用于熱機(jī)的操作和安全控制的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于熱機(jī)的操作和安全控制的裝置和方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于熱機(jī)的操作和安全控制的裝置，所述熱機(jī)具有包括高壓路徑和低壓路徑的工作流體路徑，所述熱機(jī)使用可冷凝的工作流體，所述可冷凝的工作流體在至少部分高壓路徑中是液相。本發(fā)明還涉及一種用于熱機(jī)的操作和安全控制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]下面，描述一種用于熱機(jī)的操作和安全控制的裝置。還描述一種用于熱機(jī)的操作和安全控制的方法。
[0003]熱機(jī)存在于許多不同的設(shè)計(jì)中且基于不同的基本原理。更一般地，熱機(jī)還被稱為馬達(dá)。它們的共同特征在于將熱能轉(zhuǎn)換為具有更寬適用范圍的更高級的能量形式(例如，機(jī)械能或電能)。大多數(shù)熱機(jī)是基于內(nèi)燃的且處于高溫中(例如>600°C)。最近，越來越多地使用低溫中的熱量來驅(qū)動熱機(jī)。
[0004]存在大量的恰巧在較低溫度下可以利用的熱能，并且該能量常常被浪費(fèi)或者不得不從不同的系統(tǒng)(例如，工業(yè)過程或內(nèi)燃機(jī)的冷卻系統(tǒng))中主動地去除。例如，利用這種能量來生產(chǎn)電力可能是非常有利的，因?yàn)槿缟纤鲈撃芰砍３H作為廢熱產(chǎn)品存在并且因此可以被看作免費(fèi)的。還存在熱能源的幾個(gè)其他示例，其可以潛在地以相同的方式來利用，例如來自氣體、油和生物質(zhì)燃燒、熱太陽能集熱器、地?zé)崮茉春屠贌臒崮?。即使在正常條件下，這些熱源中的幾個(gè)可以具有相對低的溫度。在這方面，除其他方式之外，已經(jīng)研發(fā)了基于斯特林循環(huán)和郎肯循環(huán)的幾個(gè)技術(shù)，使得利用它們來產(chǎn)生通常為電力形式的高級能量。
[0005]對于特別低的溫度(例如< 350°C )，如今通常使用基于所謂的ORC的馬達(dá)，術(shù)語ORC表示“有機(jī)郎肯循環(huán)”。郎肯循環(huán)是基于水為工作流體的蒸汽機(jī)過程的，而ORC是基于替代的工作流體的，其通常具有比水更低的沸點(diǎn)，結(jié)果是更有效地利用熱能。通常，通過閉合回路來實(shí)施這些技術(shù)，其中工作流體停留在內(nèi)部的和閉合的工作流體回路中，該回路大體上包括兩個(gè)或多個(gè)熱交換器、工作流體的流體栗、以及通常為渦輪或活塞發(fā)動機(jī)的膨脹器。也存在其他膨脹器，諸如各種螺桿、葉片、汪克爾發(fā)動機(jī)和螺旋裝置。在這種閉合馬達(dá)系統(tǒng)中，為了使水流動并且因而使能量流動，需要至少一個(gè)加熱器部(通常為預(yù)熱器、沸騰器和過熱器)和冷卻部(通常包含冷凝器)，但是還可以存在其他組件。例外地，一個(gè)加熱器部可能是足夠的，這是因?yàn)樵谒?工作流體)通過在工作氣缸中膨脹來做功之后，然后水(工作流體)通常被排出并從而在空氣中被間接冷卻(乏汽)，在大多數(shù)蒸汽機(jī)車中現(xiàn)在是這樣以前也是這樣。
[0006]在郎肯循環(huán)(也包括0RC)的閉合回路中，根據(jù)上述描述的工作流體回路，存在一系列的流體通道的形式的工作流體路徑和主要組件?？紤]到工作流體流動的正常方向，流體路徑大體上包括高壓路徑(其包括從流體栗到包括膨脹器的所有組件)以及低壓路徑(其包括從膨脹器到包括流體栗的所有組件)。這意味著高壓路徑大體上從流體栗通過壓力口的形式的出口、在栗的出口處的止回閥(如果有的話)、連接的管道、進(jìn)一步通過通常由沸騰器和過熱器組成的加熱部、然后通過流入閥/注入閥進(jìn)入膨脹器。以同樣的方式，低壓路徑然后通常從膨脹器、通過排氣閥和排氣通道、連接的管道、然后通過至少包括冷凝器的冷卻器、工作流體儲液室、然后通過吸入口形式的入口返回至栗。將高壓路徑和低壓路徑分離的接口正是流體栗和膨脹器。就此而言，也可以存在連接至流體路徑中的每個(gè)的更多或更少組件。
[0007]特別地，對于郎肯馬達(dá)，還有其中的ORC馬達(dá)，如果通過馬達(dá)的能量傳輸應(yīng)該停止或者以各種方式遭遇更大的阻力，則通?？赡苌婕安僮骱桶踩L(fēng)險(xiǎn)。在基于郎肯馬達(dá)的系統(tǒng)中，人們將總會直接或間接地發(fā)現(xiàn)熱源和散熱器以及功接收器，其很可能是軸或者經(jīng)由軸連接的發(fā)電機(jī)。如果膨脹器或散熱器例如應(yīng)當(dāng)在操作過程中失效，然后結(jié)果是質(zhì)量和/或能量傳輸也可能停止，則將存在加熱器部中存在的工作流體變得過熱和/或在發(fā)動機(jī)中產(chǎn)生不可接受的高壓的相對緊迫的風(fēng)險(xiǎn)。
