专利名称：纯化从冷凝器或类似设备中流出的非冷凝气体的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纯化从冷凝器或类似设备中流出的非冷凝气体的方法及装置。
在兰金循环动力设备、空调系统以及其他使用冷凝器的设备中，非冷凝气体总会引起一些麻烦。非冷凝气体所引起的主要问题是降低系统中各组份的传热效率，也就是说，系统的工作流体中所存在的非冷凝气体会降低热从热源传到兰金循环动力设备蒸发器中的工作流体的传热速率，还会降低热从蒸汽传递给兰金循环动力设备冷凝器中的冷却流体的速率。下面以实际工作系统作为例子，可以说明非冷凝气体对动力设备的工作所产生的不良影响。
将余热加到采用异戊烷作为工作流体的兰金循环动力设备的蒸发器上，蒸发器使工作流体蒸发，并将其送至有机蒸汽轮机，以产生1.5MW的功率来驱动发电机。在汽轮机中，蒸汽膨胀作功，并产生放出了热量的工作流体，该工作流体被送入冷凝器中。在冷凝器内，放出了热量的工作流体被冷凝成液体，该液体被抽回到蒸发器中，以进行再循环。
除了在非常冷的时候以外，包括冷凝在内的上述动力设备的各部位的内部压力均高于大气压。然而，实验证明，即使在这些条件下，环境空气仍会从金属管道、法兰、接头等处泄漏到工作流体中。显然，就是系统内部的压力高于外界压力，空气也会通过金属管道和密封装置扩散。
工作流体中含有非冷凝气体对动力设备的输出功率的影响是很大的。例如，对于需要产生1.5MW功率的较小系统，实验表明，若不对来自系统的非冷凝气体不断地进行纯化，则功率损失达10%以上，就总输出功率而言，这是一个很大的数字。
对从上述类型动力设备中的冷凝器中流出的非冷凝气体进行纯化通常所采用的方法是用一台真空泵装置将冷凝器中的流体(已蒸发的工作流体和非冷凝气体)抽入冷却室。结果，工作流体在一个微型冷凝器中被冷凝，并在冷凝的工作流体返回系统以前与从冷却室排出的非冷凝气体分离开来。
尽管这种方法在某些情况下是令人满意的，但在许多情况下，因为要考虑能量损耗，而且在建立和维持真空时需要复杂的装备，所以这种方法并不尽如人意。另外，传统方法对许多需要连续工作的动力设备系统中的非冷凝气体的总量并不敏感，而且这种系统本身在许多情况下也存在缺点。此外，实验证明，分离非冷凝气体要求纯化系统工作时间很长，因为非冷凝气体常常溶解在工作流体中，它们在和冷凝器相联的纯化系统中只能缓慢地析出和分离，所以，常常需要纯化系统不停地工作，以保证除去这些气体。对冷却室内的流体进行冷却时，虽然绝大部份工作流体被冷凝并返回到系统中去，但也有很大一部分工作流体呈蒸汽形式，在真空泵的作用下，它们与非冷凝气体一道被抽出。对系统而言，这一部份工作流体就损失掉了。
因此，本发明的目的是要提供一种新的、有所改进的纯化来自冷凝器的非冷凝气体的方法和装置，这种方法和装置较已知的其它系统更有效，更易进行控制和操作，对系统中存在的非冷凝气体的实际量更为敏感，而且可以有效地将系统中工作流体的损失大体上降至最小。
根据本发明，纯化来自冷凝器或可以存放已蒸发的工作流体的其它类似设备中的非冷凝气体的装置包括一个腔室和一个阀，该阀处于打开状态时，冷凝器与上述腔室相通，该阀处于关闭状态时，冷凝器与腔室隔断;一个部件与腔室相联，当上述阀关闭时，该部件可以有效地冷凝腔室中的工作流体，从而将腔室中的工作流体与非冷凝气体分离开来;与腔室相联的可选择地控制的出口可以在上述阀处于关闭状态时使腔室放空。当腔室中没有非冷凝气体时，与出口相连的泄压阀基本上可防止工作流体从系统中排放出去。
所以，按照本发明的装置可以从冷凝器中提取既含有已蒸发的工作流体又含有非冷凝气体的流体。将从冷凝器中提取的流体增压，从而使工作流体液化，并使该工作流体与非冷凝气体分开，这样，系统中被纯化的工作流体的损失基本上可以防止，或者可以降到最小。
下面将结合附图对本发明的实施例进行说明，其中
图1为采用有机工作流体的兰金循环动力设备的方框图，该图概略地说明了本发明用于动力设备的情况;
图2为局部剖视的示意图，它示出了本发明的一个实施例的局部断开部分;
