CN111433439B - 热机 - Google Patents

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Abstract

公开了一种热机（10），包括：热交换器（12），以将热量从热源（100）传递到工作流体；容积式膨胀机（16），被配置为从热交换器（12）接收入口工作流体并将膨胀的工作流体作为多相流体排出，使得膨胀的工作流体和入口工作流体之间具有总体积膨胀比，该总体积膨胀比是入口工作流体的入口干度的函数；可变膨胀阀（14），设置在热交换器（12）和膨胀机（16）之间，阀被配置为在工作流体中引入可变压降以改变入口干度；以及控制器（30），被配置为通过控制阀（14）来保持总体积膨胀比，以补偿到或来自工作流体的可变热传递。

Description

热机
技术领域
本发明涉及一种包括容积式膨胀机的热机。
背景技术
热机是一种众所周知的通过热量发电的热力系统，通常包括初级热交换器、膨胀机、冷凝器和压缩机(或泵)，它们在闭路中输送工作流体。
由于工作流体通过涡轮机会膨胀，热机通常使用膨胀涡轮机来产生动力。
容积式膨胀机已经提出可作为替代类型的膨胀机，相比于传统涡轮机，其可以具有更高的峰值操作效率。螺杆膨胀机是特殊类型的容积式膨胀机。包括容积式膨胀机的热机已经提出，其中膨胀机接收两相(即液体和气体)工作流体并排出膨胀的两相工作流体。在这种热机中，膨胀效率达到最佳，此时遍及膨胀机的总体积膨胀比与膨胀机的几何膨胀比基本匹配。
发明内容
如本领域所已知，几何膨胀比与容积式腔室的腔室的相对体积占比有关。在本领域中，该比可被称为内置体积比(或BIVR)，并且该术语在本公开中全篇使用。
根据第一方面，提供一种热机，包括：热交换器，以将热量从热源传递到工作流体；容积式膨胀机，被配置为从热交换器接收入口工作流体并将膨胀的工作流体作为多相流体排出，使得膨胀的工作流体和入口工作流体之间具有总体积膨胀比，该总体积膨胀比是入口工作流体的入口干度的函数；可变膨胀阀，设置在热交换器和膨胀机之间，阀被配置为在工作流体中引入可变压降以改变入口干度；以及控制器，被配置为通过控制阀来保持总体积膨胀比，以补偿到或来自工作流体的可变热传递。
总体积膨胀比可以是工作流体的热力学性质的函数，特别地其可以包括(但不限于)入口工作流体的入口干度。
总体积膨胀比可以是多个热力学性质的函数，例如入口工作流体的入口干度、入口工作流体的压力、膨胀机出口处的工作流体的压力和热机中工作流体的质量流量。
控制器可以被配置为将总体积膨胀比保持在与膨胀机的内置体积比相对应的最佳范围内。
控制器可以被配置为监测与总体积膨胀比有关的操作参数。控制器可以被配置为基于所监测的操作参数来控制阀。
操作参数可以选自由以下组成的组：
热源的热力学性质；
热源的流量；
冷却流的热力学性质，热量从热机中的工作流体向冷却流传递；
冷却流的流量；
在热机中的监测位置处的工作流体的热力学性质，例如工作流体的温度、压力或相组成；
工作流体的质量流量；
热机的泵的循环设定；
到两相膨胀机的工作流体的入口干度；
与膨胀机的转速有关的转速参数。
流体的热力学性质可以是流体的温度、压力或相组成。
控制器可以被配置为基于该或每个监测的操作参数，通过参考数据库或模型来确定阀的阀设定。
控制器可以包括数据库或模型。控制器可以包括包含数据库或模型的非暂时性机器可读介质，以及指令，当由处理器执行该指令时使控制器访问数据库或模型以确定阀设定(和/或用于操作泵的循环设定)。控制器可以包括处理器。数据库或模型可以远离压缩机。控制器可以包括指令，当由处理器执行该指令时使控制器访问远程数据库或模型以确定阀设定(和/或用于操作泵的循环设定)。
控制器可以被配置为使用相应的传感器以确定至少两个操作参数的值。控制器可以被配置为通过参考包含由至少两个操作参数相关的阀设定的数据库或者通过评估热机的模型来确定阀的阀设定。
控制器可以被配置为基于所监测的操作参数来确定用于操作热机的泵的循环设定。控制器可以被配置为通过参考数据库或模型来确定用于操作泵的循环设定。
控制器被配置为确定遍及膨胀机的总体积膨胀比，并控制阀以将总体积膨胀比保持在预定的最佳范围内。
控制器可以被配置为部分基于离开膨胀机的体积流量来确定总体积膨胀比。控制器可以被配置为监测膨胀机的转速参数。控制器可以被配置为根据膨胀机的转速参数确定离开膨胀机的体积流量。
热机可以被配置为使得退出热交换器的在用工作流体为处于饱和温度的单相液体或处于过冷的单相液体。
控制器可以被配置为基于阀的上游的工作流体的热力学性质以及控制阀的阀设定来确定阀的下游的入口工作流体的干度。控制器可以被配置为基于入口工作流体的干度来确定到膨胀机中的体积流量。
控制器可以被配置为基于与热源的温度有关或与在热交换器处的工作流体的温度有关的温度参数来控制泵的循环设定，使得热交换器处的工作流体的饱和温度等于或高于热交换器处的工作流体的最高温度，从而使得退出热交换器的在用工作流体为处于饱和温度的单相液体或处于过冷的单相液体。
膨胀机可以是具有内置体积比的螺杆膨胀机。控制器可以被配置为将总体积膨胀比保持在与内置体积比相对应的最佳范围内。总体积膨胀比的最佳范围可以是BIVR±5，或者更接近的范围，例如BIVR±2、BIVR±1或BIVR±0.5。
