專利名稱：熱力機(jī)器及其運(yùn)行方法
熱カ機(jī)器及其運(yùn)行方法本發(fā)明涉及ー種具有循環(huán)系統(tǒng)的熱力機(jī)器，尤其是低沸點(diǎn)的工作流體交替地以氣相和液相在該循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)。在此，該機(jī)器包括熱交換器、膨脹機(jī)器、冷凝器及液泵。本發(fā)明另外還涉及一種用于運(yùn)行這樣的熱力機(jī)器的方法，其中，工作流體在循環(huán)中被加熱、膨脹、凝結(jié)并且通過(guò)泵送液態(tài)的工作流體進(jìn)行輸送。這樣的熱カ機(jī)器應(yīng)尤其理解為根據(jù)熱力學(xué)朗肯循環(huán)過(guò)程(Rankine-Kreisprozess)運(yùn)行的ー種機(jī)器。在此，朗肯循環(huán)過(guò)程的特征是泵送液態(tài)工作介質(zhì)、在高壓下蒸發(fā)該工作介質(zhì)、通過(guò)作機(jī)械功使得該氣態(tài)的工作流體膨脹以及在低壓下使得該氣態(tài)的工作流體凝結(jié)。例如現(xiàn)代的常規(guī)火力發(fā)電站是根據(jù)朗肯循環(huán)過(guò)程運(yùn)行的。在化石燃料加熱的火力發(fā)電站中通常在超過(guò)200bar的壓カ下產(chǎn)生溫度超過(guò)500° C的水蒸氣。 該膨脹的水蒸汽的凝結(jié)發(fā)生在約25。C和約30mbar的壓カ下。例如，根據(jù)朗肯循環(huán)過(guò)程運(yùn)行的熱カ機(jī)器以及用于運(yùn)行該熱カ機(jī)器的方法可以從WO 2005/021936A2中獲知。在此，水用作工作流體。如果將相對(duì)于冷卻源僅具有相對(duì)較小的溫度差的熱源用于蒸發(fā)工作流體，那么以水的形式的工作流體可實(shí)現(xiàn)的效率就不再足以用于一種經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式。然而，這樣的熱源可以在所謂的ORC機(jī)器的協(xié)助下被利用，其中替代形式為水的工作流體使用低沸點(diǎn)的尤其是有機(jī)的流體。術(shù)語(yǔ)“低沸點(diǎn)”應(yīng)理解為，這種流體與水相比較在更低的壓カ下沸騰或與水相比較具有更高的蒸汽壓力。ORC機(jī)器相應(yīng)于所謂的有機(jī)朗肯循環(huán)過(guò)程(ORC)來(lái)運(yùn)行，SP基本上是利用不同于水的、尤其是有機(jī)的、低沸點(diǎn)的工作流體。作為用于ORC機(jī)器的工作流體，已知的是例如碳?xì)浠衔?、芳香烴、氟化烴、碳合成物尤其是烷烴、氟代醚、氟代こ烷或也可以是合成的硅油。通過(guò)ORC機(jī)器或ORC設(shè)備，例如在地?zé)峄蛱?yáng)能發(fā)電廠中可用的熱源可以經(jīng)濟(jì)地用于發(fā)電。此外可借助ORC機(jī)器將來(lái)自排放空氣、冷卻回路、廢氣等的迄今未利用的內(nèi)燃機(jī)廢熱用于做功或發(fā)電。如果壓カ低于液體的與相應(yīng)溫度相關(guān)聯(lián)的蒸汽壓力，則該液體蒸發(fā)。低于蒸汽壓力會(huì)發(fā)生在靜止或移動(dòng)的液體中。例如，在流動(dòng)液體的情況下，壓カ可能由于流體的強(qiáng)烈偏轉(zhuǎn)或加速而局部低于蒸汽壓力，從而發(fā)生局部蒸發(fā)。這些局部生成的蒸汽氣泡在壓カ較高的部位再次凝結(jié)并且向內(nèi)破裂。這整個(gè)過(guò)程稱為氣穴現(xiàn)象。在開頭所述類型的熱カ機(jī)器中，在工作流體的液相中產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象這個(gè)問(wèn)題并不是無(wú)關(guān)緊要的。由于蒸汽氣泡的尺寸較小，這些蒸汽氣泡的凝結(jié)實(shí)際上非常迅速地發(fā)生。由于蒸汽氣泡的突然內(nèi)爆，在該過(guò)程中可能形成微射束。如果該微射束指向周圍的壁，則可以局部達(dá)到高達(dá)IOOOObar的壓カ峰值。