热交换器、热机循环系统及其控制方法技术方案

一种热交换器、热机循环系统及其控制方法，热交换器包括一蒸发器、一汽液分离器、一液位感测器以及一控制器。蒸发器用以加热一工质至一汽液两相，蒸发器具有一工质入口管路以及一工质出口管路。汽液分离器连接工质出口管路，以将工质分离为一汽态工质与一液态工质。液位感测器用以检测汽液分离器内液态工质的高度并输出一液位信号。控制器用以接收液位信号，并控制蒸发器内工质的干度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种热传装置，且特别涉及一种具工质干度控制机制的热交换器及其热机循环系统。
技术介绍
中低温废热发电市场近几年蓬勃发展,其中有机朗肯循环(Organic RankineCycle，0RC)为目前中低温废热发电技术中最为成熟且具经济效益的一种技术。有机朗肯循环为一封闭热机循环系统，其关键元件和工作原理如下:(I)工质升压泵(pump):升压液态工质，并送入蒸发器中加热；(2)蒸发器(evaporator):吸取热源流体的热能，以汽化工质； [3]膨胀机及发电机组(expanderand power generator):转换工质的热能和压力能为膨胀机的轴功率(shaft power),再经由发电机产生电力；(4)冷凝器(condenser):冷凝做功后的汽态工质成为液态，并送往工质升压泵的入口，完成循环。 有机朗肯循环(ORC)属于双循环系统(binary cycle system)。其一,ORC回路中的工质，经历液泵升压、蒸发器汽化、膨胀机做功、冷凝器液化等过程，完成密闭式热机循环系统。其二，来自热源的热流(hot stream),则通过蒸发器,将热能传递给工质。在蒸发器内，工质通过热传介质(例如:壳管式热交换器的热传管、板式热交换器的热传板)吸收热流热能。热流于蒸发器放热后，即经由蒸发器的热流出口流回至外界环境。视热流出口的温度与流量，热流可能直接排放或再利用。 工质在蒸发器的出口一般设计为饱和汽态或过热汽态。若为饱和汽态，由于工质于出口的流速大，可能挟带液滴流出，工质液滴在膨胀机内将产生液膨胀问题，造成膨胀机运转时振动和电力输出不稳等现象。若为过热汽态，工质在蒸发器内的热阻增加，导致整体热传性能降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种热交换器及热机循环系统，藉由控制工质的干度以提升工质在蒸发器内的热传性能。 本专利技术的另一目的在于提供一种控制方法，藉由控制蒸发器内工质的干度以提升蒸发器的整体热传性能，降低蒸发器面积需求。 根据本专利技术的一方面，提出一种控制机制的热交换器，包括一蒸发器、一汽液分离器、一液位感测器以及一控制器。蒸发器用以加热一工质至一汽液两相，蒸发器具有一工质入口管路以及一工质出口管路。汽液分离器连接工质出口管路，以将工质分离为一汽态与一液态。液位感测器用以检测汽液分离器内液态工质的高度并输出一液位信号。控制器用以接收液位信号，并控制蒸发器内工质的干度。此外，在一实施例中，汽液分离器具有一汽态工质出口管路以及一液态工质回流管路，液态工质回流管路连接蒸发器的工质入口管路，使液态工质回流至蒸发器。 根据本专利技术的一方面，提出一种热机循环系统，包括一蒸发器、一汽液分离器、一液位感测器、一控制器、一冷凝器、一发电模块以及一泵。蒸发器用以加热一工质至一汽液两相，蒸发器具有一工质入口管路以及一工质出口管路。汽液分离器连接工质出口管路，以将工质分离为一汽态与一液态。液位感测器用以检测汽液分离器内液态工质的高度并输出一液位信号。控制器用以接收液位信号，并控制蒸发器内工质的干度。冷凝器用以冷却该工质至一液态。发电模块藉由一第一管路连接该汽液分离器的一出口，并藉由一第二管路连接该冷凝器的一入口。泵藉由一第三管路连接该冷凝器的一出口，并藉由一第四管路连接该蒸发器的一入口。此外，在一实施例中，汽液分离器具有一汽态工质出口管路以及一液态工质回流管路，液态工质回流管路连接蒸发器的工质入口管路，使液态工质回流至蒸发器。 根据本专利技术的一方面，提出一种控制方法，包括下列步骤。提供一蒸发器，并通入一热流(hot stream)至蒸发器中，以加热工质至一汽液两相。通入汽液两相的工质至一汽液分离器中，以分离为一汽态与一液态。检测液态工质的高度并输出一液位信号。以一控制器接收液位信号，并控制蒸发器内工质的干度。此外，在一实施例中，引导液态工质回流至蒸发器的一入口。 以下结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述，但不作为对本专利技术的限定。 【附图说明】 图1绘示依照本专利技术一实施例的具工质干度控制机制的热交换器； 图2绘示工质的热传系数与干度之间的关系图； 图3绘示依照本专利技术一实施例的具干度控制机制的热机循环系统； 图4绘示依照本专利技术一实施例的干度控制方法的各个步骤； 图5绘示有机朗肯循环(0RC)系统中温度-熵的性能图。 其中，附图标记 100:热机循环系统 101:热交换器 110:蒸发器 112:工质入口管路 114:工质出口管路 120:汽液分离器 122:汽态工质出口管路 124:压力感测器 126:液态工质回流管路 130:液位感测器 131:第一管路 132:第二管路 133:第三管路 134:第四管路 140:控制器 150:发电模块 151:膨胀机 152:发电机 160:冷凝器 170:泵 F:工质 Fp:汽态工质 Fq:液态工质 C:冷流 H:热流 In:入口 Out:出口 【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的结构原理和工作原理作具体的描述: 在本实施例的一范例中，藉由控制工质的干度以提升工质的热传性能。