具有多个热传输器的布置系统和用于蒸发工作介质的方法与流程

本发明涉及一种具有多个热传输器的布置系统，用于通过由热源介质的热传输蒸发工作介质，本发明还涉及一种用于在所述布置系统中通过由热源介质的热传输蒸发工作介质的方法。所述布置系统和方法特别有利地能与在热动力循环过程中用于从热量中回收能量的设备和方法相结合使用，在所述循环过程中将废热用作热源介质。

背景技术：

用于将外部供应的热能转换成机械功的热动力循环过程例如以传统的蒸汽机循环、斯特林循环过程或有机郎肯循环过程(“Organic-Rankine-Cycle”或ORC过程)的形式已知。与传统的蒸汽机循环不同，在ORC过程中，替代水，使在较低温度下沸腾的有机物作为工作介质在用作蒸发器的热传输器、涡轮机和冷凝器之间连续循环，在所述热传输器中，通过外部供应的热量使起初为液态的工作介质蒸发，在涡轮机中使蒸汽形式的工作介质在输出机械功的情况下膨胀，在冷凝器中使工作介质再次冷却并重新变为液体。利用ORC过程试图通过选择合适的工作介质和通过优化过程参数，即压力和温度，能够经济地将小的热能源转换成机械功或电能。但为了实现ORC过程经济的运行，需要高于100℃的温度水平，因为在过程温度较低时以及在热源和冷源之间的温度差较小时，效率明显降低。

使用温度水平低于100℃的热源的经济性较差，但能带来越来越多地生态学上的益处，并且由于化石燃料形式的天然能源的涨价也能带来经济上的益处。这种具有较低的温度水平的热源或废热源，例如包括地热、热式太阳能设备、固定和移动的大型内燃机或涡轮机的冷却循环、各种形式的能量生产的废热(例如组合式热电联供站(Blockheizkraftwerk)或者说BHKW设备)、工业上的过程热量或天然气设备的废热。目前为止，如果废热不能在现场用于空间供热或加热工业用水，则废热更多时候没有得到利用并且被排放到环境中，因为目前为止，在这种温度水平下，无法经济地实现在较大距离上传输所述热量或者存储所述热量或转换所述热量以及其他以电能或机械能的形式利用所述热量。

图1举例示出了传统的带有直接蒸发功能的ORC设备。从热源向作为热交换器或蒸发器起作用的热传输器1供应热量(用箭头示出)。在蒸发器1中将热量供应给通过给料泵2输入的液态工作介质，并且工作介质由此蒸发。蒸汽态的工作介质通过压力管道传输给做功机械(例如涡轮机或活塞机)。在做功机械中，蒸汽态的工作介质膨胀且做功机械3驱动发电机4，以获得电能(通过箭头示出)。膨胀的蒸汽态工作介质在冷凝器5中冷却并且变成液体的工作介质通过给料泵重新输送给蒸发器1。

由DE 102013009351 B3已知ORC过程的一种改型，所述改型在下面称为“Misselhorn”过程并且这种改型用作用于在热动力循环过程中由热量回收能量的设备和方法的基础，利用所述设备或所述方法能够以适当的效率并且在经济的条件下使用温度水平小于100℃的热源。在这种设备中，循环过程具有以下相互连通地连接的部件：用于使工作介质冷却并变成液体的冷凝器；基于工作介质的流动方向设置在冷凝器下游的用于向工作介质供应热能的蒸发器系统，以便提高工作介质的温度和压力，所述蒸发器系统或热传输器系统具有至少两个彼此独立地作为蒸发器工作的热传输单元；做功机械的设置在热传输器系统下游的工作腔，用于使来自热传输系统的工作介质膨胀，以便从工作介质中提取能量；以及用于将至少部分膨胀的工作介质导回冷凝器的回输装置。用于工作介质的泵设置在冷凝器和热传输器布置系统之间。在热传输器单元的上游和下游设有阀系统，可以这样操控所述阀系统，使得对于每个热传输器单元在第一阶段中可以使工作介质选择性地进入该热传输器单元，在第二阶段中，是该热传输器单元完全与循环过程分离，以便加热(该热传输器单元)所容纳的工作介质并提高其压力，并且在第三阶段中，经加热或蒸发的工作介质可以向工作腔流出。所述阀系统控制热传输器单元与循环过程的连接/热传输器单元与循环过程的分离，使得热传输器单元分别依次地并且在时间上错开地遍历这些阶段。但热源介质通过并行地并且连续地穿过各个热传输器单元的热源介质通路。热传输器系统和集成到“Misselhorn”过程中的这种设计方案在图2中示出。

