有机郎肯循环热力引擎制造技术

一种ORC热力引擎，其包括：工作流体回路，其包括：汽化器，其用于加热和汽化工作流体；冷凝器，其用于冷却和凝结所述工作流体；以及容积式膨胀机-发电机(16)，其具有与所述汽化器流体连接的入口，以及与所述冷凝器流体连接的出口；所述ORC热力引擎还包括：控制系统(22)，其耦合至所述容积式膨胀机-发电机，并且包括开关(26)和驱动装置(24)，所述开关可以在第一状态和第二状态之间切换。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】有机郎肯循环热力引擎本专利技术涉及ORC热力引擎，并且更具体地，涉及带有用于对该ORC热力引擎进行控制的控制系统的改进的ORC热力引擎。
技术介绍
人们所知的比如热力和电力结合(CHP)装置的热力引擎是基于有机郎肯循环(ORC)模块的热力引擎。这种类型的引擎采用在单个部件中连接到发电机(比如永磁发电机)的容积式装置(比如涡旋式膨胀机)。这种CHP装置可以代替传统的燃气锅炉来提供集中供暖和热水所需的热量，同时产生作为其副产品的电力。在图1A中大概示出了已知的简单ORC热力引擎10。该ORC具有工作流体回路12，工作流体回路12包括汽化器14、容积式膨胀机-发电机16、冷凝器热量交换器18、以及泵20，其中汽化器14作为热力源来加热绕着工作流体回路12循环的工作流体，冷凝器热量交换器18作为散热器来冷却工作流体。汽化器热量交换器14、膨胀机-发电机16、冷凝器18、以及泵20中的每一个在工作流体回路12中串行流体连接。膨胀机-发电机16具有与汽化器14流体连接的入口，以及与冷凝器18流体连接的出口。泵20被布置在冷凝器18与汽化器14之间的工作流体回路12中，但是在冷凝器18到膨胀机-发电机16的工作流体回路的相对侧。在稳定状态工作时，工作流体在汽化器14中以高压(压力Pl)和高温(Tl)被汽化。汽化器14接收热量输入Qf5入并做功Wf5入以将工作流体的温度提高到温度Tl。汽化的气态流体随之通过膨胀机-发电机16膨胀从而产生电能We。气体以低压P2和低温T2从膨胀机-发电机16离开，并且随后在冷凝器18中经冷凝变回液态，潜在的冷凝热量被释放到冷却回路(未示出)。冷凝器18接收冷却剂以从工作流体中去除能量和热量Q输出。低温T2’和低压P2的液态工作流体随后由泵20以高压Pl泵送回汽化器，从而完成循环。在启动图1A的ORC热力引擎10之后，向汽化器14和冷凝器18分贝提供加热Q输入和制冷并且泵20运行以提供高压Pl并使工作流体进入到汽化器14。初始时，膨胀机-发电机16并不转动，因此没有工作流体绕着工作流体回路12流动。由于密封和所承受的摩擦力再加上发电机部件的质量，所以在泵20开始运行时，膨胀机-发电机16并不开始转动。此外，当膨胀机试图膨胀气囊时，在膨胀机-发电机16两侧开始产生负压差，所述气囊在不工作时已经与低压工作流体平衡。为了克服这种最初的“静态阻力”，需要很大的初始入口压力来启动转动。这种初始的高启动压力由泵20来提供。然而，因为膨胀机-发电机16在初始时并不转动，所以仅有非常少的工作流体流过泵20。这种情况对泵20的使用寿命和性能都是有害的，因为泵20可能过热并且可能减少其中的润滑作用。在启动时可能出现的一种不希望的情况是，泵20在没有工作流体的时候就开始运行。这是可能发生的，其中非转动的膨胀机-发电机16充当了沿着工作流体回路12的阻挡物，而泵20的作用是将工作流体向着汽化器14进行转移。如果没有工作流体的充分循环，那么全部体积的工作流体都有可能被泵入到汽化器14中，从而引起泵20在没有工作流体的情况下运行，由此增加了泵的磨损并降低了其使用寿命。为了成功的取代传统的燃气锅炉，从运营者的角度看，比如CHP装置的ORC热力引擎应该能够在一定的温度范围和热力需求范围中运行，并且应该能够以与传统的燃气锅炉系统相同的方式被打开或关闭。本专利技术的目的是提供相对于现有技术的ORC热力引擎有所改进的ORC热力引擎，例如，这是通过使其具有改进的启动时间、改进的部件使用寿命和部件性能、或提高的运行效率实现的。