CN100338413C - 热电联产系统 - Google Patents

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Abstract

一种热电联产系统，包括：发动机(50)，驱动发电机(52)发电；制冷/制热单元(60)，包括至少一压缩机(61)、四通阀(62)、室外热交换器(63)、膨胀设备(64)及室内热交换器(65)，以建立热泵型制冷剂循环；冷却水供热装置(80)，将用于冷却发动机(50)的冷却水的热供应至制冷/制热单元(60)的压缩机(61)的吸入侧，并预热流经室外热交换器(63)的空气；及排出侧制冷剂过热器(70)，将从发动机(50)排出的废气的热供应至压缩机(61)排出侧。按照该热电联产系统，能够在防止压缩机故障的同时最大化地吸收发动机(50)的废热，从而提高室内热交换器(65)的制冷剂冷凝温度及室外热交换器(63)的制冷剂预热温度。因此实现制热性能的提高。

Description

热电联产系统
技术领域
本发明涉及一种从发动机产生的电和废热都被使用于其内的热电联产系统(cogeneration system)；尤其涉及这样一种热电联产系统，在该热电联产系统内，从发动机产生的废热被供应至压缩机的吸入侧和排出侧以及室外热交换器，以实现制热性能的提高。
背景技术
通常，热电联产系统适于从单一能源中产生电和热。
这种热电联产系统能够回收在发电操作过程中从发动机或者涡轮机产生的废气的热或冷却水的废热，以使该热电联产系统能够实现比其它系统提高70％至80％的能量效率。由于这个优点，近来热电联产系统作为建筑物的电热供应源而尤为引人关注。特别是，在回收的废热主要用于加热或冷却有限空间以及用于加热水的方面，该热电联产系统显示了高效的能量利用。
图1是显示用在制热/制冷装置中的传统热电联产系统的结构示意图。
如图1所示，该传统热电联产系统包括燃气(gas)发动机1和发电机3，该发电机3是由从燃气发动机1输出的驱动力驱动以发电。从发电机3产生的电力用在各种设备中，包括制冷/制热单元20、照明设备和其它电子产品。
在该热电联产系统中，从燃气发动机1产生的废热，也就是当冷却水冷却燃气发动机1时产生的冷却水的热和从燃气发动机1产生的废气的热，在制冷/制热单元20的制热操作过程中被使用。
这里，制冷/制热单元20是热泵型的，以使该制冷/制热单元20不仅能够被用作制冷单元，也能够在制冷剂循环中的制冷剂流动方向被反向的状态下被用作制热单元。如在通常的热泵型结构中，制冷/制热单元20包括：压缩机21、四通阀23、室外热交换器25、室外风扇26、膨胀(expansion)设备27以及室内热交换器29。
特别是，空气预热热交换器30被设置在室外热交换器25的一侧，以在制冷/制热单元20的制热操作过程中，使用燃气发动机1的废热来预热环绕室外热交换器25流通的空气。
为了将废热供应至制冷/制热单元20，该热电联产系统还包括：冷却水热交换器5，以回收用于冷却燃气发动机1的冷却水的热；以及设置在排气管7处的废气热交换器9，以回收废气的热。
冷却水热交换器5和废气热交换器9通过传热介质流经的传热管线11而与制冷/制热单元20的空气预热热交换器30连接，以便在制冷/制热单元20的制热操作过程中将废热供应至空气预热热交换器30。因此，该热电联产系统回收发动机热和废气热，使用回收的热、通过空气预热热交换器30而预热室外空气，并且使预热的空气与室外热交换器25进行热交换，从而防止了当室外空气的温度较低时可能发生的制冷/制热单元20制热性能的降低。
当制冷/制热单元20在制冷模式运行时，传热介质的流径被改变，以与和传热管线11连接的散热管线13相连通，这是因为不必供应废热。在这种情况下，废热通过散热器17被排放到大气中，其中该散热器17包括热交换器15和散热器风扇16；或者，废热被供应至并使用于热水器、热水供应装置或其它系统中。
在图1中，附图标记P表示泵，每一泵用于驱使传热介质流经传热管线11的相关部分；附图标记V表示阀，每一阀用于在传热管线11和散热管线13之间转换传热介质的流径。
