CN1010240B - 电热共生系统 - Google Patents

Abstract

一种电、热共生系统采用一台液体冷却的原动机，用以现场产生电和热能。一种辐射热阻滞材料(46)(54)(28)包围原动机，以防止它通过辐射而冷却。由此其余的辐射热量为冷却液所吸收，以被一热交换器(38)取出。

Description

本发明涉及一种电、热共生系统（Cogeneration    system），尤其是涉及一种就地产生电和热能的电、热共生系统。

提供现场电和热能需要的电、热共生是一项已被证实的技术，这项技术由于其工作效率的提高而对于小能量的用户变得有价值。联邦法律也为利用电、热共生系统的用户提供有效的经济鼓励。公用事业公司被要求在电、热共生设备关闭后提供备用电力，以及必须购买所产生的任何过剩电力。

为了为具有电力和热能需要的小能量用户研制一种经济而富有生命力的电、热共生设备，长期以来先有技术作了大量的研究和设计工作。一种令人满意的设备必须是结构紧凑，又能完全自动地、基本上无噪声地运行。安装和运行都必须很简便，最重要的是，它必须能高效率地将工作燃料中所含的高百分率的能量变换成电和热能，用于各种现场的电，冷却和加热的需要，其价格与中央公用设施相比又富有竞争性。

一种典型的先有技术电、热共生设备采用了与发电机相配合的水冷式内燃机。这样一种内燃发电机组的效率很大程度上取决于所谓的“余热”的量，这种余热可以从发动机的废气和发动机的冷却液中回收，用于加热和冷却的需要。在许多情况下，内燃发电机组就露天地装在混凝土座或类似的机座上，而没有努力去回收通过辐射到大气而损失的热量。事实上，许多用于发动机冷却的设计都依赖于热辐射。

在先有技术的某些系统中，为了俘获辐射的热量，以及也为了衰减工作声级，发动机和发电机是安装在一个绝热的外壳内的。1981年4月 14日颁发给伯纳（Berner）的美国专利No.4，262，209和1985年1月29日颁发给南宁尼（Nannini）等人的美国专利No.4，495，901代表了这种类型的装置。后一项专利讲授了一种系统，其中发动机的吸入空气经过外壳循环而预热，这样会俘获一些辐射热量，以及减低外壳内的气温。可是，有证据说明汽化器不能吸入足够的加热空气，以将外壳的温度保持足以低到防止热量损坏各种位于发动机和发电机外部的部件。此外，空气的预热会导致发动机所加燃油的浓度降低，以及有害地减低了发动机的额定功率。

1980年10月7日颁发给帕拉泽特（Palazzeti）的美国专利No.422，6，214和1985年10月22日颁发给伊洛纳（Ylonen）等人的美国专利No.4，548，164也公开了安装在空气穿过其内循环的绝热外壳内的电、热共生设备。

采用发动机外壳的先有技术系统的一个附加的缺点是它们的汽化器在外壳内的位置。因为油/气混合物总是可能漏入外壳内，所以这就存在严重的爆炸危险。

毫无例外，先有技术系统俘获辐射热量的效率是很低的，即使有效率稍高的，也少之又少。空气循环系统具有所述的缺点，以及必然还需要循环风扇或热交换器等，所有这些会增加费用和复杂性。

先有技术中还有其它一些系统，它们通过将发动机放置在一个不漏水的外壳内，该不漏水的外壳再浸入一个水箱内，而形成噪声衰减和发动机冷却的组合体。这些系统已公开于1973年3月27日颁发给蒙特勒斯（Monteilus）的美国专利No.3，723，027和1974年4月16日颁发给默里（Murray）的美国专利No.3，805，082。后一项专利的系统使空气通过密闭的发动机空间而循环，用来冷却发动机。

先有技术的学说没有一个看来似乎认识到制止辐射热量损失的重要性。当发动机封闭在一个绝热的外壳内时，热量一直辐射，直至外壳的 空气达到接近发动机温度的温度。当发动机起动后，外壳当作吸热装置吸收热量，并使发动机缓慢变热，而当发动机关闭时，则散发那些热量。发动机频繁的起动和关闭会显著地减低系统的效率。虽然，如上文所述，用一个循环风扇来抽走一部分热空气用作发动机的吸入空气，情况也不会显著地改善，而一些热交换器不是足以有效的。显然，由于发动机冷却的必然结果，辐射热量的损失在先有技术中是可被接受的。

