用于运行体积膨胀机的设备和方法
【专利摘要】本发明涉及一种设备，其包括：用于通过工作介质的蒸汽膨胀产生机械能的膨胀机；与膨胀机的轴连接的发电机，该发电机用于由膨胀机的机械能产生电能，其中膨胀机和发电机形成结构单元，该结构单元具有在膨胀机与发电机之间的废蒸汽室，并且其中在膨胀机运行中，在废蒸汽室中膨胀的工作介质接触发电机；以及用于将液体工作介质输送尤其喷射到废蒸汽室中的装置。此外，本发明涉及一种ORC设备，具有根据本发明的设备，以及一种用于运行根据本发明的设备的方法。
【专利说明】
用于运行体积膨胀机的设备和方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种设备，其具有用于通过工作介质的蒸汽膨胀产生机械能的膨胀机和与膨胀机的轴连接的发电机，该发电机用于由膨胀机的机械能产生电能，其中膨胀机和发电机形成结构单元，该结构单元具有在膨胀机与发电机之间的废蒸汽室。此外，本发明涉及一种ORC系统和一种用于运行膨胀机的方法。
【背景技术】
[0002]ORC系统即用于利用作为热力学循环的有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)由热能获取电能的系统由如下主要部分组成:馈送栗，该馈送栗将液态工作介质在压力提高的情况下输送至蒸发器，蒸发器本身，在该蒸发器中工作介质通过输送热被蒸发并且可选地附加地被过热;膨胀机，在该膨胀机中处于高压力下的蒸汽被释放并且在此产生机械能，该机械能经由发电机转换成电能，以及冷凝器，在该冷凝器中从膨胀机中液化低压蒸汽。液态工作介质从冷凝器经由可选的储存容器(馈送容器)和抽吸管又到达该系统的馈送栗O
[0003]出于不同的原因有利的是，来自空调和制冷技术的改型后的标准压缩机在ORC系统中应用为膨胀机，其中压缩机的马达M于是起到发电机G的作用(图1)。为了防止所使用的制冷剂可能向环境泄漏，合乎目的的是，针对应用使用半密封的或密封的膨胀机。在此，发电机G固定地集成到壳体中，由此省去穿过膨胀机的壳体的易于泄漏的且高维护的轴穿通部。
[0004]在用作空调和制冷工程中的压缩机中，马达M用于驱动压缩机，并且马达通过流经马达的冷的蒸汽来冷却(图1A)。在用作ORC系统中的膨胀机中，发电机G因此遭受工作介质的膨胀的蒸汽的温度，这在100°C的蒸发温度下对于发电机G毫无问题(图1B)。
[0005]但为了提高效率(为此较高的热效率)和为了扩展使用领域，合乎目的的是，提高蒸汽温度。在发电机G被施加超过100°C的蒸发温度时，在无干扰的运行方面是有问题的。于是，可以达到或超过发电机绕组的极限温度(例如在图1C中为120°C)。发电机并且因此膨胀机的运行于是不再可能，或导致发电机绕组的绝缘的过快老化或失效。对于发电机，决定性的于是尤其是绕组温度。在此，可以对发电机例如通过在壳体中的热管路施加温度。
[0006]目前使用的和可供使用的膨胀机在其运行温度上向上是有限的。一方面，(如上所描述的那样)高温度在膨胀机中对位置上在附近的发电机有负面影响。针对在此存在不允许超过的极限温度。另一方面问题在于，轴承润滑剂的黏度，黏度在较高的温度下减小，由此轴承润滑劣化。
