CN109477403A - 用于检测和抽取在根据朗肯循环运作的闭合回路中包含的气态流体的方法及使用该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测和抽取包含在以朗肯循环运行的闭合回路(10)中的气态流体的方法，所述回路包括多个部件，这些部件依次是用于工作流体的循环压缩泵(12)、与热源(24)相关联的热交换器(18)、膨胀机(30)、冷却交换器(40)、工作流体箱(46)和连接这些部件的循环管(50、52、54、56、58、60)。本发明包括：‑测量在该回路闲置时工作流体的温度(T_实际)和压力(P_实际)，以及‑一旦测量的压力(P_实际)超过针对给定的环境温度(T)的阈值(P_饱和液体)，就启动用于抽取气态流体的设备(62)，以便将气态流体从回路中排出。

Description

用于检测和抽取在根据朗肯循环运作的闭合回路中包含的气 态流体的方法及使用该方法的装置

本发明涉及一种用于检测和抽取以朗肯循环运行的闭合回路中包含的气态流体的方法，以及使用该方法的装置。

如广泛已知的，朗肯循环是热力学循环，其中，来自外部热源的热量传送到包含工作流体的闭合回路。

该循环通常分解成使用的低凝固点的工作流体以等熵的方式被压缩的阶段，接着是该压缩流体在与热源接触时被加热并蒸发的阶段。然后，该蒸汽在另一阶段中以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。

为了执行这些各个阶段，闭合回路包括用于将工作流体压缩成液态并使其在闭合回路中循环的泵、由用于至少部分地蒸发压缩流体的热流体扫过的热交换器(或蒸发器)、用于膨胀蒸汽的膨胀机以及另一个热交换器(或者冷凝器)，膨胀机比如是将该蒸汽的能量转化为诸如电能等另一种能量的涡轮机，发电机通过联接到该涡轮机以形成涡轮发电机，包含在蒸汽中的热量通过所述另一个热交换器经受于通常为冷却流体或外部空气的冷源，以将该蒸汽转化为液体。

特别地通过文献FR-2,884,555而同样众所周知的是，使用由特别地用于机动车辆的内燃机的废气转化的热能来作为提供加热并蒸发流经蒸发器的流体的热源。

这允许通过恢复大部分在排气口处损失的能量来改进该内燃机的能量效率，使得通过朗肯循环回路将这些能量转化为可被用于机动车辆的能量。

众所周知，气态流体可存在于该回路中，这涉及降低工作流体性能和显著降低该朗肯循环的总效率的主要缺点。

气态流体被理解为与工作流体不同的流体，这种气态流体可以是空气或者由工作流体的分解或降解产生的任何其它的气态流体。

为简单起见，在下面剩余部分的描述中，考虑的气态流体是空气。

这种空气可能是由于在用工作流体填充回路时回路的不完美清除而产生、或者由可以在回路的运行期间解吸其所包含的空气的工作流体产生、或者特别地当回路闭合时由于空气特别是在回路的各种元件之间的连接处泄漏到回路中而产生。

特别是通过文献US-2014/0,099,184而众所周知的是，检测闭合回路中空气的存在，然后将该空气送到膨胀机，在膨胀机中空气被限制。

这样的运行涉及使引导空气朝向膨胀机的闭合回路变得复杂的主要缺点。

本发明的目的是通过提供一种简单且廉价的方法和装置来克服上述缺点，该方法和装置始终使朗肯循环闭合回路在没有空气的情况下运行。

因此，本发明涉及一种用于检测和抽取包含以朗肯循环运行的闭合回路中的气态流体的方法，所述回路包括多个部件，它们依次是用于工作流体的循环和压缩泵、与热源相关联的热交换器、膨胀机、冷却交换器、工作流体箱和连接这些部件的循环管，其特征在于，该方法包括：

