[发明专利]用于蒸发有机工作介质的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于直接蒸发有机工作介质的装置，用于通过使用有机介质从热源生成电能。

背景技术

借助于用于通过使用有机介质(例如，具有低蒸发温度的有机介质)来生成电能的有机物朗肯循环(ORC)方法的诸如蒸汽涡轮机的膨胀机的运行，在现有技术中是熟知的，所述有机介质与作为工作介质的水相比在相同温度下通常具有较高的蒸发压力。ORC设备构建了朗肯循环的实现，在朗肯循环中电能主要通过例如工作介质的绝热和等压条件的改变而获取。机械能通过工作介质的蒸发、膨胀和随后的冷凝生成，并且转换成电能。基本上，通过供给泵使得工作介质具有操作压力，并且将由余热的燃烧或者流动所提供的热量形式的能量供给到在热交换器中的工作介质。通过压力管从蒸发器流向ORC涡轮机的工作介质在ORC涡轮机中膨胀至较低的压力。而后，所膨胀的工作介质蒸汽流经冷凝器，在冷凝器中，汽化的工作介质和冷却介质之间发生热交换。然后，通过供给泵将经冷凝的工作介质反馈至循环中的蒸发器。

然而与水相比，有机介质具有明显较低的分解温度，该分解温度也就是，介质的分子键断裂的温度，其导致工作介质的毁坏并且导致工作介质分解为腐蚀性和有毒的反应产物。即使新鲜蒸汽的温度低于介质的分解温度，介质的分解温度能够在其不充分流过的位置被显著地超出，这可能首先发生在暴露于蒸汽的热交换器的区域。此外，供应泵故障需要中断通过热交换器的流动，从而使工作介质直接暴露于用于蒸发而使用的热源的温度。

为了避免工作介质被加热到超过分解温度的温度，在ORC设备中使用传统的中间循环，其中热量通过中间循环从用于蒸发的热介质(废气)传输至蒸发器。典型地，导热油被用于该中间循环，该导热油的温度稳定性高于工作介质的温度稳定性。依靠导热油的单相热转移允许通过热交换器的更加均匀的流动，工作介质在该热交换器中蒸发。然而该方案具有以下缺陷。首先，导热油是典型的易燃物。因此为避免导热油的氧化，导热油循环必须具有初级氮气压力，这使得设备在技术上复杂化且和昂贵。另外，导热油由于高热负荷而易于老化，且必须定期更换。这导致了设备的停机时间，且导致成本增加。此外，由于导热油的高粘度，传输油的循环泵的电气性能极为重要。而且，与不需要中间循环的工作介质的直接蒸发相比，导热油的使用导致可转移的热量显著减少，从而，导致所获得的电力显著减少。

因此，本发明的目的是提供一种克服了上述缺点并且特别地能够确保工作介质的温度低于分解温度的改进的ORC方法。一般来说，其目的是对热交换器的温度进行控制，以使得能够避免超温。

发明内容

上述目的通过这样一种装置来实现，此装置包括：

热交换器，其用于将供热介质的热量转移至不同于所述供热介质的工作介质；

第一供给器件，其适用于将来自热源的具有第一温度的供热介质流供给热交换器；和

第二供给器件，其适用于至少部分地将通过热交换器后的供热介质和/或另外的介质(每个都具有低于第一温度的第二温度)供给具有第一温度的供热介质流。

特别地，热交换器可以以工作介质在其中蒸发的蒸发器的形式提供。根据本发明，当将供热介质供给热交换器/蒸发器时，其温度不只是由热源提供，而大体上是由已通过热交换器的供热介质的和/或进入到供给热交换器的供热介质流中的另外的介质的再循环所控制。与现有技术相比，此温度控制使得给热交换器的供应更均匀，并且能够避免热交换器的超温。如上所述，作为已通过热交换器的供热介质的再循环的替代或者除已通过热交换器的供热介质再循环外，另外的介质可以被加入到具有第二温度的供热介质流中。特别地，该另外的介质可以是从装置外部供给的环境空气。

特别地，供热介质可以是例如作为热源的矿物燃料燃烧产生的热废气。特别地，工作介质可以是有机物。上述热交换器可以是诸如烟管式锅炉或者水管式锅炉的壳体-管式热交换器，或者板式热交换器，其中工作介质被带进锅炉壳体中，废气在管中被引导通过锅炉壳体。从而，在示例中，上述装置是蒸汽发电设备的一部分，特别是有机物朗肯循环(ORC)设备的一部分。ORC设备进一步包括诸如涡轮机的膨胀机、发电机和用于将在蒸发器中蒸发的工作介质供给到涡轮机的器件。膨胀蒸发的工作介质能够通过输送部件(例如导管)从涡轮机供给到用于冷凝工作介质的冷凝器，并且能够在循环过程中通过供给泵将在此液化的工作介质供回至热交换器。

根据本发明，通过将供热介质的温度相应地控制为低于处于热交换器的工作介质的分解温度，能够可靠地避免有机工作介质的分解。