用于润滑测定体积地工作的膨胀机的流体润滑材料的高压侧分离

摘要

本发明涉及一种用于在热动力循环处理装置中润滑膨胀机（30）的方法，其中该循环处理装置包括膨胀机、馈送泵（50）、润滑剂分离器（10）和带有润滑剂的工作介质，并且其中该方法包括步骤。该工作介质借助馈送泵被施加压力。被施加压力的工作介质被馈送泵提供给润滑剂分离器。利用润滑剂分离器将润滑剂的至少一部分从工作介质分离了。所分离的润滑剂的至少一部分由润滑剂分离器提供给膨胀机。本发明还涉及一种热动力的循环处理装置，包括：带有工作剂和润滑剂的工作介质；膨胀机；用于工作介质的压力施加的馈送泵；和用于从工作介质中分离润滑剂的至少一部分的润滑剂分离器；其中该循环处理装置被构造用于将分离的润滑剂的至少一部分由润滑剂分离器提供给膨胀机。

说明书

技术领域

本发明涉及测定体积地（volumetrisch）工作的膨胀机，并且尤其是涉及用 于对其润滑的方法。

背景技术

在现有技术中已知了膨胀机例如蒸汽涡轮机的运行，以及例如借助有机兰 金循环（ORC）方法，该方法用于利用有机介质、例如带低蒸发温度的有机介 质产生电能，其中所述带低蒸发温度的有机介质在相同温度下与作为工作介质 的水相比通常具有较高的蒸发压力。ORC设备是克劳修斯兰金循环的一种实现 方式，其中例如原理上通过工作介质的绝热并且等压的状态变化来获得电能。 通过工作介质的蒸发、膨胀和接着的冷凝，在此获得机械能并且转换为电能。 原则上，工作介质通过馈送泵被带到工作压力上，并且在蒸发器中给其输送热 形式的能量，所述热通过燃烧或者废热流来提供。工作介质从蒸发器中流出经 由压力管至膨胀机，在该膨胀机中工作介质被降压到较低的压力上。接着，被 降压的工作介质蒸汽流过在其中进行在蒸汽状工作介质和冷却介质之间的热交 换的冷凝器，由此冷凝出来的工作介质通过馈送泵在循环中被返回输送给蒸发 器。

膨胀机的特别的等级是测定体积地工作的膨胀机，其也被称为排挤膨胀机 （Verdraengungsexpansionsmaschinen）、包括工作腔并且在工作介质降压时在该 工作腔体积增加期间工作。该膨胀机例如以活塞膨胀机、螺旋膨胀机或者涡杆 式开幅器的形式被实现。这种测定体积地工作的膨胀机尤其是使用在小功率级 别（例如1至500kW电功率）的ORC系统中。然而，与涡轮机相反，测定体 积地工作的膨胀机要求通过润滑材料尤其是对活塞、或者膨胀腔的滚压到彼此 上的轮廓（侧面）以及工作腔的滚动轴承和滑行壁进行润滑。这样，要求对支 承部位和接触的侧面的润滑。润滑剂的使用有利地也导致膨胀机的工作腔的密 封，由此在膨胀机内部很少蒸汽由于过流而逸出并且因此提高了效率。有利地， 所述润滑利用油来进行，其中油和新鲜蒸汽一起经过膨胀机，这使得接下来的 油和蒸汽的分离成为必要的。

在冷却技术中可以简单地实现润滑。这里，将可溶解的油输送给工作介质。 在压缩机的出口处，在压缩蒸汽中存在作为细微分布液滴的油。在高压下形成 的蒸汽油雾现在通过油分离器被引导，在那里油通过旋流器被分离并且冷却剂 蒸汽状地朝向冷凝器地离开油分离器。现在，油在高压下存在并且可以直接注 入到压缩机的入口区域中以及被导送给轴承。所述油携带低压蒸汽、与该蒸汽 一起被带到高压并且然后又可以在油分离器中被分离。