-当回路处于闲置(静止)状态时，测量回路某一点处的工作流体的温度和压力，以及

-一旦测量的压力超过给定环境温度的阈值，就启动用于抽取气态流体的设备，以便将气态流体从回路中排出。

当在抽取设备处不发生工作流体循环并且测量的温度基本上对应于环境温度时，回路可处于闲置(静止)状态。

可以在回路的较低高度的点处测量工作流体的温度和压力。

可以启动设置在回路的高点处的气态流体抽取设备。

可以通过致动气态流体抽取泵并通过控制阀的打开来启动抽取设备，该阀控制将泵连接到回路的管中的气态流体的循环。

可抽取包括空气或由在所述朗肯循环回路中使用的工作流体的分解或降解产生的任何其它气态流体在内的气态流体。

抽取的气态流体可以从回路中送出。

本发明还涉及一种用于检测和抽取在以朗肯循环运行的闭合回路中所包含的气态流体的装置，所述回路包括用于液态工作流体的压缩/循环泵、由用于蒸发所述流体的热源扫过的热交换器、用于使流体膨胀成蒸汽形式的装置、由用于冷凝工作流体的冷源扫过的冷却交换器，工作流体箱和工作流体循环管，其特征在于，该装置包括与用于检测闲置闭合回路中气态流体的存在的计算表相关联的至少一个压力传感器和至少一个温度传感器，并且该装置包括用于从回路中抽取气态流体的设备。

计算表可以包括莫里尔图(Mollier diagram)的全部或部分。

气态流体抽取设备可包括连接到回路的气态流体抽取泵。

该设备可包括将回路连接到气态流体抽取泵的气态流体管。

该设备可包括控制阀，该控制阀允许控制气态流体管中的气态流体循环。

该设备可包括用于将气态流体排放到外部的管。

气态流体可包括空气或由在所述朗肯循环回路中使用的工作流体的分解或降解所产生的任何其它气态流体。

通过阅读此后通过非限制性示例并参考附图的方式进行的描述，本发明其它的特征和优点将会变得清晰，在附图中：

-图1示出了通过根据本发明的方法和装置在朗肯循环上运行的闭合回路，以及

-图2示出了绘制压力与比焓的莫里尔图，该图用于根据本发明的方法。

图1示出了朗肯循环闭合回路10，该回路有利地为ORC(有机朗肯循环)类型并且使用诸如丁烷、乙醇、氢氟烃、二氧化碳等有机流体或有机流体的混合物。

应当理解的是，闭合回路可通过诸如氨或水之类的非有机流体进行运行。

该回路包括用于工作流体的循环压缩泵12，在下面的描述中称为循环泵，该循环泵具有用于液态工作流体的入口14和用于同样是液态工作流体的出口16，但是在高压下液态工作流体被压缩。该泵有利地通过诸如电动机(未示出)之类的任何装置来转动。

该回路还包括称为蒸发器的热交换器18，该蒸发器18在入口20和出口22之间被压缩工作流体横穿，入口20用于该液态流体，而该流体从所述出口22以压缩蒸汽的形式离开蒸发器。该蒸发器被液态或气态的热源24横穿。

该热源可以来自在内燃机28的排气管26中循环的废气、来自内燃机的冷却剂、工业炉的冷却剂、或者来自在热电厂中或通过燃烧器加热的载热流体。

回路还包括膨胀机30，该膨胀机30通过入口32接纳呈被压缩至高压水平的蒸汽的形式的工作流体，该流体以膨胀至低压水平的蒸汽的形式通过出口34离开该机器，。

有利地，该膨胀机是膨胀涡轮机的形式，膨胀涡轮机的转子轴通过驱动(以虚线示出的)连接轴36旋转而由蒸汽形式的工作流体旋转。优选地，该轴允许将从工作流体回收的能量传递到诸如例如电动发电机38之类的任何转换装置。

