[发明专利]用于运行体积膨胀机的设备和方法

说明书

技术领域

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

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：馈送泵，该馈送泵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泵。

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。

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℃的蒸发温度下对于发电机G毫无问题(图1B)。

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℃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℃)。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。

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。

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℃)。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

本发明的任务是至少部分克服上述缺点。

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。

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℃)。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。

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。

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。

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。