图3为本发明的第二个实施例。
参照附图，标号10为根据本发明的兰金循环动力设备，在该设备中，纯化系统22用来纯化从该动力设备的冷凝器中出来的非冷凝气体。动力设备10有一个蒸发器12，热被加到该蒸发器上，以便使诸如有机液体(例如异戊烷，或其他碳氢化合物，或卤代碳氢化合物)之类的工作液体蒸发。热可以是工业过程中的余热;自然资源中所含的热，例如地热流体;也可以是天然燃料或人造燃料燃烧的热。
将蒸发器12所生成的已蒸发工作流体送入有机蒸汽轮机14中，在该汽轮机中，已蒸发的工作流体膨胀做功，并成为放出了热的工作流体，以输送到冷凝器16中。由汽轮机产生的功驱动发电机18，该发电机再将电能输送给电网(未示出)。为了在整个工作期间获得最大的额定功率，而保养次数最少，常规系统往往需要汽轮机-发电机组14/18。冷凝器16中的消耗了热的工作流体由空气或冷却水进行冷却，并被冷凝成液体，再由泵20送回到蒸发器12中进行再循环。
实验发现，在输入的热量一定以及环境温度固定的条件下，电能减少的一个原因是由于在冷凝器以及系统的其他地方出现了非冷凝气体。这种非冷凝气体的出现会使动力设备中各个热交换器的传热系数降低，从而使输出的电能减少到期望值以下。
为使动力设备10输出的电能基本保持在期望的数值，根据本发明，纯化系统22按下面描述的方法通过从冷凝器中提取流体进行工作。这种流体是放出了热的已蒸发的工作流体和非冷凝气体的混合物，在外部压缩该流体，使工作流体液化，并与非冷凝气体分离开来。
将液化了的工作流体送回到冷凝器中，而将非冷凝气体排放掉。最好根据一组控制信号使这种操作周期性地进行，例如每20分钟进行一次，以基本使非冷凝气体纯化，并将动力设备大体维持在其功率级上。此外，这种运行也可以在用以监视发电机18功率级的监视器(未示出)测出其功率输出恢复到其指定值时中止，也就是说，直至系统中的非冷凝气体量减少到使动力设备的效率受其影响最小为止。
图2示出了本发明的纯化系统的一个实施例，该纯化系统用标号30表示。系统30包括一个限定变容积腔室32的壳体31、阀33以及一个控制纯化系统运行的控制单元59，阀33处于打开状态时，冷凝器16A和腔室32相通，该阀关闭时，冷凝器和腔室隔断。阀的状态由施加在其上的控制信号的特征确定。
系统30还包括与腔室有关联的装置，该装置称之为活塞组件34。根据下面描述的方法，当阀33处于关闭状态时，活塞组件可以有效地使腔室里的工作流体冷凝，从而使腔室里的工作流体和非冷凝气体分离开。一旦分离完成，通过一个控制信号将阀35关闭，并将非冷凝气体排出，在排放非冷凝气体期间，阀33保持关闭。
组件34为双端活塞，它有一个由活塞杆连接到上活塞37的下活塞36，该活塞杆穿过横向壁40中的密封套39，横向壁把壳体31的内部分成上气缸41和下气缸42。周边带有O型密封圈43的活塞37在上气缸41中滑动，而周边带有O型密封圈43A的活塞36在下气缸42中滑动，下气缸包括变容积腔室32，该腔室的容积由活塞36的运动确定，活塞36的运动由操作空气阀45、46或阀44，46A和47来控制，这些将在下面进行描述。
活塞36下部自由端有一个套形杯状延伸部分48，该套的自由边49对着壳体31的封闭底端50。当活塞36到达其行程极限时，边49嵌于置于底端50中的环形密封圈51中，由此将由套48限定的区域52根据下面解释的道理与腔室32的其它部份密封隔离。
限定腔室32的内壁是逐渐变细的，其交汇处在端部50的密封圈51的附近。这一部分壁带有用于冷却腔室32内的东西的装置，实现这一目的的较好方法是在该端嵌入通冷却水的冷却盘管53。最后用出口管道54通过泄压阀44和控制阀35把腔室32连到壳体的外部。
在运行中，控制单元59产生一系列程序控制信号，这些信号作用到处于静止状态的阀33、35和44-47，其中阀33以及阀46，46A均关闭，而组件34处于图2所示的位置。开始，这些控制信号有效地使壳体中的活塞组件上升，以便把冷凝器中的流体吸入到腔室32中，接着进一步使冷凝器中的流体流入腔室，以在腔室中收集流体，然后活塞下降，压缩收集的流体，这样，腔室32中的已蒸发的工作流体被冷凝，并使这些流体与非冷凝气体分离，然后，将非冷凝气体从腔室中排放出去。
