蒸發器、朗肯循環裝置以及熱電聯供系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及蒸發器、朗肯循環裝置以及熱電聯供系統。
【背景技術】
[0002]如本領域技術人員所熟知，朗肯循環是蒸汽輪機的理論循環。與朗肯循環相關的研究開發長久以來一直在進行。另一方面，如專利文獻I所記載，也在進行與應用了朗肯循環的熱電聯供系統相關的研究開發。熱電聯供系統(CHP系統:Combined Heat and PowerSystem)是指構成為能夠從單一或多個資源同時得到熱和電力這樣的多個形態的能量的系統。近年來，不僅是大規模的CHP系統，能夠與醫院、學校、圖書館等規模較小的設施并設的CHP系統、進而普通家庭用的CHP系統(所謂的微CHP)也正受到關注。
[0003]現有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:美國專利申請公開第2003/0213854號說明書
【發明內容】
[0006]專利文獻I的CHP系統構成為將由燃氣鍋爐(boiler)生成的燃燒氣體作為用于朗肯循環裝置的熱能利用來得到電力。另外，專利文獻I公開了用于防止氣相的有機工作流體在鍋爐中被過度加熱的蒸發器的構造。
[0007]專利文獻I所公開的蒸發器在朗肯循環裝置穩定運轉時可能確實有效。但是，專利文獻I所公開的結構不足以防止工作流體被過度加熱。
[0008]本發明的目的在于提供一種用于防止在蒸發器中工作流體被過度加熱的新技術。
[0009]即，本發明的蒸發器，通過高溫流體對工作流體進行加熱，使所述工作流體蒸發，
[0010]具備以沿著高溫流體的流動方向形成多個段的方式配置的、供工作流體流動的工作流體流路，
[0011]所述蒸發器還具備設置于所述工作流體流路的第I溫度傳感器，
[0012]所述工作流體流路在所述多個段的各段中呈蜿蜒形狀配置，所述蜿蜒形狀的彎曲部分向所述蒸發器的殼體的外側露出，
[0013]所述多個段包括位于所述高溫流體的流動方向的最上游的第I段和所述第I段以外的段，
[0014]所述工作流體流路使所述工作流體從所述第I段以外的段所包括的工作流體流路的流出口向所述蒸發器的外部流出，
[0015]在將配置于所述第I段的工作流體流路的全長定義為L時，所述第I溫度傳感器設置于在如下地點的所述工作流體的流動方向下游側的露出于所述蒸發器的殼體的外側的工作流體流路，所述地點是與形成所述第I段的工作流體流路的下游端相距L/2的所述工作流體的流動方向的上游側的地點，
[0016]所述第I溫度傳感器的輸出值用于調整所述蒸發器的所述工作流體的溫度。
[0017]根據上述蒸發器，能夠防止工作流體被過度加熱。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的實施方式I的CHP系統的結構圖。
[0019]圖2A是圖1所示的朗肯循環裝置的蒸發器的結構圖。
[0020]圖2B是圖2A所示的蒸發器的概略平面圖。
[0021]圖2C是變形例的蒸發器的概略平面圖。
[0022]圖3是由控制電路執行的控制的流程圖。
[0023]圖4是示出蒸發器中的工作流體的溫度與傳熱管的內壁面的溫度的關系的圖。
[0024]圖5是本發明的實施方式2的CHP系統的結構圖。
[0025]圖6A是圖5所示的朗肯循環裝置的蒸發器的結構圖。
[0026]圖6B是圖6A所示的蒸發器的概略平面圖。
[0027]圖7是由控制電路執行的控制的流程圖。
[0028]圖8是示出蒸發器中的工作流體的溫度與傳熱管的內壁面的溫度的關系的圖。