[0007]此外，为了能够利用来自ORC过程的废热用于加热目的或作为过程热，热必须在适合于此的温度水平上被导出(60-100°C )。但这在低新鲜蒸汽温度下导致整个系统的效率差。于是有利的是，利用较高的膨胀机入口温度抵消该效应。然而，较高的温度导致，超过膨胀机使用的温度极限(由于发电机的温度极限)，这是不利的。
【发明内容】
[0008]本发明的任务是至少部分克服上述缺点。
[0009]该任务通过根据权利要求1的设备来解决。根据本发明的设备包括:膨胀机，该膨胀机用于通过工作介质的蒸汽的膨胀来产生机械能；与膨胀机的轴连接的发电机，用于由膨胀机的机械能产生电能;其中膨胀机和发电机形成结构单元，该结构单元具有在膨胀机与发电机之间的废蒸汽室，以及其中在膨胀机运行中，在废蒸汽室中膨胀的工作介质接触发电机;以及用于将液态工作介质输送尤其喷射到废蒸汽室中的装置。
[0010]释放的工作介质(废蒸汽)在膨胀机之后通过液态工作介质冷却。通过输送尤其是喷入废蒸汽室，液态介质在与热的废蒸汽接触时蒸发并且因此在释放的介质中的温度降低。体积膨胀机的使用领域被扩宽，由此其可以应用于较高的蒸汽入口温度(例如，大于130°C)。膨胀机上的发电机被充分冷却并且防止过热。同时，其效率升高。在此有利的是，在发电机与废蒸汽之间20K或更大的温度降，因为确保了对发电机的良好冷却。
[0011]根据本发明的设备可以构成为，使得用于将工作介质输送到废蒸汽室中的一个或多个装置包括在结构单元的壳体中的一个或多个孔。由此，提供了将工作介质输送到废蒸汽室中的可能性。
[0012]在另一改进方案中，轴可以构成为空心轴，并且用于将工作介质输送到废蒸汽室中的装置可以包括在空心轴中的一个或多个孔。由此，输送用于冷却废蒸汽的工作介质可以中央地引入到废蒸汽室中。
[0013]用于将工作介质输送给废蒸汽室中的装置根据另一改进方案可以包括一个或多个喷嘴，所述喷嘴尤其可以设置在一个或多个所述孔中，其中一个或多个所述喷嘴尤其构成为是可调节的。通过所述喷嘴实现了所输送的工作介质精细分布到废蒸汽室中。喷射或喷入产生小液滴，所述小液滴在废蒸汽室中部分或完全蒸发并且通过在此吸收的蒸发热回收废蒸汽能。
[0014]根据另一改进方案，根据本发明的设备或改进方案之一还可以包括用于在废蒸汽室中产生湍流流动的湍流装置。由此，实现了输送用来冷却的工作介质的良好分布，这起到了废蒸汽的空间上更均匀冷却的作用。通过更小的小液滴的工作介质的更为精细的分布，还引起液体工作介质在废蒸汽室中的更快速的且更完全的蒸发并且由此也得出废蒸汽的更好的冷却。
[0015]另一改进方案在于，用于将工作介质输送到废蒸汽室中的装置可以包括用于把液体工作介质输送到废蒸汽室中的输送管路。
[0016]这可以改进为:用于将工作介质输送到废蒸汽室中的装置还具有隔板或阀，尤其是受控的或被调节的阀，用于调节在输送管路中所输送的工作介质的质量流。
[0017]在另一改进方案中，可以设置用于在废蒸汽室中测量蒸汽温度的或在发电机中用于测量绕组温度的温度传感器，尤其是PTC温度传感器，并且可选地还可以提供控制或调节装置，用于根据所测得的温度来控制或调节阀或隔板，尤其用于接通和关断在输送管路中的质量流。
[0018]上述任务还通过ORC设备来解决，该ORC设备具有根据本发明的设备或改进方案中的一个;用于将液体工作介质栗送到蒸发器的馈送栗;用于蒸发液体工作介质的蒸发器;和冷凝器，用于冷凝从膨胀机和发电机的结构单元排出的蒸汽状的工作介质。