为此，控制信号将阀33打开，并将阀35关闭，因此冷凝器16A的内部与腔室33相连通，此时，腔室的体积最小。然后，阀46打开，气源56的压缩空气进入活塞37与壁40之间的空间所确定的腔57中。同时，打开阀44和阀47，结果，压缩空气促使活塞36和37向上移动，腔室32体积变大，腔室中的压力下降，流体从冷凝器通过打开的阀33吸入腔室中。这种流体是冷凝器中放出了热量的工作流体和冷凝器中的非冷凝气体的混合物。
当活塞组件到达上死点时，腔室32的容积最大，流体从冷凝器连续流到该腔室，由于冷却盘管53中有冷却水，腔室中的已蒸发的工作流体被冷凝。由于非冷凝气体比已蒸发的工作流体轻，所以生成的冷凝物就滴回到冷凝器16A中，而来自冷凝器16A的非冷凝气体继续收集在腔室32中。接着阀33、46A、44以及47关闭，流体收集在腔室32中。然后，控制单元59发出控制信号，活塞组件向下移动。阀46打开，气源56的压缩空气进入腔室42和58。同时，阀45打开，这样，收集在腔室32中的流体被压缩，腔室的容积减到最小值。结果，由于在冷却盘管53中流动的冷却水的冷却，腔室32中的工作流体冷凝成液体。
如图2所示，密封圈51和套48的自由边49一起用以把冷凝工作流体收集在活塞36的杯形延伸部份中，因而非冷凝气体就与冷凝的工作流体分离开，并且，非冷凝气体收集在围绕套48的环形区域内。此时，控制信号使阀35打开，以排空围绕套48的环形区域，把非冷凝气体排放掉，而已蒸发的工作流体保持在腔室32中，控制信号还使阀33打开，以使液化了的工作流体返回到冷凝器中。然后，阀35和33关闭，循环周期性地重复。在没有非冷凝气体收集或存在于腔室32中时，活塞36向下运动，并不会产生压力。工作压力被调节成稍高于冷凝器压力的泄压阀55将不打开，因此，在预定的所要求的时间范围内，来自系统的工作流体不会被排放掉。
本发明较佳的实施例用图3中的标号60表示。系统60和系统30的主要区别是省掉了套48和它的密封圈51，而在阀33和系统之间安装了罐61。在系统60中，罐61和系统60之间有一常开阀62。
系统60的运行情况与系统30基本相同，不同的是，在系统60中用罐61将腔室32中的冷凝工作流体与非冷凝气体分离开，也就是说，在系统60中，组件34A向下运动时，由于在组件的压缩行程内阀62是打开的，所形成的已冷却的液态工作流体就流进罐61中。当压缩行程结束时，阀62关闭，阀33打开，以便把罐61中的工作流体放进冷凝器中。
根据本发明，正如图所示，最好纯化装置安装在冷凝器的正上方，这样，冷凝的工作流体就可以在其重力作用下返回到冷凝器中，也可以使较轻的非冷凝气体向上流入纯化装置中。当工作流体为有机工作流体时，非冷凝气体就比工作流体轻。但是，如果用泵把冷凝的工作流体抽回到冷凝器中，则纯化装置也可以位于冷凝器的下方。此外，本发明也适用于非冷凝气体比工作流体重的纯化系统，例如，以水或水蒸汽作为工作流体的纯化系统。
虽然图2所示的实施例采用了5个独立的空气操作阀(即阀44-47)，但是也可用一个四通阀代替它们，该四通阀为三位置(上-下-中)、双工作(两个电磁线圈、簧片、中位复原)阀。
尽管本发明上面的描述是与兰金循环动力设备相联系的，但是本发明也适用于任何具有冷凝器、而其中的非冷凝气体是不好解决的难题的系统。本发明适用于其他系统的例子是空调系统和制冷系统。
在本发明所用的实施例中，当气源56的空气压力约为7个大气压(高于大气压)时，腔室32的最大容积与最小容积之比为1∶7，这样，可以在冷凝器的工作压力高于大气压约1.5个大气压的条件下，将非冷凝气体从冷凝器中排出。已经发现，当纯化器的工作周期为10分钟时，纯化装置可维持冷凝器的工作压力。
本发明的方法和装置所具有的优点和改进后的效果从本发明上述较佳实施例的描述中可以很清楚地看出来。在不超出所附的权利要求书所述的发明构思的范围内可作种种改动和变换。
权利要求