但是，由于从燃气发动机1产生的废热仅用于通过空气预热热交换器30预热室外热交换器25，因此传统热电联产系统在制热操作过程中提高制热性能方面具有局限性。
发明内容
鉴于上述问题而提出本发明，并且本发明的一个目的在于提供一种热电联产系统，其中从发动机产生的废热不仅被供应至压缩机的吸入侧和排出侧，而且被供应至室外热交换器以预热流经室外热交换器的制冷剂，从而实现在制热操作过程中制热性能的提高。
根据本发明的一个方案，本发明提供一种热电联产系统，包括：发动机，其驱动发电机发电；制冷/制热单元，其包括至少一个压缩机、四通阀、室外热交换器、膨胀设备以及室内热交换器，以建立热泵型制冷剂循环；冷却水供热装置，在该制冷/制热单元的制热操作过程中将用于冷却该发动机的冷却水的热供应至该制冷/制热单元的该压缩机的吸入侧，并且预热流经该室外热交换器的空气；以及排出侧制冷剂过热器(over-heater)，在该制冷/制热单元的制热操作过程中将从该发动机排出的废气的热供应至该压缩机的排出侧。
该冷却水供热装置可以包括：吸入侧过热热交换器，以在该压缩机的吸入侧制冷剂管线和冷却水管线之间进行热交换，以传递该发动机的冷却水热；以及预热热交换器，设置在该室外热交换器的上游空气流动区，以接收该发动机的冷却水热，从而预热室外空气。
该冷却水供热装置还可以包括冷却水热交换器，其经由该冷却水管线而连接至该发动机，以回收该发动机的冷却水热。该吸入侧过热热交换器和该预热热交换器可以接收来自该冷却水热交换器的该冷却水热。
该热电联产系统还可以包括设置在该冷却水管线处的冷却水散热单元，以散发该冷却水的热，其中该冷却水管线从该发动机延伸至该冷却水热交换器。
该冷却水供热装置可以首先通过该吸入侧过热热交换器来接收冷却水热，并可其次通过该预热热交换器来接收冷却水热。
该冷却水供热装置还可包括：从该压缩机的该吸入侧制冷剂管线分支出的旁路管线；以及设置在该吸入侧制冷剂管线内的阀，以在该吸入侧制冷剂管线和该旁路管线之间改变制冷剂路径；由此，该制冷剂旁路管线和该阀用于使在该吸入侧制冷剂管线中的制冷剂不经过该吸入侧过热热交换器而流动。
该排出侧制冷剂过热器可以包括：设置在该发动机的排气管处的废气热交换器，以回收该废气热；以及排出侧过热热交换器，以在接受由该废气热交换器回收的热的管线与该压缩机的排出侧制冷剂管线之间进行热交换。
该排出侧制冷剂过热器还可以包括：从该压缩机的该排出侧制冷剂管线分支出的旁路管线；以及设置在该排出侧制冷剂管线内的阀，以在该排出侧制冷剂管线和该旁路管线之间改变制冷剂路径；由此，该制冷剂旁路管线和该阀用于使在该排出侧制冷剂管线中的制冷剂不经过该排出侧过热热交换器而流动。
根据本发明的另一方案，本发明提供一种热电联产系统，包括：发动机，其驱动发电机发电；制冷/制热单元，其包括至少一个压缩机、四通阀、室外热交换器、膨胀设备以及室内热交换器，以建立热泵型制冷剂循环；以及冷却水供热装置，在该制冷/制热单元的制热操作过程中首先将用于冷却该发动机的冷却水的热供应至该制冷/制热单元的该压缩机的吸入侧，其次将该冷却水热供应至该室外热交换器，从而预热流经该室外热交换器的空气。
在本发明的热电联产系统中，该发动机的冷却水热被供应至该压缩机的吸入侧，并且该发动机的废气热被供应至该压缩机的排出侧。因此，能够在防止压缩机故障的同时最大化地吸收该发动机的废热，从而提高室内热交换器的制冷剂冷凝温度。因此，实现了制热性能的提高。
另外，本发明的热电联产系统被成形以使该发动机的冷却水热被用以预热该室外热交换器。因此，能够防止当环境温度较低时制热性能的降低，从而实现制热性能的提高。
附图说明
在结合附图阅读以下的详细描述后，本发明的上述目的、其它特征以及优点将变得更为明显，其中：
图1是显示传统热电联产系统的结构示意图；
图2是显示根据本发明的优选实施例的热电联产系统的结构示意图；
图3是显示根据本发明的另一优选实施例的热电联产系统的结构示意图，其中使用多个室内热交换器；以及
图4是显示根据本发明的又一优选实施例的热电联产系统的结构示意图，其中使用多个制冷/制热单元。
具体实施方式