与热辐射对于发动机的适当冷却是必不可少的传统思想相反，本发明的目的是提供一种基本上制止了这种热辐射的电、热共生系统。通过使发动机的近乎全部“余热”保持在发动机废气和冷却液内，发动机的几乎全部热量可被俘获而用于加热和冷却需要。

本发明的另一个目的是提供一种不需要发动机起动和关闭时大量密闭气体的不经济的加热和冷却的电、热共生系统。最新的研究证实了一个先有技术系统由于连续冷起动的结果降低了总的热效率，从而表明将系统温度达到适当的热回收率需要18分钟。

本发明的再一个目的是提供这样一种电、热共生系统，通过使发动机迅速地达到适当的工作温度，并使它在较长时间内保持高温，本系统还能防止润滑油分解，以及大大地减少发动机内酸的形成和油泥的凝聚。

根据本发明的一种电、热共生系统，该系统包括一台以工作时产生热量为特点的原动机（14），含有从该原动机的外表面所辐射的热量;一台与所述原动机相耦合，由所述原动机所驱动的功率转换器（28），一个用以从所述原动机的废气中抽取热量的废气热交换器，一个与该系统冷却流体套进出口连接的第二热交换器，使冷却流体经过该原动机而循环，用来收集由该原动机所产生的热量，和把经过加热的冷却流体从所述原动机输送到抽取经过加热的冷却流体的热量的所述第二热交换器的泵装置（36），以及围绕所述原动机的容器装置（10），其特征在于：所述容器装置（10）含有足以包围该原动机的低热传导率材料（46）（54）（23）（27）， 用以显著地减低从该原动机辐射的热量的流动，所述低热传导率材料起着一种能使该辐射热量由该冷却流体所吸收的热障的作用。通过移去位于原动机即发动机外部的可动部件，以及用低热传导率材料包住发动机的外表面，而基本上排除电、热共生系统的辐射热量的浪费。这种材料可以是真空情况下的空气，诸如氩或类似的惰性气体，但最好是例如蛭石的流动颗粒性材料。蛭石屑被配置在发动机外壳内，复盖发动机的所有外表面。之所以可以这样做是由于拆除了诸如风扇，风扇皮带等可动部件。

低热传导率材料阻止了辐射热量的逸散。而这种热量基本上全部为发动机废气和冷却液所吸收，利用通常的热交换器等可从发动机废气和冷却液中有效地取出热量。这种布置使系统的总效率提高大约10%的数量级。

虽然电、热共生设备可以烧包括柴油和汽油的各种燃料，但是最好是丙烷，尤其是天然气，因为它们廉价且容易买到。由于汽化器位于外壳外部，本系统的发动机外壳内就不大可能出现天然气的泄漏。况且，即使燃料管路出现泄漏，由于发动机外壳充满低热传导率材料，所以不大可能发生爆炸。此外，在采用颗粒材料的实施例中，发动机外壳最好用氮气等充气到高于天然气压力的压力。然后的监视外壳压力，以检测任何压力降。由于氮气会流入天然气输送系统的泄漏外，这种压力降就发出天然气泄漏信号。该压力降于是被用来自动地切断进一步供燃料。

本发明的其它情况和优点从以下结合附图所作的更详细的描述就会显得很清楚。

图1是根据本发明的电，热共生系统的局部简化的纵向剖视图，该系统利用空气真空，氩气等作为低热传导材料。

图2是类似图1的视图，但表示流动颗粒材料用作低热传导率材料的实施例。

图3是类似于图2的视图，表示图2实施例的颗粒材料装入一些袋内的实施例，这些袋则充填发动机外壳;以及

图4是类似于图3的视图，但表示低热传导率材料是以一层围绕发动机的较厚的外套或外壳形式的实施例。

现在参照图1，图示的是一个电、热共生系统的各个部件示意或简化的实际布置。简化起见，系统的各个零件中有许多已被略去，由于它们都是人们所熟知的。例如，电子线路，自动控制机构，传感器，补给水源以及汽化组件都只是概略地表示，即使示出也很简单。将这些组件选入和结合到要完成所述功能的系统中对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