1.对从含有已蒸发的工作流体的冷凝器或类似设备中流出的非冷凝气体进行纯化的装置，该装置包括a)一个腔室；b)一个在打开状态时冷凝器和上述腔室相通、而在关闭状态时，冷凝器和上述腔室隔断的阀；c)与上述腔室相联系的装置，该装置在上述阀处于关闭状态时能有效地冷凝腔室中的工作流体，从而将腔室中的工作流体和非冷凝气体分离开来；d)当上述阀处于关闭状态时排空上述腔室的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中上述与腔室相联系的装置包括当上述阀打开时，使冷凝器中的流体流入上述腔室、而上述阀关闭时，对腔室中的流体进行压缩的操作装置。
3.根据权利要求2所述的装置，其中上述与腔室相联系的装置包括当流体被压缩时，冷却腔室中液体的冷却装置。
4.根据权利要求3所述的装置，其中上述操作装置包括一个可在上述腔室中两个限定最大容积和最小容积的轴向位置之间移动的活塞;一个使上述活塞在两个轴向位置间进行移动的活塞操纵器;以及一个控制系统，当上述阀打开时，该控制系统控制活塞操纵器，使活塞移动到形成最大容积的轴向位置，而在阀关闭时，该控制系统控制活塞操纵器，使活塞移动到形成最小容积的轴向位置，从而将工作流体和非冷凝气体压缩到最小体积，并使工作流体液化。
5.根据权利要求4所述的装置，还包括将冷凝成液态的工作流体和非冷凝气体分离开的装置。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述的分离装置包括一个在活塞上的杯形件，该部件有一个朝着腔室封装端的自由端，该部件形成一个区域，当活塞移动到使腔室为最小容积的轴向位置时，被液化的工作流体收集在该区域中。
7.根据权利要求6所述的装置，其中腔室的封闭端有一个密封圈，当活塞移动到使腔室为最小容积的轴向位置时，该密封圈与部件的自由端接触并与其密配，从而使上述区域与腔室最小容积的其余部份隔离。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述操作装置包括一个与上述第一活塞刚性连接的第二活塞，上述活塞操纵器含有使活塞在腔室中移动的压缩空气。
9.根据权利要求4所述的装置，其中上述分离装置包括一个安装在上述阀和腔室之间的罐，以及一个使罐和腔室相连的常开阀。
10.一个兰金循环动力设备，它包括a)一个使有机工作流体蒸发，并生成已蒸发的工作流体的蒸发器;b)一个根据蒸发器所产生的已蒸发工作流体而工作的汽轮机，用以作功，并生成放出了热量的工作流体;c)一个根据放出了热的工作流体而工作的冷凝器，以便将放出了热的工作流体冷凝成液体，使该液体流回蒸发器;d)用于纯化来自上述冷凝器的非冷凝气体的装置，上述装置包括(1)一个腔室;(2)一个在打开状态时冷凝器与上述腔室相通、而在关闭状态时冷凝器与上述腔室隔断的阀;(3)与上述腔室相联系的装置，该装置在上述阀处于关闭状态时能有效地冷凝腔室中的工作流体，从而将腔室中的工作流体和非冷凝气体分离开来;(4)当上述阀处于关闭状态时，排空上述腔室的装置。
11.根据权利要求10所述的兰金循环动力设备，其中上述与腔室相联系的装置包括当上述阀打开时，使冷凝器中的流体流入上述腔室、而上述阀关闭时，对腔室中的流体进行压缩的操作装置。
12.根据权利要求11所述的兰金循环动力设备，其中所述与腔室相联系的装置包括用以冷却腔室中流体的冷却装置，从而液化与非冷凝气体分离开了的工作流体。
13.根据权利要求12所述的兰金循环动力设备，其中上述操作装置包括一个可在上述腔室中两个限定最大容积和最小容积的轴向位置之间移动的活塞;一个使上述活塞在两个轴向位置间进行移动的活塞操纵器;以及一个控制系统，当上述阀打开时，该控制系统控制活塞操纵器，使活塞移动形成最大容积的轴向位置，而在阀关闭时，该控制系统控制活塞操纵器，使活塞移动到形成最小容积的轴向位置，从而将工作流体和非冷凝气体压缩到最小体积，并使工作流体液化。
14.根据权利要求13所述的兰金循环动力设备，还包括将冷凝成液态的工作流体和非冷凝气体分离开来的装置。
