有机郎肯循环orc系统的蒸发器的测试方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种有机郎肯循环ORC系统的蒸发器的测试装置，包括冷媒工质循环系统、外部热源系统、外部冷却水系统和控制系统；所述的冷媒的工作循环系统包括储液器、变频高压冷媒泵、冷媒流量计、带有导热油电加热器的储液箱、蒸发器测试件的冷媒侧、变截面节流阀和冷凝器的冷媒侧。本发明的特点是用节流阀代替常规ORC系统中结构和控制都十分复杂的膨胀机；用变频高压冷媒泵代替传统制冷空调系统压缩机，可以快速方便的测试给定在高工作压力下蒸发器的性能。该系统既与传统制冷系统采用压缩机等低压蒸发器有显著不同；又区别于正常的ORC系统，在保证测试功能前提下，整个系统简单，可靠，设备成本低、辅助功能设备少，且安全稳定。
【专利说明】有机郎肯循环ORC系统的蒸发器的测试方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能源废热回收领域，并涉及传热学、制冷空调以及实验测试领域，具体 是涉及废热能源回收的0RC系统，蒸发过热器性能测试方法与装置。
【背景技术】
[0002] 随着能源危机日益加重，节能环保等相关产品越来越受到市场的重视。而有机郎 肯循环0RC技术以吸收各种中低品位热源热量，而转化为各种形式有用功或电能受到越来 越多人或市场的青睐。如，利用工业废热、地热、太阳能进行0RC系统发电。目前，以发动 机缸套水和高温烟气的废热作为热源的0RC系统，在内燃机领域也受到越来越多研究和开 发。
[0003] 在这些0RC系统产品中，把各种形式废热转化为具有做功能力的冷媒，都是在蒸 发过热器中完成的。如何有效的设计或开发这种蒸发过热器，实验测试是不可缺少的研发 手段。蒸发过热器这一换热器产品，并非新的零部件，而是在制冷空调领域应用多年的产 品，其测试方法也成熟，并且进行测试标准化。
[0004] 在用于0RC系统中蒸发过热器，与传统制冷空调领域蒸发器又显著的不同，其主 要区别是，制冷空调领域蒸发器是冷媒在低压下，吸收热量实现蒸发。而0RC系统中蒸发 器，是在非常高的压力下，实现吸收热量，并蒸发过热。因此在测试方法和装置上也有很大 不同。
[0005] 目前对蒸发器的测试方法主要有两种，一种是传统的制冷空调系统中，利用压缩 机、节流阀等部件，组成制冷的冷媒系统，冷媒在测试件蒸发器内，吸热蒸发；另一种就是基 于0RC系统原理，利用冷媒泵和膨胀机组成冷媒系统，实现对冷媒在高压条件下的，冷媒吸 收热量，蒸发。
[0006] 在传统制冷空调系统中，利用压缩机，冷媒低压下吸收热量蒸发，与废热回收0RC 系统不一致，其无法满足测试性能要求。利用0RC系统原理，采用冷媒泵和膨胀机，可以实 现对冷媒在蒸发器内高压蒸发的实验要求，但系统复杂庞大。尤其是加入膨胀机后，通过对 膨胀机控制，调节蒸发器内压力，非常复杂。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的是现有技术存在的上述问题，为了更加方便测试用于0RC系统中 各类蒸发器的传热和阻力性能试验，充分考虑系统的简单性、可靠性以及测试操作易于调 节不同工况的要求，本发明给出了一种用于测试0RC系统中蒸发器的实验方法和装置。