此外,可能由于高壓カ而達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1000° C的局部溫度，而這能夠?qū)е略诒诓牧现邪l(fā)生融化過(guò)程。氣穴現(xiàn)象導(dǎo)致的損壞效應(yīng)會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生。對(duì)于泵來(lái)說(shuō)，氣穴現(xiàn)象的發(fā)生還令人不希望地減小了流體的通流量。因?yàn)檎羝麣馀菰谄涿芏壬贤ǔＥc液體差異相當(dāng)大，所以在給定的體積流量下，在作為蒸汽的工作流體質(zhì)量比例較低的情況下，可輸送的質(zhì)量流自動(dòng)減小。在蒸汽大量產(chǎn)生時(shí)，質(zhì)量流甚至可能中斷。如果工作機(jī)器例如作為泵使用在ORC設(shè)備中，則整個(gè)循環(huán)過(guò)程可能會(huì)發(fā)生停頓。作為這種不足的泵功率的結(jié)果，在冷凝器中的液態(tài)工作流體發(fā)生倒流，由此使其作用明顯減小。熱量的排放由此停止。整個(gè)系統(tǒng)是不能輕易脫離這種狀態(tài)的。必須等待直至工作流體通過(guò)冷卻而自己降溫。如果在蒸發(fā)器中的通流繼續(xù)中斷，也不再有熱量能夠排放出去。所使用的工作流體于是可能會(huì)由于超過(guò)其穩(wěn)定極限而受損。對(duì)于根據(jù)朗肯循環(huán)過(guò)程運(yùn)行的機(jī)器，發(fā)生氣穴現(xiàn)象的問(wèn)題被描述在例如EP1624269A2中。在那里，冷凝器內(nèi)部的以及在后續(xù)泵內(nèi)部的形式為水的工作流體中的氣穴現(xiàn)象應(yīng)通過(guò)在冷凝器上設(shè)置特別的壓力和溫度控節(jié)裝置來(lái)防止。為此而包括了相應(yīng)的壓力和溫度傳感器。尤其將冷凝器中的水位維持在預(yù)定水平上。這是通過(guò)排放閥來(lái)協(xié)助的，該排放閥向外排放水或非凝結(jié)性氣體。此外，冷凝器中恒定的水位對(duì)于根據(jù)朗肯循環(huán)過(guò)程運(yùn)行的機(jī)器的重要性還被描述在US 7，131，290B2中。尤其說(shuō)明了可變的水位對(duì)冷凝器中發(fā)揮作用的冷卻表面的影響。如果由于在冷凝器中占優(yōu)勢(shì)的負(fù)壓條件，非凝結(jié)性氣體(如空氣)滲透到工作流體的循環(huán)系統(tǒng)中，那么非凝結(jié)性氣體會(huì)尤其在冷凝器中聚集。為防止由此導(dǎo)致的冷卻效率的損失，US7，131，290B2建議了ー種相應(yīng)的分離和排放裝置。從DE 10 2006 013 190 Al中獲知ー種根據(jù)克勞修斯朗肯循環(huán)過(guò)程(Clausius-Rankine-Kreisprozess)運(yùn)行的復(fù)雜的流體機(jī)器。這種流體機(jī)器具有用于施加負(fù)壓并且用于泵出液相工作流體的泵以及與該泵串聯(lián)的膨脹裝置，該膨脹裝置用于通過(guò)エ作流體的膨脹來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，該工作流體被加熱以便變成氣相工作流體。在此規(guī)定，將膨脹裝置出ロ側(cè)上的工作流體的熱量傳遞給流體泵出ロ側(cè)上的工作流體?？梢詮腄E 36 41 122 Al中獲知ー種用于熱量轉(zhuǎn)換的可運(yùn)輸?shù)尿?qū)動(dòng)單元，這種驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)為開頭所述類型的熱カ機(jī)器并且根據(jù)朗肯循環(huán)過(guò)程來(lái)運(yùn)行。從DE 7 225 314 U中已知ー種蒸汽動(dòng)カ設(shè)備，其中在朗肯循環(huán)過(guò)程中使用有機(jī)エ作介質(zhì)。此外，從US 4，291，232中獲知ー種開頭所述類型的熱カ機(jī)器。在此，氣體/液體溶液，尤其是氨/水溶液作為工作流體而循環(huán)。