15.根据权利要求14所述的兰金循环动力设备，其中所述的分离装置包括一个在活塞上的杯形件，该部件有一个朝着腔室封闭端的自由端开口，该部件形成一个区域，当活塞移动到使腔室为最小容积的轴向位置时，被液化的工作流体收集在该区域中。
16.根据权利要求15所述的兰金循环动力设备，其中腔室的封闭端有一个密封圈，当活塞移动到使腔室为最小容积的轴向位置时，该密封圈与部件的自由端接触并与其密配，从而使上述区域与腔室最小容积的其余部分隔离。
17.根据权利要求16所述的兰金循环动力设备，其中所述操作装置包括一个与上述第一活塞刚性连接的第二活塞，上述活塞操纵器含有使活塞在腔室中移动的压缩空气。
18.根据权利要求14所述的兰金循环动力设备，其中上述分离装置包括一个安装在上述阀和腔室之间的罐，以及一个使罐和腔室相连的常开阀。
19.根据权利要求18所述的兰金循环动力设备，其中罐和腔室位于冷凝器的正上方，以便在阀打开时，液态工作流体能流回到冷凝器中。
20.一种用于对冷凝器中含有已蒸发的工作流体和非冷凝气体的流体进行处理的方法，该方法具有如下步骤a)从冷凝器中提取流体;b)压缩上述流体，使工作流体液化，从而使工作流体与非冷凝气体分离开来。
21.根据权利要求5所述的装置，该装置包括一个排放非冷凝气体的排放装置，和一个与上述排放装置相连的泄压阀，以便大体上避免将工作流体排放出去。
22.根据权利要求4所述的装置，其中所述最大容积和最小容积之比约为1∶7。
23.根据权利要求4所述的装置，其中上述工作流体是一种有机流体。
24.根据权利要求4所述的装置，其中上述腔室位于冷凝器的正上方，使得阀打开时液态工作流体能返回到冷凝器中。
25.根据权利要求9所述的装置，其中上述罐和腔室位于冷凝器的正上方，使得阀打开时液态工作流体能返回到冷凝器中。
26.对从含有已蒸发的工作流体的冷凝器或类似设备中流出的非冷凝气体进行纯化的装置，该装置包括a)一个腔室;b)一个在打开状态时冷凝器和上述腔室相通、而在关闭状态时，冷凝器和上述腔室隔断的阀;c)与上述腔室相联系的装置，该装置在上述阀处于关闭状态时能有效地冷凝腔室中的工作流体，从而将腔室中的工作流体和非冷凝气体分离开来，上述装置包括用以冷却腔室中流体的冷却装置;以及处于腔室中的活塞状的操作装置，在阀打开时，该操作装置可以使冷凝器中的工作流体流入所述腔室中，而在阀处于关闭状态时，该操作装置可以压缩腔室中的流体;一个可以使活塞在两个限定最大容积和最小容积的轴向位置之间移动的活塞操纵器;以及一个控制系统，当阀打开时，该控制系统控制活塞操纵器，使活塞移动到形成最大容积的轴向位置，而在阀关闭时，该控制系统控制活塞操纵器，使活塞移动到形成最小容积的轴向位置，从而将工作流体和非冷凝气体压缩到最小体积，并使工作流体液化;以及d)当上述阀处于关闭状态时排空上述腔室的装置。
27.根据权利要求26所述的装置，还包括将冷凝成液体的工作流体与非冷凝气体分离的装置。
28.根据权利要求27所述的装置，其中上述分离装置包括一个置于上述阀和腔室之间的罐，以及一个使罐和冷凝器相连的常开阀。
29.根据权利要求28所述的装置，其中上述罐和腔室位于冷凝器的正上方，使得阀打开时，液态工作流体能返回到冷凝器中。
30.根据权利要求26所述的装置，其中上述工作流体是一种有机流体。
31.纯化来自冷凝器或类似设备的非冷凝气体的装置，基本上如前面所描述的那样，并参照附图。
32.一种兰金循环动力设备基本上如上所述，并参照附图。
33.一种纯化从冷凝器或类似设备流出的非冷凝气体的方法，大体上如上所述，并参照附图。
全文摘要
通过从冷凝器中提取流体、压缩上述流体以使已蒸发的工作流体液化，从而把非冷凝气体与工作流体分离开、并使非冷凝气体从提取的工作流体中排放出去，从而可对含有已蒸发工作流体和非冷凝气体的冷凝器流体进行处理。
文档编号F01K9/00GK1053117SQ9010680
公开日1991年7月17日 申请日期1990年6月29日 优先权日1989年6月29日
发明者沙尔蒙·哈雷尔 申请人:奥马蒂系统公司