[0008] 为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：有机郎肯循环0RC系统的蒸发器的 测试装置，包括冷媒工质循环系统、外部热源系统、外部冷却水系统和控制系统，其特征在 于： 所述的冷媒工质循环系统包括储液器、变频高压冷媒泵、冷媒流量计、带有导热油电加 热器的储液箱、蒸发器测试件的冷媒侧、变截面节流阀和冷凝器的冷媒侧； 所述的外部热源系统包括被测蒸发器的热源侧和热源流量计； 所述的外部冷却水系统包括冷凝器的冷却水侧、冷却水流量调节阀和外部冷却装置； 所述蒸发器测试件的冷媒进出口和热源进出口均设置温度和压力传感器。
[0009] 所述的冷媒工质循环系统为蒸发器测试件提供工作介质冷媒；所述的外部热源系 统为蒸发测试件提供热量蒸发；所述的外部冷却水系统为保证冷媒系统正常工作循环。 [0010] 本发明还要提供一种有机郎肯循环0RC系统的蒸发器的测试方法，其特征在于按 以下步骤进行：利用制定热源，加热0RC系统冷媒工质，使冷媒工质在蒸发器测试件内吸 热，沸腾蒸发或过热；调节导热油电加热器预热储液箱内的冷媒，控制蒸发器测试件的冷媒 进口温度在给定值；调节变截面节流阀，控制蒸发器测试件的冷媒进口压力在给定值；调 节变频高压冷媒泵，控制蒸发器测试件的冷媒流量在给定值；测试蒸发器测试件的冷媒出 口的温度和压力。
[0011] 本发明还要提供另一种有机郎肯循环0RC系统的蒸发器的测试方法，其特征在于 按以下步骤进行：利用制定热源，加热0RC系统冷媒工质，使冷媒工质在蒸发器测试件内吸 热，沸腾蒸发或过热；控制蒸发器测试件热源进口温度、压力和流量在给定值；通过调节变 频高压冷媒泵控制冷媒流量，保证冷媒过热度在3?5°C ;测试冷媒流量、热源出口温度和 压力，从而实现测试蒸发器测试件的传热和阻力性能。
[0012] 本发明具有以下有益效果： 1、在本发明的冷媒系统中，利用变频高压冷媒泵来传输冷媒工质，这与传统制冷空调 装置或实验装置有根本区别。传统制冷装置空调中，蒸发器中冷媒是在低压下吸热蒸发，使 用压缩机吸入蒸发器出口气态冷媒工质实现冷媒工质在系统中循环。而本发明是采用变频 高压冷媒泵输送冷媒工质，获得高压冷媒工质在蒸发器内吸热，实现冷媒工质循环。且冷媒 泵由于传输的工质都是液体，其消耗功率较小，且噪声小。
[0013] 2、本发明的冷媒在蒸发器内的蒸发压力的调节是通过一个变截面的节流阀实现 对阀前压力，也即是蒸发器内蒸发压力的调节。这种调节与常规0RC系统有着显著区别。常 规0RC系统装置中，是通过对膨胀机结构或膨胀机转速实现对蒸发压力的调节。这种调节 方式，有很大局限性，其主要表现在，膨胀机的结构一旦定型，其很难改变其流量与压力的 变化。一般都是相对固定在某一个特定区域内，实验变工况能力差。同时，膨胀机转速调节 也受制与膨胀机相连接发电机或其他传动机构。因此，其适应能力受限，在对蒸发器等0RC 零部件的测试装置，不是非�：鲜�。而本发明中，采用简单的变截面节流阀，通过节流阀的 节流作用，在实验装置阀前后，很容易建立其压力差。并且这种压力易于调节，无任何运动 部件，结构简单易行。并且，无噪音或噪音非常小。
[0014] 3、在冷媒系统中，储液箱带有导热油电加热器作为冷媒的预热器，该预热器是用 于调节蒸发器进口冷媒工质处于设定温度。由于冷媒工质大多数属于氟利昂工质，其受到 高温壁面加热时候，容易局部高温裂解，导致冷媒工质失效。为此，本发明的系统装置中，采 用一个带有电加热器的冷媒储液箱。该装置，电加热器采用间接加热方式，如采用电加热导 热油的加热器，对冷媒间接加热。同时，采用储液箱，由于冷媒质量大，从而具有较大的热惯 性，保证冷媒进口温度处于相对稳定的状态，从而保证采用本发明，系统测试数据的稳定性 和准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明有机郎肯循环0RC系统的蒸发器的测试装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016] 参照图1，本发明的有机郎肯循环0RC系统的蒸发器的测试装置，包括冷媒工质循 环系统、外部热源系统、外部冷却水系统和控制系统。