该回路还包括冷却交换器40、即冷凝器，该冷凝器具有用于膨胀的低压蒸汽的入口42以及用于在流经该冷凝器之后转化为液体形式的低压工作流体的出口44。所述冷凝器被冷源、通常为处于环境温度下的冷水流所扫过，以便冷却膨胀的蒸汽，使得蒸汽冷凝并转化为液体。当然，诸如另一冷却剂或冷空气之类的任何其它冷源可被用于确保蒸汽的冷凝。

该回路还包括在冷凝器和循环泵之间的闭合箱46，该闭合箱46允许将工作流体保持在液态，并且该回路优选地还包括诸如筒式过滤器之类的过滤器48，该过滤器48用于在将工作流体馈送入泵之前过滤离开闭合箱的工作流体。

回路的各种元件通过流体循环管50、52、54、56、58、60彼此连接，这些流体循环管允许依次将泵连接到蒸发器(蒸发器管50)、将蒸发器连接到涡轮(涡轮管52)、将涡轮到冷凝器(冷凝器管54)、将冷凝器到箱(箱管56)、将箱到过滤器(过滤管58)以及将过滤器到泵(泵管60)，使得工作流体顺时针循环。

如图1所示，回路还包括气态流体抽取设备62，此处流体是空气，气态流体抽取设备62设置在回路的最高点、即回路中空气积聚的点。

该抽取设备包括空气管64，该空气管64始于与回路最高点的连接部66处，此处最高点的连接部是如图1所示的回路中的最高管之一、诸如管52。该空气管通向空气抽取装置、此处是称为抽气泵的泵68，该泵68承载排出管70，该排出管70用于将抽取的空气送到回路的外部或缓冲箱(未示出)。空气管在空气泵和连接部之间承载阀72、有利地是控制阀，该控制阀允许控制空气管中的空气循环。

考虑到如图1所示的回路，该回路有利地包括压力传感器74和温度传感器76，这些传感器优选地设置在回路的最低点、即在最低高度的点处的其中一个管上。这些传感器优选地位于涡轮机出口和循环泵入口之间的回路的低压区域中。

有利地，借助示例，这些传感器设置在冷凝器40的出口处的管56上。因此，压力传感器74允许了解在低压下的回路部分中存在的压力，同时温度传感器允许了解离开冷凝器的工作流体的温度，该温度基本上是在回路中循环的流体的最低温度。

当然，例如提供计算器类型的控制单元78；该控制单元驱动回路的诸如阀门或空气泵之类的各种致动器，并且该控制单元接收来自诸如压力传感器74和温度传感器76的各种传感器的测量值。

该计算器还包含计算表，特别是饱和液体曲线方程P_饱和液体＝f(T)，该方程允许了解以测量温度T_实际为函数的液体压力P_饱和液体的理论值。

更具体地，该曲线从莫里尔图(参见图2)得出，莫里尔图考虑了工作流体的压力(P，以巴为单位)相对于该流体的比焓(以kJ/kg(千焦/千克)计)。

有利地，该曲线可以对应于莫里尔图的一部分。实际上，只要知道饱和液体压力曲线相对于温度的关系就足够了。

因此由空气抽取设备、传感器和计算器组成的组件形成用于闭合回路中使用的气态流体的检测和抽取装置。

应用于该回路的方法包括在闲置回路中检测气体流体(此处为空气)的存在，以及从该回路中抽取该空气。

为了检测空气的存在，该方法包括：例如在重新启动循环之前，当回路处于闲置状态并且工作流体是冷的时，通过回路中的压力传感器和温度传感器来测量流体的热力学压力P_实际和温度T_实际状况。

当在抽取设备62处没有发生工作流体循环时，以及当工作流体是冷的时、即流体的温度T_实际处于环境温度T或接近环境温度T(在±5℃内)时，认为该闭合回路处于闲置状态(静止状态)。

