蒸发器、朗肯循环装置以及热电联供系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及蒸发器、朗肯循环装置以及热电联供系统。
【背景技术】
[0002]如本领域技术人员所熟知，朗肯循环是蒸汽轮机的理论循环。与朗肯循环相关的研究开发长久以来一直在进行。另一方面，如专利文献I所记载，也在进行与应用了朗肯循环的热电联供系统相关的研究开发。热电联供系统(CHP系统:Combined Heat and PowerSystem)是指构成为能够从单一或多个资源同时得到热和电力这样的多个形态的能量的系统。近年来，不仅是大规模的CHP系统，能够与医院、学校、图书馆等规模较小的设施并设的CHP系统、进而普通家庭用的CHP系统(所谓的微CHP)也正受到关注。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:美国专利申请公开第2003/0213854号说明书
【发明内容】
[0006]专利文献I的CHP系统构成为将由燃气锅炉(boiler)生成的燃烧气体作为用于朗肯循环装置的热能利用来得到电力。另外，专利文献I公开了用于防止气相的有机工作流体在锅炉中被过度加热的蒸发器的构造。
[0007]专利文献I所公开的蒸发器在朗肯循环装置稳定运转时可能确实有效。但是，专利文献I所公开的结构不足以防止工作流体被过度加热。
[0008]本发明的目的在于提供一种用于防止在蒸发器中工作流体被过度加热的新技术。
[0009]即，本发明的蒸发器，通过高温流体对工作流体进行加热，使所述工作流体蒸发，
[0010]具备以沿着高温流体的流动方向形成多个段的方式配置的、供工作流体流动的工作流体流路，
[0011]所述蒸发器还具备设置于所述工作流体流路的第I温度传感器，
[0012]所述工作流体流路在所述多个段的各段中呈蜿蜒形状配置，所述蜿蜒形状的弯曲部分向所述蒸发器的壳体的外侧露出，
[0013]所述多个段包括位于所述高温流体的流动方向的最上游的第I段和所述第I段以外的段，
[0014]所述工作流体流路使所述工作流体从所述第I段以外的段所包括的工作流体流路的流出口向所述蒸发器的外部流出，
[0015]在将配置于所述第I段的工作流体流路的全长定义为L时，所述第I温度传感器设置于在如下地点的所述工作流体的流动方向下游侧的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述地点是与形成所述第I段的工作流体流路的下游端相距L/2的所述工作流体的流动方向的上游侧的地点，
[0016]所述第I温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器的所述工作流体的温度。
[0017]根据上述蒸发器，能够防止工作流体被过度加热。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的实施方式I的CHP系统的结构图。
[0019]图2A是图1所示的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
[0020]图2B是图2A所示的蒸发器的概略平面图。
[0021]图2C是变形例的蒸发器的概略平面图。
[0022]图3是由控制电路执行的控制的流程图。
[0023]图4是示出蒸发器中的工作流体的温度与传热管的内壁面的温度的关系的图。
[0024]图5是本发明的实施方式2的CHP系统的结构图。
[0025]图6A是图5所示的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
[0026]图6B是图6A所示的蒸发器的概略平面图。
[0027]图7是由控制电路执行的控制的流程图。
[0028]图8是示出蒸发器中的工作流体的温度与传热管的内壁面的温度的关系的图。
[0029]图9是本发明的实施方式3的CHP系统的结构图。
[0030]图1OA是图9所示的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
[0031]图1OB是图1OA所示的蒸发器的概略平面图。
[0032]图11是由控制电路执行的控制的流程图。
[0033]图12是示出蒸发器中的工作流体的温度与传热管的内壁面的温度的关系的图。
[0034]图13是本发明的实施方式4的CHP系统的结构图。
[0035]图14是图13所示的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
[0036]图15是以往的朗肯循环装置的蒸发器的结构图。
[0037]标号说明
[0038]10 锅炉
[0039]12燃烧室
[0040]14燃烧器
[0041]20、20B、20C、20D 朗肯循环装置
[0042]21膨胀机
[0043]22冷凝器
[0044]23 栗
[0045]24、34、44、54 蒸发器
[0046]25工作流体流路
[0047]25a最上游工作流体流路
[0048]25p上游端
[0049]25q,25r 下游端
[0050]25b最下游工作流体流路
[0051]26发电机
[0052]27 翅片
[0053]28传热管
[0054]29连接管
[0055]29a带隔热材料的连接管
[0056]30热介质回路
[0057]31栗
[0058]32放热器
[0059]35温度传感器(第I温度传感器)
[0060]36第2温度传感器
[0061]38吸气控制风扇
[0062]39流路变更构造
[0063]40分隔件
[0064]41隔热材料