在下文中，将结合附图描述根据本发明的热电联产系统的优选实施例。
图2是显示根据本发明的优选实施例的热电联产系统的结构示意图。
如图2所示，该热电联产系统包括：发动机50，其使用化石燃料如天然气或者石油气来运转；发电机52，使用发动机50的驱动力来发电；设置在排气管54处的废气热交换器72，以回收从发动机50排出的废气的热；冷却水热交换器82，以回收发动机50的冷却水的热；以及散热器88，以散发冷却水热。
该热电联产系统还包括制冷/制热单元60，其利用从发动机50产生的废热来使用热泵型制冷剂循环。该制冷/制热单元60包括：至少一个压缩机61、四通阀62、室外热交换器63、风扇63a、膨胀设备64以及室内热交换器65，像通常的热泵型制冷/制热单元一样，制冷/制热单元60能够按照在该制冷/制热单元的制冷剂循环中制冷剂流动的反向而用作制冷单元及制热单元。
特别是，该热电联产系统还包括：排出侧制冷剂过热器70，将从发动机50排出的废气的热供应至包括在制冷/制热单元60中的压缩机61的排出侧；以及冷却水供热装置80，将用于冷却发动机50的冷却水的热供应至压缩机61的吸入侧，并预热流经室外热交换器63的空气。
该排出侧制冷剂过热器70包括设置在排气管54处的第一废气热交换器72，以与流经排气管54的废气进行热交换。排出侧制冷剂过热器70还包括排出侧过热热交换器74，以在接收由第一废气热交换器72回收的热的管线73与压缩机61的排出侧制冷剂管线67之间进行热交换。
制冷剂旁路管线69是从压缩机61的排出侧制冷剂管线67分支出的。多个阀69a也设置在排出侧制冷剂管线67内，以在排出侧制冷剂管线67和制冷剂旁路管线69之间改变制冷剂路径。制冷剂旁路管线69和多个阀69a用于使排出侧制冷剂管线67中的制冷剂直接流向四通阀62，而不流经排出侧过热热交换器74。
冷却水供热装置80包括：吸入侧过热热交换器84，以在压缩机61的吸入侧制冷剂管线66和管线81、83之间进行热交换，以传递发动机50的冷却水热；以及预热热交换器89，设置在室外热交换器63的空气流动区，以接收发动机50的冷却水热，从而预热室外空气。
冷却水热交换器82也包括在冷却水供热装置80中，该冷却水热交换器82经由冷却水管线81连接至发动机50，以回收发动机50的冷却水热。吸入侧过热热交换器84和预热热交换器89接收来自冷却水热交换器82的冷却水热。
也就是说，在冷却水供热装置80中，吸入侧过热热交换器84首先通过传热管线83接收冷却水热，其中该传热管线83延伸通过冷却水热交换器82，并且预热热交换器89其次通过传热管线83接收冷却水热。
冷却水散热单元85设置在冷却水管线81处，以散发冷却水的热，其中该冷却水管线81从发动机50延伸至冷却水热交换器82。
为了将冷却水的热散发到大气中，冷却水散热单元85包括：从冷却水管线81分支出的散热管线87；阀86，使冷却水管线81中的冷却水旁路(bypass)通过散热管线87；以及设置在散热管线87处的散热器88。散热器88可以被连接至其它系统以使用冷却水的废热，就如同上述情形，其中废气的热被用来加热水或者用来供应热水。
制冷剂旁路管线68是从压缩机61的吸入侧制冷剂管线66分支出的。多个阀68a也设置在吸入侧制冷剂管线66内，以在吸入侧制冷剂管线66和制冷剂旁路管线68之间改变制冷剂路径。制冷剂旁路管线68和多个阀68a用于使吸入侧制冷剂管线66中的制冷剂不经过吸入侧过热热交换器84而流动。
在图2中，附图标记P表示泵，每一泵用于使传热介质流经相关的管线。
另一方面，图3是显示根据本发明的另一优选实施例的热电联产系统的结构示意图，其中使用多个室内热交换器。在这种情况下，多个室内热交换器65A、65B和65C串联或者并联地设置在单个制冷/制热单元60中，以分别冷却或者加热多个有限的空间。
相应于图2的图3结构的组成元件分别由相同的附图标记表示，在此不予赘述。同样地，相应于图2的、下文将描述的图4结构的组成元件也分别由相同的附图标记表示，在此不予赘述。