根据第二方面，公开了一种控制热机的方法。热机可以包括热交换器，以将热量从热源传递到工作流体；容积式膨胀机，被配置为接收来自热交换器的入口工作流体并将膨胀的工作流体作为多相流体排出，使得膨胀的工作流体与入口工作流体之间具有总体积膨胀比，该总体积膨胀比是入口工作流体的入口干度的函数。该方法包括：控制设置在热交换器和膨胀机之间的可变膨胀阀，以在工作流体中引入可变压降以改变入口干度；其中，通过控制该阀来保持总体积膨胀比，以补偿到或来自工作流体的可变热传递。
该热机可以依照第一方面。
该方法可以包括监测与总体积膨胀比有关的操作参数；以及基于所监测的操作参数来控制阀。
该方法可以包括基于该或每个监测的操作参数，通过参考数据库或模型来确定阀的阀设定。
该方法可以包括使用相应的传感器确定至少两个操作参数的值；通过参考包含由至少两个操作参数相关的阀设定的数据库确定阀的阀设定；或者通过评估热机的模型确定阀的阀设定。
该方法可以包括基于所监测的操作参数来确定用于操作热机的泵的循环设定。
该方法可以包括确定遍及膨胀机的总体积膨胀比，并控制阀以将总体积膨胀比保持在预定的最佳范围内。
该方法可以包括监测膨胀机的转速参数；根据膨胀机的转速参数确定离开膨胀机的体积流量；以及部分基于离开膨胀机的体积流量来确定总体积膨胀比。
该方法可以包括控制热机的操作，使得退出热交换器的在用工作流体为处于饱和温度的单相液体，或处于过冷的单相液体。
该方法可以包括基于阀的上游的工作流体的热力学性质和控制阀的阀设定来确定阀的下游的入口工作流体的干度；以及基于入口工作流体的干度来确定到膨胀机中的体积流量。
该方法可以包括监测与热交换器处的工作流体的温度或热源的温度有关的温度参数；以及基于温度参数控制泵的循环设定，使得在热交换器处的工作流体的饱和温度等于或高于在热交换器处的工作流体的最高温度；从而退出热交换器的工作流体为处于饱和温度的单相液体或处于过冷的单相液体。
膨胀机可以是具有内置体积比的螺杆膨胀机，并且可以控制阀以将总体积膨胀比保持在与内置体积比相对应的最佳范围内。
本发明可以包括本文所述的特征和/或限制的任何组合，相互排斥的特征组合除外。
附图说明
现在将参照附图来举例说明本发明，其中：
图1示出了示例热机；
图2示出了通过图1的热机的未调节的热循环的压力-体积图，其中在膨胀机处膨胀不足；
图3示出了通过图1的热机的已调节的热循环的压力-体积图，其中在膨胀机的上游存在受控的等焓膨胀；以及
图4和图5分别是直接和间接保持体积膨胀比的阀的监测和控制的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了用于将来自热源的热能转换为机械能的热机10。在本示例中，热源100是废热源，特别是来自蒸汽系统的冷凝排出物100。热机10包括工作回路，其包括初级热交换器12、以控制阀14的形式的可变膨胀阀、两相容积式膨胀机16、冷凝器18和泵20(其可以是压缩机)。在本示例中，相对于工作流体的输送方向，这些组件按照上述顺序围绕回路串联布置。工作流体可以是任何合适的流体，例如水或制冷剂(例如R245fa)。在本示例中，两相膨胀机16是螺杆膨胀机。
在本示例中，发电机22耦合到两相膨胀机16，用于将来自膨胀机16的机械能转换为电能。
热机10还包括被配置为控制可变膨胀阀14的控制器30，以下将会详细描述。
在本示例中，控制器30还耦合到泵20以控制泵20的操作，并且耦合到膨胀机16的旋转传感器以监测膨胀机的旋转性质，如下将描述的。然而，在其他示例中，可以提供单独的控制器来控制阀、控制泵30和监测膨胀机的旋转性质中的一者或多者。
如图1所示的热机10安装在示例设备中，使得将初级热交换器12的热源侧布置为接收废热源100，使得来自废热源100的在用热量传递到初级热交换器的散热侧中的工作流体。
类似地，将冷凝器18布置为接收冷凝器的散热侧中的冷却流102，使得来自冷凝器18的热源侧中的工作流体的在用热量传递到冷却流102。例如，冷却流可以是冷却水。
在本示例中，传感器设置在围绕工作回路的监测位置处，用于监测工作流体的热力学性质。在本公开中，通过参考工作流体的局部条件来指出监测位置。在热机10的组件之间的流体线路中的以下位置处设置传感器：
在初级热交换器12和控制阀14之间的已加热位置A(即在初级热交换器
12处加热工作流体后)；
在控制阀14和两相膨胀机16之间的已调节位置B(即在控制阀处调节后)；
在两相膨胀机16和冷凝器18之间的已膨胀位置C(即通过膨胀机16膨胀
后)；
在冷凝器18和泵20之间的已冷凝位置D(即在冷凝器18处冷却工作流体
后)；以及
在泵20和初级热交换器12之间的已压缩位置E(即由泵20压缩后)。
在本示例中，在每个监测位置设置温度和压力传感器。在控制阀14和膨胀机16之间的已调节位置B处以及在膨胀机16和冷凝器18之间的已膨胀位置C处，设置配置为监测质量流量的流量计和配置为监测工作流体的质量(即干度)的相位传感器。
控制器30耦合到在监测位置A-E处的每个传感器以接收来自相应的传感器的输出信号。
在本示例中，还在监测位置F、G处设置传感器，分别用于监测废热源100和冷却流102的性质。在每个监测位置F、G处有温度传感器、压力传感器和质量流量传感器，它们也耦合到控制器30。