通過(guò)將氣體溶解在液體中，氣體和液體的壓力被降低。通過(guò)在升溫條件下的氣體分離，壓カ被提高。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，擴(kuò)展設(shè)計(jì)ー種開頭所述類型的熱カ機(jī)器，從而盡可能地避免在液體中或在液態(tài)的工作流體中發(fā)生氣穴現(xiàn)象。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題還在于，提供一種對(duì)應(yīng)的方法用于運(yùn)行這樣的熱カ機(jī)器，其中盡可能地避免液體中的氣穴現(xiàn)象。在機(jī)器方面，所要解決的技術(shù)問(wèn)題根據(jù)本發(fā)明通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求I的特征組合解決。據(jù)此，對(duì)于開頭所述類型的熱カ機(jī)器規(guī)定，通過(guò)加入非凝結(jié)性的輔助氣體而將提高系統(tǒng)壓カ的部分壓カ施加到位于液泵的入流管或壓頭(Vorlauf)中的液態(tài)的工作流體上。 本發(fā)明在此從這種認(rèn)知出發(fā)，S卩，在設(shè)計(jì)ORC機(jī)器時(shí)低估了在液相中發(fā)生氣穴現(xiàn)象的可能性。因此使得在整體設(shè)計(jì)中例如未遵守為泵限定的壓頭高度。這樣的壓頭高度通過(guò)吸入口接頭處的液柱而在該處產(chǎn)生必要的壓カ升高。由于這個(gè)連接在上游的冷凝器，在沒(méi)有注意到壓頭高度的情況下，如果假設(shè)沒(méi)有發(fā)生過(guò)冷(UnterkUhlung)，則流體以飽和蒸汽壓カ或凝結(jié)蒸汽壓カ施加到泵。當(dāng)泵接通時(shí)，在沒(méi)有注意到壓頭高度的情況下，可能由于所形成的抽吸功率而低于飽和蒸汽壓力。于是發(fā)生了氣穴現(xiàn)象。泵的壓頭高度通常通過(guò)所謂的NPSH值給出。在此，NPSH(凈正吸入壓頭)值理解為高于飽和蒸汽壓カ的必要的最小吸入頭或揚(yáng)程。換言之，這個(gè)必要的NPSH值表示了泵的抽吸功率。NPSH值以米給出。對(duì)于在此適合的泵，這個(gè)NPSH值通常為幾米。如果對(duì)于ー個(gè)給定的泵在壓頭中沒(méi)有遵守該NPSH值，那么在運(yùn)行中會(huì)發(fā)生不可忽視的氣穴現(xiàn)象問(wèn)題。就會(huì)不希望地形成蒸汽氣泡。因此不利地恰恰在設(shè)計(jì)小型和緊湊型ORC機(jī)器吋，泵必須相對(duì)于動(dòng)カ設(shè)備布置在降低的水平高度處，這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)空間不希望地増大。對(duì)在液相的工作流體中避免氣穴現(xiàn)象的替代方案(如為降低蒸氣壓カ而使工作流體過(guò)冷)由于附加的成本而是昂貴的。也導(dǎo)致了額外的面積要求。而且，必須施加更多的能量用于加熱過(guò)冷的工作流體。同等地，使用在吸入ロ接頭處產(chǎn)生額外壓力的增壓泵也是不經(jīng)濟(jì)的。除此之外，額外的泵也需要額外的結(jié)構(gòu)空間。出人意料地，本發(fā)明現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到在熱カ機(jī)器中產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象的問(wèn)題可以通過(guò)使用非凝結(jié)性氣體來(lái)解決。盡管迄今在根據(jù)朗肯循環(huán)過(guò)程運(yùn)行的機(jī)器中，在循環(huán)中的非凝結(jié)性氣體作為不希望的成分(因?yàn)樗档土诵?是以昂貴方式被去除，而本發(fā)明現(xiàn)在規(guī)定有意地將其引入。本發(fā)明認(rèn)識(shí)到在非凝結(jié)性氣體處于循環(huán)中的情況下，它在氣相中的部分壓カ被加到凝結(jié)壓カ上。