CN105593477B - 用于控制在根据兰金循环运行的闭合环路内工作流体的装置及使用所述装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制在根据兰金循环运行的闭合回路(10)中循环的具有低凝固点的工作流体的装置，所述回路包括使用于压缩/循环液相流体的泵(12)、由热源(24)加热以蒸发所述流体的热交换器(18)、用于将所述流体转换成蒸汽的膨胀装置(30)、由冷源(F)冷却以冻结工作流体的冷交换器(42)、工作流体箱体(48)以及用于循环工作流体的管路(52，54，56，58，60，62)，箱体(48)连接到负压发生器(50)。

Description

用于控制在根据兰金循环运行的闭合环路内工作流体的装置 及使用所述装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制在工作在兰金循环的闭合环路中循环的工作流体的装置，以及一种使用所述装置方法。
众所周知，兰金循环是热力学循环，其中来自外部热源的热量传送到包含工作流体的闭合环路。
这种循环通常分解成具有低凝固点的工作流体(通常为水)以等熵的方式被压缩的阶段以及该被压缩的水在与热源接触时被加热并汽化的后一阶段。然后，该蒸汽在另一阶段中等熵的方式在膨胀机内膨胀，然后在最后阶段中，该膨胀的蒸汽在与冷源接触时被冷却并冷凝。
为了执行这些阶段，所述环路包括用于将所述水压缩为液态并使之在该环路中循环的正排量泵、用于至少部分地汽化所述压缩的水的被热流体扫掠的热交换器(或者蒸发器)、用于膨胀所述水蒸汽的膨胀机(例如将该水蒸汽的能量转化为诸如机械能或者电能等其他能量的涡轮机)以及其他热交换器(或者冷凝器)，通过该其他热交换器，所述水蒸汽中的热被冷源(通常为扫掠该冷凝器的外部空气)吸收从而将该水蒸汽转化为液态的水。
背景技术
同样众所周知(特别是通过文献FR2884555)，使用由内燃机(尤其是用于机动车辆的内燃机)的废气传递的热能作为热源供热并蒸发流经蒸发器的流体。
这允许通过回收大部分在排气时损失的能量而改进该内燃机的能效，从而通过兰金循环环路将这些能量转化为可被用于机动车辆的能量。
众所周知，使用兰金循环环路中的水性工作流体提供如下优点：在具有不危险的优点的同时具有允许获得最大的饱和曲线的特性。
然而，这种水具有特定的特征，即具有低温(大约0℃)的凝固点，并且诸如乙二醇的防冻添加剂通常被添加到这种水中以降低其凝固点到可接受的温度水平(在-15℃至-30℃的量值上)。
添加这些添加剂具有缺点，缺点是改变了水的特性，尤其是其汽化特性，并且来自废气的热源可能不足以以令人满意的方式进行汽化。
此外，经过一段时间，这种含有添加剂的水会随着发生液相/汽相变化而产生不可预知的老化。这种不可预知的老化可导致这些水的不完全相变，并产生兰金循环环路的功能异常。
在其他类型的兰金循环闭合环路中，这种含添加剂的水被具有良好的能量回收性能的纯水代替。
然而，当环境空气处于非常低的温度时，使用这种纯水并不以任何方式防止凝固。
凝固可对环路组成成分产生不可逆转的破坏，例如换热器开裂、泵损坏乃至所述组成成分的连结管道炸裂。
例如在法国专利申请号2956153中较好描述的，申请人通过提供阻止这些水凝固的装置及方法来克服这些缺点。
当该环路静止时，所述工作流体由此从所述闭合环路中排出并被收集到贮存箱体中。
申请人进一步地改进了该装置，从而在不使用循环泵的情况下以简单而经济的方式帮助所述闭合环路排空，以阻止所述水凝固。事实上，所述闭合环路的循环泵在功能上不允许完全排空和充满该环路，其技术常常需要加载下的单向操作。
发明内容
本发明因此涉及一种用于控制在工作在兰金循环的闭合环路中循环的具有低凝固点的工作流体的装置，所述闭合环路包括使所述流体处于液体形式的压缩/循环泵、用于蒸发所述流体且由热源扫掠的热交换器、用于使所述流体处于蒸汽形式的膨胀装置、用于冻结所述工作流体且由冷源扫掠的冷交换器、工作流体箱体以及工作流体循环管路，其特征在于所述箱体连接到低压发生器。
所述低压发生器可以是真空泵。
所述闭合环路可包括受控的通气装置。
所述闭合环路的循环管路中的至少一个可包括受控的通气装置。
所述箱体可包括用于所述箱体内部的受控的通气装置。