现在将参考图2来描述围绕工作回路的第一组三个示例未调节的热循环，其示出三个相应的热循环的围绕工作回路的工作流体的压力-体积图。在第一组示例中，控制阀14完全打开，使得在控制阀处没有对工作流体进行调节，因此这些示例被称为“未调节的热循环”。在图2的图上标记上述位置A-E，以便与图1所示的位置交叉参考。
在这些特定示例中，废热源温度分别为80°、85°和90°(摄氏度)，而废热源100的质量流量在15°相应的示例之间保持恒定。因此，热源和冷却流之间的温差在相应的示例之间改变。这种温差可以被称为热机的热功率。可以理解的是，从废热源100传递到热机10的热能是热源的温度的函数。可以改变围绕工作回路的工作流体的质量流量，以适应到和来自工作流体的热传递的改变。
在这些示例中，退出初级热交换器12(即在已加热位置A处)的工作流体的温度大约比废热源100的温度低5°，然而，冷凝器18处(即在已膨胀位置C和已冷凝位置D处)的工作流体的温度比冷却流102的温度高约5°。
在这些示例中，热机10被配置和控制为进行操作，使得在初级热交换器12和冷凝器16处的工作流体的压力分别与废热源100的温度和冷却流102的温度有关。
由于工作流体退出膨胀机16并作为两相流体进入冷凝器18，因此工作流体本身处于饱和温度。冷凝器处的工作流体的压力由通过冷凝器的工作流体的温度确定。这进而与冷却流102的温度有关。在这些示例中，冷凝器18被配置和被操作为等温热传递以冷凝工作流体的气相，并且通过冷凝器的工作流体的温度比冷却流102的温度高约5°(如上所述)，即约20°。20°的饱和温度对应于1.32巴(bar)的工作流体的压力(当工作流体为R245fa时)。
相应地，冷凝器的出口处没有过冷，这否则会产生不必要的冷却，不必要的冷却将导致热机的次优性能。
此外，当热交换器(包括冷凝器)被配置为(i)用于相变的等温热传递或(ii)用于工作流体的温度变化的热传递(在本文称为“特定加热”)时，它们可以更有效地操作。
相应地，配置和控制热机10，使得在冷凝器中仅发生用于相变的热传递(而不是特定加热)，可能意味着可以安装针对该类型的热传递而优化的更有效的冷凝器。
在这些示例的热循环中，热机10被配置和控制为进行操作，使得在已加热的位置A处的工作流体(即，作为来自初级热交换器12的输出)在低于热废源100的温度约5°的饱和温度下以低干燥度被部分汽化。在这些特定的示例热循环中，干燥度为0.11。
例如，在废热源温度为80°的热循环中，已加热位置A处的工作流体的温度约为75°。8.11巴(bar)的压力对应于75°的饱和温度。控制器30操作泵20，使得已压缩位置E处的压力为8.11巴(bar)，从而在初级热交换器12处的加热可能导致在75℃的饱和温度下对于0.11的干燥度的部分汽化。
在这些特定示例中，泵20是变速泵(例如离心泵)，控制该泵以改变泵速度(或功率)来以如上所述的已加热位置A处的下游压力作为目标。在这些示例中，泵由控制器30控制，但在其他示例中，它可以具有单独的泵控制器。
在每个示例热循环中，工作流体从初级热交换器12流向两相膨胀机16，在两相膨胀机16中使工作流体膨胀以在膨胀机16中将热能转换为机械能。发电机22进而将其转换成电能。
如图2所示，随着工作流体在两相膨胀机16中连续膨胀(即以平滑方式)，压力降低。然而，在每个示例中，当流体在膨胀机内时，其膨胀不足，使得在从膨胀机排出时，存在不连续(即不连贯)的等焓膨胀的排出阶段。当与流体线路流体连通的膨胀机的下游腔室放置于膨胀机16和冷凝器18之间时，可能发生这种不连续的膨胀。
在这些示例的每个示例中，发生膨胀不足是因为跨膨胀机的总体积膨胀比大于机器的BIVR。总体积膨胀比是在膨胀机之前流体的体积与在膨胀机之后流体的体积的比。这包括在膨胀机的最后腔室处的任何(等焓)膨胀以达到冷凝器压力，其对膨胀机的机械输出没有贡献，且代表膨胀不足。
BIVR可以对应于等焓膨胀的第一膨胀阶段(例如在膨胀机的第一腔室的入口处)与第二膨胀阶段的乘积，该第二膨胀阶段对应于膨胀机第一腔室与最后腔室之间的几何体积比。在某些情况下，本领域中的术语BIVR的使用仅指纯几何比(即如上所述的第二膨胀阶段)，而不是这种组合。在本公开中，就存在膨胀的第一阶段来说，术语BIVR用于指示两个阶段的乘积。此外，这可称为“显而易见的BIVR”–即在膨胀机的第一腔室和最后腔室之间是显而易见的BIVR。
膨胀不足表示相对于最佳膨胀的损失，因为膨胀机16未将流体中的能量完全转换为机械功。
在其他示例中，膨胀机内可能存在过度膨胀。例如，当跨膨胀机的总体积膨胀比低于BIVR时，可能会发生过度膨胀。因为膨胀机限制于根据它的几何性质来使工作流体膨胀，所以会在膨胀机内发生过度膨胀。简单地说，可以认为通过膨胀机的流具有两个阶段：膨胀阶段，在该膨胀阶段中可以认为膨胀机是由工作流体的膨胀驱动，以获得机械能；以及随后的再压缩阶段，在该再压缩阶段中使用膨胀机的机械能将工作流体有效地再压缩到膨胀机的出口压力。最终的结果是，膨胀阶段中获得的一些机械能被用于通过再压缩阶段对工作流体进行再压缩，这导致损失和次优效率。
当不足膨胀或过度膨胀发生时，存在由于遍及膨胀机的总体积膨胀比与BIVR之间的失配引起的热机中的次优效率。在这个特定的示例中，膨胀机16的BIVR是5。
