[发明专利]有机郎肯循环热力引擎

说明书

本发明涉及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。

背景技术

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P1)和高温(T1)被汽化。汽化器14接收热量输入Q_输入并做功W_输入以将工作流体的温度提高到温度T1。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W_e。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W_输出和热量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P1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Q_输出，并且泵20运行以提供高压P1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。

本发明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。

发明内容

根据本发明的第一方面，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。