[發明專利]具氣態工作流體最小壓力持壓機制的熱交換器及其方法

有效

• 申請號: 201310703681.3
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN104420901A
• 公開（公告）日: 2015-03-18
• 發明（設計）人: 徐菘蔚;郭啟榮;鄭本淵
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: F01K25/08
• 分類號: F01K25/08
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 梁揮;常大軍

技術領域

本發明涉及一種熱傳裝置，且特別涉及一種應用于熱機循環系統的具氣態工作流體最小壓力持壓機制的熱交換器。?

背景技術

中低溫廢熱發電市場近幾年蓬勃發展，其中有機朗肯循環(Organic?Rankine?Cycle，ORC)為目前中低溫廢熱發電技術中最為成熟且具經濟效益的一種技術。有機朗肯循環為一封閉熱機循環系統，其關鍵元件和工作原理如下：(1)工作流體升壓泵(pump)：升壓液態工作流體，并送入蒸發器中加熱；(2)蒸發器(evaporator)：吸取熱源流體的熱能，以汽化工作流體；(3)膨脹機及發電機組(expander?and?power?generator)：轉換工作流體的熱能和壓力能為膨脹機的軸功率(shaft?power)，再經由發電機產生電力；(4)冷凝器(condenser)：冷凝做功后的氣態工作流體成為液態，并送往工作流體升壓泵的入口，完成循環。?

有機朗肯循環(ORC)屬于雙循環系統(binary?cycle?system)。其一，ORC回路中的工作流體，經歷液泵升壓、蒸發器汽化、膨脹機做功、冷凝器液化等過程，完成密閉式熱機循環系統。其二，來自熱源的熱流(hot?stream)，則通過蒸發器，將熱能傳遞給工作流體。在蒸發器內，工作流體通過熱傳介質（例如：殼管式熱交換器的熱傳管、板式熱交換器的熱傳板）吸收熱流熱能。熱流于蒸發器放熱后，即經由蒸發器的熱流出口流回至外界環境。視熱流出口的溫度與流量，熱流可能直接排放或再利用。?

在一應用中，低溫熱能發電的ORC系統，若熱流于蒸發器內放熱后，被導引至下游熱工藝再利用，則必須限制熱流出口的最低溫度，以確保下游熱工藝的品質要求。另外，應用于以常溫水（或海水）為熱源，以液態天然氣、液態氮或液態氧為工作流體的極低溫ORC發電系統，則必須限制熱流（常溫水或表層海水）出口的最低溫度，防止熱流結冰，以免導致因熱流結冰造成蒸發器破裂、損毀和工作流體泄漏等問題。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種應用于熱機循環系統的具氣態工作流體最小壓力持壓機制的熱交換器及熱機循環系統，以限流的方式調整蒸發器內工作流體的蒸發壓力，以使工作流體的蒸發壓力保持在最小壓力設定值以上。?

本發明是利用一種氣態工作流體最小壓力持壓控制方法，以限流的方式調整蒸發器內工作流體的蒸發壓力，以使工作流體的蒸發壓力保持在最小壓力設定值以上。?

根據本發明的一方面，提出一種具氣態工作流體最小壓力持壓機制的熱交換器，包括一蒸發器、一流量控制閥、一壓力感測器以及一控制器。蒸發器用以加熱一工作流體至一氣態。蒸發器具有一液態工作流體入口管路以及一氣態工作流體出口管路。流量控制閥設置于氣態工作流體出口管路上。壓力感測器設置于流量控制閥的上游，用以檢測蒸發器內工作流體的蒸發壓力。控制器用以調整流量控制閥的開度，以控制蒸發器內工作流體的最小蒸發壓力。?

根據本發明的一方面，提出一種具氣態工作流體最小壓力持壓機制的熱機循環系統，包括一蒸發器、一流量控制閥、一壓力感測器、一控制器、一冷凝器、一發電模塊以及一泵。蒸發器用以加熱一工作流體至一氣態。蒸發器具有一液態工作流體入口管路以及一氣態工作流體出口管路。流量控制閥設置于氣態工作流體出口管路上。壓力感測器設置于流量控制閥的上游，用以檢測蒸發器內工作流體的蒸發壓力。控制器用以調整流量控制閥的開度，以控制蒸發器內工作流體的最小蒸發壓力。冷凝器用以冷卻工作流體至一液態。發電模塊藉由一第一管路連接流量控制閥的一出口，并藉由一第二管路連接冷凝器的一入口。泵藉由一第三管路連接冷凝器的一出口，并藉由一第四管路連接蒸發器的一入口。?

根據本發明的一方面，提出一種氣態工作流體最小壓力持壓控制方法，包括下列步驟。提供一蒸發器，并通入一工作流體至蒸發器中，以加熱工作流體至一氣態。設置一流量控制閥于蒸發器的一出口。檢測蒸發器內工作流體的蒸發壓力。調整流量控制閥的開度，以控制蒸發器內工作流體的蒸發壓力。?

以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。?

附圖說明

圖1繪示依照本發明一實施例的具氣態工作流體最小壓力持壓機制的熱交換器；?

圖2繪示依照本發明一實施例的具氣態工作流體最小壓力持壓機制的熱機循環系統；?

圖3繪示依照本發明一實施例的氣態工作流體最小壓力持壓控制方法的各個步驟；?

圖4繪示有機朗肯循環(ORC)系統中溫度-熵的性能圖。?

其中，附圖標記?

100：熱機循環系統?