所述闭合环路可包括泵旁路回路。
所述旁路回路可包括承载受控的节流装置的旁路管路。
所述箱体可包括用于容纳在箱体中的流体的温度检测器。
所述闭合环路可包括靠近所述泵的入口设置的温度检测器。
所述闭合环路可包括一个循环管路和另一个循环管路，所述一个循环管路承载用于将冷凝器出口连接到箱体入口的受控的节流装置，所述另一个循环管路承载用于将箱体出口连接到泵入口的受控的节流装置。
所述工作流体可以是不含防冻添加剂的水。
本发明还涉及一种方法，所述方法用于控制在工作在兰金循环的闭合环路中循环的具有低凝固点的工作流体，所述闭合环路包括使所述流体处于液体形式的压缩/循环泵、用于蒸发所述流体且被热源扫掠的热交换器、用于使所述流体处于蒸汽形式的膨胀装置、用于冻结所述工作流体且由冷源扫掠的冷交换器、工作流体箱体以及工作流体循环管路，其特征在于，该方法还包括，当所述环路静止时，在所述箱体内生成低压从而将容纳在所述闭合环路中的工作流体转移到箱体内。
所述方法可包括，使用真空泵在所述箱体内形成低压。
所述方法可包括，当位于所述泵入口处的工作流体的温度低于阈值温度时，将所述流体转移到所述箱体内。
所述方法可包括，在转移所述工作流体之后将所述箱体与所述回路隔离。
所述方法可包括，在再次启动所述环路的运行时，抽出容纳在所述箱体内的工作流体以填充所述闭合环路。
所述方法可包括，当所述箱体内的工作流体的温度高于阈值温度时，从所述箱体抽取所述流体。
附图说明
在阅读了下面参照单一附图借助非限制性示例给出的描述之后本发明的其它特征和优点会变得清楚，在单一附图中示出了用于控制在工作在兰金循环的闭合环路中循环的工作流体的装置。
具体实施方式
在该附图中，兰金循环闭合环路10包括用于工作流体的压缩和循环正排量泵12(在说明书其余部分称作泵)，所述泵具有用于液态工作流体的入口14以及用于同样处于液态但在高压下被压缩的该工作流体的出口16。该泵有利地由电动机(未示出)驱动旋转。
该环路还包括热交换器18(称作蒸发器)，该热交换器18被位于入口20和出口22之间的被压缩的工作流体穿过，所述入口20用于该液态的流体，所述工作流体从所述出口22以压缩蒸汽的形式流出该蒸发器。该蒸发器被热源24扫过，所述热源24来自在内燃机28(特别是用于机动车辆的内燃机)的排气管路26内循环的废气。
该环路还包括膨胀机30，该膨胀机30从其入口32接纳处于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膨胀机的出口34流出。
该膨胀机也包括用于处于高压压缩蒸汽形式的工作流体的短路出口36，允许该膨胀机在蒸汽通过所述入口32和短路出口36之间时被停用。
有利地是，该膨胀机可以膨胀涡轮的形式出现，当驱动连接轴38时所述膨胀涡轮的转子由处于蒸汽形式的工作流体驱动旋转。优选地，该轴允许将回收的能量传递到例如电动发电机40的任意变换器装置。
该膨胀机还可以是往复活塞式或旋转活塞式机器，所述往复活塞式或旋转活塞式机器的输出轴连接到所述变换器装置。
所述环路还包括冷却换热器42(或冷凝器)，该冷却换热器42具有用于膨胀的低压蒸汽的入口44以及用于在流经该冷凝器之后转换为液态的工作流体的出口46。所述冷凝器被冷源(通常为处于环境温度的冷空气流(箭头F))扫掠，从而冷却膨胀的蒸汽以使之冷凝并被转化为液体。当然，任意其他例如水的冷源可被用于冷凝所述蒸汽。
该环路还包括闭合的箱体48，即使外界环境温度处于可导致所述工作流体凝固的水平，所述箱体48也允许将所述工作流体保持在液态。
所述箱体包括诸如真空泵50的低压发生器，该低压发生器连接至所述箱体的内部。该真空泵有利地由电动机(未示出)驱动旋转。
所述环路的多个元件通过流体循环管路52、54、56、58、60、62、64互相连接，以允许相继地将所述泵连接到所述蒸发器(蒸发器管路52)、将所述蒸发器连接到所述膨胀机(膨胀机管路54)、通过连接到短路出口36的短路管路58或者通过连接到膨胀机的低压膨胀蒸汽出口34的管路60将该膨胀机连接到与冷凝器入口连接的冷凝器管路56、将冷凝器连接到箱体(箱体管路62)以及将箱体连接到泵(泵管路64)从而所述工作流体沿着如箭头A所示的方向循环。