[0019]根据本发明的ORC设备可以改进为，用于液态工作介质的输送管路在废蒸汽室中与馈送栗与蒸发器之间的管路形成流体连接;或用于把液体工作介质输送到废蒸汽室中的输送管路与多级馈送栗的中间室形成流体连接;或用于把液体工作介质输送到废蒸汽室中的输送管路与由多个馈送栗构成的相继布置结构的两个馈送栗之间的管路形成流体连接。通过多级馈送栗的分接或在两个馈送栗之间的分接附加地将能耗保持得低。作为替选方案，液体可以通过专用栗输送，该栗例如与温度有关地接通。
[0020]根据另一改进方案，可以设置用于将润滑介质输送给膨胀机的一个或多个润滑部位处的另一输送管路;并且换热器，尤其逆流式平板换热器，用于用输送给废蒸汽室的工作介质冷却润滑介质。膨胀机的轴承润滑通过润滑介质的附加的冷却来改善。
[0021 ]上述任务还通过根据权利要求12的用于运行膨胀机的方法来解决。
[0022]根据本发明的方法包括如下步骤:通过在膨胀机中工作介质的蒸汽的膨胀产生机械能;利用与膨胀机的轴连接的发电机由膨胀机的机械能产生电能；其中膨胀机和发电机构成结构单元，该结构单元具有在膨胀机与发电机之间的废蒸汽室，以及其中，在膨胀机运行中，在废蒸汽室中膨胀的工作介质接触发电机；以及将工作介质输送尤其喷射到废蒸汽室中，用于冷却膨胀过的蒸汽。
[0023]根据本发明的方法具有已结合根据本发明的设备所描述的优点。
[0024]根据本发明的方法可以改进为，可以执行其他步骤:调节在用于液体工作介质至废蒸汽室的输送管路中所输送的工作介质的质量流。
[0025]根据另一改进方案，可以设置如下的其他步骤:测量废蒸汽室中的蒸汽温度;或测量发电机的绕组温度；以及借助根据所测得的温度对在输送管路中的阀或隔板的控制或调节尤其接通和关断输送管路中的质量流来调节所输送的工作介质的质量流。
[0026]在另一改进方案中，可以设置如下的其他步骤:将润滑介质输送给膨胀机的一个或多个润滑部位;以及用引向废蒸汽室的工作介质冷却润滑介质。
[0027]所述改进方案可以单独使用或彼此合适地组合。
[0028]以下借助附图更为详细地阐述了本发明的其他特征和示例性实施形式以及优点。应理解的是，所述实施形式并未穷尽本发明的范围。此外，应理解的是，还要描述的特征中的一些或所有也可以以其他方式彼此组合。
【附图说明】
[0029]图1示出了现有技术，
[0030]图1A示出了压缩机(在空调设备中的现有技术)，
[0031]图1B示出了膨胀机(在ORC设备中的现有技术)，
[0032]图1C示出了膨胀机(0RC设备的开发目标)，
[0033]图2示出了根据本发明的设备的实施形式，
[0034]图3示出了根据本发明的ORC设备的第一实施形式，
[0035]图4示出了根据本发明的ORC设备的第二实施形式，
[0036]图5示出了根据本发明的ORC设备的第三实施形式。
【具体实施方式】
[0037]根据本发明，释放的工作介质(废蒸汽)在膨胀机之后通过液体工作介质冷却。通过喷入蒸汽室，液体工作介质蒸发并且在释放的工作介质中的温度因此下降。在改进方案中，轴承润滑剂在输送给轴承之前借助液体工作介质来冷却。在另一改进方案中，用于冷却的工作介质在多级离心栗的合适的级上从该循环中分支。
[0038]体积膨胀机的使用领域被扩宽，由此其可以应用于较高的蒸汽入口温度(例如，明显大于130°C)。膨胀机以及涡轮机上的发电机被充分冷却并且防止过热。同时，其效率升高。轴承润滑通过润滑介质的附加的冷却来改善。仅需少量新部件来实现。属于此的是用于液体介质的连接管路并且必要时是附加的栗，一个或多个喷嘴和用于润滑剂的换热器。通过馈送栗的分接将附加的能耗保持得低。