在膨胀机16中膨胀后(即在已膨胀位置C处)，工作流体为两相。该两相工作流体从膨胀机16流向冷凝器18，在冷凝器18中，热量从工作流体传递到冷却流102，从而导致工作流体的气相进行冷凝。
在饱和温度下，工作流体作为100％液体退出冷凝器(即在已冷凝位置D处)。液体工作流体从冷凝器流向泵20，在泵20中按上述方式进行压缩。
考虑到固定的热条件(即恒定的废热源和冷却流条件)，可以设计热机，该热机操作使得对于膨胀机的最佳效率，膨胀机的总体积膨胀比与膨胀机的BIVR相匹配。然而，申请人发现，到或来自工作流体的热传递的改变导致了总体积膨胀比与BIVR的偏差，从而导致次优性能。
尽管到和/或来自工作流体的热传递是可变的，下面另外的公开涉及使总体积膨胀比与BIVR相匹配的方法。这可确保所有膨胀都在膨胀机中完成，而无再压缩，这实现从膨胀的工作流体中获得最大功。
由于膨胀机中的膨胀不能假定为等熵的，因此总体积膨胀比难以通过计算进行确定，并且取决于膨胀机的性能和性质。
相应地，不可以简单地指定遍及膨胀机的固定的压力比，其将使得总膨胀比与BIVR在不同的入口条件的范围内都匹配。
申请人认为有两种主要方法使总膨胀比与BIVR相匹配。第一种是确定总膨胀比并控制热机使得总膨胀比与BIVR相匹配的直接监测方法。第二种是通过监测膨胀机内的热力学性质以及控制热机使得其与冷凝器处的热力学性质相匹配的间接匹配方法。
在直接方法中，确定了到膨胀机中的体积流量和离开膨胀机的体积流量。到膨胀机中的体积流量可以基于工作流体的质量流量和质量(干度)来确定。质量流量可以直接基于工作回路中流量计的输出来确定。或者，可以是间接地，例如基于质量流量与泵的操作参数(例如转速)之间的预定关系，以及在泵处的工作流体的热力学性质(例如关于泵的入口的压力和温度)来确定质量流量。
到膨胀机中的工作流体的质量(干度)可以直接确定，例如使用膨胀机上游(例如在已调节位置B处)的相位传感器。或者，也可以间接地确定，从而无需相位传感器。相位传感器可能是昂贵且不准确的。例如，可以操作热机，使得工作流体为在初级热交换器的出口处(即在已加热位置A处)处于饱和温度或已知的过冷的100％液体。当控制阀在初级热交换器和膨胀机之间节流时，可以基于阀上的压降确定由于等焓膨胀导致的在阀处的质量(干度)变化。
从膨胀机退出时，工作流体在饱和温度下为两相。膨胀机的体积流量可以基于工作流体的质量流量(例如，如上文所确定的)和质量(干度)来确定。质量(干度)可以使用膨胀机和冷凝器之间(例如，在已膨胀位置C处)的相位传感器来确定。
否则，膨胀机的体积流量可以基于膨胀机的转速来确定。特别地，由于膨胀机是容积式装置，因此在转速和离开膨胀机的体积流量之间存在预定的关系。
已知进入和离开膨胀机的体积流量，可以确定总体积膨胀比，并将该总体积膨胀比与BIVR进行比较。然后，控制器可以改变控制阀，以在反馈环路中改变到膨胀机中的工作流体的热力学性质，将BIVR指定为总体积膨胀比的设定值。
在间接方法中，通过控制热机，使得膨胀机的最后腔室中的热力学性质与冷凝器处工作流体的热力学性质相匹配，从而间接地使总体积膨胀比与BIVR相匹配。这指示不存在过度膨胀或不足膨胀，使得总体积膨胀比与膨胀机的BIVR相匹配。
例如，可以使用在已膨胀位置C或(例如)已冷凝位置D处的压力传感器来确定冷凝器处的压力，并且可以使用安装在该腔室中的压力传感器来确定膨胀机的最后腔室中的压力。控制器可以确定它们之间的压差，并在反馈环路中改变控制阀，将零指定为压差的设定值。
此外，由于工作流体作为两相流体(即在饱和温度下)退出膨胀机，因此工作流体在出口处的压力由通过冷凝器的工作流体的温度确定。这进而与冷却流的温度有关。在本文所述的示例中，通过冷凝器的工作流体的温度比冷却流的温度高5°。
因此，控制器可以另外确定冷凝器处的温度(例如，如在已膨胀位置C或已冷凝位置D处使用温度传感器所确定的)与膨胀机的最后腔室中的温度(在此处使用温度传感器)之间的温差。控制器可以改变反馈回路中的控制阀，将温差的设定值指定为零。
然而，在膨胀机的最后腔室中可能难以安装压力传感器和温度传感器。因此，基于如上所述的转速参数来确定离开膨胀机的体积流量可能是有利的。
现在将参照图3描述另一组三个示例已调节的热循环，在所述示例中，控制器30进行操作以通过对控制阀14进行控制来将总体积膨胀比保持在最佳范围内，以补偿到或来自工作流体的可变热传递。
总体积膨胀比的最佳范围可以是BIVR±5，或者更接近的范围，例如BIVR±2、BIVR±1或BIVR±0.5。由于废热源流100或冷却流102的变化(例如温度或质量流量的变化)，可能发生到或来自工作流体的可变热传递。
控制器30操作控制阀，以在初级热交换器12和膨胀机16之间(即在已加热位置A和已调节位置B之间)跨控制阀14引入可变压降。
图3示出了三个示例已调节的热循环的压力-体积图，分别对应于废热源温度为80°、85°和90°(摄氏度)以及冷却流102的温度为15°(如上文所述的示例未调节的热循环中)。和图2一样，图中示出了围绕热循环的位置A-E，以供交叉参考。