[0065]43旁通回路
[0066]45流量控制阀
[0067]50控制电路
[0068]100、200、300、400CHP 系统
【具体实施方式】
[0069](成为本发明的基础的见解)
[0070]在朗肯循环装置的蒸发器中，当在由气体燃烧装置生成的燃气等高温流体与气相的工作流体之间产生过度的热交换时，可能会招致工作流体的热分解、润滑油的劣化等不良状况。该问题在使用了有机工作流体的情况和使用了需要润滑油的膨胀机的情况下变得显著。
[0071]为了避免上述问题，专利文献I提出了图15所示的构造的蒸发器104。在蒸发器104中，在高温流体(由燃烧装置生成的燃烧气体)的流路104C的下游侧设置有工作流体的入口 110A。从入口 IlOA流入到远位部104D的工作流体以对向流的形式与高温流体进行热交换。然后，工作流体经由连接管104H而被输送到在高温流体的流路104C的上游侧配置的近位部104E。在近位部104E中，工作流体依次流过第I部分104E1和第2部分104E2。即，在近位部104E中，工作流体以平行流的形式与高温流体进行热交换。工作流体的出口IlOC设置于外壳(enclosure) 104A的中央附近。此外，传热管(圆形记号)中的数值表示工作流体的温度(华氏温度)的例子。
[0072]根据图15所示的蒸发器104，可推测确实能够防止工作流体的过度加热。这是因为，可推测工作流体在远位部104D处于液相状态，在第I部分104E1处于液相状态或气液二相状态，在第2部分104E2处于气液二相状态或气相状态。但是，该推测只不过是在朗肯循环装置稳定运转时的推测。例如，在根据电力需求的变化而减少了工作流体的循环流量的情况下，工作流体有可能在第I部分104E1就会成为气相状态。其结果，在第I部分104E1中，气相的工作流体可能会被过度加热。
[0073]根据工作流体的循环流量来降低燃烧装置的火力虽然是I个有效手段，但从响应性的观点来看未必充分。另外，近年来，也在探讨使用生物燃料、木质颗粒燃料等固形燃料来代替气体燃料的尝试。颗粒燃料锅炉中的固体燃料的燃烧不如气体锅炉中的气体燃料的燃烧那么稳定。当然，颗粒燃料锅炉不适合突然提高或降低火力。因此，用于防止工作流体被过度加热的技术变得越发重要。基于上述见解，本发明人想到了以下说明的各技术方案的发明。
[0074]本发明的第I技术方案的蒸发器，通过高温流体对工作流体进行加热，使所述工作流体蒸发，具备以沿着高温流体的流动方向形成多个段的方式配置的、供工作流体流动的工作流体流路，所述蒸发器还具备设置于所述工作流体流路的第I温度传感器，所述工作流体流路在所述多个段中分别配置成蜿蜒形状，所述蜿蜒形状的弯曲部分向所述蒸发器的壳体的外侧露出，所述多个段包括位于所述高温流体的流动方向的最上游的第I段和所述第I段以外的段，所述工作流体流路使所述工作流体从所述第I段以外的段所包括的工作流体流路的流出口向所述蒸发器的外部流出，在将配置于所述第I段的工作流体流路的全长定义为L时，所述第I温度传感器设置于在如下地点的所述工作流体的流动方向下游侧的露出于所述蒸发器的壳体的外侧的工作流体流路，所述地点是与形成所述第I段的工作流体流路的下游端相距L/2的所述工作流体的流动方向的上游侧的地点，所述第I温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度。
[0075]如前所述，工作流体在成为预定温度以上时会热分解。因此，需要将工作流体流路的内壁面的温度抑制为低于预定温度。对此，根据第I技术方案，通过将I温度传感器的输出值用于调整所述蒸发器中的所述工作流体的温度，能够将蒸发器中的工作流体流路的内壁面的温度抑制为低于预定温度。由此，能够抑制工作流体热分解。以下，对第I技术方案的蒸发器发挥上述效果的理由进行详细叙述。
[0076]在工作流体流路被高温流体加热时的工作流体流路的内壁面的温度的上升的难易度根据在工作流体流路的内部流动的工作流体的状态而不同。即，在工作流体流路的内部流动的工作流体处于气相状态时，与处于气液二相状态时相比，工作流体流路的内壁面的温度容易上升。其理由在于，在工作流体流路中流动的工作流体处于气相状态时，与处于气液二相状态时相比，工作流体流路的内壁面的热传递率低。即，在工作流体处于气液二相状态时，工作流体流路的内壁面的热传递率足够高。因此，通过向工作流体的热传递可抑制内壁面的温度的上升。另一方面，在工作流体处于气相状态时，工作流体流路的内壁面的热传递率低。因此，向工作流体的热传递少，所以内壁面的温度会上升。
[0077]并且，蒸发器从包含液相状态的工作流体生成气相状态的工作流体，因此，越靠工作流体的流动方向上的下游侧，则工作流体流路中的包含气相状态的工作流体的比例越尚O
[0078]另外，供工作流体向蒸发器的外部流出的工作流体流路的流出口位于工作流体的流动方向的最下游。因此，在以沿着高温流体的流动方向形成多个段的方式配置工作流体流路的蒸发器中，包括供工作流体向蒸发器的外部流出的工作流体流路的流出口的段相对位于工作流体的流动方向上的下游侧。因此，包括供工作流体向蒸发器的外部流出的工作流体流路的流出口的段与其他段相比，工作流体流路中的包含气相状态的工作流体的比例尚O
[0079]而且，在蒸发器的内部，越靠高温流体的流动方向的上游侧，则高温流体的温度越尚O
[0080]因此，在以沿着高温流体的流动方向形成多个段的方式配置工作流体流路的蒸发器中，使包括供工作流体向蒸发器的外部流出的工作流体流路的流出口的段位于高温流体的流动方向的最上游会将包括温度最容易上升的工作流体流路的段配置在温度最高的场所。因此，形成该段的工作流体流路的内壁面