所述环路还包括绕过泵12的旁路环路66，所述旁路回路具有直接将该泵的入口14连接到该泵的出口16的旁路管路68。
优选地，所述环路可包括膨胀箱70，所述膨胀箱70允许吸收在所述环路中循环的工作流体的体积变化。
具有循环阀形式的受控的节流装置72、74、76、78分别设置于管路58(短路阀72)、管路62(箱体上游阀74)、管路64(箱体下游阀74)以及管路68(旁路阀78)，从而控制在这些管路中的工作流体的循环。
另外，具有自动空气排放器80的受控的节流装置(在说明书的其余部分称作自动空气阱)设置于膨胀机管路54，而受控的通气装置82及84(此处同样为阀的形式)分别设置于短路管路58上节流装置72的下游和箱体48的上部，由此允许该管路和/或该箱体内部与外部联通。
在如图所示的环路中，温度检测器86设置于箱体内部(有利地是设置于箱体中间)以用于测量箱体内容纳的工作流体的温度，而另一个温度检测器88设置在邻近泵入口14的管路64上，以用来测量处于该泵入口处以及处于循环阀76下游的工作流体的温度。
同样有利而不必须地是，用排泄管路91将所述闭合环路连接于环路排泄装置90，所述排泄管路91引自旁路管路68并承载有排泄阀92(具有开关形式的)，所述排泄阀92用于在维护操作期间从该闭合环路抽取工作流体。
所述环路的上部位置及下部位置在说明书其余部分提到。这对应于箱体48及泵12被置于下部位置的图示中的构造，即在被认为位于上部位置的膨胀机30的下方。
类似地，术语上游和下游是相对于图中箭头A所示的工作流体的循环方向来考虑的。
如图所示，排气管26穿过位于废气入口94及气体出口96之间的蒸发器。将内燃机连接到气体入口94的废气管道98承载有受控的节流装置100。承载另一个受控的节流装置104的短路管路102将废气管道98连接到与气体出口96连接的废气管道106。
当然，所述循环阀以及通气阀在控制单元特别是内燃机的计算器的监控下由任何已知的诸如电动机的装置控制。
该控制单元还控制电动机驱动循环泵12及真空泵50。
另外，该单元接收基本上来自该环路上设置的检测器(例如水(或者水蒸汽)压力检测器及温度检测器86，88)的信息。所述单元根据接受的信息控制所述环路的各元件，从而得到所需的操作范围。
在说明书的其余部分，在该环路中循环的、具有低凝固点的工作流体是水。这些水具有特定的特性，这些特征为是纯水并且不含添加剂(特别是不含防止凝固的添加剂)。任何不含防冻添加剂的其他(液态/气态)相变的流体(可在低温(约0℃)时凝固)可被用作所述工作流体，例如有机流体。
在标准操作条件下，考虑图示，水在所述环路中顺时针(箭头A)循环。
短路阀72由此关闭管路58，箱体上游和下游阀74及76在管路62及64的打开位置，旁路阀78关闭旁路管道68。通气阀82和84处于关闭位置，排泄阀92及自动阱80也处于关闭位置。
废气管路98的阀100处于打开位置，由此允许废气在蒸发器内入口94和出口96之间循环，而短路阀104处于关闭位置。
真空泵50停用，而循环泵12由被控制单元控制的其电动机驱动旋转。
在这种构造中，水以压缩液体的形式离开泵12。这些压缩的水在管路52内循环并到达蒸发器18的入口20。这些压缩的水流经蒸发器从而在扫过该蒸发器的热以及来自废气的热的影响下被转化为水蒸汽。从蒸发器流出的水蒸汽通过管路54被运送并在膨胀机30的入口32及出口34之间流经膨胀机30，同时将其包含的能量传递到膨胀机。离开该膨胀机的膨胀的水蒸汽在管路60中循环并流入冷凝器管路56。这些水蒸汽流经冷凝器18，并在冷凝器18中被转化为液态的水。这些液态的水随后被引经管路62并流入箱体48的入口。由于该箱体是闭合的箱体，水仅流过而不充满该箱体，并且水在到达泵12的入口14之前从管路64流出。
当内燃机28静止时，不再提供用于蒸发器18内的热交换的废气的热能。在这种情况下，环路10不可再操作并且切换到“备用模式”。
在该备用阶段，所述闭合环路不再从废气中回收热能。在这种情况下，所述工作流体的循环在所述循环泵被所述控制单元停止后被中断。该单元控制管路58的短路阀72的打开，这导致膨胀机30停止。通气阀82和84处于关闭位置，排水阀92及自动阱80也处于关闭位置。
只要水温(由位于循环泵12入口14处的检测器88测量)没有降至温度阈值To(此处具有5℃的量值)以下，所述环路就保持在备用模式。