[0017] 所述的冷媒工质循环系统包括储液器1、变频高压冷媒泵2、冷媒流量计3、带有导 热油电加热器13的储液箱4、蒸发器测试件5的冷媒侧、变截面节流阀6和冷凝器7的冷媒 侧。
[0018] 在该系统中，首先，变频高压冷媒泵2把冷媒从储液器1中泵出，升压后进入储液 箱4。冷媒工质在带有导热油电加热器13的储液箱4中被加热，使其处于设定工况条件下 温度后，冷媒进入蒸发器测试件5中的冷媒侧，与外部热源进行热交换后，冷媒在经过节流 阀6后，回到冷凝器7的冷媒侧；在冷凝器内，冷媒与外部冷却水进行热量交换，冷媒由气态 冷凝成液态冷媒后，回流至储液器1中，从而实现冷媒工质的循环。
[0019] 在冷媒循环过程中，控制系统通过对变频器的控制，改变与变频高压冷媒泵2相 连接电机的电流频率，实现对变频高压冷媒泵2的转速调节，从而实现对冷媒泵流量的调 节。
[0020] 冷媒工质经过变频高压冷媒泵2加压后，变成高压的液体冷媒进入储液箱4,在储 液箱中，设置导热油电加热器13,实现电加热间接对冷媒工质温度的控制调节，并避免冷媒 工质遇到高温金属加热面后，冷媒工质的裂解和失效变质。
[0021] 达到设定温度冷媒工质进入蒸发器测试件5内，吸收外部热源的热量，实现热量 交换。在蒸发器测试件5两侧工质进出口，均设置温度传感器和压力传感器，分别测试冷媒 工质和外部热源如热水，热油或高温烟气的进出口温度和压力。并且分别用冷媒流量计3 和热源流量计10,测试冷媒工质和外部热源的质量流量。
[0022] 所述的外部热源系统包括被测蒸发器5的热源侧和热源流量计10。外部热源系 统，其主要功能是提供热源和热量。根据测试件的不同，如热水蒸发器，热油蒸发器以及高 温烟气的蒸发器等，配置不同外部热源。外部热源系统中，需要配置热源流量计10、蒸发器 测试件进出口温度和压力传感器。至于热源系统的其它部件，如泵、阀门、加热器等都是显 而易见的，属于正常的热力管路和系统常用的组合。在本专利中，为了测试不同类型蒸发 器，外部热源配置是不相同的。如，烟气蒸发器，可以采用酒精燃烧器获得高温烟气，热水或 热油采用独立电加热器实现对测试件进口温度和流量以及压力控制控制。
[0023] 所述的外部冷却水系统包括冷凝器7的冷却水侧、冷却水流量调节阀9和外部冷 却装置。所述的外部冷却装置可以的外部冷却塔或独立控制冷却水温度和流量的装置，实 现对外部冷却水温度和流量的控制，进而实现对冷媒工质从气态向液态工质的转变。
[0024] 所述的控制系统可以实现以下调节和控制： 1、 通过变频器，控制变频高压冷媒泵2,实现对冷媒流量控制； 2、 调节变截面节流阀6的开度，实现对蒸发器测试件进口压力的调节和控制； 3、 通过调节导热油电加热器13的功率，调节冷媒进入蒸发器测试件5的进口温度； 4、 通过外部热源的调节，控制外部热源工质进入测试件5的温度和流量及压力； 5、通过调节冷却水流量调节阀9,对外部冷却水的流量进行调节，从而控制冷媒工质在 冷凝器后状态。