[0029]圖9是本發明的實施方式3的CHP系統的結構圖。
[0030]圖1OA是圖9所示的朗肯循環裝置的蒸發器的結構圖。
[0031]圖1OB是圖1OA所示的蒸發器的概略平面圖。
[0032]圖11是由控制電路執行的控制的流程圖。
[0033]圖12是示出蒸發器中的工作流體的溫度與傳熱管的內壁面的溫度的關系的圖。
[0034]圖13是本發明的實施方式4的CHP系統的結構圖。
[0035]圖14是圖13所示的朗肯循環裝置的蒸發器的結構圖。
[0036]圖15是以往的朗肯循環裝置的蒸發器的結構圖。
[0037]標號說明
[0038]10 鍋爐
[0039]12燃燒室
[0040]14燃燒器
[0041]20、20B、20C、20D 朗肯循環裝置
[0042]21膨脹機
[0043]22冷凝器
[0044]23 栗
[0045]24、34、44、54 蒸發器
[0046]25工作流體流路
[0047]25a最上游工作流體流路
[0048]25p上游端
[0049]25q,25r 下游端
[0050]25b最下游工作流體流路
[0051]26發電機
[0052]27 翅片
[0053]28傳熱管
[0054]29連接管
[0055]29a帶隔熱材料的連接管
[0056]30熱介質回路
[0057]31栗
[0058]32放熱器
[0059]35溫度傳感器(第I溫度傳感器)
[0060]36第2溫度傳感器
[0061]38吸氣控制風扇
[0062]39流路變更構造
[0063]40分隔件
[0064]41隔熱材料
[0065]43旁通回路
[0066]45流量控制閥
[0067]50控制電路
[0068]100、200、300、400CHP 系統
【具體實施方式】
[0069](成為本發明的基礎的見解)
[0070]在朗肯循環裝置的蒸發器中，當在由氣體燃燒裝置生成的燃氣等高溫流體與氣相的工作流體之間產生過度的熱交換時，可能會招致工作流體的熱分解、潤滑油的劣化等不良狀況。該問題在使用了有機工作流體的情況和使用了需要潤滑油的膨脹機的情況下變得顯著。
[0071]為了避免上述問題，專利文獻I提出了圖15所示的構造的蒸發器104。在蒸發器104中，在高溫流體(由燃燒裝置生成的燃燒氣體)的流路104C的下游側設置有工作流體的入口 110A。從入口 IlOA流入到遠位部104D的工作流體以對向流的形式與高溫流體進行熱交換。然后，工作流體經由連接管104H而被輸送到在高溫流體的流路104C的上游側配置的近位部104E。在近位部104E中，工作流體依次流過第I部分104E1和第2部分104E2。即，在近位部104E中，工作流體以平行流的形式與高溫流體進行熱交換。工作流體的出口IlOC設置于外殼(enclosure) 104A的中央附近。此外，傳熱管(圓形記號)中的數值表示工作流體的溫度(華氏溫度)的例子。
[0072]根據圖15所示的蒸發器104，可推測確實能夠防止工作流體的過度加熱。這是因為，可推測工作流體在遠位部104D處于液相狀態，在第I部分104E1處于液相狀態或氣液二相狀態，在第2部分104E2處于氣液二相狀態或氣相狀態。但是，該推測只不過是在朗肯循環裝置穩定運轉時的推測。例如，在根據電力需求的變化而減少了工作流體的循環流量的情況下，工作流體有可能在第I部分104E1就會成為氣相狀態。其結果，在第I部分104E1中，氣相的工作流體可能會被過度加熱。
