热交换器、热机循环系统及其控制方法

热交换器、热机循环系统及其控制方法
【专利摘要】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。
【专利说明】热交换器、热机循环系统及其控制方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热传装置，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。

【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。


【发明内容】

[0005]本发明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。
[0006]本发明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。
[0007]根据本发明的一方面，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。
[0008]根据本发明的一方面，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。
[0009]根据本发明的一方面，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。
[0010]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。

【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1绘示依照本发明一实施例的具工质干度控制机制的热交换器；
[0012]图2绘示工质的热传系数与干度之间的关系图；
[0013]图3绘示依照本发明一实施例的具干度控制机制的热机循环系统；
[0014]图4绘示依照本发明一实施例的干度控制方法的各个步骤；
[0015]图5绘示有机朗肯循环(0RC)系统中温度-熵的性能图。
[0016]其中，附图标记
[0017]100:热机循环系统
[0018]101:热交换器
[0019]110:蒸发器
[0020]112:工质入口管路
[0021]114:工质出口管路
[0022]120:汽液分离器
[0023]122:汽态工质出口管路
[0024]124:压力感测器
[0025]126:液态工质回流管路
[0026]130:液位感测器
[0027]131:第一管路
[0028]132:第二管路
[0029]133:第三管路
[0030]134:第四管路
[0031]140:控制器
[0032]150:发电模块
[0033]151:膨胀机
[0034]152:发电机
[0035]160:冷凝器
[0036]170:泵
[0037]F:工质
[0038]Fp:汽态工质
[0039]Fq:液态工质
[0040]C:冷流
[0041]H:热流
[0042]In:入口
[0043]Out:出口