图4是显示根据本发明的又一优选实施例的热电联产系统的结构示意图，其中使用多个制冷/制热单元。在这种情况下，分配器90、95和96分别设置在吸入侧制冷剂管线66、排出侧制冷剂管线67和传热管线83处，以将热分配给多个制冷/制热单元60A、60B和60C。
同时，上述热交换器可以根据给定的设计条件或者给定需求而具有各种传热结构，例如，其中通过热导体进行传热的传热结构，或者其中通过存在于热交换器中的流体进行传热的传热结构。
下面将描述根据本发明的热电联产系统的运行。
由来自发动机50的驱动力产生的电力可以用来运转制冷/制热单元60的压缩机61以及不同的控制器。
在制冷/制热单元60的制热操作过程中，制冷剂流经压缩机61、四通阀62、室内热交换器65、膨胀设备64以及室外热交换器63，以此顺序进行制热操作。
在这种情况下，经过吸入侧制冷剂管线66被吸向压缩机61的制冷剂，首先在流经吸入侧过热热交换器84时由发动机50的冷却水的热来预热，然后被引入压缩机61。
随后，经过排出侧制冷剂管线67从压缩机61排出的制冷剂，在流经排出侧过热热交换器74时由排出侧过热热交换器74加热，并被供应向室内热交换器65。
由于如上所述，制冷剂在压缩机61的吸入侧和排出侧由发动机50的废热来预热，所以在制冷剂的温度被升高到期望水平的条件下，制冷剂流经用作冷凝器的室内热交换器65。因此，能够将较高温度的热提供至有限的空间，从而实现制热性能的提高。
特别是，压缩机61的吸入侧使用冷却水热和次要(secondary)的废气热，该次要的废气热被保持在比用在压缩机61的排出侧的废气热的温度相对低的温度上。因此，能够防止制冷剂被过度预热，从而防止制冷剂在流经压缩机61时升温过高。但是在压缩机61的排出侧，制冷剂在流经保持在相对高温的排出侧过热热交换器74时吸收高温的热，随后流经室内热交换器65。因此，能够防止压缩机61由于升压过高而被损坏。
另外，由于吸入侧制冷剂管线66间接地连接至冷却水热交换器82，以使该吸入侧制冷剂管线66经由吸入侧过热热交换器84而与冷却水热交换器82进行热交换，因此能够防止制冷剂被过度加热从而迅速退化。
当制冷/制热单元60以制冷模式运行或者停止其制冷/制热运行时，必须防止从发动机50产生的废气的热和冷却水的热被供应至制冷/制热单元60。因此，在这种情况下，吸入侧制冷剂管线66的多个阀68a、排出侧制冷剂管线67的多个阀69a以及冷却水管线81的阀86分别选择性地运行以改变与废气热和冷却水热相关的流体路径。
因而，制冷/制热单元60中的制冷剂流经旁路管线68和69，以使在制冷剂的温度被保持在正常水平的条件下，制冷剂通过制冷剂循环而流通。因此，制冷操作被正常地进行。
同时，设置在室外热交换器63上游(upstream)的预热热交换器89接收由冷却水热交换器82回收的冷却水热，并且预热在制冷/制热单元60的制热操作过程中用作蒸发器的室外热交换器63。因此，能够防止在环境温度相当低的条件下制冷/制热单元60的制热性能被降低。
从以上描述明显看出，在本发明的热电联产系统中，该发动机的冷却水热被供应至该压缩机的吸入侧，并且该发动机的废气热被供应至该压缩机的排出侧。因此，能够在防止压缩机故障的同时最大化地吸收该发动机的废热，从而提高该室内热交换器的制冷剂冷凝温度。因而，实现了制热性能的提高。
另外，本发明的热电联产系统成形为使得该发动机的冷却水热被用于预热该室外热交换器。因此，能够防止当环境温度较低时制热性能的降低，从而实现制热性能的提高。
虽然为示例性的目的已揭示本发明的优选实施例，然而本领域技术人员应理解在不脱离如随附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神内，可以做出各种修改、添加和替换。

Claims (10)

1.一种热电联产系统，包括：
一发动机(50)，其驱动一发电机(52)发电；
一制冷/制热单元(60)，其包括：至少一个压缩机(61)、一四通阀(62)、一室外热交换器(63)、一膨胀设备(64)以及一室内热交换器(65)，以建立热泵型制冷剂循环；