由此得到的以令人希望的方式方法升高了的系統(tǒng)壓カ施加到液態(tài)的工作流體上，尤其是在液體泵的壓頭中。與加入非凝結(jié)性氣體到循環(huán)中相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)(如尤其是對(duì)于膨脹機(jī)器的背壓增加)在低沸點(diǎn)工作流體的情況下通過(guò)避免氣穴現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)來(lái)消除。在低沸點(diǎn)工作流體的情況下，該工作流體與水相比在更高的壓カ下凝結(jié)。該工作流體通?？梢栽谑覝叵略诖髿鈮毫σ陨夏Y(jié)。通過(guò)輔助氣體而必然地產(chǎn)生的部分壓カ對(duì)整體效率的影響較小并且按照整體設(shè)計(jì)概念可以忽略。詳細(xì)地，本發(fā)明允許對(duì)輔助氣體的加入物質(zhì)量進(jìn)行選擇，從而使得按照可使用的結(jié)構(gòu)空間泵的壓頭高度可以相應(yīng)地減小。同時(shí)在此可以注意到，妨礙膨脹機(jī)器的背壓保持在整體可接受的水平。本發(fā)明在這方面提供的顯著優(yōu)點(diǎn)是，可以設(shè)計(jì)一種用于充分利用低溫?zé)嵩吹木o湊的熱カ機(jī)器。在這種情況下，結(jié)構(gòu)空間不再必需通過(guò)所需的泵壓頭高度來(lái)預(yù)先確定。因?yàn)樵瓌t上這種非凝結(jié)性的輔助氣體在填充設(shè)備時(shí)可以一次性地一同引入，所以甚至可能完全不需要結(jié)構(gòu)上的附加措施。在這方面，本發(fā)明為使熱カ機(jī)器變得更緊湊提出了ー種特別廉價(jià)的可能性。本發(fā)明在這方面極其適合于設(shè)計(jì)小型移動(dòng)機(jī)器，這些小型移動(dòng)機(jī)器使用在例如汽車上用于利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱量、冷卻介質(zhì)熱量或廢氣熱量。在ー個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案中，通過(guò)加入輔助氣體而產(chǎn)生的部分壓力足以使得在液泵工作的過(guò)程中在該壓頭中的壓カ不會(huì)低于飽和蒸汽壓力。如在下文中解釋的，在進(jìn)行某些簡(jiǎn)化的假設(shè)(沒(méi)有液體的額外過(guò)冷)的情況下，例如當(dāng)所產(chǎn)生的部分壓カ至少相當(dāng)于液泵的NPSH值時(shí)就是這種情形。泵的壓頭高度必要時(shí)甚至可完全取消。在實(shí)際的條件下，所加入的輔助氣體量必須這樣確定，使得所產(chǎn)生的部分壓カ超過(guò)吸入壓カ或換算出的NPSH值。本發(fā)明不一定局限于ー種根據(jù)朗肯循環(huán)過(guò)程運(yùn)行的熱カ機(jī)器。例如也可以包括如下的機(jī)器，這種機(jī)器不包括在膨脹機(jī)器的上游蒸發(fā)工作流體，而是在這種機(jī)器中在膨脹機(jī)、器中通過(guò)連續(xù)増大的工作空間對(duì)工作流體進(jìn)行閃蒸。尤其可以進(jìn)行連續(xù)的相轉(zhuǎn)換。按照ORC機(jī)器，還可以使用不同工作介質(zhì)的混合物來(lái)作為工作流體，以便由此實(shí)現(xiàn)與所給定的條件相適配的理想的機(jī)器工作方式。通過(guò)參照?qǐng)D2左邊部分的圖，在現(xiàn)有技術(shù)的熱力機(jī)器中，在冷凝器中相應(yīng)于給定的溫度調(diào)節(jié)形成工作流體的飽和蒸汽壓カPs。如果用于抽出液相的工作流體的泵被接通，則在吸入ロ接頭處產(chǎn)生了根據(jù)給定NPSH值的吸入壓力。飽和蒸汽壓カPs減小了該吸入壓力Pnpsh那么多。結(jié)果是，在泵上得到進(jìn)ロ壓力pE，這個(gè)進(jìn)ロ壓カ低于飽和蒸汽壓カps。結(jié)果形成蒸汽氣泡，因此發(fā)生氣穴現(xiàn)象。通過(guò)加入的非凝結(jié)性的輔助氣體(圖2右邊部分的圖)在泵上產(chǎn)生了由輔助氣體的部分壓カPpart與飽和蒸汽壓カPs相加得到的系統(tǒng)壓力。在接通該泵之后，該系統(tǒng)壓力又減小了由NPSH值所預(yù)先確定的吸入壓カPnpsh那么多。如果非凝結(jié)性氣體的部分壓力Ppart (它是由于引入的輔助氣體產(chǎn)生的)大于或至少等于泵的吸入ロ接頭處的吸入壓カ PNPSH，則進(jìn)ロ壓カPe現(xiàn)在就至少等于或大于飽和蒸汽壓カPs。因此就防止了氣穴現(xiàn)象。系統(tǒng)壓カ與飽和蒸汽壓カ之間的希望的壓カ差Λρ (它通過(guò)輔助氣體來(lái)施加)有