[0008]這是關(guān)系到所有的熱源溫度可以處于或者可以超過進(jìn)而可以導(dǎo)致馬達(dá)系統(tǒng)中故障條件的水平的熱機(jī)系統(tǒng)的問題。在過高的溫度下，一些工作流體可能容易地退化為使它們變得不穩(wěn)定的狀態(tài)，或者在最壞的情況下，例如通過產(chǎn)生有毒的或者腐蝕的退化產(chǎn)物而對人類的安全或系統(tǒng)的操作有害。以相同的方式，系統(tǒng)中的過壓可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的情形，最壞的情況下導(dǎo)致爆炸。例如，隨著時(shí)間的推移，已經(jīng)知曉大量的蒸汽沸騰器中的嚴(yán)重爆炸。還在其他加熱器和沸騰器類型中發(fā)現(xiàn)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)要素，例如在各種ORC系統(tǒng)中。
[0009]為了增加安全性，在系統(tǒng)中放置一個(gè)或多個(gè)安全閥是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)慣例，其中安全閥被布置為在故障/緊急狀態(tài)下減小工作流體的壓力，并且可能的話降低其溫度。加熱的和蒸發(fā)的工作流體可以隨后被直接排放至冷卻器，可能的話流至工作流體儲液室，而無需首先流經(jīng)膨脹器，使得隨著周圍的冷卻器來冷卻而可以降低溫度和壓力。如果冷卻器是失效的，則這樣的措施長遠(yuǎn)來看將是不充分的。在這種情況下，工作流體隨后必須能夠被排放至替代的目的地，例如至空氣或另一個(gè)開放儲液室。對于除了水之外的流體，這也可能不是滿意的解決方案，因?yàn)椴还苁浅鲇谌祟惏踩?、環(huán)境保護(hù)的原因還是其他原因，多個(gè)可選的流體表現(xiàn)出使其不適于排放至本地環(huán)境中的特性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明的目的是改進(jìn)或減少現(xiàn)有技術(shù)的至少一個(gè)缺陷或者至少提供現(xiàn)有技術(shù)的有用替代選擇。
[0011]通過以下說明書和權(quán)利要求書來詳細(xì)說明的特征來實(shí)現(xiàn)該目的。
[0012]關(guān)于流體流，使得工作流體的被加熱和蒸發(fā)的部分返回至冷卻器或開放儲液器的替代選擇是確保工作流體可以在沸騰器部之前被排出和排放，使得工作流體可以隨后從高壓路徑中的點(diǎn)排放，在該點(diǎn)處其還沒有經(jīng)歷蒸發(fā)而因此大體上為液相。
[0013]這具有巨大優(yōu)勢，其在工作流體還沒有被添加太多能量的點(diǎn)處能夠去除工作流體，這將是防止以熱量形式的能量在工作流體路徑中積累的有效方法。在高壓路徑中將留下的是小量的過熱工作流體，其一部分也將被排放，但是該較小的量僅僅構(gòu)成小能量存儲，并且將已經(jīng)解決了過壓或高溫問題。另外，在多種系統(tǒng)中，只要量足夠小，則可以允許將小量的工作流體加熱至加熱器部中可實(shí)現(xiàn)的最大溫度。過熱的工作流體具有比液體形式的相同流體明顯低的密度，并且因此剩余量可以構(gòu)成關(guān)于系統(tǒng)中總量工作流體的最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0014]在正常的郎肯過程中，隨著工作流體流經(jīng)加熱器部，其將被連續(xù)地加熱。也即，已經(jīng)在加熱器中流得最遠(yuǎn)的工作流體的部分通常將接收到最多的熱量且從而達(dá)到最高溫度(即達(dá)到沸騰開始的點(diǎn))，然后通常處于恒定溫度。通過在高壓路徑中的足夠早的一部分放置排放點(diǎn)，例如，剛好在加熱器前方，或者可能地在換熱器前方，如果這種排放點(diǎn)已經(jīng)被放置在系統(tǒng)中，則在可能的排放需要時(shí)可以反轉(zhuǎn)工作流體的流動。除了防止熱量進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至沸騰器中的工作流體之外，這還意味著高壓路徑中工作流體的最冷的部分將被首先排放。排放的工作流體因此將具有最小的能量，如果工作流體將被排放返回至工作流體儲液室(可能經(jīng)由換熱器或冷卻器(冷凝器))，則給出了最大的優(yōu)勢。這將有助于限制在完成排放之后在低壓路徑中達(dá)到的最終的壓力以及溫度。
[0015]在其他連接中，類似上述的排放循環(huán)可以是用于以快速和有效方式來停止操作的非常有用的工具。在許多郎肯系統(tǒng)中，當(dāng)將要停止操作時(shí)，高壓路徑必須排出工作流體，并且這要求在很多情形下需要繼續(xù)蒸發(fā)流體，而同時(shí)停止工作流體栗，以便通過膨脹器來排放工作流