的流出口向所述蒸发器的外部流出，
在将配置于所述第1段的工作流体流路的全长定义为L时，所述第1温度传感器设置于在如下地点的所述工作流体的流动方向下游侧的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述地点是与形成所述第1段的工作流体流路的下游端相距L/2的所述工作流体的流动方向的上游侧的地点，
所述第1温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度。
2.根据权利要求1所述的蒸发器，
所述第1温度传感器设置于如下区域，所述区域是从形成所述第1段的工作流体流路的下游端到与该下游端相距L/2的所述工作流体的流动方向的下游侧的地点为止的区域。
3.根据权利要求1所述的蒸发器，
所述多个段包括在所述高温流体的流动方向上接着所述第1段而位于下游的第2段，
所述第1温度传感器设置在所述第1段与第2段之间。
4.根据权利要求1所述的蒸发器，
所述多个段包括位于所述高温流体的流动方向的最下游的第3段，
所述工作流体流路使所述工作流体从所述第3段所包括的工作流体流路的流入口向所述蒸发器的内部流入。
5.根据权利要求1所述的蒸发器，
所述工作流体流路包括在所述蒸发器的壳体的内部配置的多个传热管和与所述蜿蜒形状的弯曲部分对应的多个连接管。
6.根据权利要求1所述的蒸发器，
至少配置于所述第1段的工作流体流路是内面带槽管。
7.根据权利要求1所述的蒸发器，
还具备包围所述第1温度传感器的隔热材料，
通过所述隔热材料来抑制所述温度传感器与所述蒸发器的周围环境之间的热影响。
8.根据权利要求1所述的蒸发器，
还具备配置在所述第1温度传感器与所述蒸发器的周围环境之间的分隔件，
通过所述分隔件来抑制所述第1温度传感器与所述蒸发器的周围环境之间的热影响。
9.根据权利要求1所述的蒸发器，
所述第1温度传感器与所述蒸发器的周围环境之间的热影响受到抑制。
10.根据权利要求1所述的蒸发器，
所述蒸发器是翅管热交换器。
11.根据权利要求1所述的蒸发器，
在比所述第1段靠上游侧的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路设置有不同于所述第1温度传感器的第2温度传感器，
所述第1温度传感器和所述第2温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度。
12.一种朗肯循环装置，具备：
泵，其对所述工作流体进行加压；
权利要求1所述的蒸发器，其供从所述泵排出的所述工作流体流入；
膨胀机，其使由所述蒸发器加热后的所述工作流体膨胀；
冷凝器，其对从所述膨胀机排出的所述工作流体进行冷却；以及
控制电路。
13.根据权利要求12所述的朗肯循环装置，
所述控制电路，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时，使所述高温流体的供给量减少，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时，使所述高温流体的供给量增加。
14.根据权利要求12所述的朗肯循环装置，
所述控制电路，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时，使所述泵的转速增加，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时，使所述泵的转速减少。
15.根据权利要求12所述的朗肯循环装置，
所述控制电路，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时，使所述膨胀机的转速增加，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时，使所述膨胀机的转速减少。
16.根据权利要求12所述的朗肯循环装置，
还具备能够调整所述工作流体的循环流量的控制阀，
所述控制电路，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时，使所述控制阀的开度增加，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时，使所述控制阀的开度减小。
17.根据权利要求12所述的朗肯循环装置，
所述控制电路，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度为预定值以上时，使所述高温流体的温度降低，
在由所述蒸发器的所述第1温度传感器取得的温度低于预定值时，使所述高温流体的温度增加。
18.根据权利要求12所述的朗肯循环装置，
所述高温流体的温度比所述工作流体的热分解温度高。
19.根据权利要求12所述的朗肯循环装置，
所述工作流体是有机工作流体。
20.一种热电联供系统，具备：
权利要求12所述的朗肯循环装置；和
热介质回路，其供作为在所述朗肯循环装置的所述冷凝器中对所述工作流体进行冷却的低温热源的热介质流动。
21.一种蒸发器，通过高温流体对工作流体进行加热，使所述工作流体蒸发，
具备沿着所述高温流体的流动方向配置的、供工作流体流动的工作流体流路，
所述蒸发器还具备设置于所述工作流体流路的温度传感器，
所述工作流体流路的一部分向所述蒸发器的壳体的外侧露出，
所述温度传感器设置于在如下区域中的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述区域是供所述工作流体从所述蒸发器的外部流入的所述工作流体流路的流入口和供所述工作流体向所述蒸发器的外部流出的所述工作流体流路的流出口以外的区域，
所述温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度，
所述工作流体流路沿着所述高温流体的流动方向形成多个段，在所述多个段中分别配置成蜿蜒形状，
露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路的一部分是所述蜿蜒形状的弯曲部分，
所述蒸发器还具备燃烧器，该燃烧器具有圆筒形状，生成所述高温流体，从所述圆筒形状的中心轴向圆周方向送出所述高温流体，
所述工作流体流路具有线圈形状，配置在所述燃烧器的周围。
22.根据权利要求21所述的蒸发器，
所述多个段包括位于所述高温流体的流动方向的最上游的第1段、位于所述高温流体的流动方向的最下游的第3段、以及所述第1段与所述第3段之间的第2段，
所述工作流体流路使所述工作流体从所述蒸发器的外部向所述第1段所包括的工作流体流路流入，在经由所述第3段之后，使所述工作流体经由所述第2段所包括的工作流体流路而向所述蒸发器的外部流出，
所述温度传感器设置于所述工作流体从所述第3段流向所述第2段的所述工作流体流路的区域。
23.根据权利要求21所述的蒸发器，
所述工作流体流路在所述蒸发器的剖视下具备与所述蒸发器重叠的第1部位和不与所述蒸发器重叠的第2部位，所述第2部位位于比与所述蒸发器重叠的部位靠所述工作流体的流动方向下游侧的位置，
所述温度传感器设置在所述工作流体流路中的所述第1部位与所述第2部位之间且露出于所述蒸发器的壳体的外侧的部位。
24.根据权利要求21所述的蒸发器，
所述蒸发器是线圈型热交换器。
25.根据权利要求23所述的蒸发器，
还具备设置在接收所述高温流体的入口与用于排出所述高温流体的出口之间的、阻碍所述高温流体的流动而使所述高温流体的流动方向变化的构造。
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