利地至少是PNPSH，其中輔助氣體的必要物質(zhì)量Xi根據(jù)如下公式計(jì)算
Ap=--
+ Ps對(duì)于實(shí)際的系統(tǒng)，輔助氣體的物質(zhì)量Xi這樣確定的，使得即使在不利的條件下(即在降低的凝結(jié)溫度以及由此降低的飽和蒸汽壓カ下)也有足夠的輔助氣體可供使用。同樣需要考慮的是，部分輔助氣體進(jìn)入到溶液中并且因此不再可供用于產(chǎn)生壓カ差。當(dāng)確定加入的輔助氣體物質(zhì)量時(shí)，也可以將機(jī)器的不同運(yùn)行狀態(tài)(部分負(fù)荷、滿負(fù)荷)考慮在內(nèi)。在所述機(jī)器的一個(gè)優(yōu)選設(shè)計(jì)方案中，可以根據(jù)上述的實(shí)施形式通過(guò)以下方式相應(yīng)地減小結(jié)構(gòu)高度，即，相較于考慮了 NPSH值和必要時(shí)考慮了液態(tài)工作流體過(guò)冷的必要壓頭高度減小液泵的實(shí)際壓頭高度。通過(guò)液體的額外過(guò)冷，必要的壓頭高度由于降低了的蒸汽壓カ而減小。通過(guò)所引入的輔助氣體的部分壓カ使得實(shí)際壓頭高度可進(jìn)ー步減小。在此，為保持一定的預(yù)留量，盡管相應(yīng)地供應(yīng)輔助氣體，但也可以保持較小的壓頭高度。在這方面，壓頭高度的減小通過(guò)相應(yīng)物質(zhì)量的輔助氣體來(lái)補(bǔ)償。用于輔助氣體的引入點(diǎn)原則上可以設(shè)置在機(jī)器循環(huán)系統(tǒng)的任何部位。在此，引入點(diǎn)可以設(shè)計(jì)用于一次性引入輔助氣體或者用于重復(fù)性引入輔助氣體。在一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中，在膨脹機(jī)器和液泵之間設(shè)置用于輔助氣體的引入點(diǎn)。以此方式，輔助氣體直接在該循環(huán)中的所需部位可供使用。輔助氣體在循環(huán)過(guò)程的冷側(cè)上被引入到液相中。輔助氣體尤其還可以在那里被輕易移除，因?yàn)樗梢栽诶淠髦斜皇占榇?，例如該機(jī)器可以“冷運(yùn)行”，由此使該輔助氣體慢慢地流入冷凝器中。為了加入輔助氣體，例如可以使用壓縮機(jī)。替代地，可以連接高壓貯氣瓶。在循環(huán)過(guò)程的熱側(cè)上加入輔助氣體會(huì)更加麻煩。非凝結(jié)性的輔助氣體是以下這種類型的氣體，該氣體在熱カ機(jī)器循環(huán)中的占優(yōu)勢(shì)的或給出的條件下不會(huì)凝結(jié)。例如稀有氣體或氮?dú)膺m用于作為這種輔助氣體。也可以考慮適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)氣體。非凝結(jié)性的輔助氣體在一定程度上通過(guò)工作流體在熱カ機(jī)器的循環(huán)中移動(dòng)。在具有形式為水的用于冷凝器的工作流體的根據(jù)朗肯循環(huán)過(guò)程運(yùn)行的機(jī)器中，通常設(shè)置有所謂的殼管式熱交換器。在此，冷卻液體流動(dòng)通過(guò)管的內(nèi)部。氣態(tài)的工作流體沿著管外側(cè)流動(dòng)，在它們的表面上凝結(jié)，并且作為凝結(jié)物或液相而滴落。然而不利地，在這種冷凝器中，非凝結(jié)性的輔助氣體可能會(huì)與冷凝器的定向有關(guān)地積聚。在這種情況下，輔助氣體作為隔離層殘留在這些管的周圍，其結(jié)果是降低了冷凝器的效率。