如上所述，关于未调节的热循环，操作泵20使得工作流体在已加热位置A和已膨胀位置C处的压力在对应的未调节的热循环和已调节的热循环之间(即85°的未调节的热循环和85°的已调节的热循环之间等等)相同，从而到和来自工作流体的热传递与在这些位置的工作流体的温度相应地对应。例如，在已调节的和未调节的85°的示例热循环中，已加热位置A处的工作流体的质量(即干度)为0.11，以及压力为8.11巴(bar)。
然而，在已调节的热循环中，控制器30控制阀14来对初级热交换器12和两相膨胀机16之间的工作流体的流动进行节流，以引入压降(该压降被认为是等焓的)。
举例来说并如图3所示，膨胀机内，在膨胀前，85°的已调节的热循环中的工作流体的压力低于85°的未调节的热循环中的工作流体的压力。
在示例85°已调节的热循环中，使控制阀14节流，使得其打开32％，从而引入从8.11巴到5.11巴的压降，这导致约0.26的在已调节位置B处对于进入两相膨胀机的工作流体的质量(即干度)。质量(干度)增加是因为压降降低了饱和温度，从而导致工作流体的相变(即闪蒸、汽化)。
随着干度的增加，到膨胀机16中的体积流量随之增加。连同压力的降低以及膨胀机16的关联可变性能，这导致总体积膨胀比的降低(相对于对应的未调节的热循环)以匹配膨胀机的BIVR。
在示例已调节的循环之间，控制器对控制阀14进行控制来保持遍及膨胀机16的总体积膨胀比，以补偿到工作流体的可变热传递，如下所述。在其他示例中，可以保持总体积膨胀比以补偿来自工作流体的可变热传递。
通过比较示例，在初级热交换器12处，在90°已调节的热循环中到工作流体的热传递多于在85°已调节的热循环中到工作流体的热传递。因此，在90°已调节的热循环中，在已加热位置A处的工作流体的压力(处于9.17巴)高于在85°已调节的热循环中对应的压力(8.11巴)，以具有对应更高的饱和温度，以便在已加热位置A处保持0.11的相同质量(即干度)。
在90°已调节的热循环中，控制器对控制阀14进行控制，使得其被节流至29％打开，从而引入从9.17巴到5.17巴的压降，这导致在已调节位置B处控制阀14的下游质量(即干度)为0.3(相比较于：对于压降到5.11巴且在已调节位置B处质量(即干度)为0.26的在85°热循环中32％节流)。
作为另外的比较示例，在80°已调节热循环中，控制器对控制阀14进行控制，因此其被节流至36％打开，导致阀下游的干度为0.21。
上面描述示例已调节热循环而没有参考特定的操作参数，控制器监测所述操作参数以改变控制阀引入的压降。
现在将以示例的方式，相对于图1的热机10来描述监测和控制的这样的示例。
如上所述，在图1的示例热机10中，存在用于监测围绕工作回路在多个位置处的工作流体的性质的传感器，以及用于监测废热源100和冷却流的性质的传感器。
然而，控制器30可以被配置为通过监测从相应的传感器得到的有限数量的参数来控制阀。
因此，图1的示例热机10中的传感器布置表现了显著数量的冗余。热机10的传感器布置只是以示例方式公开，以指示可在何处设置传感器。在实际实现中，将设置较少的传感器。
控制器30可以被配置为以许多不同的方式控制阀14以保持总体积膨胀比。另外的描述在下面描述第一直接监测和控制方法，其中直接确定总体积膨胀比以用于控制程序；以及第二间接监测和控制方法，其中确定操作参数，并基于与该操作参数的预定关系来控制阀。
在第一示例方法中，控制器30被配置为确定总体积膨胀比参数，该总体积膨胀比参数是跨膨胀机16的总体积膨胀比的函数。控制器30基于已调节位置B处的相位传感器、已调节位置B处的压力传感器和已调节位置B处的质量流量计的输出来确定输入体积流量参数，该输入体积流量参数为到膨胀机中的体积流量的函数。控制器30基于已膨胀位置C处的相位传感器、已膨胀位置C处的压力传感器和已调节位置B处的质量流量计(因为围绕工作回路的质量流量是恒定的)的输出来确定输出体积流量参数，该输出体积流量参数为离开膨胀机的体积流量的函数。
在本示例中，输入体积流量参数和输出体积流量参数是输入体积流量和输出体积流量的度量，使得可以通过它们的组合直接确定总体积膨胀比。在其他示例中，输入体积流量参数和输出体积流量参数不必是实际体积流量，而可能是相应的体积流量的函数的参数，例如与体积流量成比例的或与之有关的参数，使得它们的组合可以提供总体积膨胀比参数，该总体积膨胀比参数为跨膨胀机的总体积膨胀比的函数。
在控制环路中，控制器30改变控制阀14的阀设定，其以对应于膨胀机的BIVR的总体积膨胀比参数的设定值作为目标。
在该第一示例的变体中，控制器可以确定体积流量参数，而不使用在已调节位置B和已膨胀位置C中的一者或两者处的相位传感器。例如，如上所述，可以基于转速参数和已膨胀位置C处的工作流体的压力和温度来确定离开膨胀机的体积流量。此外，当配置和控制该热机使得离开初级热交换器的工作流体为100％液体时，可以基于与控制阀的阀设定有关的参数与下游相比例之间的预定关系来确定到膨胀机中的体积流量。例如，该参数可以是压降(由压力传感器所测量的)或阀设定本身。
图4示出了上述示例方法40的流程图。在框42，操作热机，使得离开初级热交换器的工作流体为100％液体。在框44，基于阀处的膨胀(即基于阀的上游的工作流体的热力学性质和基于阀的阀设定)确定入口工作流体的入口干度。在框46，监测膨胀机的旋转参数。在框48，如上所述确定总体积膨胀比，如上所述包括通过确定到膨胀机中的体积流量和通过确定离开膨胀机的体积流量。在框50，基于框48中确定的总体积膨胀比，控制阀以将体积膨胀比保持在与膨胀机的BIVR相对应的最佳范围内。