利用根据“Misselhorn”过程的设备和方法可以接近连续地向做功机械的工作腔供应不连续地加热的处于压力下的工作介质或蒸发的工作介质，在这里，所述工作介质发生膨胀，以转换成机械能。由于工作介质相互分离成多个部分并且在时间上错开地在单独的热传输器单元中加热和加压或蒸发，也可以有效地利用具有较低的温度水平的热源。通过分成多个部分的工作介质和工作介质的各个部分在时间上错开的加热和蒸发，总是提供较长的时间段用于使工作介质蒸发。

DE 102010033124Al记载了一种具有热回收装置的内燃机，所述热回收装置具有输送单元、至少两个并行地设置在工作介质循环中的并且工作介质流能流动通过的热交换器、膨胀装置和冷凝器。在输送单元和热交换器之间在工作介质循环中设置分配装置，使得工作介质流分成多个工作介质分流并且流动通过相应的热交换器的工作介质分流是可控制和/或可调节的，以便与内燃机的运行状态相适配。各热交换器前后相继地设置在用作热源介质的废气流中并且用废气流的损耗热量加载。

DE 10200706259 Al记载了一种在内燃机中多个关于工作介质分流并联地设置的热交换器类似的布置系统，其中没有设置可控制的分配单元，但给每个热交换器配设一个单独的泵。

EP 2522828 A2记载了一种ORC循环过程，其中，多个关于工作介质分流并联地设置的热交换器顺序地由用作热源介质的增压空气流流动通过，以便利用增压空气流的热量对循环过程中的工作介质进行预热。

CA 2744404 Al记载了一种ORC循环过程，其中为了提高能从地面或环境空气中吸收的热量，在一个阵列中关于工作介质分流并联和串联地设置多个蒸发器，并且所有蒸发器并行地且同时地由热源介质流动通过。

技术实现要素：

利用本发明应进一步改进工作介质的蒸发过程，特别是用于在热动力的循环过程中、优选但不仅是在“Misselhorn”过程中由热量回收能量的设备和方法中利用的蒸发过程，由此，以较高的效率实现对相应热源的能量的利用并且提供具有尽可能恒定的高压的蒸汽态工作介质并且特别是可以绕过传统ORC设备的夹点(Pinch-Point)限制。

为了解决所述问题，本发明提出了一种具有权利要求1的特征的、具有多个热传输器的、用于通过从热源介质的热传输蒸发工作介质的布置系统和一种具有权利要求10的特征的、用于在具有多个热传输器的布置系统中通过从热源介质的热传输蒸发工作介质的方法。所述布置系统和所述方法的优选实施方式在从属权利要求中给出。

本发明因此涉及一种具有多个热传输器的布置系统，用于通过由热源介质的热传输蒸发工作介质，其中每个热传输器都具有热源介质通路和与所述热源介质通路分开的工作介质腔，并且各热传输器的热源介质通路串联地、优选按环形布置结构相互连接或能够相互连接，在每两个串联地相继的热传输器的热源介质通路之间分别设有阀装置，设有用于热源介质的供应管道，所述供应管道能够选择性地与每个热传输器的热源介质通路的入口连接，以及设有用于热源介质的排出管道，所述排出管道能够选择性地与每个热传输器的热源介质通路的出口连接。

与此相对应地，本发明还涉及一种用于通过在具有多个热传输器的布置系统中由热源介质的热传输蒸发工作介质的方法，所述热传输器分别具有热源介质通路和与热源介质通路分开的工作介质腔并且所述热传输器的热源介质通路串联地、优选以环形布置结构相互连接或能够相互连接，所述方法具有以下步骤：顺序地将用于热源介质的供应管道与第一热传输器的热源介质通路的入口连接，并顺序地将用于热源介质的排出管道与第二热传输器的热源介质通路的出口连接，而将供应管道和排出管道与第二热传输器的热源介质通路的入口或与第一热传输器的热源介质通路的出口分离，以及，如果存在其他热传输器，与其他热传输器的热源介质通路的入口和出口分离。

根据本发明的布置系统或根据本发明的方法使得可以有效地利用相应热源的热能，其方式是，热源的热源介质例如是直接导入热传输器的，并且热源介质在通过第一热传输器并部分地提取热能之后串行地被引导通过布置系统的其他热传输器。热源介质通过各热传输器的通行顺序可以类似循环式地切换，从而在每次循环中液态的工作介质都被导入另一个热传输器中(在这个阶段中具有工作介质最低的温度和/或压力水平的热传输器)或将经加热和蒸发的工作介质从另一个热传输器(在这个阶段具有工作介质的最高温度和/或压力水平的热传输器)中输出。