从用于润滑压缩机的方法推导出用于润滑膨胀机的方法。这里，油被添加 给工作介质。油和蒸汽的分离在油分离器中同样在膨胀机的出口处发生。因为 在膨胀的情况下在出口处存在比入口处小的压力，因此油必须通过油循环泵被 带到新鲜蒸汽压力上，以便能够在入口处将油注入到新鲜蒸汽中用于侧面润滑。 此外，这里也必须给支承部位提供油。图1示出了现有技术的这种润滑系统的 原理图。由蒸发器1将工作介质提供给膨胀机2。在膨胀机2中，蒸汽状的工作 介质被降压并且通过发电机3将释放的能量转化为电能。通过油循环泵4将润 滑剂例如润滑油输送给膨胀机2。润滑剂在膨胀机中用于支承部润滑L和侧面润 滑F。润滑剂连同被降压的工作介质离开膨胀机2。润滑剂以细微分布的油雾形 式存在于被降压的工作介质中并且被在油分离器5中与工作介质分离，使得其 基本上无油地从油分离器5被提供给冷凝器6。经冷凝的工作介质通过馈送泵7 又被输送给蒸发器1。重新获得的油通过油循环泵4又被输送给膨胀机2。

然而，现有技术的润滑系统具有下面的缺点。因为润滑剂（润滑油）在低 压侧在经过膨胀机2之后被分离，因此需要设置油循环泵4，因为润滑剂要在高 压侧被输送给膨胀机2，因此该油循环泵4要克服与运送工作介质的馈送泵7一 样的压力差，由此导致带有相应成本的高设备花费。此外，相对大的油分离器5 是必要的，因为离开膨胀机2的废蒸汽具有比输送给膨胀机2的新鲜蒸汽小的 密度、例如小一个数量级的密度。由此形成了带有相应成本的高的材料花费。 由于大的体积而需要对相对高价格的油的大的填充量。此外，借助旋流分离器 或者挡板始终在包含润滑剂的废蒸汽流的明显方向变化下实施润滑剂从工作介 质的废蒸汽的分离，由此与废蒸汽流动的相对大的体积相结合地出现了压力损 失，所述压力损失导致作用于膨胀机2的反压力并且由此导致膨胀机效率的降 低。因此油处于低的压力水平，因此必须使用附加的泵，油循环泵。

此外，相对大的油分离器5由于废蒸汽的相对大的质量或相对大的体积而 具有一定的惯性，其在设备起动或者负载变换时产生不利影响。通常在液体状 态下的带有大致废蒸汽温度的新鲜蒸汽、被注入到新鲜蒸汽中的润滑剂以不希 望的方式减少了新鲜蒸汽温度和新鲜蒸汽焓，这减少了可完成的工作。

因此存在对此的要求并且因此本发明所基于的任务是，提供一种用于润滑 测定体积地工作的膨胀机的方法，在其中上述问题被消除或者至少被缓解。

发明内容

上述的任务通过用于在热动力循环处理装置中润滑膨胀机的方法，其中该 循环处理装置包括膨胀机、馈送泵、润滑剂分离器和带有工作剂和润滑剂的工 作介质，并且其中该方法包括下面的步骤。该工作介质借助馈送泵被施加压力。 被施加压力的工作介质被馈送泵提供给润滑剂分离器。利用润滑剂分离器将润 滑剂的至少一部分从工作介质分离。所分离的润滑剂的至少一部分由润滑剂分 离器提供给膨胀机。

与现有技术不同，按照本发明将润滑剂的至少一部分从通过馈送泵被施加 压力的工作介质中分离。在现有技术中，相反这种分离是从直接离开膨胀机的 工作介质中进行的。设置油循环泵在本发明方法中是多余的，因为分离的润滑 剂处于高压力水平。也可以与现有技术相比小地构造润滑剂分离器，因为润滑 剂的分离是从高密度的液体而不是废蒸汽中进行的。此外，新鲜蒸汽温度/焓按 照本发明没有以不希望的方式由于添加相对冷的润滑剂而降低，因为分离的润 滑剂优选被用于润滑膨胀机的支承部。另外的优点是一方面由润滑剂分离器输 送给膨胀机的润滑剂的适当低的温度，这引起有利的支承部冷却，并且另一方 面是由于相对于现有技术减少的液体物料而使得热动力循环处理装置能快速起 动。

按照一种扩展方案，该循环处理装置还包括冷凝器和蒸发器，本发明的方 法还包括：将工作介质由膨胀机提供给冷凝器，利用冷凝器将工作介质液化， 将液化的工作介质由冷凝器提供给馈送泵，将贫化了润滑剂的工作介质由润滑 剂分离器提供给蒸发器，在蒸发器中对贫化了润滑剂的工作介质进行蒸发，并 且将蒸发的工作介质提供给膨胀机。