一冷却水供热装置(80)，在该制冷/制热单元(60)的制热操作过程中将用于冷却该发动机(50)的冷却水的热供应至该制冷/制热单元(60)的该压缩机(61)的吸入侧，并且预热流经该室外热交换器(63)的空气；以及
一排出侧制冷剂过热器(70)，在该制热操作过程中将从该发动机(50)排出的废气的热供应至该压缩机(61)的排出侧。
2.根据权利要求1所述的热电联产系统，其中该冷却水供热装置(80)包括：
一吸入侧过热热交换器(84)，以在该压缩机(61)的吸入侧制冷剂管线(66)和冷却水管线(81，83)之间进行热交换，以传递该发动机(50)的冷却水热；以及
一预热热交换器(89)，设置在该室外热交换器(63)的上游空气流动区，以接收该发动机(50)的冷却水热，从而预热室外空气。
3.根据权利要求2所述的热电联产系统，其中：
该冷却水供热装置(80)还包括冷却水热交换器(82)，该冷却水热交换器(82)经由该冷却水管线(81)连接至该发动机(50)，以回收该发动机(50)的冷却水热；并且
该吸入侧过热热交换器(84)和该预热热交换器(89)接收来自该冷却水热交换器(82)的冷却水热。
4.根据权利要求3所述的热电联产系统，其中还包括：
一冷却水散热单元(85)，设置在该冷却水管线(81)处，以散发该冷却水的热，其中该冷却水管线(81)从该发动机(50)延伸至该冷却水热交换器(82)。
5.根据权利要求2所述的热电联产系统，其中该冷却水供热装置(80)首先通过该吸入侧过热热交换器(84)接收冷却水热，其次通过该预热热交换器(89)接收冷却水热。
6.根据权利要求2所述的热电联产系统，其中该冷却水供热装置(80)还包括：
从该压缩机(61)的该吸入侧制冷剂管线(66)分支出的一旁路管线(68)；以及
设置在该吸入侧制冷剂管线(66)内的一阀(68a)，以在该吸入侧制冷剂管线(66)和该旁路管线(68)之间改变制冷剂路径；
由此，该制冷剂旁路管线(68)和该阀(68a)用于使在该吸入侧制冷剂管线(66)中的制冷剂不经过该吸入侧过热热交换器(84)而流动。
7.根据权利要求1所述的热电联产系统，其中该排出侧制冷剂过热器(70)包括：
一废气热交换器(72)，设置在该发动机(50)的排气管(54)处，以回收废气热；以及
一排出侧过热热交换器(74)，以在接收由该废气热交换器(72)回收的热的管线(73)与该压缩机(61)的排出侧制冷剂管线(67)之间进行热交换。
8.根据权利要求7所述的热电联产系统，其中该排出侧制冷剂过热器(70)还包括：
从该压缩机(61)的该排出侧制冷剂管线(67)分支出的一旁路管线(69)；以及
设置在该排出侧制冷剂管线(67)内的一阀(69a)，以在该排出侧制冷剂管线(67)和该旁路管线(69)之间改变制冷剂路径；
由此，该制冷剂旁路管线(69)和该阀(69a)用于使在该排出侧制冷剂管线(67)中的制冷剂不经过该排出侧过热热交换器(74)而流动。
9.一种热电联产系统，包括：
一发动机(50)，其驱动一发电机(52)发电；
一制冷/制热单元(60)，其包括：至少一个压缩机(61)、一四通阀(62)、一室外热交换器(63)、一膨胀设备(64)以及一室内热交换器(65)，以建立热泵型制冷剂循环；以及
一冷却水供热装置(80)，在该制冷/制热单元(60)的制热操作过程中首先将用于冷却该发动机(50)的冷却水的热供应至该制冷/制热单元(60)的该压缩机(61)的吸入侧，其次将冷却水热供应至该室外热交换器(63)，从而预热流经该室外热交换器(63)的空气。
10.根据权利要求9所述的热电联产系统，其中该冷却水供热装置(80)包括：
一吸入侧过热热交换器(84)，在该制冷/制热单元(60)的制热操作过程中以在该压缩机(61)的吸入侧制冷剂管线(66)和冷却水管线(81、83)之间进行热交换，以传递该发动机(50)的冷却水热；以及
一预热热交换器(89)，设置在该室外热交换器(63)的上游空气流动区，以在该制热操作过程中接收该发动机(50)的冷却水热，从而预热室外空气。
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