[0039]本发明的优点在于，标准膨胀机的运行可以被扩宽；防止发电机过热;改善发电机的效率;可以改善轴承润滑;可以利用较高的温度水平和可以从该系统散发有用热;不需要或只需少量新部件;并且几乎不需要附加的能耗。
[0040]尤其在半密封的和密封的螺旋膨胀机中，发电机被释放的蒸汽流过并且由此被冷却。在高蒸汽温度(>120°C)的情况下，发电机冷却不再被确保。明显通过流动的蒸汽的冷却抵消了该效应。为此，在蒸汽碰到发电机之前，液体工作介质被喷射到蒸汽中并且通过工作介质的蒸发热焓引起极大的冷却，其中较低程度地吸收敏感的热。通过利用蒸发热焓的冷却与在仅利用热容量时无相变的冷却相比更有效。对于在ORC设备中目前的现有技术的工作介质R245fa以及在其他适于较高的温度的介质，蒸发热焓是比具体的热容量大约100倍大。
[0041]对于在ORC系统中的应用，为了蒸汽冷却将液体工作介质在馈送栗之后分支并且喷射到蒸汽室中。喷射到蒸汽室中可以通过一个或多个合适的孔进行。为了液体介质的更好的分布和为了因小液滴的精细分布实现更快速的蒸发，然而推荐使用一个或多个喷嘴。此外，液体冷却介质可以通过带有孔的空心轴被引入蒸发室中。为此，在膨胀机与发电机之间形成轴。为了优化分布，可以将湍流装置引入蒸汽室中。冷却所需的质量流在达到1K的蒸发冷却的情况下保持在蒸汽质量流的10%之下。质量流可以通过冷却管路中的横截面缩窄(例如，通过隔板或阀)来调节。在使用喷嘴来喷射时，质量流可以通过合适的喷嘴来调
-K-
T O
[0042]ORC系统的根据本发明的接线在使用标准部件的情况下允许更高的新鲜蒸汽和废蒸汽温度。通过提高温度水平，可能的是，以力热耦合(KWK)方式运行该系统。由此，用于冷却该系统的热可以用作加热或过程热用于大约80-100°C的温度水平并且用于之上。
[0043]图2示出了根据本发明的设备的实施形式。在此，涉及简化的示意图(例如，仅示出了用于轴的轴承)。根据本发明的设备包括:膨胀机110，用于通过工作介质的蒸汽的膨胀来产生机械能；与膨胀机的轴115连接的发电机120，用于由膨胀机的机械能产生电能；其中，膨胀机110和发电机120形成结构单元100，该结构单元具有在膨胀机110与发电机120之间的废蒸汽室140，并且其中在膨胀机运行中，在废蒸汽室140中膨胀的工作介质接触发电机(其方式是:例如，流经在发电机的定子与转子之间的中间空间和/或在发电机的区域中在结构单元100的壳体中流入槽中)；以及用于将液体工作介质输送尤其喷射到蒸发室140中的装置150，其中该装置150在该实施形式中包括通向结构单元100中的废蒸汽室140的开口150。工作介质A在结构单元100的高压侧的入口 111处进入并且在出口 112处作为废蒸汽B或作为冷却过的废蒸汽B离开结构单元100。轴115支承在轴116上并且设置用于轴承润滑剂C的入口 190。喷射到开口 150中的液体工作介质至少部分蒸发并且从废蒸汽回收热能，由此冷却该工作介质。形成混合温度，该混合温度例如比没有进行冷却的废蒸汽的温度低10-20K。