[0073]根據工作流體的循環流量來降低燃燒裝置的火力雖然是I個有效手段，但從響應性的觀點來看未必充分。另外，近年來，也在探討使用生物燃料、木質顆粒燃料等固形燃料來代替氣體燃料的嘗試。顆粒燃料鍋爐中的固體燃料的燃燒不如氣體鍋爐中的氣體燃料的燃燒那么穩定。當然，顆粒燃料鍋爐不適合突然提高或降低火力。因此，用于防止工作流體被過度加熱的技術變得越發重要。基于上述見解，本發明人想到了以下說明的各技術方案的發明。
[0074]本發明的第I技術方案的蒸發器，通過高溫流體對工作流體進行加熱，使所述工作流體蒸發，具備以沿著高溫流體的流動方向形成多個段的方式配置的、供工作流體流動的工作流體流路，所述蒸發器還具備設置于所述工作流體流路的第I溫度傳感器，所述工作流體流路在所述多個段中分別配置成蜿蜒形狀，所述蜿蜒形狀的彎曲部分向所述蒸發器的殼體的外側露出，所述多個段包括位于所述高溫流體的流動方向的最上游的第I段和所述第I段以外的段，所述工作流體流路使所述工作流體從所述第I段以外的段所包括的工作流體流路的流出口向所述蒸發器的外部流出，在將配置于所述第I段的工作流體流路的全長定義為L時，所述第I溫度傳感器設置于在如下地點的所述工作流體的流動方向下游側的露出于所述蒸發器的殼體的外側的工作流體流路，所述地點是與形成所述第I段的工作流體流路的下游端相距L/2的所述工作流體的流動方向的上游側的地點，所述第I溫度傳感器的輸出值用于調整所述蒸發器中的所述工作流體的溫度。
[0075]如前所述，工作流體在成為預定溫度以上時會熱分解。因此，需要將工作流體流路的內壁面的溫度抑制為低于預定溫度。對此，根據第I技術方案，通過將I溫度傳感器的輸出值用于調整所述蒸發器中的所述工作流體的溫度，能夠將蒸發器中的工作流體流路的內壁面的溫度抑制為低于預定溫度。由此，能夠抑制工作流體熱分解。以下，對第I技術方案的蒸發器發揮上述效果的理由進行詳細敘述。
[0076]在工作流體流路被高溫流體加熱時的工作流體流路的內壁面的溫度的上升的難易度根據在工作流體流路的內部流動的工作流體的狀態而不同。即，在工作流體流路的內部流動的工作流體處于氣相狀態時，與處于氣液二相狀態時相比，工作流體流路的內壁面的溫度容易上升。其理由在于，在工作流體流路中流動的工作流體處于氣相狀態時，與處于氣液二相狀態時相比，工作流體流路的內壁面的熱傳遞率低。即，在工作流體處于氣液二相狀態時，工作流體流路的內壁面的熱傳遞率足夠高。因此，通過向工作流體的熱傳遞可抑制內壁面的溫度的上升。另一方面，在工作流體處于氣相狀態時，工作流體流路的內壁面的熱傳遞率低。因此，向工作流體的熱傳遞少，所以內壁面的溫度會上升。
[0077]并且，蒸發器從包含液相狀態的工作流體生成氣相狀態的工作流體，因此，越靠工作流體的流動方向上的下游側，則工作流體流路中的包含氣相狀態的工作流體的比例越尚O
[0078]另外，供工作流體向蒸發器的外部流出的工作流體流路的流出口位于工作流體的流動方向的最下游。因此，在以沿著高溫流體的流動方向形成多個段的方式配置工作流體流路的蒸發器中，包括供工作流體向蒸發器的外部流出的工作流體流路的流出口的段相對位于工作流體的流動方向上的下游側。因此，包括供工作流體向蒸發器的外部流出的工作流體流路的流出口的段與其他段相比，工作流體流路中的包含氣相狀態的工作流體的比例尚O
[0079]而且，在蒸發器的內部，越靠高溫流體的流動方向的上游側，則高溫流體的溫度越尚O
[0080]因此，在以沿著高溫流體的流動方向形成多個段的方式配置工作流體流路的蒸發器中，使包括供工作流體向蒸發器的外部流出的工作流體流路的流出口的段位于高溫流體的流動方向的最上游會將包括溫度最容易上升的工作流體流路的段配置在溫度最高的場所。因此，形成該段的工作流體流路的內壁面