本燃烧系统的大多数组件容纳或安装在一个有壁的，最好不透气密闭的护罩或外壳10内。外壳10的各个壁可以是隔热的，但这通常并非必须的，由于正如将会了解的，护罩10内含有低热传导率材料。然而，图1的实施例中，可能需要采用装有声音衰减用的隔音材料的罩壁。

本系统的组件以适当的方式支承在一个可移动的，向上敞口的，盒形机架12上，机架12位于护罩10内，它配有若干个与护罩底相接触的短脚或角钢。这就允许在延伸于系统组件和护罩外部之间的普通电线和管道断开后将系统组件从护罩10中升起而进行维修。需要时，机架12可以省去，系统组件由数个减震座等直接固定到护罩上。

电、热共生系统包括一台最好是水冷式，四汽缸，高压缩，天然气燃料型的原动机即发动机14。可是对于本发明来说，采用一种特殊型式的原动机并不是关键性的，只要它的特点是产生热量。发动机14是一台普通的汽油发动机装置，除了它的汽化系统即组件16经过改进，以接受诸如丙烷或天然气的气体燃料。此外，尤其是图2-图4中的各实施例中，发动机由于拆除了诸如风扇，皮带和皮带轮，水泵，以及任何机械调速和控制杆而经过特殊的改进。于是或者将这些组件位于发动机外壳的外 部，或者采用没有运动的外部部分和受任何包围的低热传导率材料所影响的组件。例如，电动水泵36和电动调速器（未示出）可以位于外壳内部，由于它们不必与发动机机械地连接。发动机毗邻曲轴前端的开口最好用一个盖17密封。正如将会见到的，曲轴后端的开口通过发电机28的机座与发动机的密封连接而类似于图1的实施例地被密封。而需要时，后开口可以用一个类似盖17的盖密封。

来自一适当燃料源（未示出）的天然气燃料经过电磁操纵阀18，经过调压器19，然后到达汽化器组件16，汽化器16位于外壳的外部，并且装在外壳的外壁上。

工作时，自然吸入的空气通过进气口或滤清器20进入汽化器组件16。然后由进气导管22将燃料/空气混合物从组件16输送到通往发动机各汽缸的进气歧管24。相互之间配置有电连接（未示出），以使阀18能根据控制板26响应诸如恒温器等的监测传感器（未示出）而工作。可与控制板相联用于将未用完的电能分流至中央电力公用设施的适当装置也未示出。完成刚才所述功能的普通装置是众所周知的，因而不予描述。

发动机14可与任何合适的功率转换装置相连接，用以按照需要将由发动机提供的机械力变换成所需形式的能量，发电机情况下的电力，热泵情况下的热能，或者其它形式的能量。

在图1的实施例中，发动机14通过适当的联轴节装置而与呈发电机28形式的功率转换器相连接，这些联轴节允许发电机28用来起动发动机14，又允许发电机28由发动机驱动而产生电力。发电机最好是具有将近20千瓦功率输出的水冷，三相感应式的。当然，系统组件的大小和容量可以设计成提供任何级别所需的功率，或者多个系统可以组合或连接起来，以提供总的所需的功率输出。

发电机28最好是气密和液冷式的。可是，如果发电机位于外壳以外，或位于外壳的一个独立隔离的部分内，则也可以采用风冷式的。根据具 体情况，发动机的联轴节于是要穿过外壳或隔离壁。

从发动机14排出的废气通入排气歧管30，然后到达消声器/废气热交换器32。排气或废气导管34将经过冷却的废气从热交换器32传送到护罩10的外部。

发动机冷却水的通路以概略的形式示出，标准冷却系统部件中有许多因简化起见而被略去。装在热交换器38的出口和通常的发动机水套入口之间的电动循环泵36使水穿过系统而循环。从泵36出来的水还流到围绕发电机的水套的入口和围绕排气歧管30的水套。加热后的水然后从这些水套经过导管40而流到大的热交换器38。

刚才所述的数条水通路构成热交换器38的原回路。从原回路吸取热量的副回路从导管42吸收冷水，加热后的水从热交换器38经过导管44而排出，加热后的水可以用来满足用户的热水需要，或者用来制造循环经过空间热辐射器用的蒸汽，或者用来开动空间冷却用的吸收式冷却器。