相应地，在上述该第一示例(以及以上指示的变体)中，控制器30直接监测要保持的量(即总体积膨胀比)，并在反馈环路中利用该要保持的量来设定控制阀14的阀设定。
可以生成阀设定的数据库，这样的数据库对应于BIVR和总体积膨胀比之间的匹配，并通过热机的操作配置来相关。该数据库也可以通过以热机10的多个不同的操作配置操作热机10并如上文所述确定适当的阀设定来凭经验生成。或者，可以使用热机的代表性热模型生成这样的数据库，其中模拟膨胀机性能(例如，使用热力学模拟，诸如计算流体动力学(CFD))，并且如上所述对于相应的操作配置确定适当的阀设定，但基于模拟而不是物理操作。
热机10的操作配置是确定热循环的一组操作参数。操作参数可以包括与热机外部的热条件有关的外部操作参数，其影响热机中热循环的操作。外部操作参数可以包括：
热源的温度；
热源的质量流量
冷却流的温度；
冷却流的质量流量；
热源组成(例如水或其他材料)；
冷却流组成(例如水或其他材料)。
操作参数可以包括影响热机中热循环的操作的内部操作参数。内部操作参数可以包括：
工作流体的组成；
泵控制参数，其确定泵如何控制初级热交换器处的压力，以影响初级热交换器的出口处的工作流体的相组成(例如，处于饱和的100％液体，
处于预定过冷的100％液体，或处于指定或未指定的干度的两相流体)。
操作参数还可以包括被动操作参数，这些被动操作参数不会被控制直接改变，但会响应于其他因素而改变，并作为热循环的操作的指示。被动操作参数可以包括：
工作回路中任意监测位置处的压力、温度、相组成；
工作流体的质量流量；
泵的循环设定(如下所述)；
膨胀机的转速参数。
可以理解的是，可能存在与上述操作参数的不同排列有关的许多不同的操作配置。在实践中，可以考虑为特定类型的热机改变有限数量的操作参数，以便可以确定阀设定(凭经验或通过模拟)，并对数据库输入合理规模的数据。例如，在某些设施中，可以预期冷却流仅改变温度而不改变质量流量，且在有限范围内。
或者，例如基于如上所述生成的经验数据或模拟数据可以生成模型，通过该模型，可以根据许多操作参数确定适当的阀设定。该模型可以包括阀设定和操作参数之间的简化关系，以提供阀设定的估计，其对应于总体积膨胀比的最佳范围(例如BIVR±5，或更接近的范围，诸如BIVR±2、BIVR±1或BIVR±0.5)。
同样，数据库或模型可以包括对泵控制所得到的循环设定。例如，如上所述，退出泵(即在已压缩位置E处)的工作流体的压力可以根据从热源到工作流体中的热传递的改变而改变。例如，循环设定可以是在已压缩位置E处的峰值压力，并且可以通过从已压缩位置E或已加热位置A处的压力传感器的反馈回路，基于目标压力来操作泵。在其他示例中，循环设定可以是泵20的转速，其凭经验或使用热模型来确定以产生合适的加压。在又另一示例中，循环设定可以是目标质量流量，并且可以通过从工作电路中任何位置处的质量流量计的反馈回路，基于该目标质量流量来操作泵20。
如上所述的这样的数据库或模型可以使用热机的基线配置生成，该热机包含足够的传感器来收集数据库的输入数据，或者使用这样的热机的基线模拟来生成。术语“基线”用于在第一热机(无论是物理的还是模拟的)和具有类似配置的其他热机之间进行区分，所述其他热机可通过参考数据库或模型使用将描述的间接监测和控制方法来操作。
在该第二示例中，体积膨胀比不是直接确定的，而是通过监测热机的一个或多个操作参数以及控制阀来保持，以补偿对应的热传递改变，以通过参考上述数据库或模型来保持总体积膨胀比。
如上所解释的，可能有影响总体积膨胀比的许多操作参数。例如，这样的操作参数可以包括外部操作参数，这些外部操作参数包括热源和冷却流中每一者的质量流量和温度。
然而，取决于热机的配置，这些因素中的一些可以保持恒定，从而无需对其进行监测。例如，冷却流的性质可以是已知的，或者对其独立控制以设定的温度和流量进行流动。
因此，在一个极端，可以安装和配置热机，使得任何操作参数都不会改变。在这样的热机中，由于没有这样改变的余地，因此无需监测和控制任何操作参数来改变控制阀，以补偿到或来自工作流体的可变热传递。
在一些示例中，可以配置热机设施(即安装在设备中的热机)，使得仅允许改变影响总体积膨胀比的一个操作参数，例如冷却流102的温度。这种热机可以被描述为具有一个自由度，因为用于保持体积膨胀比的适当的阀设定仅基于一个操作参数可变。因此，用于这种热机的间接监测和控制方法可以使用包含由该参数相关的阀设定的查找表，基于相应的操作参数来查找阀设定。
例如，操作参数可以是冷却流本身的温度(如上所解释的，为外部操作参数)。或者，操作参数可以是与冷却流的温度有关的被动操作参数，例如冷凝器处的工作流体的温度，或冷凝器处(例如，在已膨胀位置C处或已冷凝位置D处)的工作流体的压力。
同样的原理扩展到允许改变影响总体积膨胀比的多于一个操作参数的热机设施。例如，允许改变两个这样的操作参数的热机设施可以被描述为具有两个自由度。
作为示例，下面将参考图1的热机10来描述间接监测和控制方法，其中允许改变的单个操作参数是冷却流102的温度。