非凝結(jié)性的輔助氣體僅可以通過(guò)與凝結(jié)物流動(dòng)方向相反地抽取或通過(guò)擴(kuò)散而被排出。為了在加入非凝結(jié)性的輔助氣體時(shí)避免這種缺點(diǎn)，冷凝器有利地被設(shè)計(jì)用于在凝結(jié)物或液態(tài)工作流體的流動(dòng)方向上挾帶輔助氣體。這種冷凝器例如被設(shè)計(jì)為空氣冷凝器或者通過(guò)板式熱交換元件設(shè)計(jì)而成。在空氣冷凝器中，氣態(tài)的工作流體流動(dòng)通過(guò)管的內(nèi)部，而這些管在外側(cè)例如由空氣但也可以由其它冷卻介質(zhì)繞流。在這種情況下，輔助氣體沿流動(dòng)方向至少部分地由后續(xù)的氣態(tài)工作流體推動(dòng)通過(guò)所述管。這還適用于通過(guò)多個(gè)板式熱交換元件形成的冷凝器。在此，氣態(tài)的工作流體也流過(guò)這些板式熱交換元件的間隙，并且從冷凝器中帶走一部分輔助氣體。其結(jié)果是，減小了對(duì)于殼管式熱交換器來(lái)說(shuō)所不期望的隔離層的形成。此外優(yōu)選地在集液箱中布置用于檢測(cè)輔助氣體濃度的傳感器。通過(guò)這樣的傳感器(該傳感器布置在位于工作流體被收集的液體之上的氣體空間中)，例如可以測(cè)量在循環(huán)系統(tǒng)中存在的輔助氣體的物質(zhì)量，并且當(dāng)?shù)陀诨虺^(guò)預(yù)定的極限值時(shí)發(fā)出警告信號(hào)。隨后可相應(yīng)于該警告信號(hào)加入或抽取一定物質(zhì)的量的輔助氣體。如前所述，所說(shuō)明的熱カ機(jī)器尤其適合用于汽車中的移動(dòng)設(shè)備，其中熱交換器熱耦連到車輛的廢熱源上。這種廢熱源例如是冷卻剤、其它工作介質(zhì)(如油)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體本身或廢氣。為了發(fā)電而與相應(yīng)發(fā)電機(jī)耦連的膨脹機(jī)器優(yōu)選地設(shè)計(jì)為擠壓機(jī)器(VercMngemiaschine)。這種擠壓機(jī)器例如是螺旋式或活塞式膨脹機(jī)器或者是滾動(dòng)式膨脹機(jī)器。還可以使用葉片機(jī)器。關(guān)于方法的技術(shù)問(wèn)題按本發(fā)明通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求9的特征組合解決。據(jù)此，對(duì)于一種用于運(yùn)行熱力機(jī)器的方法規(guī)定，通過(guò)加入非凝結(jié)性的輔助氣體來(lái)將提高系統(tǒng)壓カ的部分壓カ施加到泵壓頭中的液態(tài)工作流體上?？梢詮年P(guān)于方法的從屬權(quán)利要求中獲得其它優(yōu)選的實(shí)施方案。在此就其含義而言，可相應(yīng)地延承關(guān)于機(jī)器所提及的優(yōu)點(diǎn)。參照附圖
更詳細(xì)地闡述了本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中圖I示意性地示出ORC機(jī)器，其中輔助氣體的部分壓カ被施加在泵壓頭中，并且圖2示出不同的壓カ關(guān)系的示意圖。在圖I中示意性地示出ORC機(jī)器1，其尤其適合于作為利用內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱的移動(dòng)設(shè)備。ORC機(jī)器I在此(在作為熱交換器3的循環(huán)系統(tǒng)2中)包括蒸發(fā)器、膨脹機(jī)器5、冷凝器6以及液泵8。所示的ORC機(jī)器I根據(jù)朗肯循環(huán)過(guò)程運(yùn)行，其中在膨脹機(jī)器5上做功用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)9。發(fā)電機(jī)9尤其設(shè)計(jì)用于將獲得的電流給送到汽車自身的電氣網(wǎng)絡(luò)中或 者該發(fā)電機(jī)被連接于該電氣網(wǎng)絡(luò)上。與水相比較具有明顯更高的蒸汽壓カ的碳?xì)浠衔锉挥米鞴ぷ髁黧w10。