[0044]图3示出了根据本发明的ORC设备的第一实施形式。ORC设备包括根据本发明的设备(例如，根据图2)或其改进方案之一;馈送栗130，用于将液体工作介质栗送到蒸发器(未示出)中；其中蒸发器用于蒸发馈送栗的液体工作介质；以及冷凝器160，用于冷凝从膨胀机110和发电机120的结构单元排出的蒸汽状的工作介质。用于将液体工作介质输送到废蒸汽室140中的装置150这里也包括输送管路，该输送管路在流动方向上看将液体工作介质向栗(高压侧)分支并且导入废蒸汽室140。废蒸汽室140在此并且在如下的图中仅仅示意性示出并且对应于根据图2的物理室140。
[0045]图4示出了根据本发明的ORC设备的第二实施形式。相对于图3所示的第一实施形式，在此在发电机120上还设置温度传感器ISO(T)，该温度传感器测量绕组温度。温度传感器180例如可以是PTC温度传感器(PTC =正温度系数，冷导体)。此外，在管路150中设置可开关的或可调节的阀170，该阀基于利用温度传感器180测量的发电机温度来调节液体工作介质的质量流，该液体工作介质为了冷却引入废蒸汽室140中。例如，当达到或超过预设的温度极限值时，在阀170还未打开(或仅略微打开)期间，阀170打开(或进一步打开)。此外，在该实施形式中示例性地在馈送栗130的两个相邻的级之间将多级馈送栗130分接。
[0046]图5示出了根据本发明的ORC设备的第三实施形式。相对于图3中所示的第一实施形式，在此还设置有用于冷却润滑剂的冷却设备200，该冷却剂在用于润滑的润滑剂管路210中被输送给膨胀机110的轴承190。冷却设备210在此具有换热器的构造，其中来自润滑剂的热被传递到液态工作介质上，该工作介质被输送给废蒸汽室140用于冷却。
[0047]于是，冷却的利用可以被扩宽，其方式是，如果润滑剂相比于液体工作介质具有更高的温度，用于膨胀机的轴承的润滑剂在进入轴承之前通过用于冷却的液态工作介质例如在逆流式平板换热器中被冷却。此外，当润滑介质通过废蒸汽室输出到废蒸汽中时，润滑剂冷却也对废蒸汽冷却无负面影响，这由于用于冷却的液体工作介质的升温而首先可能令人担忧。在当前膨胀机中，通过在轴承壳体与废蒸汽室之间的孔确保了润滑剂通过废蒸汽室从轴承去除。在轴承壳体中存在类似压力的膨胀机的高压侧。通过在轴承室与低压侧之间的压力差，将润滑介质抽吸到制冷剂蒸汽中并且因此一起冷却流动的工作介质蒸汽。传递到液体工作介质的热从润滑剂回收，使得在废蒸汽、润滑剂介质和液体工作介质混合之后的蒸汽的温度不改变。
[0048]所示的实施形式仅是示例性的并且本发明的整个范围通过权利要求来限定。
【主权项】
1.一种设备，其包括:用于通过工作介质的蒸汽膨胀产生机械能的膨胀机;与膨胀机的轴连接的发电机，该发电机用于由膨胀机的机械能产生电能，其中，膨胀机和发电机形成结构单元，该结构单元具有在膨胀机与发电机之间的废蒸汽室，并且其中在膨胀机运行中，在废蒸汽室中膨胀的工作介质接触发电机;以及 用于将液体工作介质输送尤其喷射到废蒸汽室中的装置。2.根据权利要求1所述的设备， 其中，用于将工作介质输送到废蒸汽室中的装置包括在结构单元的壳体中的一个或多个孔。3.根据权利要求1或2所述的设备， 其中，轴构成为空心轴，并且用于将工作介质输送到废蒸汽室中的装置包括在空心轴中的一个或多个孔。4.根据权利要求1至3之一所述的设备， 其中，用于将工作介质输送到废蒸汽室中的装置包括一个或多个喷嘴，所述喷嘴与权利要求2或3结合地尤其设置在所述孔中的一个或多个处，其中，所述一个或多个喷嘴尤其以可调节的方式构成。