【具体实施方式】
[0044]下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述:
[0045]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。
[0046]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。
[0047]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。
[0048]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。
[0049]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，并非用以限缩本发明欲保护的范围。
[0050]请参照图1，其绘示依照本发明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通向出口 Out，使来自于热源的热流Η通过热流管路将热能传递给工质F。蒸发器110具有一工质入口管路112以及一工质出口管路114，使工质F经由工质入口管路112进入后，可在蒸发器110内蒸发、汽化，并由液态变为汽液两相，之后再由工质出口管路114排出。
[0051]在一实施例中，蒸发器110可为壳管式热交换器或板式热交换器。上述的热流管路可为壳管式热交换器的热传管或板式热交换器的热传板等。此外，应用在有机朗肯循环中，可利用常压低沸点的有机物质(例如:冷媒、碳氢化合物)为工质，并可利用工业废热、地热、温泉或太阳能等多样化的中低温热源来加热工质，使工质在蒸发器110内蒸发、汽化，汽化后的工质再导引至发电模块150 (参见图3)做功并发电。
[0052]另外，应用在极低温0RC发电系统，可利用常温水(或表层海水)为热源来加热以液态天然气、液态氮或液态氧做为冷流的工质，使工质在蒸发器110内蒸发、汽化，汽化后的工质再导引至发电模块150 (参见图3)做功并发电。
[0053]在一实施例中，工质在蒸发器110内的干度为液态工质汽化的比例。干度越高，汽化的比例越高。因此，可藉由汽液分离器120将汽液两相工质分离为一汽态工质Fp与一液态工质Fq，由液态工质Fq于汽液分离器120内的液位高度来得知工质的干度。液位高度增加，表示干度减少；而液位高度减少，表示干度增加，两者呈反比关系。
[0054]液位感测器130设置于汽液分离器120中或液态工质回流管路126上，用以检测汽液分离器120内液态工质Fq的高度并输出一液位信号，并将液位信号传输至控制器140，以达到干度控制的目的。
[0055]请参照图2，一般工质在干度60?80%时，其热传系数达峰值，之后，热传系数随干度增加而陡降。当工质过热后(干度> 1)，其热传机制属于单相汽态热传，热传系数差。传统设计的蒸发器时，工质在蒸发器内吸收热能蒸发后，在离开蒸发器时为过热状态，因此传统的蒸发器由于干度大于0.8，传热系数陡降(参见图2)，故需要的热传面积较大，因而增加成本。
[0056]一般而言，汽液分离器120的种类可分为板式分离器、旋风式分离器及离心式分离器。在汽液分离器120中，由于汽态工质与液态工质的密度不同，两者一起流动时，液态工质会受到重力的作用，产生一个向下的速度，而汽态工质仍然朝着原来的方向流动。也就是说，汽态工质与液态工质在重力场中有分离的倾向，向下的液体附着在壁面上汇聚在一起经由出口管路126排出。
[0057]控制器140例如是可程序化逻辑控制器，用以调整液态工质在蒸发器110内的容量，并接收液位感测器130所输出的液位信号，藉以判断蒸发器110内工质的干度是否大于一设定值(例如工质汽化比例高于0.8以上，也就是热传系数陡降时的干度)。若是，表示工质过热，控制器140可藉由变频控制方法调整泵170 (参见图3)的流量和压力，也就是调整工质的流速，增加入口流量，以保持工质在蒸发器110内为汽液两相。此时，工质具有较佳的热传系数及较低的热阻。另外，当蒸发器110内工质的干度小于一设定值(例如工质汽化比例低于0.2以下)，表示工质过冷，控制器140可藉由变频控制方法调整工质的流速，降低入口流量。
[0058]在一实施例中，压力感测器124可设置于汽液分离器120的汽态工质出口管路122上，用以检测工质的蒸发压力并输出一蒸发压力信号至控制器140，以确保工质为饱和汽态。另外，在另一实施例中，压力感测器124可被一温度感测器所取代或同时使用。温度感测器用以检测汽液分离器120内工质的蒸发温度并输出一蒸发温度信号至控制器140，以确保工质为饱和汽态。
[0059]请参照图3，其绘示依照本发明一实施例的具工质干度控制机制的热机循环系统100。此热机循环系统100包括一蒸发器110、一汽液分离器120、一液位感测器130、一控制器140、一发电模块150、一冷凝器160以及一泵170。蒸发器110用以加热工质F至一汽态。冷凝器160用以冷却一工质F至一液态。发电模块150藉由一第一管路131连接汽液分离器120的一出口，并藉由一第二管路132连接冷凝器160的一入口。此外，泵170藉由一第三管路133连接冷凝器160的一出口，并藉由一第四管路134连接蒸发器110的一入口，以形成一封闭回路。因此，此热机循环系统可为一封闭热机循环系统。
[0060]上述的发电模块150例如是由膨胀机(例如:涡轮机、螺旋式膨胀机、涡卷式膨胀机)以及发电机组合而成。请参照图2，在一实施例中，具有高温蒸汽状态的工质F的热能和压力能转换为膨胀机151的轴功率，再将工质膨胀做功产生的机械能输入至发电机152，并由发电机152产生电力。此外，做功完后的工质F流经冷凝器160，并通过热传介质中的冷流C吸收工质F的热能，而成为液态工质，接着，藉由泵170升压液态工质，并送入蒸发器110中加热，以构成一热机循环系统。
[0061]有关蒸发器110、汽液分离器120、液位感测器130以及控制器140的工作原理，请参照图1及相关内容，以下略述干度控制方法。请参照图4，其绘示依照本发明一实施例的工质干度控制方法的各个步骤。首先，在步骤401中，提供一蒸发器110，并通入一工质F至蒸发器110中，以加热工质F至一汽液两相。在步骤402中，通入汽液两相工质至一汽液分离器120中，以分离为一汽态工质Fp与一液态工质Fq。在步骤403中，检测液态工质Fq的高度并输出一液位信号。此液位信号例如以电信号输出至一控制器140。在步骤404中，使液态工质Fq回流至蒸发器110的一入口，并与泵170出口的低温工质混合并使低温工质增温后，再进入蒸发器110中。在步骤405中，以控制器140接收液位信号，并调整泵170的流量和压力，藉以调整工质F的入口流量。因此，只要能保持工质F在蒸发器110内为汽液两相，即可控制蒸发器110内工质的干度在一定范围内，例如0.4?0.8左右，较佳为0.6?0.8 (视选用工质于沸腾时的热传特性而定)，但本发明不以此为限。
[0062]由上述的干度控制方法可知，藉由控制工质的干度以提升工质的热传性能，进而提升整体0RC系统的热效率。
[0063]请参照图5，其绘示有机朗肯循环(0RC)系统中温度-熵的性能图。如图5中所绘示的虚线，其为汽液分离器120中的液态工质Fq回流至蒸发器110的热传路径。高温的液态工质与泵170出口的低温工质混合并使低温工质增温后，再进入蒸发器110中加热。因此，在进入蒸发器110之前，可降低过冷(subcooled)液态工质的比例，以降低蒸发器110内的热传面积需求。
[0064]本发明上述实施例所揭露的具工质干度控制机制的热交换器及热机循环系统和应用其干度控制方法，藉由工质在汽液两相区内的高热传特性，控制工质于蒸发器出口的干度，以达到下列功效:(1)工质在蒸发器内表现最佳热传性能，大幅降低蒸发器热传面积需求、降低成本；(2)工质于汽液分离器后，提供饱和汽态工质进入发电模块，提升整体0RC系统热效率；(3)汽液分离后的液态工质直接与低温工质混合，再进入蒸发器，可降低过冷液态工质的比例，降低蒸发器内的热传面积需求。
[0065]当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种热交换器，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入口 ；以及 一泵，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。
8.根据权利要求7所述的热机循环系统，其特征在于，该蒸发器内该工质的干度介于0.6-0.8 之间。
9.根据权利要求7所述的热机循环系统，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。
10.根据权利要求7所述的热机循环系统，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。
11.根据权利要求10所述的热机循环系统，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。
12.根据权利要求7所述的热机循环系统，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。
13.—种控制方法，其特征在于，包括: 提供一蒸发器，并通入一工质至该蒸发器中，以加热该工质至一汽液两相； 通入汽液两相的该工质至一汽液分离器中，以分离为一汽态与一液态； 检测该液态工质的高度并输出一液位信号；以及 以一控制器接收该液位信号，并控制该蒸发器内该工质的干度。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，该蒸发器内该工质的干度介于0.6-0.8 之间。
15.根据权利要求13所述的控制方法，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。
16.根据权利要求13所述的控制方法，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，以得知该工质是否过热，该设定值为该工质汽化比例大于0.8以上时的干度。
17.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，该工质的干度大于设定值时，该控制器调整该工质的流速，以增加该工质的入口流量。
18.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，更包括引导该液态工质回流至该蒸发器的一入口。
【文档编号】F28F27/00GK104422202SQ201310613779
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】徐菘蔚, 郭启荣 申请人:财团法人工业技术研究院