此外，利用根据本发明还绕过了传统的ORC设备的夹点限制。通过串联地、优选按环形布置形式设置多个作为蒸发器成组运行工作的热传输器，以及通过将热的热源介质从具有较高的工作介质温度传送到具有较低的工作介质温度的蒸发器，在每个蒸发器中都遵守相应必要的夹点。由于仅具有最高热源介质温度的蒸发器连接在做功机械或膨胀机上，在向膨胀机流出是总是得到工作介质的高压力并由此得到设备良好的热效率。在当前与做功机械连接的后面的蒸发器中，热源通过向工作介质的热传输在相应蒸发器中进一步冷却，并且系统效率提高(见示出用于具有10个作为蒸发器工作的热传输器的热传输其布置系统的T-Q图的图7)。

在热源介质和工作介质的TQ曲线最接近的点处散热(较热)的和吸热(较冷)的物料流之间的温度差就称为“夹点”。只有当热的和冷的介质之间存在通常应至少为5K至10K的温度差时，才能在有限的时间内并且以经济上可承受大小的热传输面实现热传输。ORC过程原则上可以以两种不同的模式(和这两种模式的中间级别)进行：

a)良好地利用热源，就是说热的热源介质有尽可能大的温度降低，就是说具有经优化的系统效率。所述系统效率是总体上能将多少热量转换成功的度量(见图6，上部)，或者

b)良好地利用已传输的热功率，就是说有较高的热效率，但同时对热源的利用较差并且系统效率相应地较低。这种热效率描述了，实际以怎样的效率将传输的热量转换为功(见图6，下部)。

通常希望的是，根据按ORC和/或其他因素的余热的具体应用可能性实现折中。为了实现ORC设备尽可能高的功率，离开蒸发器并流入做功机械或膨胀机、例如涡轮机或活塞机的工作介质的压力水平必须尽可能高。根据热动力学，高压力会导致工作介质的高温度。这种高温度加上基于夹点的温度差得到蒸发器中的热的热源介质必需的最低温度。就是说，工作介质希望的压力水平和温度水平越高，则热源可以被冷却的程度就越低。为了能够实现尽可能高的系统效率，热源更好的被冷却，工作介质的最高温度以夹点距离低于热源介质较低的、已冷却的温度。热源介质的高温仍没有得到利用，就是说，仅能实现工作介质较低的压力并因此仅能实现膨胀机较低的功率。

根据本发明的用于通过与热源介质的热传输来蒸发工作介质的热传输器布置系统因此特别有利地可以与由DE 102013009351已知的用于在热动力循环过程中由热量回收能量的设备相结合，因为所述设备总是设置在多个热传输器中的具有最高温度水平或者说具有温度水平和/或压力水平最高的工作介质的热传输器的循环式连接部上，而给另一个热传输器装载液态的工作介质并使其被加热，并且加热可能的其他热传输器连同工作介质。

附图说明

下面参考附图来说明根据本发明的布置系统和方法。

其中：

图1示出根据现有技术的ORC过程的示意图，其中直接利用在工作介质循环的热传输器中的热源介质；

图2示出根据DE 102013009351带有热传输器布置系统的“Misselhorn”过程的示意图；

图3示出带有根据第一实施方式的按本发明的热传输器布置系统的“Misselhorn”过程的示意图；

图4A-C示出在根据图3的热传输器布置系统中在一个循环之内的开关状态的示意图；

图5示出带有根据第二实施方式的按本发明的热传输器布置系统的示意图；

图6示出常见ORC过程的两种不同运行模式的TQ图；以及

图7示出根据本发明的10个热交换器的布置系统的TQ图。

具体实施方式

图1和图2在前面已经说明。图3示出带有根据第一实施方式的热传输器的、按本发明的布置系统的“Misselhorn”过程的对应于图2的示意图。这种热传输器布置系统的工作原理根据系列图4A至图4C来说明。尽管所示出的实施方式为了进行说明以三个作为蒸发器工作的热传输器或热交换器为基础，但热传输器的数量为n≥2。

在提高作为蒸发器工作的并且顺序地由热源介质流动通过的热传输器的数量时，在布置系统的TQ图中工作介质和热源介质的曲线形状越来越靠近。此外可以看到，为了清楚起见，热传输器的工作介质管道和工作介质腔在图4A至图4C中没有示出。