工作流體10處于封閉的循環(huán)中。通過(guò)液泵8輸送的液態(tài)工作流體10在蒸發(fā)器3中在高壓下蒸發(fā)。在設(shè)計(jì)為擠壓機(jī)器的膨脹機(jī)器5中，氣態(tài)的工作流體10膨脹并且做功。膨脹的氣態(tài)工作流體10在冷凝器6中在低壓下凝結(jié)。在冷凝器6中調(diào)節(jié)形成的飽和蒸汽壓カ約為I. 2bar。凝結(jié)物或液態(tài)的工作流體10在它被泵8再次輸送用于蒸發(fā)之前收集在集液箱11中。設(shè)置有廢熱排放手段14用于對(duì)冷凝器6進(jìn)行冷卻。例如，這可以是汽車的循環(huán)空氣，其中，工作流體的凝結(jié)熱量例如用于加熱車輛客艙而輸送給循環(huán)空氣。該冷凝器6設(shè)計(jì)成空氣冷凝器，在該空氣凝結(jié)器中待冷卻的工作流體10沿著被繞流的管的內(nèi)部流動(dòng)。為了使由泵8輸送的工作流體10蒸發(fā)，通過(guò)廢熱供給手段16將熱量供給到蒸發(fā)器3。為此，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的熱量通過(guò)適當(dāng)?shù)臒峤粨Q而供給到蒸發(fā)器3。替代地，可以由內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻回路來(lái)供應(yīng)熱量。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)及其產(chǎn)生的廢氣中的廢熱還可以通過(guò)相應(yīng)的第三介質(zhì)集中地供給至蒸發(fā)器3。在膨脹機(jī)器5與液泵8之間，在冷凝器6上設(shè)置有引入點(diǎn)18用于將非凝結(jié)性的輔助氣體20引入到ORC機(jī)器I的循環(huán)中。通過(guò)相應(yīng)的閥，可一次性或多次地將特定物質(zhì)的量Xi的輔助氣體20引入到ORC機(jī)器的循環(huán)中。在此，物質(zhì)的量Xi這樣確定，使得在泵8的壓頭中，輔助氣體20的部分壓カ和工作流體10的飽和蒸汽壓カ(由冷凝器6中的凝結(jié)得到)相加為系統(tǒng)壓力，使得在接通泵之后，不會(huì)低于該工作流體的飽和蒸汽壓力。由此也防止了在以液相流動(dòng)的工作流體的偏轉(zhuǎn)處低于飽和蒸汽壓力。物質(zhì)的量Xi尤其這樣確定，使得所形成的輔助氣體部分壓カ大于與泵的NPSH值相對(duì)應(yīng)的吸入壓力。因此防止了在壓頭中并且尤其是在液泵8的吸入ロ接頭處的氣穴現(xiàn)象。因?yàn)樵谶\(yùn)行中不會(huì)低于工作流體10的飽和蒸汽壓カ，所以不會(huì)在該處形成蒸汽氣泡。壓頭高度21 (在此示意性繪出)相對(duì)于液泵8的NPSH值明顯地降低為只有幾十厘米。在集液箱11中設(shè)置有用于測(cè)量輔助氣體20的濃度的傳感器22。附圖標(biāo)記清單I ORC 機(jī)器2 循環(huán)系統(tǒng)3 熱交換器5 膨脹機(jī)器6 冷凝器8 液泵9 發(fā)電機(jī) 10 工作流體11 集液箱14 廢熱排放手段16 廢熱供給手段18 引入點(diǎn)20 輔助氣體21 壓頭高度22 傳感器
權(quán)利要求
1.一種熱力機(jī)器(I)，具有循環(huán)系統(tǒng)(2)、熱交換器(3)、膨脹機(jī)器(5)、冷凝器(6)和液泵(8)，尤其是低沸點(diǎn)的工作流體(10)交替地以氣相和液相在所述循環(huán)系統(tǒng)(2)中循環(huán)，其特征在于，通過(guò)加入非凝結(jié)性的輔助氣體(20)將提高系統(tǒng)壓力的部分壓力施加到位于所述液泵(8)的壓頭中的液態(tài)的工作流體(10)上。
2.如權(quán)利要求I所述的熱力機(jī)器(I)，其特征在于，通過(guò)加入所述輔助氣體(20)而產(chǎn)生的部分壓力足以使得在所述液泵(8)工作的過(guò)程中在該壓頭中的壓力不會(huì)低于飽和蒸汽壓力。
