[发明专利]具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热传装置，且特别涉及一种应用于热机循环系统的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器。 

背景技术

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 Rankine Cycle，ORC)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：(1)工作流体升压泵(pump)：升压液态工作流体，并送入蒸发器中加热；(2)蒸发器(evaporator)：吸取热源流体的热能，以汽化工作流体；(3)膨胀机及发电机组(expander and power generator)：转换工作流体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)：冷凝做功后的气态工作流体成为液态，并送往工作流体升压泵的入口，完成循环。 

有机朗肯循环(ORC)属于双循环系统(binary cycle system)。其一，ORC回路中的工作流体，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，将热能传递给工作流体。在蒸发器内，工作流体通过热传介质（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。 

在一应用中，低温热能发电的ORC系统，若热流于蒸发器内放热后，被导引至下游热工艺再利用，则必须限制热流出口的最低温度，以确保下游热工艺的品质要求。另外，应用于以常温水（或海水）为热源，以液态天然气、液态氮或液态氧为工作流体的极低温ORC发电系统，则必须限制热流（常温水或表层海水）出口的最低温度，防止热流结冰，以免导致因热流结冰造成蒸发器破裂、损毁和工作流体泄漏等问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于热机循环系统的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器及热机循环系统，以限流的方式调整蒸发器内工作流体的蒸发压力，以使工作流体的蒸发压力保持在最小压力设定值以上。 

本发明是利用一种气态工作流体最小压力持压控制方法，以限流的方式调整蒸发器内工作流体的蒸发压力，以使工作流体的蒸发压力保持在最小压力设定值以上。 

根据本发明的一方面，提出一种具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器，包括一蒸发器、一流量控制阀、一压力感测器以及一控制器。蒸发器用以加热一工作流体至一气态。蒸发器具有一液态工作流体入口管路以及一气态工作流体出口管路。流量控制阀设置于气态工作流体出口管路上。压力感测器设置于流量控制阀的上游，用以检测蒸发器内工作流体的蒸发压力。控制器用以调整流量控制阀的开度，以控制蒸发器内工作流体的最小蒸发压力。 

根据本发明的一方面，提出一种具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统，包括一蒸发器、一流量控制阀、一压力感测器、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作流体至一气态。蒸发器具有一液态工作流体入口管路以及一气态工作流体出口管路。流量控制阀设置于气态工作流体出口管路上。压力感测器设置于流量控制阀的上游，用以检测蒸发器内工作流体的蒸发压力。控制器用以调整流量控制阀的开度，以控制蒸发器内工作流体的最小蒸发压力。冷凝器用以冷却工作流体至一液态。发电模块藉由一第一管路连接流量控制阀的一出口，并藉由一第二管路连接冷凝器的一入口。泵藉由一第三管路连接冷凝器的一出口，并藉由一第四管路连接蒸发器的一入口。 

根据本发明的一方面，提出一种气态工作流体最小压力持压控制方法，包括下列步骤。提供一蒸发器，并通入一工作流体至蒸发器中，以加热工作流体至一气态。设置一流量控制阀于蒸发器的一出口。检测蒸发器内工作流体的蒸发压力。调整流量控制阀的开度，以控制蒸发器内工作流体的蒸发压力。 

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。 

附图说明

图1绘示依照本发明一实施例的具气态工作流体最小压力持压机制的热交换器； 

图2绘示依照本发明一实施例的具气态工作流体最小压力持压机制的热机循环系统； 

图3绘示依照本发明一实施例的气态工作流体最小压力持压控制方法的各个步骤； 

图4绘示有机朗肯循环(ORC)系统中温度-熵的性能图。 

其中，附图标记 

100：热机循环系统