例如:以一蒸发器搭配一汽液分离器，让汽液两相的工质排出蒸发器之后，进入汽液分离器。当蒸发器内的工质处于汽液两相状态时，工质的干度保持在60?80%之间。相对于液态工质或过热汽态的工质而言，汽液两相的工质具有较佳的热传系数及较低的热阻，因此工质的干度保持在60?80%之间，将可提升工质的热传性能。 在一实施例中，若蒸发器米用壳管式热交换器，工质在蒸发器的出口一般设计为饱和汽态或过热汽态，汽态工质离开蒸发器后，再导引进入发电模块做功及发电。在另一实施例中，若蒸发器采用板式热交换器，由于工质在板片间流速大，离开蒸发器时尚挟带液滴，因此于蒸发器出口处较佳为过热汽态。 在本实施例的一范例中，检测工质的压力的方法通常有两种，一种是用压力感测器来检测蒸发器内的压力，另一种是利用温度感测器来检测蒸发器内的温度。当蒸发器内的工质处于汽液两相状态时，蒸发压力与蒸发温度是彼此相依的。蒸发温度是指液态的工质在一定的压力下蒸发或沸腾时的饱和温度(沸点)，此时的压力称为蒸发压力。蒸发压力增加，相对地蒸发温度也会增加。因此，只要将蒸发器内的压力或温度控制在一定的数值，就可以保持蒸发器内的蒸发压力。 在本实施例的一范例中，利用汽液分离器的目的是为了将汽液两相的工质分离为一汽态工质与一液态工质，并引导汽态工质进入下游的发电模块。液态工质可被引导进入蒸发器的入口，直接与泵出口的低温工质混合并使低温工质增温后，再进入蒸发器中。因此，在进入蒸发器之前，可降低过冷液态工质的比例，以降低蒸发器内的热传面积需求。在另一实施例中，液态工质亦可被引导进入冷凝器的入口。 以下是提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本专利技术欲保护的范围。 请参照图1，其绘示依照本专利技术一实施例的具工质干度控制机制的热交换器101，其包括一蒸发器110、一汽液分离器120、一液位感测器130以及一控制器140。蒸发器110用以加热一工质F至一汽态。蒸发器110内例如设有一个或多个热流管路，由入口 In本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热交换器，其特征在于，包括：一蒸发器，用以加热一工质至一汽液两相，该蒸发器具有一工质入口管路以及一工质出口管路；一汽液分离器，连接该工质出口管路，以将该工质分离为一汽态与一液态；一液位感测器，用以检测该汽液分离器内该液态工质的高度并输出一液位信号；以及一控制器，用以接收该液位信号，以控制该蒸发器内该工质的干度。

【技术特征摘要】
2013.08.22 US 61/868,5881.一种热交换器，其特征在于，包括: 一蒸发器，用以加热一工质至一汽液两相，该蒸发器具有一工质入口管路以及一工质出口管路； 一汽液分离器，连接该工质出口管路，以将该工质分离为一汽态与一液态； 一液位感测器，用以检测该汽液分离器内该液态工质的高度并输出一液位信号；以及 一控制器，用以接收该液位信号，以控制该蒸发器内该工质的干度。2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该蒸发器内该工质的干度介于0.6-0.8 之间。3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该汽液分离器内该液态工质的高度与该蒸发器内该工质的干度呈反比。4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该控制器判断该蒸发器内该工质的干度是否大于一设定值，以得知该工质状态，该设定值为该工质汽化比例大于0.8以上时的干度。5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，该工质干度大于设定值时，该控制器调整该工质的流速，以增加该工质的入口流量。6.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该汽液分离器具有一汽态工质出口管路以及一液态工质回流管路，该液态工质回流管路连接该蒸发器的该工质入口管路，使该液态工质回流至该蒸发器。7.一种热机循环系统，其特征在于，包括: 一蒸发器，用以加热一工质至一汽液两相，该蒸发器具有一工质入口管路以及一工质出口管路； 一汽液分离器，连接该工质出口管路，以将该工质分离为一汽态与一液态，该汽液分离器具有一汽态工质出口管路以及一液态工质回流管路，该液态工质回流管路连接该工质入口管路，使该液态工质回流至该蒸发器； 一液位感测器，用以检测该液态工质的高度并输出一液位信号； 一控制器，用以接收该液位信号，并控制该蒸发器内该工质的干度； 一冷凝器，用以冷却该工质至一液态； 一发电模块，藉由一第一管路连接该汽液分离器的一出口，并藉由一第二管路连接该冷凝器的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐菘蔚，郭启荣，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71