可以注意到，所述环路的最冷点被定义为泵12入口处的点。实际上，这个点(检测器88位于此处)是在水不再循环并且内燃机废气不再供应热能时环路中温度下降最快的点。
一旦测量的温度低于阈值温度To，则所述环路被所述控制单元启动至“结霜模式”。
在该“结霜模式”，阀72和78被分别控制从而打开短路管路58以及旁路管路68。阀74和76被控制从而打开管路62和64，而箱体48的通气阀84处于关闭位置。自动阱80被保持在如此的位置，即在该位置上与户外的联通被关闭而通气阀82处于打开位置。
真空泵50被启动，并且考虑通气阀84的关闭位置而在箱体内形成低压。因此能够使容纳在整个环路中的工作流体被吸入箱体48。
有利的是，通过使工作流体在膨胀机30与箱体48之间(短路管路58-冷凝器管路56-冷凝器42-箱体管路62)沿箭头A的方向循环和在该膨胀机与所述箱体之间(膨胀机管路54-蒸发器18-蒸发器管路52-旁路管路68-泵管路64)沿与箭头A相反的方向循环可完成所述环路的排空。
当然，本领域技术人员能够计算驱动真空泵50被停止的时间，从而将所述工作流体从环路中完全排出并将其贮存在箱体内。
一旦环路中的工作流体被排空并被通过通气阀82输送的空气代替，阀74和76就被控制从而关闭管路62和64。这允许箱体48与所述环路的其余部分隔离。
在关闭阀74和76之后，真空泵50停止而箱体48的通气阀84被控制到打开位置，从而使该箱体内部处于大气压力之下。
考虑位于箱体的下部位置的位置，能够通过重力完全排空，而通过在由所述真空泵产生的低压的影响，能够吸取容纳在所述环路中的工作流体并将其存储在箱体内。
该箱体有利地设计为承受箱体内容纳的流体的凝固。例如而非限制地，贮存在箱体内的工作流体可通过与和环境空气热隔离的箱体的隔离而被保护免于结霜的风险。
因而在循环泵12不旋转的情况下实施该排空操作，循环泵12旋转的功能性特征和技术特征不适于环路的排空操作。
优选地，在该排空操作的最后，所述环路的非功能性阀被置于凝固保护模式。更确切地说，阀72、78、100和104，以及通气阀82和自动阱80被置于或者保持在打开位置。
当热机28再次启动，所述闭合环路以“除霜模式”运行。
仅在由箱体的温度检测器86测量的温度高于设置在大约5℃的温度阈值To时运行这种模式。对于该“除霜模式”，考虑与存在的流体量相关的热惯性，可以认为箱体的中心是工作流体温度上升最慢的点。
对于这种模式，控制上游和下游的箱体阀74与76从而打开管路62与64，并且通气阀84处于打开位置。旁路阀78以及废气管路98的阀100关闭，而短路管路102的阀104打开。自动阱80被控制在打开位置，通气阀82关闭而短路阀72被打开。循环泵12被启动，而容纳在箱体内的工作流体(此处为液态水的形式)从箱体内抽取出来从而填充所述环路。更确切地说，所述流体通过管路62输送，其在蒸发器18内循环，并在在短路管路58内循环(箭头A’)之前流经位于膨胀机30的入口32与短路出口36之间的膨胀机30。随后，在到达箱体48的入口之前所述流体在管路56、冷凝器42以及管路62内循环。所述流体随后流经箱体并到达泵12的入口14。
随着水的循环，通过自动阱80的方式完成对存在于所述环路的多个元件(管路、蒸发器等)内的空气的排出，并且箱体48的通气阀84允许空气补偿箱体内水位的下降。
对于环路排空操作，本领域技术任意能够确定填充所述环路所需的时间，特别是根据循环泵的输出以及环路中流体的容量。
当整个环路被水充满时，阀104被控制在关闭位置，废气管路98的阀100位于打开位置，而自动阱80及短路阀72被关闭。
来自内燃机28的废气因此流经蒸发器18，并通过将水转化为水蒸汽来与在蒸发器18内循环的水交换它们包含的热量。
当水蒸汽的量足够多时，短路阀72被置于关闭位置，从而通过水蒸汽在膨胀机的入口32和34之间的循环来启动膨胀机30。
在该阶段之后，所述环路回到上文所述的正常运行情形。

Claims (17)