通过延缓和阻止从系统的组件，尤其是从发动机14外表面辐射的热量的流动而显著地提高了电、热共生系统的效率。

在图1的实施例中，通过在真空下向护罩10内部充以空气，或者例如氩这样的低热传导率的较惰性的气体而使辐射热的流动和逸散显著减低。空气和气体是从一个在阀48控制下与护罩10的内部相流通的气源46供给的。空气和气体的存在防止了在护罩10内部产生可燃烧或爆炸的混合物。而且，如果气体是一种加压到大于气体燃料的压力的惰性气体，压力监测装置还会测出燃料输送系统中漏缝的存在。为此，一个通常惯用的压力传感器50可以附装在护罩10的内部，并与继电器52相耦接，用于当传感器50感知到压力降低于预定范围时关闭电磁操纵燃料阀18。这就会发出惰性气体流入低压燃料输送系统的漏缝的信号，以及还会防止气体燃料从缝隙漏出。

在低热传导率材料是空气时，在真空的情况下，外壳压力的变化会 类似地发出燃料输送系统泄漏的信号。应该指出的是，当外壳将处于真空时，利用发动机前端盖17和发动机后端的类似盖板或密封的发电机联轴节，以防止曲轴箱内的高压气体流入抽空的外壳是很重要的。此外，发电机应该是气密封接型的，或位于外壳的抽空部分的外部。

在本发明的所有实施例中，最好是采用装于外壳外部的汽化器组件16。由于汽化系统是燃料主要潜在漏源，它的位置处在外壳10的外部大大地减少了任何聚集可能会爆炸的气体燃料的可能性。在先有技术的公知系统中，汽化系统是位于发动机外壳内的，就存在可能爆炸的危险，以及在液体燃料发动机的情况下，还存在汽化燃料阻塞的可能性。

为了进一步阻止辐射热量的逸散，外壳的内侧可以覆盖一层反射材料21，例如覆有一层铝薄膜的聚酯薄膜材料。

图2的电，热共生系统除了采用一种更加有效得多的低热传导率材料外，所有方面都是与图1的系统基本相同的。在图2的系统中，绝热或低热传导率材料是例如膨胀蛭石的统装绝热材料。它也可以采用石纤维，植物纤维，有机纸，膨胀珍珠岩，多孔玻璃等的形式。它还可以是例如覆有聚酯薄膜的铝层的反射材料。所选定的材料应该挑选其延缓辐射热流的性能。在蛭石粉粒的情况下，这是通过中断热流通路和利用它对于辐射热的不传导而达到的。

最佳的蛭石材料呈如图2所示的颗粒状或疏松填料的形式，虽然蛭石材料可以做成如图3所示的“豆包”23的形状，图中豆包23串在一起，使得当电、热共生系统的组件必须维修时，这些豆包可以较方便地从外壳10中搬走。豆包23只有部分被示出，应该理解为，它们围绕发动机，并且最好充填整个外壳。

颗粒状的蛭石可以采用工业真空机而比较方便地清除。

在图2的系统中，易流动的细粒或颗粒自身紧紧地毗邻系统部件的辐射表面而布置。流动颗粒54之间的隙缝或细孔在阀48的控制下被注满 或充有例如来自气源46a的氮气的气体。这种气体不能助燃，就如结合图1的实施例如述，为了检测气体燃料供给系统的漏缝的同样目的，将氮气加压到高于气体燃料源的压力的水平。

图4表示一个与图3基本相同的实施例，除了一个外套或外壳27被用作低热传导率材料。如果外套用作热传导材料，则该材料最好是由织物陶瓷（woven    ceramic）内、外层和例如蛭石的适当散装绝热材料的中间层组成的复合形式。如果外壳用作热传导材料，该则材料能简便地用任何适合模制的高标称温度的塑性泡沫材料制的。外套或外壳27的材料的厚度和型式可以按特定用途的需要而变化，而所述的材料只通过例子给出。

从上文可以了解到，通过减少或基本上消除了从发动机表面辐射出去的热量损失而达到显著的能量节约。提高后的效率系统的总效率高达90%以上的范围内。除了辐射热量的损失减少以外，辐射热隔绝材料还防止了发动机关闭后发动机部件温度的急剧下降，从而减低了金属冲击和热变形，以及使润滑油在高温下保持较长时间。