3.如權(quán)利要求I或2所述的熱力機(jī)器(1)，其特征在于，與將NPSH值以及在必要時(shí)將所述液態(tài)的工作流體(10)的過(guò)冷卻考慮在內(nèi)的必要壓頭高度相比較，所述液泵(8)的實(shí)際壓頭高度(21)被減小。
4.如以上權(quán)利要求之一所述的熱力機(jī)器(I)，其特征在于，在所述膨脹機(jī)器(5)與所述液泵(8)之間設(shè)有用于所述輔助氣體(20)的引入點(diǎn)(18)。
5.如以上權(quán)利要求之一所述的熱力機(jī)器(I)，其特征在于，所述冷凝器(6)尤其作為空氣冷凝器或借助板式熱交換元件被設(shè)計(jì)用于在所述工作流體(10)的流動(dòng)方向上挾帶所述輔助氣體(20)。
6.如以上權(quán)利要求之一所述的熱力機(jī)器(I)，其特征在于，所述膨脹機(jī)器(5)是擠壓機(jī)器。
7.如以上權(quán)利要求之一所述的熱力機(jī)器(I)，其特征在于，在所述液態(tài)的工作流體(10)的集液箱(11)中布置有用于檢測(cè)輔助氣體濃度的傳感器(22)。
8.—種如以上權(quán)利要求之一所述的熱力機(jī)器(I)作為用于汽車的移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用，其中，所述熱交換器(3)與汽車的廢熱源(16)熱耦連。
9.一種用于運(yùn)行熱力機(jī)器(I)的方法，其中，尤其是低沸點(diǎn)的工作流體(10)交替地以氣相和液相在循環(huán)系統(tǒng)(2)中循環(huán)，并且其中，對(duì)所述工作流體(10)進(jìn)行加熱、膨脹、凝結(jié)并且通過(guò)泵送液體來(lái)輸送該工作流體(10)，其特征在于，通過(guò)加入非凝結(jié)性的輔助氣體(20)將提高系統(tǒng)壓力的部分壓力施加到位于泵壓頭中的液態(tài)的工作流體(10)上。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，引入的所述輔助氣體(20)的量使得所產(chǎn)生的部分壓力足夠大而不會(huì)在輸送位于泵壓頭中的液態(tài)的工作流體(10)期間低于飽和蒸汽壓力。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，將所述輔助氣體(20)加入膨脹的、氣態(tài)的工作流體(10)中。
12.如權(quán)利要求9至11之一所述的方法，其特征在于，在所述工作流體(10)凝結(jié)的過(guò)程中，主要沿流動(dòng)方向進(jìn)一步傳輸所述輔助氣體(20)。
13.如權(quán)利要求9至12之一所述的方法，其特征在于，所述工作流體(10)在擠壓機(jī)器中進(jìn)行膨脹。
14.如權(quán)利要求9至13之一所述的方法，其特征在于，將汽車的廢熱(16)用于加熱和/或蒸發(fā)所述工作流體(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱力機(jī)器(1)，它包括循環(huán)系統(tǒng)(2)、熱交換器(3)、膨脹機(jī)器(5)、冷凝器(6)以及流體泵(8)，在循環(huán)系統(tǒng)(2)中，尤其是低沸點(diǎn)的工作流體(10)交替地以氣相和液相循環(huán)。本發(fā)明還涉及一種用于運(yùn)行所述熱力機(jī)器的方法。根據(jù)本發(fā)明規(guī)定，通過(guò)加入非凝結(jié)性輔助氣體(20)將提高系統(tǒng)壓力的部分壓力施加到位于流體泵(8)的壓頭中的液態(tài)的工作流體(10)上。以此可以實(shí)現(xiàn)緊湊的小型化ORC機(jī)器，從而防止液態(tài)的工作流體(10)中的氣穴現(xiàn)象。
文檔編號(hào)F01K25/08GK102639818SQ201080051437
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2010年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月14日
發(fā)明者A.舒斯特, A.西徹特, R.奧曼 申請(qǐng)人:奧坎能源有限公司