在本示例中，由于泵受控，因此热机的内部操作参数与上述示例不同，从而在初级热交换器处的压力使得初级热交换器的出口处的工作流体为处于2°的过冷的100％液体。在本示例中，废热源100的温度固定在85℃，而初级热交换器的出口处的工作流体的温度降低4℃，为81℃。因此，2°的过冷对应于83°的饱和温度，这对应于初级热交换器12中8.09巴的压力。因此，对泵20进行控制将在已压缩位置E(或已加热位置A)处的8.09巴的下游压力作为目标。
在本示例中，控制器30监测从监测位置G处的温度传感器输出的冷却流温度参数(即在冷却流102中)，其与冷却流的温度有关。在本示例中，冷却流温度参数是被监测的温度。然而，如上所指示的，在其他示例中，冷却流温度参数可能不是冷却流的实际温度，而是温度的函数。例如，它可以是与温度成比例的温度传感器的未校准输出(例如，以mV为单位)。
控制器30周期性地(例如以10秒的间隔)监测冷却流温度参数。举例来说，在时间间隔i1，冷却流的温度为15°。在本示例中，这对应于冷凝器处工作流体的(未被监测的)温度约为20°和压力为1.18巴。控制器30参考由冷却流温度参数相关的阀设定的数据库，以基于冷却流温度参数确定合适的阀设定，其返回对应于控制阀处从8.09巴到5.19巴的2.9巴的压降的阀设定(在一些示例中，阀设定可以是节流量或目标压降)。
通过监测来自已调节位置B处的压力传感器的输出，控制器30控制控制阀14的节流以实现压降。
控制器30以10秒的间隔继续监测冷却流温度参数。在本示例中，在4个另外的间隔之后(即以间隔i5)，控制器确定冷却流温度参数已从15°降低到11°。由于该变化，控制器30参考数据库并获得与新的冷却流温度参数相关的更新的阀设定，该新的冷却流温度参数对应于从8.09巴到4.6巴的3.5巴的压降。
在一些示例中，当确定被监测的操作参数相对于之前参考数据库的操作参数的变化超过阈值变化时，控制器30可以仅对于更新的阀设定参考数据库或模型。
在本示例中，数据库本地存储在控制器30中的存储器(非暂时性存储介质)上。然而，在其他示例中，数据库可以远程存储，并且可以通过有线或无线连接来访问。可以通过远程连接(如因特网连接)访问数据库。
虽然上述描述涉及单个操作参数(即一个自由度)的变化，但将理解的是，相同的原则适用于具有多个自由度的更复杂示例。
在以上示例中，基于初级热交换器的出口处对应于2°过冷的目标压力对泵进行控制。由于在本示例中，废热源100的温度不变，因此控制器不基于任何监测参数来查找泵的循环设定。然而，在其它示例中，控制器可以基于所监测的操作参数来查找用于改变泵的控制的循环参数。
图5是如上所述的间接监测和控制的示例方法50的流程图。在框52中，监测操作参数，例如冷却流102的温度。在框54中，参考数据库或评估模型以确定控制阀的至少一个阀设定。在框56中，基于阀设定来控制控制阀，以保持体积膨胀比，来补偿到或来自工作流体的可变热传递。在框58中，可选地，例如通过参考相同或不同的数据库或模型来确定泵的循环设定。
在上述示例中，两相膨胀机是螺杆膨胀机。然而，本公开适用于其他类型的容积式膨胀机。
本文讨论的所有示例温度值均以摄氏度为单位。

Claims (20)

1.一种热机，包括：
热交换器，以将热量从热源传递到工作流体；
容积式膨胀机，被配置为接收来自所述热交换器的入口工作流体并将膨胀的工作流体作为多相流体排出，使得所述膨胀的工作流体和所述入口工作流体之间具有总体积膨胀比，所述总体积膨胀比是所述入口工作流体的入口干度的函数；
可变膨胀阀，设置在所述热交换器和所述膨胀机之间，所述阀被配置为在所述工作流体中引入可变压降以改变所述入口干度；
控制器，被配置为：
监测所述膨胀机的转速参数；
根据所述膨胀机的转速参数确定离开所述膨胀机的体积流量；
部分基于离开所述膨胀机的体积流量来确定遍及所述膨胀机的总体积膨胀比；以及
通过基于所监测的操作参数控制所述阀来将所述总体积膨胀比保持在预定的最佳范围内，以补偿到或来自所述工作流体的可变热传递。
2.根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述控制器被配置为监测与所述总体积膨胀比有关的操作参数；以及
其中，所述控制器被配置为基于所监测的操作参数来控制所述阀。
3.根据权利要求2所述的热机，其特征在于，所述操作参数选自由以下组成的组：
所述热源的热力学性质；
所述热源的流量；
冷却流的热力学性质，热量从所述热机中的工作流体向所述冷却流传递；
所述冷却流的流量；
在所述热机中监测位置处的所述工作流体的热力学性质；
所述工作流体的质量流量；
所述热机的泵的循环设定；
到所述容积式膨胀机的所述工作流体的入口干度。
4.根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述控制器被配置为基于每个监测的操作参数，通过参考数据库或模型来确定所述阀的阀设定。
5.根据权利要求4所述的热机，其特征在于，所述控制器被配置为使用相应的传感器确定至少两个操作参数的值；以及
其中，所述控制器被配置为通过参考包含由所述至少两个操作参数相关的阀设定的数据库，或者通过评估所述热机的模型，来确定所述阀的阀设定。