一旦达到这些条件，就由以环境温度T为函数的莫里尔图将两个值P_实际和P_饱和液体进行比较。

因此，借助示例，对于25℃的环境温度T：

·如果P_实际等于阈值P_饱和液体或接近该压力(±3％以内)(A点)，则回路中不存在空气，无需其他操作；

·如图2所示，如果P_实际大于阈值P_饱和液体(B点)，则该回路包含积聚在其上部的空气，这种低密度空气自然地定位在最大高度、此处为管52的空间中，并且需要采取校正动作。

校正动作包括通过使设置在回路的高点的抽取设备62运行来抽取回路中包含的空气。

然后启动抽气泵68，并控制阀72的打开，以允许空气在回路10的连接部66和泵68之间自由循环。

然后，抽取的空气通过管70排放到大气或储存空间。

当然，将抽气泵的启动时间和阀的打开时间特别是根据差值P_实际-P_饱和液体的演变进行参数化以便获得完全的空气抽取是在本领域技术人员的能力范围内的。

在该校正动作结束时，获得包含不具有诸如空气的气体的工作流体的回路。

然后可以使回路运行，同时提供所有所需的性能。

Claims (14)

1.一种用于检测和抽取包含在以朗肯循环运行的闭合回路(10)中的气态流体的方法，所述回路包括多个部件，这些部件依次是用于工作流体的循环压缩泵(12)、与热源(24)相关联的热交换器(18)、膨胀机(30)、冷却交换器(40)、工作流体箱(46)和连接这些部件的循环管(50、52、54、56、58、60)，其特征在于，所述方法包括：

-当所述回路处于闲置时，测量所述回路的某一点处的工作流体的温度(T_实际)和压力(P_实际)，以及

-一旦所述测量的压力(P_实际)超过针对给定环境温度(T)的阈值(P_饱和液体)，就启动用于抽取所述气态流体的设备(62)，以便将所述气态流体从所述回路中排出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当在抽取设备(62)处不发生工作流体循环时并且所测量的温度基本上对应于环境温度时，所述回路处于闲置状态。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述工作流体的所述温度(T_实际)和所述压力(P_实际)在所述回路的较低高度的点处进行测量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置在所述回路的高点处的所述气态流体抽取设备(62)被启动。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述抽取设备(62)通过致动气态流体抽取泵(68)并通过控制阀(72)的打开来启动，所述阀(72)控制将所述泵连接到所述回路的管(64)中的所述气态流体的循环。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，抽取包括空气或者由在所述朗肯循环回路中使用的工作流体的分解或降解所产生的任何其它气态流体的气态流体。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述抽取的气态流体被送出所述回路。

8.一种用于检测和抽取在以朗肯循环运行的闭合回路(10)中所包含的气态流体的装置，所述回路包括用于液态工作流体的压缩/循环泵(12)、由用于蒸发所述流体的热源(24)扫过的热交换器(18)、用于使流体膨胀成蒸汽形式的装置(30)、由用于冷凝工作流体的冷源扫过的冷却交换器(42)、工作流体箱(48)和工作流体循环管(50、52、54、56、58、60)，其特征在于，所述装置包括与用于检测闲置闭合回路中气态流体的存在的计算表相关联的至少一个压力传感器(74)和至少一个温度传感器(76)，并且所述装置包括用于从所述回路中抽取气态流体的设备(62)。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述计算表包括莫里尔图的全部或部分。

10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述气态流体抽取设备(62)包括连接到所述回路(10)的气态流体抽取泵(68)。

11.如权利要求8至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述设备(62)包括将所述回路(10)连接到气态流体抽取泵的气态流体管(64)。

12.如权利要求8至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述设备(62)包括控制阀，所述控制阀允许控制所述气态流体管中的气态流体循环。

13.如权利要求8至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述设备(62)包括用于将所述气态流体排放到外部的管(70)。

14.如权利要求8至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述气态流体包括空气或者由所述朗肯循环回路中使用的工作流体的分解或降解所产生的任何其它气态流体。