在该扩展方案中，将分离的润滑剂的至少一部分提供给膨胀机的润滑部位 例如支承部，而按照该扩展方案，润滑剂的在被输送给膨胀机的工作介质中的 剩余部分用作对测定体积地工作的膨胀机的工作腔的相互滚落或者滑动的部分 进行润滑。在此，润滑剂的剩余部分具有合适于此的温度。剩余的润滑剂也即 在蒸发器中与工作介质一起被加热并且由此不会减少输送给膨胀机的新鲜蒸汽 的能量含量。

按照另一扩展方案，循环处理装置还包括馈送容器，并且将液化的工作介 质由冷凝器提供给馈送泵的步骤可以包括子步骤：（i）将液化的工作介质由冷凝 器提供给馈送容器并且（ii）将工作介质由馈送容器提供给馈送泵。通过这种方 式，提供了用于工作介质的收集容器，馈送泵可以从该收集容器中抽吸工作介 质和润滑剂。

最后提到的扩展方案的扩展方案包括将工作介质由馈送容器提供给馈送 泵、同时从馈送容器中抽吸贫润滑剂的工作介质相和富润滑剂的工作介质相并 且将贫润滑剂的和富润滑剂的工作介质相在馈送容器中混合。由此，可以避免 由工作介质和润滑剂构成的两相悬浮物的相分离对于循环处理装置的运行的不 利后果。由于密度不同，在馈送容器中在较长时间的停止之后或者通过在运行 期间快速的分离速度可以实际这种相分离（去混合），其中可能在启动情况下例 如导致问题，但是这些问题可以通过该扩展方案来解决。

按照一种扩展方案，通过冷凝器液化的工作介质以由工作剂和润滑剂构成 的悬浮物的形式存在，其中尤其是不发生或者仅仅轻微地发生润滑剂在工作介 质中的溶解。轻微的溶解在此是少于15%、优选少于10%、最优选少于5%的润 滑剂在工作介质中溶解。通过这种方式可以将在润滑剂分离器中的润滑剂很好 地与工作介质分离。

分离的润滑剂可以基于压力施加尤其是直接和/或无泵送地、优选流到膨胀 机的润滑部位、尤其是流到膨胀机的支承部；其中优选进行润滑剂至膨胀机的 体积流的调节。这使得另外的泵（油泵）成为多余的并且由此减少了结构花费 和成本。体积流的调节可以借助在润滑剂分离器和膨胀机之间的管线中的调节 阀来进行。

按照另一扩展方案，降低了在润滑剂分离器中的工作介质的流速。这利于 润滑剂和工作剂的相分离。

本发明的方法可以有利地用于润滑有机兰金循环（ORC）设备的测定体积 地工作的膨胀机。因此可以提供有机工作剂形式的工作介质。例如氟化烃可以 用作工作剂。在工作剂典型地基本上蒸汽状地由蒸发器被提供给膨胀机期间， 经贫化的工作介质可以包含液态的、例如小油滴形式的润滑剂部分，它们被工 作剂的蒸汽所携带。小油滴形式的润滑剂例如可以是冷却剂油，其与工作剂结 合具有混合间隙（也参见下面详细说明）。合适的冷却剂油例如基于聚α烯烃 （Polyalphaolefin，PAO，用于润滑剂的基液，例如Fuchs欧洲润滑剂有限公司 的Rensio Synth68）或者基于烷基苯（例如Fuchs欧洲润滑剂有限公司的Rensio  SP220）来制造。

上述的任务也通过热动力循环处理装置来解决，该装置包括：带有工作剂 和润滑剂的工作介质，膨胀机，用于工作介质的压力施加的馈送泵，和用于从 工作介质中分离润滑剂的至少一部分的润滑剂分离器，其中该循环处理装置被 构造用于将分离的润滑剂的至少一部分由润滑剂分离器提供给膨胀机。本发明 的循环处理装置的优点和其扩展方案类似本发明方法和其扩展方案。

本发明的热动力循环处理装置此外可以包括：用于液化工作介质的冷凝器， 和用于蒸发贫化了润滑剂的工作介质的蒸发器，其中循环处理装置被构造用于： 将工作介质由膨胀机提供给冷凝器，将贫化了润滑剂的工作介质由润滑剂分离 器提供给蒸发器，并且将蒸发的工作介质提供给膨胀机。