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种有机郎肯循环(ORC)热力引擎，该热力引擎包括:工作流体回路，其包括:汽化器，其用于加热和汽化工作流体；冷凝器，其用于冷却和凝结工作流体；以及容积式膨胀机-发电机，其具有与汽化器流体连接的入口，以及与冷凝器流体连接的出口 ；所述ORC热力引擎还包括:控制系统，其耦合至容积式膨胀机-发电机，并且包括开关和驱动装置，开关可以在第一状态和第二状态之间切换，其中开关在所述第一状态被耦合到驱动装置，并且容积式膨胀机-发电机由驱动装置可驱动，并且开关在所述第二状态不被耦合到驱动装置，或驱动装置被关断，并且容积式膨胀机-发电机不由驱动装置可驱动。优选地，工作流体回路还包括泵，其用于提高绕着工作流体回路循环的工作流体的压力。另外地或可选择地，控制系统优选地还包括感测装置，感测装置用于感测所述ORC热力引擎的运行条件。控制系统优选地还包括处理装置，其用于响应于输入在所述第一状态和所述第二状态之间切换开关。在特别优选地实施方式中，所述处理装置被耦合到感测装置，并且所述处理装置被配置成在满足预定运行条件时在所述第一状态和所述第二状态之间切换开关。优选地，感测装置包括第一感测装置和第二感测装置，其中所述第一感测装置被配置成感测容积式膨胀机-发电机的转动速度，并且调节驱动装置的输出，以使在开关处于所述第一状态时，保持容积式膨胀机-发电机的实质上固定的转动速度，并且其中所述第二感测装置被配置成感测驱动装置的运行参数。优选地，当驱动装置的输出小于或等于预定阈值时所述预定运行条件得到满足。在一个优选实施方式中，容积式膨胀机-发电机包括都在公共轴上的膨胀机和发电机，而且泵在所述公共轴上被耦合到膨胀机-发电机。在一个特别优选的实施方式中，泵被布置在所述膨胀机和所述发电机之间。所述开关包括电机械开关，并且优选地包括电机械三极转换开关(3PC0)。在可选择的实施方式中，开关优选地包括一个或多个固态继电器或半导体开关。膨胀机-发电机优选地包括涡旋式膨胀机，并且优选地包括永磁发电机。驱动装置优选地包括马达并且开关包括离合器，所述离合器用于将马达与膨胀机-发电机连接和断开，其中优选地，驱动装置包括转换器。所述转换器优选地被配置成从直流总线中汲取电力并且向容积式膨胀机-发电机供应3相电流以驱动容积式膨胀机-发电机。另外地或可选择地，所述转换器可以切换以用作整流器，以使当容积式膨胀机-发电机产生3相电流时，所述转换器用作整流器以对所述3相电流进行转换以产生用来供应给DC母线的直流(DC)电流。在这个优选实施方式中，所述转换器的切换在容积式膨胀机-发电机开始产生电流、反转电流方向时自动发生。优选地，所述第一感测装置被配置成通过调节供应给所述转换器的电流来调节所述转换器的输出，并且其中由所述第二感测装置所感测的所述转换器的运行参数是供应给所述转换器的电流。在一个实施方式中，所述预定的运行条件在正供应给所述转换器的所述电流小于或等于预定阈值(优选地大约0A)时优选地得到满足。本专利技术的ORC热力引擎优选地还包括再生器热量交换器，其被布置成帮助离开容积式膨胀机-发电机的出口的工作流体和进入汽化器的工作流体之间的热量交换。根据本专利技术的第二方面，提供了一种电气系统，其包括根据本专利技术的第一方面的ORC热力引擎，以及电气负载，其被布置成在开关处于所述第二状态时电气耦合到膨胀机-发电机，以使所述电气负载能够通过由膨胀机-发电机产生的电力供电。根据本专利技术的第三方面，提供了用于控制ORC热力引擎的控制系统，其包括:转换器；开关，其可以在第一状态和第二状态之间进行切换；感测装置，其被耦合到开关并且被配置成感测所述ORC热力引擎的运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机郎肯循环ORC热力引擎，所述有机郎肯循环ORC热力引擎包括：工作流体回路，所述工作流体回路包括：汽化器，其用于加热和汽化工作流体；冷凝器，其用于冷却和凝结所述工作流体；以及容积式膨胀机‑发电机，其具有与所述汽化器流体连接的入口，以及与所述冷凝器流体连接的出口；所述ORC热力引擎还包括：控制系统，其耦合至所述容积式膨胀机‑发电机，并且包括开关和驱动装置，所述开关能够在第一状态和第二状态之间切换，其中，在所述第一状态中，所述开关被耦合到所述驱动装置且所述容积式膨胀机‑发电机能够由所述驱动装置驱动，而在所述第二状态中，所述开关不被耦合到所述驱动装置或所述驱动装置被关断，且所述容积式膨胀机‑发电机不能够由所述驱动装置驱动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.19 GB 1116158.51.