蒸發(fā)器、朗肯循環(huán)裝置以及熱電聯(lián)供系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及蒸發(fā)器、朗肯循環(huán)裝置以及熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，朗肯循環(huán)是蒸汽輪機(jī)的理論循環(huán)。與朗肯循環(huán)相關(guān)的研究開發(fā)長(zhǎng)久以來(lái)一直在進(jìn)行。另一方面，如專利文獻(xiàn)I所記載，也在進(jìn)行與應(yīng)用了朗肯循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)相關(guān)的研究開發(fā)。熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CHP系統(tǒng):Combined Heat and PowerSystem)是指構(gòu)成為能夠從單一或多個(gè)資源同時(shí)得到熱和電力這樣的多個(gè)形態(tài)的能量的系統(tǒng)。近年來(lái)，不僅是大規(guī)模的CHP系統(tǒng)，能夠與醫(yī)院、學(xué)校、圖書館等規(guī)模較小的設(shè)施并設(shè)的CHP系統(tǒng)、進(jìn)而普通家庭用的CHP系統(tǒng)(所謂的微CHP)也正受到關(guān)注。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0004]專利文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:美國(guó)專利申請(qǐng)公開第2003/0213854號(hào)說(shuō)明書

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]專利文獻(xiàn)I的CHP系統(tǒng)構(gòu)成為將由燃?xì)忮仩t(boiler)生成的燃燒氣體作為用于朗肯循環(huán)裝置的熱能利用來(lái)得到電力。另外，專利文獻(xiàn)I公開了用于防止氣相的有機(jī)工作流體在鍋爐中被過(guò)度加熱的蒸發(fā)器的構(gòu)造。
[0007]專利文獻(xiàn)I所公開的蒸發(fā)器在朗肯循環(huán)裝置穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能確實(shí)有效。但是，專利文獻(xiàn)I所公開的結(jié)構(gòu)不足以防止工作流體被過(guò)度加熱。
[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種用于防止在蒸發(fā)器中工作流體被過(guò)度加熱的新技術(shù)。
[0009]即，本發(fā)明的蒸發(fā)器，通過(guò)高溫流體對(duì)工作流體進(jìn)行加熱，使所述工作流體蒸發(fā)，
[0010]具備以沿著高溫流體的流動(dòng)方向形成多個(gè)段的方式配置的、供工作流體流動(dòng)的工作流體流路，
[0011]所述蒸發(fā)器還具備設(shè)置于所述工作流體流路的第I溫度傳感器，
[0012]所述工作流體流路在所述多個(gè)段的各段中呈蜿蜒形狀配置，所述蜿蜒形狀的彎曲部分向所述蒸發(fā)器的殼體的外側(cè)露出，
[0013]所述多個(gè)段包括位于所述高溫流體的流動(dòng)方向的最上游的第I段和所述第I段以外的段，
[0014]所述工作流體流路使所述工作流體從所述第I段以外的段所包括的工作流體流路的流出口向所述蒸發(fā)器的外部流出，
[0015]在將配置于所述第I段的工作流體流路的全長(zhǎng)定義為L(zhǎng)時(shí)，所述第I溫度傳感器設(shè)置于在如下地點(diǎn)的所述工作流體的流動(dòng)方向下游側(cè)的露出于所述蒸發(fā)器的殼體的外側(cè)的工作流體流路，所述地點(diǎn)是與形成所述第I段的工作流體流路的下游端相距L/2的所述工作流體的流動(dòng)方向的上游側(cè)的地點(diǎn)，
[0016]所述第I溫度傳感器的輸出值用于調(diào)整所述蒸發(fā)器的所述工作流體的溫度。
[0017]根據(jù)上述蒸發(fā)器，能夠防止工作流體被過(guò)度加熱。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式I的CHP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖2A是圖1所示的朗肯循環(huán)裝置的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖2B是圖2A所示的蒸發(fā)器的概略平面圖。
[0021]圖2C是變形例的蒸發(fā)器的概略平面圖。
[0022]圖3是由控制電路執(zhí)行的控制的流程圖。
[0023]圖4是示出蒸發(fā)器中的工作流體的溫度與傳熱管的內(nèi)壁面的溫度的關(guān)系的圖。