布置系统的每个热传输器10.1、10.2、10.3都具有热源介质通路和与热源介质通路分开的工作介质腔，所述热源介质通路具有入口和出口(未示出)，所述工作介质腔同样具有入口和出口(未示出)，从而热源介质和工作介质的物料流是分开的。在热源介质通路和工作介质腔之间应确保尽可能有效的热传输，其中，热传输器的具体结构形式对于本发明的功能原理并不重要，而仅是优化目的。例如热传输器可以设计成管束式热交换器。

热传输器的各热源介质通路串联地、优选按环形布置结构或环形管道16相互连接或能相互连接，其方式是，一个热传输器的热源介质通路的出口与环形布置结构中的下一个热传输器的入口连接，这里在环形布置结构的每两个串联地前后相继的热传输器10.1、10.2、10.3的热源介质通路之间分别设有阀12.1、12.2、12.3，利用所述阀能够选择性地中断连接。阀12.1、12.2、12.3，构造成能开关的并且优选能远程操作/遥控的阀。如果出于对热源介质的压力水平的确保，以使在环形布置结构之内在热源介质的导入通道的上游不会出现进入热传输器的热源介质通路的回流，这些阀也可以设计成受控制的或简单的止回阀。

用于热源介质的供应管道14能选择性地与每个热传输器的热源介质通路的入口连接，而用于热源介质的排出管道15同样能选择性地与每个热传输器的热源介质通路的出口连接。为此，在供应管道和环形管道的在相应环形管道阀12.1、12.2、12.3与分别位于所述环形管道阀下游的热传输器之间的部段之间的连接管道中，同样设有可开关的并且优选能远程操作/遥控的阀11.1、11.2、11.3，以便建立和中断供应管道与热源介质通路之间的选择性连接。相应地还在排出管道15与环形管道的在相应环形管道阀12.1、12.2、12.3与位于该环形管道阀上游的热传输器之间的部段之间同样设有可开关的并且优选能远程操作/遥控的阀13.1、13.2、13.3，以便建立和中断排出管道与热源介质通路之间的选择性连接。

连接管道与阀的组合以及布置系统的阀的可开关性设计成，使得在一个下面还将说明的循环内，在环形布置结构的热传输器中具有最高的工作介质压力和/或温度水平的热传输器的热源介质通路的入口能够与用于热源介质的供应管道连接，而在所述环形布置结构的热传输器中具有最低的工作介质压力和/或温度水平的热传输器的热源介质通路的出口能够与用于热源介质的排出管道连接。在布置系统中多于两个热传输器时，对于不具有最高或最低的工作介质压力或温度水平的热传输器，热源介质通路仅能与其他热传输器的热源介质通路连接，从而热源介质串行地被引导通过各热传输器。

用于热源介质的所述供应管道和排出管道优选能顺序地并且同步地与布置系统的各热传输器的热源介质通路连接，由此在每个循环之内热传输器的所述切换(Weiterschaltung)能同时且清晰界定地进行。此外，所述布置系统还设计成，使得用于热源介质的供应管道和排出管道与相应的热传输器的热源介质通路连接的持续时长预设为根据布置系统的设计方案确定的运行时长并且至少为包括多个循环的确定的运行时长。但优选也可以根据在布置系统的热传输器中具有最高的工作介质压力或温度水平的热传输器中的工作介质的压力和/或温度控制所述时长，因为该热传输器提供用于做功机械的已蒸发的工作介质。利用这样的控制，可以确保在压力水平尽可能恒定的同时几乎连续地给做功机械供应蒸汽态的工作介质并由此可以确保实现没有大的功率波动或转速波动的运行。

用于工作介质的连接管道和可开关的阀以及工作介质腔在图4和图5中没有示出，但在图3中示出。根据本发明的多个热传输器的布置系统在工作介质循环方面可以集成到例如由DE 102013009351已知的“Misselhorn”循环过程的闭合工作介质循环中并且对其中使用的热交换器或热传输器布置系统进行了改动(见图3)。因此在工作介质循环方面通过引用将DE102013009351的公开内容完整地包含在本公开中。就是说，根据本发明的布置系统还通过相应的阀布置系统控制热传输器单元或热交换器单元与循环过程的连接/分离，使得热传输器单元分别依次地并且在时间上错开地遍历以下各个阶段：导入工作介质、在封闭在相应热传输器中的情况下加热工作介质和从热传输器中将蒸汽态的工作介质导出到做功机械中。