6.根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述控制器被配置为基于所述监测的操作参数来确定用于操作所述热机的泵的循环设定。
7.根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述热机被配置为使得退出所述热交换器的在用工作流体为处于饱和温度的单相液体或处于过冷的单相液体。
8.根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述控制器被配置为基于所述阀的上游的工作流体的热力学性质和所述阀的阀设定来确定所述阀的下游的入口工作流体的干度；以及
其中，所述控制器被配置为基于所述入口工作流体的干度来确定流入所述膨胀机的体积流量。
9.根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述控制器被配置为基于与所述热源的温度有关的或与所述热交换器处的工作流体的温度有关的温度参数来控制泵的循环设定，使得所述热交换器处的工作流体的饱和温度等于或高于所述热交换器处的工作流体的最高温度；
从而退出所述热交换器的在用工作流体为处于饱和温度的单相液体或处于过冷的单相液体。
10.根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述膨胀机是具有内置体积比的螺杆膨胀机，并且其中所述控制器被配置为将所述总体积膨胀比保持在与所述内置体积比相对应的最佳范围内。
11.一种控制热机的方法，所述热机包括热交换器，以将热量从热源传递到工作流体；容积式膨胀机，其被配置为接收来自所述热交换器的入口工作流体并将膨胀的工作流体作为多相流体排出，使得所述膨胀的工作流体和所述入口工作流体之间具有总体积膨胀比，所述总体积膨胀比是所述入口工作流体的入口干度的函数；
所述方法包括：
监测所述膨胀机的转速参数；
根据所述膨胀机的转速参数确定离开所述膨胀机的体积流量；
部分基于离开所述膨胀机的体积流量来确定遍及所述膨胀机的总体积膨胀比；
基于所监测的操作参数，控制设置在所述热交换器和所述膨胀机之间的可变膨胀阀，以在所述工作流体中引入可变压降来改变所述入口干度；
其中，通过控制所述阀来将所述总体积膨胀比保持在预定的最佳范围内，以补偿到或来自所述工作流体的可变热传递。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括监测与所述总体积膨胀比有关的操作参数；以及
基于所监测的操作参数来控制所述阀。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述操作参数从由以下组成的组中选择：
所述热源的热力学性质；
所述热源的流量；
冷却流的热力学性质，热量从所述热机中的工作流体向所述冷却流传递；
所述冷却流的流量；
在所述热机中的监测位置处的工作流体的热力学性质；
所述工作流体的质量流量；
所述热机的泵的循环设定；
到所述容积式膨胀机的工作流体的所述入口干度。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括基于每个监测的操作参数，通过参考数据库或模型来确定所述阀的阀设定。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，包括使用相应的传感器确定至少两个操作参数的值；以及
通过参考包含由所述至少两个操作参数相关的阀设定的数据库来确定所述阀的阀设定；或
通过评估所述热机的模型来确定所述阀的阀设定。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括基于所述监测的操作参数确定用于操作所述热机的泵的循环设定。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括控制所述热机的操作，使得退出所述热交换器的在用工作流体为处于饱和温度的单相液体，或处于过冷的单相液体。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括基于所述阀的上游的工作流体的热力学性质和所述阀的阀设定来确定所述阀的下游的入口工作流体的干度；以及
基于所述入口工作流体的干度确定到所述膨胀机中的体积流量。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括监测与所述热交换器处的工作流体的温度或所述热源的温度有关的温度参数；以及
基于所述温度参数控制泵的循环设定，使得所述热交换器处的工作流体的饱和温度等于或高于所述热交换器处的工作流体的最高温度；
从而退出所述热交换器的工作流体为处于饱和温度的单相液体或处于过冷的单相液体。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述膨胀机是具有内置体积比的螺杆膨胀机，其中控制所述阀以将所述总体积膨胀比保持在与所述内置体积比相对应的最佳范围内。
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