[0025] 为了更加方便测试用于0RC系统中各类蒸发器的传热和阻力性能试验，充分考虑 系统的简单性、可靠性以及测试操作易于调节不同工况的要求，本发明给出了一种用于测 试0RC系统中蒸发器的实验方法，按以下步骤进行： 利用制定热源，加热0RC系统冷媒工质，使冷媒工质在蒸发器测试件5内吸热，沸腾蒸 发或过热；调节导热油电加热器13预热储液箱4内的冷媒，控制蒸发器测试件5的冷媒进 口温度T1在给定值；调节变截面节流阀6,控制蒸发器测试件5的冷媒进口压力P1在给定 值；调节变频高压冷媒泵2,控制蒸发器测试件5的冷媒流量在给定值；测试蒸发器测试件 5的冷媒出口的温度T2和压力P2。
[0026] 本发明另一种优选的方式，是以冷媒过热度作为控制对象，具体步骤如下： 利用制定热源，加热0RC系统冷媒工质，使冷媒工质在蒸发器测试件5内吸热，沸腾蒸 发或过热；控制蒸发器测试件5热源进口温度T3、压力P3和流量在给定值；通过调节变频 高压冷媒泵2控制冷媒流量，保证冷媒过热度在3?5°C ;测试冷媒流量、热源出口温度T4 和压力P4,从而实现测试蒸发器测试件的传热和阻力性能。
[0027] 应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何 不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 有机郎肯循环ORC系统的蒸发器的测试装置，包括冷媒工质循环系统、外部热源系 统、外部冷却水系统和控制系统，其特征在于： 所述的冷媒工质循环系统包括储液器（1)、变频高压冷媒泵（2)、冷媒流量计（3)、带有 导热油电加热器（13)的储液箱（4)、蒸发器测试件（5)的冷媒侧、变截面节流阀（6)和冷凝 器（7)的冷媒侧； 所述的外部热源系统包括被测蒸发器（5)的热源侧和热源流量计（10); 所述的外部冷却水系统包括冷凝器（7)的冷却水侧、冷却水流量调节阀（9)和外部冷 却装置； 所述蒸发器测试件（5)的冷媒进出口和热源进出口均设置温度和压力传感器。
2. 如权利要求1所述的有机郎肯循环0RC系统的蒸发器的测试装置，其特征在于所述 的蒸发器测试件（5)是热水蒸发器，热油蒸发器或高温烟气蒸发器中的任何一种。
3. 有机郎肯循环0RC系统的蒸发器的测试方法，其特征在于按以下步骤进行：利用制 定热源，加热0RC系统冷媒工质，使冷媒工质在蒸发器测试件（5)内吸热，沸腾蒸发或过热； 调节导热油电加热器（13)预热储液箱（4)内的冷媒，控制蒸发器测试件（5)的冷媒进口温 度（T1)在给定值；调节变截面节流阀（6)，控制蒸发器测试件（5)的冷媒进口压力（P1)在 给定值；调节变频高压冷媒泵（2)，控制蒸发器测试件（5)的冷媒流量在给定值；测试蒸发 器测试件（5)的冷媒出口的温度（T2)和压力（P2)。
4. 有机郎肯循环0RC系统的蒸发器的测试方法，其特征在于按以下步骤进行：利用制 定热源，加热0RC系统冷媒工质，使冷媒工质在蒸发器测试件（5 )内吸热，沸腾蒸发或过热； 控制蒸发器测试件（5)热源进口温度（T3)、压力（P3)和流量在给定值；通过调节变频高压 冷媒泵（2)控制冷媒流量，保证冷媒过热度在3?5°C ;测试冷媒流量、热源出口温度（T4) 和压力（P4)，从而实现测试蒸发器测试件的传热和阻力性能。
【文档编号】G01N25/18GK104155337SQ201410377377
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】董军启, 王建长, 张荣友, 王斌, 孙小桥, 袁振艺, 许维武 申请人:浙江银轮机械股份有限公司
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