5.根据权利要求1至4之一所述的设备， 此外包括用于在废蒸汽室中产生湍流流动的湍流装置。6.根据权利要求1至5之一所述的设备， 其中，用于将工作介质输送到废蒸汽室中的装置包括用于把液体工作介质输送到废蒸汽室中的输送管路。7.根据权利要求6所述的设备， 用于将工作介质输送到废蒸汽室中的装置还具有隔板或阀，尤其是受控的或被调节的阀，用于调节在输送管路中所输送的工作介质的质量流。8.根据权利要求7所述的设备， 此外包括: 用于测量在废蒸汽室中的蒸汽温度的温度传感器，其中，温度传感器尤其是PTC温度传感器;和/或 在发电机中用于测量绕组温度的温度传感器，其中，所述温度传感器尤其是PTC温度传感器；以及 控制或调节装置，用于根据所测得的温度来控制或调节所述阀或隔板，尤其用于接通和关断输送管路中的质量流。9.一种ORC设备，包括: 根据权利要求1至8之一所述的设备； 用于将液体工作介质栗送到蒸发器中的馈送栗； 用于蒸发液体工作介质的蒸发器;和 冷凝器，用于冷凝从膨胀机和发电机的结构单元排出的蒸汽状的工作介质。10.根据权利要求9结合权利要求6至8中之一所述的ORC设备，其中，用于把液态工作介质输送到废蒸汽室中的输送管路与馈送栗与蒸发器之间的管路形成流体连接;或 其中，用于把液体工作介质输送到废蒸汽室中的输送管路与多级馈送栗的中间室形成流体连接;或 其中，用于把液体工作介质输送到废蒸汽室中的输送管路与由多个馈送栗构成的相继布置结构的两个馈送栗之间的管路形成流体连接;或 其中，设置另一栗，用于栗送输送管路中的液体工作介质。11.根据权利要求9或10所述的ORC设备，此外包括: 用于将润滑介质、尤其是液体工作介质作为润滑介质输送给膨胀机的一个或多个润滑部位的另一输送管路;和 换热器，尤其逆流式平板换热器，用于利用引向废蒸汽室的工作介质冷却润滑介质。12.—种用于运行膨胀机的方法，包括如下步骤: 通过在膨胀机中工作介质的蒸汽的膨胀来产生机械能； 利用与膨胀机的轴连接的发电机由膨胀机的机械能产生电能； 其中，膨胀机和发电机构成结构单元，该结构单元具有在膨胀机与发电机之间的废蒸汽室，以及其中，在膨胀机运行中，在废蒸汽室中膨胀的工作介质接触发电机;以及将工作介质输送尤其喷射到废蒸汽室中，用于冷却膨胀过的蒸汽。13.根据权利要求12所述的方法，包括其他步骤: 调节在用于把液体工作介质输送到废蒸汽室中的输送管路中所输送的工作介质的质量流。14.根据权利要求13所述的方法，包括其他步骤: 测量废蒸汽室中的蒸汽温度;或 测量发电机的绕组温度；以及 借助根据所测得的温度对输送管路中的横截面缩窄、尤其是输送管路中的阀或隔板的控制或调节、尤其是接通和关断输送管路中的质量流来调节所输送的工作介质的质量流。15.根据权利要求12至14之一所述的方法，包括其他步骤: 将润滑介质、尤其液体工作介质作为润滑介质输送给膨胀机的一个或多个润滑部位；以及 利用引向废蒸汽室的工作介质来冷却润滑介质。
【文档编号】F01K25/10GK105992862SQ201480075515
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年9月3日
【发明人】理查德·奥曼, 安德里亚斯·格里尔, 罗伊·朗格尔, 安德里亚斯·舒斯特
【申请人】奥尔灿能源股份公司