这里所述布置系统设计成，使得向在所述布置系统的热传输器中具有工作介质的最低压力和/或温度水平的热传输器的工作介质腔中进行工作介质的导入，并且从在所述布置系统的热传输器中具有工作介质的最高压力和/或温度水平的热传输器的工作介质腔中进行工作介质的导出，并且导入阶段的时间段和导出阶段的时间段是基本上等长的，并且导入阶段和导出阶段的在布置系统的各热传输器之间的切换同步地并且顺序地进行。如果如优选的那样所述布置系统具有至少三个热传输器，则所述布置系统还设计成，使得不具有最高或最低的工作介质压力或温度水平的热传输器在其他热传输器的导入阶段和导出阶段保持将工作介质封闭在工作介质腔中。就是说，在有n个蒸发器或热传输器时，在布置系统对应于这些阶段运行时，原则上有n个不同的阀开关状态。

下面基于具有3个热传输器的布置系统并且参考图4A-4C来举例说明热传输器的布置系统的一个开关循环。为此所需的常见的三种开关状态在图4A至图4C中示出。

在第一开关状态(图4A)中，蒸发的具有高压的工作介质从热传输器10.1中(例如对应于由DE 102013009351已知的设备中的热传输器运行的阶段3)导入做功机械中并且热传输器10.3此时用液态的工作介质通过泵填充。为了给热传输器10.1供应最热的热源介质流，而给热传输器10.3供应由于通过其他热传输器而已经部分冷却的热源介质流，阀11.1、12.2、12.3以及13.1打开。其余的阀关闭。热源介质流通过打开的阀11.1在热传输器10.1的前面被送入“环形管道”16并在通过这三个热传输器时冷却(阀12.2、12.3打开)。最后，冷却的热源介质通过打开的阀13.1(由于阀12.1关闭)从“环形管道”中排出并被送入热源介质回程中。

在第二开关状态(图4B)中，应给热传输器10.2供应热的热源介质流，而给热传输器10.1供应经冷却的热源介质流。为此阀11.2和13.2以及阀12.3和12.1打开。其余的阀也是关闭的。

在第三开关状态(图4C)中，应引导热的热源介质流通过热传输器10.3，并引导经冷却的热源介质流通过热传输器10.2。为此，阀11.3、13.3以及阀12.1和12.2打开。其余的阀也是关闭的。此后该循环结束并且重新以第一开关状态开始循环。

在图5中示出所述布置系统的第二实施方式，其中热的和冷却的热源介质流的供应和排出分别作为星形线路17或星形线路18实现。

在根据本发明的具有多个热传输器的所述布置系统的一个(未示出的)优选实施方式中，布置系统的热传输器设置或设计成，使得每个热传输器的热源介质通路的入口都位于比相应的热传输器的出口更低的高度位置上。在这个优选的实施方式中，热源介质从下向上竖直地并且因此克服重力的影响流动通过热传输器的热源介质通路。即使当热传输器中的热源介质通路例如具有“之”字形的形式时，也可以确保，热源介质被引导这样通过热传输器的热源介质通路，即，热源介质至少部分地克服重力影响流动通过热源介质通路。

本发明的各实施方式的示意图仅用于说明本发明。因此，各个部件之间的连接管道的长短以及阀的布置、数量和实施方式仅是示例性的并且仅用于说明功能原理。此外特别优选的是，热传输器或热交换器的示意性示出的布置系统分别具有三个热传输器单元，其中，根据本发明,具有至少两个相互独立的热传输器单元的热传输器布置系统就能够实现，并且可以使用多于三个热传输器单元也能够实现。

此外，本发明不仅限于热传输器确定的结构形式，特别是在图4A-C和5中热传输器的图示只是示意性的，并且仅应说明布置系统内热源介质通路的连接布置，但不应用于将热传输器固定为确定的结构形式。

作为用于根据本发明的布置系统的工作介质，可以考虑采用所有在传统的循环过程中、如ORC循环过程和“Misselhorn”过程中使用的介质，特别是有机物或合成物质，例如R245fa、乙醇或R134a。

术语“热源介质”此外包括能直接由热源提供的并且能直接用于热传输器中的介质，如热的废水、冷却水等，但也可以包括传热介质，如传热油等，所述传热介质在闭合的中间回路中循环并用于从远距离的或不适于直接利用的热源向循环过程的热传输器传送热量。

最后，作为用于根据本发明的布置系统的热源可以考虑采用所有来自开头所述来源的有效热量或废热形式的热源，这些热源具有足够高的温度水平，所述温度水平至少为60℃，优选为的60℃-100℃，并且提供足够大的体积或质量流。但，具有更高温度水平的热源在根据本发明的布置系统中也可适用。

尽管图3-5示出具有单阀的实施方式，但所有阀或阀组例如可以设计成具有相应的多个入口和出口的旋转滑阀。因此，在权利要求中选用的术语“阀装置”应包括用于打开/关闭流体连通装置的各种不同的设计方案。