[0024]圖5是本發(fā)明的實(shí)施方式2的CHP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖6A是圖5所示的朗肯循環(huán)裝置的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖6B是圖6A所示的蒸發(fā)器的概略平面圖。
[0027]圖7是由控制電路執(zhí)行的控制的流程圖。
[0028]圖8是示出蒸發(fā)器中的工作流體的溫度與傳熱管的內(nèi)壁面的溫度的關(guān)系的圖。
[0029]圖9是本發(fā)明的實(shí)施方式3的CHP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖1OA是圖9所示的朗肯循環(huán)裝置的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖1OB是圖1OA所示的蒸發(fā)器的概略平面圖。
[0032]圖11是由控制電路執(zhí)行的控制的流程圖。
[0033]圖12是示出蒸發(fā)器中的工作流體的溫度與傳熱管的內(nèi)壁面的溫度的關(guān)系的圖。
[0034]圖13是本發(fā)明的實(shí)施方式4的CHP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0035]圖14是圖13所示的朗肯循環(huán)裝置的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0036]圖15是以往的朗肯循環(huán)裝置的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0037]標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0038]10 鍋爐
[0039]12燃燒室
[0040]14燃燒器
[0041]20、20B、20C、20D 朗肯循環(huán)裝置
[0042]21膨脹機(jī)
[0043]22冷凝器
[0044]23 栗
[0045]24、34、44、54 蒸發(fā)器
[0046]25工作流體流路
[0047]25a最上游工作流體流路
[0048]25p上游端
[0049]25q,25r 下游端
[0050]25b最下游工作流體流路
[0051]26發(fā)電機(jī)
[0052]27 翅片
[0053]28傳熱管
[0054]29連接管
[0055]29a帶隔熱材料的連接管
[0056]30熱介質(zhì)回路
[0057]31栗
[0058]32放熱器
[0059]35溫度傳感器(第I溫度傳感器)
[0060]36第2溫度傳感器
[0061]38吸氣控制風(fēng)扇
[0062]39流路變更構(gòu)造
[0063]40分隔件
[0064]41隔熱材料
[0065]43旁通回路
[0066]45流量控制閥
[0067]50控制電路
[0068]100、200、300、400CHP 系統(tǒng)
【具體實(shí)施方式】
[0069](成為本發(fā)明的基礎(chǔ)的見解)
[0070]在朗肯循環(huán)裝置的蒸發(fā)器中，當(dāng)在由氣體燃燒裝置生成的燃?xì)獾雀邷亓黧w與氣相的工作流體之間產(chǎn)生過(guò)度的熱交換時(shí)，可能會(huì)招致工作流體的熱分解、潤(rùn)滑油的劣化等不良狀況。該問(wèn)題在使用了有機(jī)工作流體的情況和使用了需要潤(rùn)滑油的膨脹機(jī)的情況下變得顯著。
[0071]為了避免上述問(wèn)題，專利文獻(xiàn)I提出了圖15所示的構(gòu)造的蒸發(fā)器104。在蒸發(fā)器104中，在高溫流體(由燃燒裝置生成的燃燒氣體)的流路104C的下游側(cè)設(shè)置有工作流體的入口 110A。從入口 IlOA流入到遠(yuǎn)位部104D的工作流體以對(duì)向流的形式與高溫流體進(jìn)行熱交換。然后，工作流體經(jīng)由連接管104H而被輸送到在高溫流體的流路104C的上游側(cè)配置的近位部104E。在近位部104E中，工作流體依次流過(guò)第I部分104E1和第2部分104E2。即，在近位部104E中，工作流體以平行流的形式與高溫流體進(jìn)行熱交換。工作流體的出口IlOC設(shè)置于外殼(enclosure) 104A的中央附近。此外，傳熱管(圓形記號(hào))中的數(shù)值表示工作流體的溫度(華氏溫度)的例子。
[0072]根據(jù)圖15所示的蒸發(fā)器104，可推測(cè)確實(shí)能夠防止工作流體的過(guò)度加熱。這是因?yàn)椋赏茰y(cè)工作流體在遠(yuǎn)位部104D處于液相狀態(tài)，在第I部分104E1處于液相狀態(tài)或氣液二相狀態(tài)，在第2部分104E2處于氣液二相狀態(tài)或氣相狀態(tài)。但是，該推測(cè)只不過(guò)是在朗肯循環(huán)裝置穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的推測(cè)。例如，在根據(jù)電力需求的變化而減少了工作流體的循環(huán)流量的情況下，工作流體有可能在第I部分104E1就會(huì)成為氣相狀態(tài)。其結(jié)果，在第I部分104E1中，氣相的工作流體可能會(huì)被過(guò)度加熱。