循环处理装置此外可以包括馈送容器，其中该循环处理装置被构造用于将 液化的工作介质由冷凝器提供给馈送容器并且将工作介质由馈送容器提供给馈 送泵。

此外，设置有抽吸装置用于至少抽吸在馈送容器中漂浮在上面的富润滑剂 的工作介质相或者设置有抽吸装置用于同时从馈送容器中抽吸贫润滑剂和富润 滑剂的工作介质相或者可以设置有混合装置用于将在馈送容器中的贫润滑剂和 富润滑剂的工作介质相混合。

循环处理装置可以是有机兰金循环装置，在其中使用了有机工作介质，并 且膨胀机可以从如下组中选择，该组由活塞膨胀机、螺旋膨胀机、涡杆式开幅 器、叶片式机器和罗茨膨胀机（Rootsexpander）组成。

润滑剂分离器此外可以构造用于将膨胀机的分离的润滑剂的至少一部分输 送给相应的润滑部位，如要润滑的膨胀机支承部。按照一种扩展方案，尤其是 可以设置管线，在其中将在润滑剂分离器中分离的润滑剂导送给膨胀机的润滑 部位，尤其是导送给膨胀机的支承部；并且其中该管线优选可以具有用于润滑 剂的体积流调节的调节阀。

此外，还提供了蒸汽动力厂，例如地热蒸汽动力厂或者生物物质燃料蒸汽 动力厂，其包括按照上述例子之一的装置。

本发明的其他特征和示例性实施方式以及优点下面借助附图被进一步阐 述。应当理解，所述实施方式不详细阐明本发明的范围。此外，应当理解，下 面描述的特征的全部或者部分也可以以其他方式相互组合。

附图说明

图1描述了按照现有技术的测定体积的膨胀机的润滑系统。

图2示例性说明了按照本发明的用于测定体积的膨胀机的润滑系统。

图3示意性描述了馈送容器中工作介质的不同状态。

图4说明了带有用于同时提取富油相和贫油相的抽吸枪的馈送容器。

具体实施方式

如在图2中所示，按照本发明例子的用于在热动力循环处理装置中的测定 体积的膨胀机的润滑系统包括润滑剂分离器（举例来说油分离器）10，该润滑 剂分离器在循环处理中布置在馈送泵50和蒸发器20之间。蒸发器20产生完全 或部分地被蒸发的工作介质（新鲜蒸汽），所述被蒸发的工作介质被提供给膨胀 机30，该膨胀机通过工作介质来驱动并且与发电机40共同作用地用于获得电能。 工作介质作为润滑材料工作剂雾离开膨胀机30并且流向冷凝器60。在冷凝器 60中进行工作介质的液化，其中不应当发生或者仅仅轻微地发生润滑剂在工作 介质中的溶解。液化的工作介质优选在馈送容器70中被收集。馈送泵50从馈 送容器70中抽吸液体的工作介质，提高其压力并且将其馈送到润滑剂分离器10 中。由润滑剂和工作剂构成的悬浮物被带到新鲜蒸汽压力上。工作介质由实际 的工作剂和润滑剂构成。分离的润滑剂直接地从润滑剂分离器10、也即没有其 他泵地被提供给膨胀机30的支承部用于其润滑和冷却。被贫化了润滑剂的工作 介质于是又被输送给蒸发器20，并且接着循环处理。

在现有技术中，如上面参照图1所描述的一样，从废蒸汽流也即低压侧进 行润滑剂的分离，而按照本发明在高压侧从掺有润滑剂的工作介质中分离润滑 剂的至少一部分。在将润滑剂从工作介质分离的情况下，有利地充分利用工作 剂和润滑剂的不同密度。在润滑剂分离器10中的内部布置以及横截面的加宽和 由此而来的流速的减小有利于相分离。通常，可以在润滑剂分离器10的上部区 域中导出润滑剂。因为导出的润滑剂处于高的压力水平，因此可以直接例如通 过管线将其导向膨胀机30的支承部位。

由于油在工作剂中的轻微的可溶解性，部分润滑剂经过润滑剂分离器10并 且与工作剂一同被导向蒸发器20。这里，润滑剂也以液体形式离开蒸发器20， 但是以新鲜蒸汽温度。精细分布在蒸汽中的润滑剂负责在膨胀机30中的可靠的 侧面润滑。