油泥是一种含有有害酸性成分的混合物，发动机在低温度下形成油泥是引起发动机损坏的主要因素。油泥是由于燃烧气体与曲轴箱内的油雾相混合，然后凝结在冷的发动机表面上而形成的。当发动机起动后，热的润滑油能更好地流过例如润滑油过滤器的部件，而不会破坏压力效果以及以后不会发生过滤器和密封垫故障。因此使发动机保持较长时间的高温除了提高系统效率，还有其他的好处。

辐射热隔绝材料还有保护系统部件不受外界冰点温度有害影响的重要好处。可是本发明的主要特点是通过俘获那些要不然会经辐射损失的热量而使系统的总效率获得显著提高。

参照几个最佳实施例，其中无论是以颗粒，“豆袋”，外层还是外壳状的接触及包围发动机的固体低热传导率材料，本发明独特之处是可 以移去发动机外表面上的可动部件。到现在为止，由于普通发动机上存在例如风扇和皮带的运动部件，显然决不能企图用绝热材料覆盖一台正在运行的发动机。为了提高效率而采用这种绝热的发动机覆盖物有着广泛的用途。

按照前文的详尽描述，只要不脱离本发明的精神可以作各种改进和变更。

Claims (13)

1、一种电、热共生系统，该系统包括一台以工作时产生热量为特点的原动机(14)，含有从该原动机的外表面所辐射的热量，一台与所述原动机相耦合，由所述原动机所驱动的功率转换器(28)，一个用以从所述原动机的废气中抽取热量的废气热交换器，一个与该系统冷却流体套进出口连接的第二热交换器，使冷却流体经过该原动机而循环，用来收集由该原动机所产生的热量，和把经过加热的冷却流体从所述原动机输送到抽取经过加热的冷却流体的热量的所述第二热交换器的泵装置(36)，以及围绕所述原动机的容器装置(10)，其特征在于：

所述容器装置(10)含有足以包围该原动机的低热传导率材料(46)(54)(23)(27)，用以显著地减低从该原动机辐射的热量的流动，所述低热传导率材料起着一种能使该辐射热量由该冷却流体所吸收的热障的作用。

2、一种根据权利要求1的电、热共生系统，其特征在于：该原动机是一台与位于该容器内的一台发电机（28）相联接的内燃机，该冷却流体同样借助该循环冷却流体用的装置而循环通过该发电机。

3、一种根据权利要求1的电、热共生系统;其特征在于：该容器装置包括一个具有一内腔的外壳，该内腔未被占据的空间用该低热传导率材料所充填。

4、一种根据权利要求1的电、热共生系统，其特征在于：该低热传导率材料包括一种以与该原动机表面相一致的关系而配置的辐射热流阻滞材料（46）（51）（23）（27）。

5、一种根据权利要求4的电、热共生系统，其特征在于：该辐射热流阻滞材料包括易流动的颗粒材料（54）（23）。

6、一种根据权利要求1的电、热共生系统，其特征在于：该低热传导率材料包括一种惰性气体（46）。

7、一种根据权利要求1的电、热共生系统，其特征在于：该低热传导率材料包括一绝热材料层（27）。

8、一种根据权利要求1的电、热共生系统，其特征在于：该低热传导率材料包括为了便于放置和搬移而彼此间可相对移动的许多互相连接的袋（23）内的绝热材料。

9、一种根据权利要求1的电、热共生系统，其特征在于：该低热传导率材料包括在真空情况下充入的空气（16）。

10、一种根据权利要求3的电、热共生系统，其特征在于：该外壳是气密的;以及包括用一种惰性气体将该外壳加压的装置（46），和用来检测该外壳内压力变化的装置（50），由此可以检测出该外壳内的部件的燃料漏缝的存在。

11、一种根据权利要求1的电、热共生系统，其特征在于：该用来向该原动机供给燃料的装置包括位于该容器装置外部的燃料汽化装置（16），由此将该燃料汽化装置的任何燃料泄漏与该容器装置的内部隔离开来。

12、一种根据权利要求1的电、热共生系统，其特征在于：该原动机的外表面没有可动部件。

13、一种根据权利要求1的电、热共生系统，其特征在于：用来使冷却流体循环通过该原动机的装置（36）包括使该冷却流体循环到该容器装置的外部，用来取出由该原动机产生的热量的装置。

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