1.一种装置，所述装置用于控制在工作在兰金循环的闭合环路(10)中循环的具有低凝固点的工作流体，所述闭合环路包括使流体处于液体形式的压缩/循环泵(12)、用于蒸发流体且被热源(24)扫掠的热交换器(18)、用于使流体处于蒸汽形式的膨胀装置(30)、用于冻结工作流体且由冷源(F)扫掠的冷交换器(42)、工作流体箱体(48)以及工作流体循环管路(52，54，56，58，60，62)，其特征在于，箱体(48)连接到低压发生器(50)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低压发生器是真空泵(50)。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述闭合环路(10)包括受控的通气装置(54，82)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述环路的循环管路中的至少一个(58)包括受控的通气装置(82)。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，箱体(48)包括用于所述箱体内部的受控的通气装置(82)。
6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述闭合环路包括绕过所述压缩/循环泵(12)的旁路回路(66)。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，旁路回路(66)包括承载受控的节流装置(78)的旁路管路(68)。
8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，箱体(48)包括用于容纳在箱体中流体的温度检测器(86)。
9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，闭合环路(10)包括靠近所述压缩/循环泵(12)入口(14)设置的温度检测器(88)。
10.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述闭合环路包括一个循环管路(62)以及另一个循环管路(64)，所述一个循环管路(62)承载用于将冷凝器出口(46)连接到箱体入口的受控的节流装置(74)，所述另一个循环管路(64)承载用于将箱体出口(16)连接到泵入口的受控的节流装置(76)。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工作流体是没有防冻添加剂的水。
12.一种方法，所述方法用于控制在工作在兰金循环的闭合环路(10)中循环的具有低凝固点的工作流体，所述闭合环路包括使流体处于液体形式的压缩/循环泵(12)、用于蒸发流体且被热源(24)扫掠的热交换器(18)、用于使流体处于蒸汽形式的膨胀装置(30)、用于冻结工作流体且由冷源(F)扫掠的冷交换器(42)、工作流体箱体(48)以及工作流体循环管路(52，54，56，58，60，62)，其特征在于，该方法包括：当所述环路静止时，在箱体(48)内生成低压从而将容纳在所述环路中的工作流体转移到所述箱体内。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括使用真空泵(50)在箱体(48)内生成低压。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括当位于所述压缩/循环泵(12)入口(14)处的工作流体的温度低于阈值温度(TO)时，将所述流体转移到所述箱体内。
15.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括在转移所述工作流体之后将箱体(48)与所述闭合环路隔离。
16.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括在再次启动所述环路的运行时，抽出容纳在所述箱体内的工作流体以填充所述闭合环路。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括当所述箱体内的工作流体的温度高于阈值温度(TO)时，从所述箱体抽取所述流体。
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