应当提到本发明的下面的优点。因为大密度液体被分离，因此得到润滑剂 分离器10的紧凑的结构方式。仅仅产生小的压力损失。润滑剂（油）具有为相 应的应用合适的温度。热油被用于边缘润滑，并且冷油被用于支承部润滑和冷 却。由于相对于现有技术减少的液体物料而得到该循环处理装置的更快速的起 动。因为按照所描述的例子，在油分离器10中分离的润滑油处于高压，使得其 可以由于压力自由地流向膨胀机30，因此没有必要提供用于润滑剂的另外的泵 装置。但是可以以有利的方式在油分离器和膨胀机之间使用减压阀（调节阀）， 以便例如调节在不同工作点时出现的润滑剂体积流波动。

另外的优点在于，与现有技术相比较小的通过油分离器10的每时间体积， 使得其可以被比较紧凑地构造，由此获得空间节省和成本节省。此外，减少了 在膨胀机30之后的压力损失，并且与传统的在膨胀机30之后布置油分离器10 的配置相比，压差可以通过膨胀机30来增加，从而可以提高膨胀机30的效率。

在本发明的结构实施方式中使用了具有足够大混合间隙的工作介质。这意 味着，形成贫油液相和富油液相。如果例如由纯冷却剂出发并且添加油，则这 可以取决于温度地直至一定百分比地被溶解到工作介质中。如果进一步提高油 浓度，则构成两相混合物，其由贫油的和富油的液相构成。如果继续添加油， 则最后形成一致的富油相。

工作剂例如可以以氟化烃形式例如R134a、R245fa的形式被提供，润滑剂 可以以冷却油的形式被提供。合适的冷却剂油例如基于聚α烯烃 （Polyalphaolefin，PAO，用于润滑剂的基液，例如Fuchs欧洲润滑材料有限公 司的Rensio Synth68）或者基于烷基苯（例如Fuchs欧洲润滑材料有限公司的 Rensio SP220）来制造。润滑油一般具有相对于工作介质明显提高的沸点温度， 使得在穿过蒸发器20之后液化地以小液滴的形式存在于工作介质的工作蒸汽 中。

然而系统的起动是成问题的，在该系统中两相的混合物由于在馈送容器70 中的密度差别例如在较长的停止之后也或者由于在运行中快速的分离速度而分 离。在图3的右边部分中示意性示出在馈送容器70中的这样的相分离（去混合）， 其中M1表示贫油相，M2表示富油相，相反，在图3的右边部分中，示出了在 运行期间两相的混合物M1+M2。在传统馈送容器中，如其在冷却设备也或在 ORC设备中出现的一样，工作介质在底部被抽出，从而在相分离的情况下仅仅 贫油相M1到达馈送泵。为了解决该问题，馈送容器可以被扩充抽吸装置71， 这例如可以是抽吸枪，如其在图4中所示。抽吸枪例如具有一个或多个上部的 和一个或多个下部的孔，借助这些孔可以定义富油相和贫油相的体积流的比例。 在抽吸枪的入口上相应地恰好出现平衡在抽吸枪中的压力损失的流动速度。通 过这些孔的直径以及其数量和布置可以调节所抽吸的体积流的比例。在抽吸枪 的在下面导向馈送泵的管道部分中，两种相被混合并且在润滑剂分离器中又被 相互分离。在示例性所述的固定抽吸枪71的情况下，在存在两种相时它们以设 定的体积比被抽吸。

然而抽吸装置也可以结构上以不同的方式来表示。在存在两种相时，可以 通过可运动结构的漂浮物来至少抽吸漂浮在上面的相。在存在两种相时，可以 通过可开关的阀来至少抽吸漂浮在上面的相。可以通过由体积流驱动的混合轮 来混合这两种相，使得在存在两种相时将它们混合地抽吸。可以通过电动机驱 动的混合轮来将这两种相混合，使得在存在两种相时将它们混合地抽吸。

总之，本发明涉及用于从液体工作介质中分离润滑剂的装置和方法。出于 该原因使用工作剂-油对，在其中油和工作剂仅仅轻微地相互溶解。因此在润滑 剂分离器中用于在膨胀机中进行支承部润滑和冷却的油可以被导出。因为在馈 送容器中可出现去混合，因此必须通过装置来保证，在该情况下抽吸两种相， 这例如可通过抽吸枪来实现。