一种有机郎肯循环ORC热力引擎，所述有机郎肯循环ORC热力引擎包括: 工作流体回路，所述工作流体回路包括: 汽化器，其用于加热和汽化工作流体； 冷凝器，其用于冷却和凝结所述工作流体；以及 容积式膨胀机-发电机，其具有与所述汽化器流体连接的入口，以及与所述冷凝器流体连接的出口 ；所述ORC热力引擎还包括: 控制系统，其耦合至所述容积式膨胀机-发电机，并且包括开关和驱动装置，所述开关能够在第一状态和第二状态之间切换， 其中，在所述第一状态中，所述开关被耦合到所述驱动装置且所述容积式膨胀机-发电机能够由所述驱动装置驱动，而在所述第二状态中，所述开关不被耦合到所述驱动装置或所述驱动装置被关断，且所述容积式膨胀机-发电机不能够由所述驱动装置驱动。2.根据权利要求1所述的ORC热力引擎，其中所述工作流体回路还包括泵，该泵用于提高绕着所述工作流体回路循环的工作流体的压力。3.根据权利要求1或2所述的ORC热力引擎，其中所述控制系统还包括感测装置，该感测装置用于感测所述ORC热力引擎的运行条件。4.根据之前的任一项权利要求所述的ORC热力引擎，其中所述控制系统还包括处理装置，该处理装置用于响应于输入在所述第一状态和所述第二状态之间切换所述开关。5.根据基于权利要求3时的权利要求4所述的ORC热力引擎，其中所述处理装置被耦合到所述感测装置，并且所述处理装置被配置成在预定运行条件满足时在所述第一状态和所述第二状态之间切换所述开关。6.根据权利要求3至5中的任一项所述的ORC热力引擎，其中所述感测装置包括第一感测装置和第二感测装置， 其中所述第一感测装置被配置成感测所述容积式膨胀机-发电机的转动速度，并且调整所述驱动装置的输出，以使在所述开关处于所述第一状态时，保持所述容积式膨胀机-发电机的实质上固定的转动速度，并且 其中所述第二感测装置被配置成感测所述驱动装置的运行参数。7.根据基于权利要求5时的权利要求6所述的ORC热力引擎，其中当所述驱动装置的输出小于或等于预定阈值时所述预定运行条件得到满足。8.根据权利要求2或基于权利要求2时的权利要求3至7中的任何一项所述的ORC热力引擎，其中所述容积式膨胀机-发电机包括都在公共轴上的膨胀机和发电机，而且所述泵在所述公共轴上被耦合到所述膨胀机-发电机。9.根据之前的任一项权利要求所述的ORC热力引擎，其中所述开关包括电机械开关。10.根据权利要求9所述的ORC热力引擎，其中所述开关包括电机械三极转换开关3PC0。11.根据权利要求1至8中的任一项所述的ORC热力引擎，其中所述开关包括一个或多个固态继电器。12.根据权利要求1至8中的任一项所述的ORC热力引擎，其中所述开关包括半导体开关。13.根据之前的任一项权利要求所述的ORC热力引擎，其中所述膨胀机-发电机包括涡旋式膨胀机。14.根据之前的任一项权利要求所述的ORC热力引擎，其中所述膨胀机-发电机包括永磁发电机。15.根据之前的任一项权利要求所述的ORC热力引擎，其中所述驱动装置包括马达并且所述开关包括离合器，所述离合器用于将马达与所述膨胀机-发电机连接和断开。16.根据权利要求1至14中的任一项所述的ORC热力引擎，其中所述驱动装置包括转换器。17.根据权利要求16所述的ORC热力引擎，其中所述转换器被配置成从直流总线中汲取电力并且向所述容积式膨胀机-发电机供应3相电流以驱动所述容积式膨胀机-发电机。18.根据权利要求16或17所述的ORC热力引擎，其中所述转换器能切换为用作整流器，以使当所述容积式膨胀机-发电机正在产生3相电流时，所述转换器用作整流器以将产生的所述3相电流转换为直流DC电流，用来供应给DC母线。19.根据基于权利要求6时的权利要求16至18中的任一项所述的ORC热力引擎，其中所述第一感测装置被配置成通过调节供应给所述转换器的电流来调节所述转换器的输出，并且其中由所述第二感测装置所感测的所述转换器的运行参数是供应给所述转换器的电流。20.根据基于权利要 求...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·约瑟夫·班尼斯特，蒂莫西·内森·班尼斯特，尼尔·斯塔福德·布莱特，伊恩·詹姆斯·亨肖，
申请(专利权)人：埃内尔格蒂克斯根列克有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB