[发明专利]热力机器及其运行方法

说明书

本发明涉及一种具有循环系统的热力机器，尤其是低沸点的工作流体交替地以气相和液相在该循环系统中循环。在此，该机器包括热交换器、膨胀机器、冷凝器及液泵。本发明另外还涉及一种用于运行这样的热力机器的方法，其中，工作流体在循环中被加热、膨胀、凝结并且通过泵送液态的工作流体进行输送。

这样的热力机器应尤其理解为根据热力学朗肯循环过程(Rankine-Kreisprozess)运行的一种机器。在此，朗肯循环过程的特征是泵送液态工作介质、在高压下蒸发该工作介质、通过作机械功使得该气态的工作流体膨胀以及在低压下使得该气态的工作流体凝结。例如现代的常规火力发电站是根据朗肯循环过程运行的。在化石燃料加热的火力发电站中通常在超过200bar的压力下产生温度超过500°C的水蒸气。该膨胀的水蒸汽的凝结发生在约25°C和约30mbar的压力下。

例如，根据朗肯循环过程运行的热力机器以及用于运行该热力机器的方法可以从WO 2005/021936A2中获知。在此，水用作工作流体。

如果将相对于冷却源仅具有相对较小的温度差的热源用于蒸发工作流体，那么以水的形式的工作流体可实现的效率就不再足以用于一种经济的运行模式。然而，这样的热源可以在所谓的ORC机器的协助下被利用，其中替代形式为水的工作流体使用低沸点的尤其是有机的流体。术语“低沸点”应理解为，这种流体与水相比较在更低的压力下沸腾或与水相比较具有更高的蒸汽压力。ORC机器相应于所谓的有机朗肯循环过程(ORC)来运行，即基本上是利用不同于水的、尤其是有机的、低沸点的工作流体。作为用于ORC机器的工作流体，已知的是例如碳氢化合物、芳香烃、氟化烃、碳合成物尤其是烷烃、氟代醚、氟代乙烷或也可以是合成的硅油。

通过ORC机器或ORC设备，例如在地热或太阳能发电厂中可用的热源可以经济地用于发电。此外可借助ORC机器将来自排放空气、冷却回路、废气等的迄今未利用的内燃机废热用于做功或发电。

如果压力低于液体的与相应温度相关联的蒸汽压力，则该液体蒸发。低于蒸汽压力会发生在静止或移动的液体中。例如，在流动液体的情况下，压力可能由于流体的强烈偏转或加速而局部低于蒸汽压力，从而发生局部蒸发。这些局部生成的蒸汽气泡在压力较高的部位再次凝结并且向内破裂。这整个过程称为气穴现象。

在开头所述类型的热力机器中，在工作流体的液相中产生气穴现象这个问题并不是无关紧要的。由于蒸汽气泡的尺寸较小，这些蒸汽气泡的凝结实际上非常迅速地发生。由于蒸汽气泡的突然内爆，在该过程中可能形成微射束。如果该微射束指向周围的壁，则可以局部达到高达10000bar的压力峰值。此外，可能由于高压力而达到远远高于1000°C的局部温度，而这能够导致在壁材料中发生融化过程。气穴现象导致的损坏效应会在数小时内发生。

对于泵来说，气穴现象的发生还令人不希望地减小了流体的通流量。因为蒸汽气泡在其密度上通常与液体差异相当大，所以在给定的体积流量下，在作为蒸汽的工作流体质量比例较低的情况下，可输送的质量流自动减小。在蒸汽大量产生时，质量流甚至可能中断。如果工作机器例如作为泵使用在ORC设备中，则整个循环过程可能会发生停顿。作为这种不足的泵功率的结果，在冷凝器中的液态工作流体发生倒流，由此使其作用明显减小。热量的排放由此停止。整个系统是不能轻易脱离这种状态的。必须等待直至工作流体通过冷却而自己降温。如果在蒸发器中的通流继续中断，也不再有热量能够排放出去。所使用的工作流体于是可能会由于超过其稳定极限而受损。

对于根据朗肯循环过程运行的机器，发生气穴现象的问题被描述在例如EP 1624269A2中。在那里，冷凝器内部的以及在后续泵内部的形式为水的工作流体中的气穴现象应通过在冷凝器上设置特别的压力和温度控节装置来防止。为此而包括了相应的压力和温度传感器。尤其将冷凝器中的水位维持在预定水平上。这是通过排放阀来协助的，该排放阀向外排放水或非凝结性气体。

此外，冷凝器中恒定的水位对于根据朗肯循环过程运行的机器的重要性还被描述在US 7,131,290B2中。尤其说明了可变的水位对冷凝器中发挥作用的冷却表面的影响。如果由于在冷凝器中占优势的负压条件，非凝结性气体(如空气)渗透到工作流体的循环系统中，那么非凝结性气体会尤其在冷凝器中聚集。为防止由此导致的冷却效率的损失，US 7,131,290B2建议了一种相应的分离和排放装置。