[0073]根據(jù)工作流體的循環(huán)流量來(lái)降低燃燒裝置的火力雖然是I個(gè)有效手段，但從響應(yīng)性的觀點(diǎn)來(lái)看未必充分。另外，近年來(lái)，也在探討使用生物燃料、木質(zhì)顆粒燃料等固形燃料來(lái)代替氣體燃料的嘗試。顆粒燃料鍋爐中的固體燃料的燃燒不如氣體鍋爐中的氣體燃料的燃燒那么穩(wěn)定。當(dāng)然，顆粒燃料鍋爐不適合突然提高或降低火力。因此，用于防止工作流體被過(guò)度加熱的技術(shù)變得越發(fā)重要?；谏鲜鲆娊猓景l(fā)明人想到了以下說(shuō)明的各技術(shù)方案的發(fā)明。
[0074]本發(fā)明的第I技術(shù)方案的蒸發(fā)器，通過(guò)高溫流體對(duì)工作流體進(jìn)行加熱，使所述工作流體蒸發(fā)，具備以沿著高溫流體的流動(dòng)方向形成多個(gè)段的方式配置的、供工作流體流動(dòng)的工作流體流路，所述蒸發(fā)器還具備設(shè)置于所述工作流體流路的第I溫度傳感器，所述工作流體流路在所述多個(gè)段中分別配置成蜿蜒形狀，所述蜿蜒形狀的彎曲部分向所述蒸發(fā)器的殼體的外側(cè)露出，所述多個(gè)段包括位于所述高溫流體的流動(dòng)方向的最上游的第I段和所述第I段以外的段，所述工作流體流路使所述工作流體從所述第I段以外的段所包括的工作流體流路的流出口向所述蒸發(fā)器的外部流出，在將配置于所述第I段的工作流體流路的全長(zhǎng)定義為L(zhǎng)時(shí)，所述第I溫度傳感器設(shè)置于在如下地點(diǎn)的所述工作流體的流動(dòng)方向下游側(cè)的露出于所述蒸發(fā)器的殼體的外側(cè)的工作流體流路，所述地點(diǎn)是與形成所述第I段的工作流體流路的下游端相距L/2的所述工作流體的流動(dòng)方向的上游側(cè)的地點(diǎn)，所述第I溫度傳感器的輸出值用于調(diào)整所述蒸發(fā)器中的所述工作流體的溫度。
[0075]如前所述，工作流體在成為預(yù)定溫度以上時(shí)會(huì)熱分解。因此，需要將工作流體流路的內(nèi)壁面的溫度抑制為低于預(yù)定溫度。對(duì)此，根據(jù)第I技術(shù)方案，通過(guò)將I溫度傳感器的輸出值用于調(diào)整所述蒸發(fā)器中的所述工作流體的溫度，能夠?qū)⒄舭l(fā)器中的工作流體流路的內(nèi)壁面的溫度抑制為低于預(yù)定溫度。由此，能夠抑制工作流體熱分解。以下，對(duì)第I技術(shù)方案的蒸發(fā)器發(fā)揮上述效果的理由進(jìn)行詳細(xì)敘述。
[0076]在工作流體流路被高溫流體加熱時(shí)的工作流體流路的內(nèi)壁面的溫度的上升的難易度根據(jù)在工作流體流路的內(nèi)部流動(dòng)的工作流體的狀態(tài)而不同。即，在工作流體流路的內(nèi)部流動(dòng)的工作流體處于氣相狀態(tài)時(shí)，與處于氣液二相狀態(tài)時(shí)相比，工作流體流路的內(nèi)壁面的溫度容易上升。其理由在于，在工作流體流路中流動(dòng)的工作流體處于氣相狀態(tài)時(shí)，與處于氣液二相狀態(tài)時(shí)相比，工作流體流路的內(nèi)壁面的熱傳遞率低。即，在工作流體處于氣液二相狀態(tài)時(shí)，工作流體流路的內(nèi)壁面的熱傳遞率足夠高。因此，通過(guò)向工作流體的熱傳遞可抑制內(nèi)壁面的溫度的上升。另一方面，在工作流體處于氣相狀態(tài)時(shí)，工作流體流路的內(nèi)壁面的熱傳遞率低。因此，向工作流體的熱傳遞少，所以內(nèi)壁面的溫度會(huì)上升。
[0077]并且，蒸發(fā)器從包含液相狀態(tài)的工作流體生成氣相狀態(tài)的工作流體，因此，越靠工作流體的流動(dòng)方向上的下游側(cè)，則工作流體流路中的包含氣相狀態(tài)的工作流體的比例越尚O
[0078]另外，供工作流體向蒸發(fā)器的外部流出的工作流體流路的流出口位于工作流體的流動(dòng)方向的最下游。因此，在以沿著高溫流體的流動(dòng)方向形成多個(gè)段的方式配置工作流體流路的蒸發(fā)器中，包括供工作流體向蒸發(fā)器的外部流出的工作流體流路的流出口的段相對(duì)位于工作流體的流動(dòng)方向上的下游側(cè)。因此，包括供工作流體向蒸發(fā)器的外部流出的工作流體流路的流出口的段與其他段相比，工作流體流路中的包含氣相狀態(tài)的工作流體的比例尚O
[0079]而且，在蒸發(fā)器的內(nèi)部，越靠高溫流體的流動(dòng)方向的上游側(cè)，則高溫流體的溫度越尚O
[0080]因此，在以沿著高溫流體的流動(dòng)方向形成多個(gè)段的方式配置工作流體流路的蒸發(fā)器中，使包括供工作流體向蒸發(fā)器的外部流出的工作流體流路的流出口的段位于高溫流體的流動(dòng)方向的最上游會(huì)將包括溫度最容易上升的工作流體流路的段配置在溫度最高的場(chǎng)所。因此，形成該段的工作流體流路的內(nèi)壁面