CN102536367A - 斯特林发动机余热发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斯特林发动机余热发电方法，涉及余热发电技术，将斯特林发动机的吸热器置于集气腔内部，吸热器顶部与余热的来流方向垂直。吸热器内充入氦气或氢气作为斯特林机的做功工质，氢气或氦气受热膨胀推动斯特林发动机活塞往复运动产生机械能，斯特林发动机驱动与其连接的发电机发电。集气腔内的余热气体加热吸热器内的氦气或氢气后排入环境中。将余热经斯特林发动机转化为机械能是本发明方法的专用部件，采用本发明方法的装置包括斯特林发动机、集热管、集气腔、发电机。本发明通过热能到机械能，再由机械能转化为电能，实现了结构紧凑、经济性好、使用方便并且不需额外加热的余热发电，实现由低品位的余热向高品位电能的转换。

Description

斯特林发动机余热发电方法

技术领域

本发明涉及余热发电技术领域，是一种斯特林发动机余热发电方法，用锅炉的排出烟气、汽轮机的排出蒸汽、内燃机尾气、燃气轮机尾气中的余热产生机械能，然后带动发电机发电的方法。

背景技术

目前，锅炉排烟、汽轮机排出蒸汽、内燃机尾气及燃气轮机尾气的余热发电形式主要有两种形式：一是将蒸汽再热或利用烟气携带的热量加热水产生高温高压蒸汽推动汽轮机工作，带动发电机发电。这种技术的缺陷是：整套系统的设备比较庞大，管路布置复杂，投资成本比较高，且只能利用温度很高的烟气或蒸汽的余热，并需要额外热量投入，要求余热总量比较大，分布集中，整体上经济性较差，不适合大面积推广；二是利用温差发电原理，烟气或蒸汽侧作为温差电池板高温侧，温差电池板的低温侧为散热片或循环冷却水，在电池板两侧形成电位差，输出电流。这种技术的缺陷是：温差电池板的低温侧需要面积很大，输送冷却水消耗的电功率随着电池板面积的增加而增加，且此种方法发出的电力功率较小，很难满足工业及生活常规用电需求。

发明内容

本发明的目的是解决现有余热发电方法中设备庞大，要求余热热源温度高，不适合分散余热热源利用，且需额外加热及产生的电力品位低的技术缺陷，提供一种斯特林发动机余热发电方法，其整体设备紧凑、对热源温度要求低、不需要额外热源、经济性好、单体需要余热量小，且发电品位高。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种斯特林发动机余热发电方法，其包括步骤：A)以锅炉排烟、汽轮机蒸汽、内燃机排气或燃气轮机排气为热源；B)利用做了绝热处理的集热管，将这些余热引至集气腔；C)斯特林发动机吸热器位于集气腔内，吸热器与集气腔壁接触处严格密封；D)被加热的斯特林发动机吸热器内工质推动斯特林发动机工作；E)由斯特林发动机带动发电机发电；F)余热气体加热吸热器内的工质后排入环境中。

所述的余热发电方法，其所述B)步中的集气腔，为斯特林发动机吸热器与余热热源进行热交换的装置。

所述的余热发电方法，其所述C)步中的吸热器，为管式换热器或热管型换热器，内部充有工质。

所述的余热发电方法，其所述C)步中，集热管的中心线与吸热器对称轴重合，吸热器顶部与集热管内蒸汽或烟气的来流方向垂直；集热管、集气腔外壁面设有保温绝热材料，吸热器与集气腔内壁之间用耐高温的材料密封。

所述的余热发电方法，其所述C)步中，对于锅炉烟气，燃气轮机排气组分中含水分较少的工况，斯特林发动机布置在集气腔下方；对于汽轮机排汽或内燃机排气，斯特林发动机布置在集气腔上方，防止余热气体中的水分凝结引起吸热器的锈蚀。

所述的余热发电方法，其所述D)步中的吸热器内工质，为氦气或氢气，工质受热膨胀推动斯特林发动机的动力活塞运动，做功。

所述的余热发电方法，其所述E)步中，斯特林发动机与发电机的动力连接方式为联轴器、啮合齿轮或皮带连接。

本发明的技术效果是：可以将锅炉排烟、汽轮机排出蒸汽、发动机尾气等这些利用起来比较困难、品位低的热量转化为使用方便、高品位的机械能和电能，降低排出的烟气或蒸汽的温度，提高整体系统的能源利用率。斯特林发动机的热力循环过程理想情况下与热力学上的卡诺循环一样，热功转换效率高，因此斯特林发动机余热发电效率高；斯特林发动机余热发电系统为外部加热，没有排气和进气过程，运行时噪音低；斯特林发动机余热发电方法结构紧凑，系统配套设备少，无需附加热源，发电系统的整体投资小；系统整体功率可以根据实际的余热热源的分布情况和总量选择斯特林发动机功率，发电功率可以从几百瓦到几百千瓦，非常适合余热总量很大但是分布分散的场合；斯特林余热发电系统对余热品位要求很低，加热热源温度400摄氏度以上系统就可以工作，可以充分利用低品位的余热，适合中低温余热热源场合。

采用外部加热的斯特林发动机余热发电方法的效率不受设备所处的海拔影响。因此，采用本发明可以解决目前其他余热发电方式的成本高，设备庞大复杂，经济效益低，无法利用低温热源的困难现状，低成本提高能源系统的整体利用效率，减少热量的排放损耗，用被视为无法再利用的低品位余热换取高品位电能，减缓化石能源的消耗速度，节约能源。

附图说明

图1为热力学中的斯特林循环示意图；其中：a-b为等温压缩过程；b-c等容加热过程；c-d等温膨胀过程；d-a为等容冷却过程；

图2为包含发电机的斯特林发动机结构示意图；

图3为本发明的斯特林发动机余热发电方法所用发电系统原理图。

标号说明：

吸热器1，回热器2，冷却器3，斯特林发动机4，发电机5，集热管外绝热保温层6，集热管7，热源8，集气腔9，排气管10。

具体实施方式

本发明的一种斯特林发动机余热发电方法，将锅炉排烟，汽轮机排出蒸汽，内燃机的尾气以及燃气轮机尾气经过一段集热管道后再排放，集热管道外壁面采用绝热措施，管道内部形成一个热量汇集区，斯特林发动机的吸热器布置在管道中间。斯特林发动机的吸热器内部充满氦气或氢气，进入集热管的蒸汽或燃气通过吸热器将热量传递给吸热器内部的氦气或氢气，然后经排气管排出。氦气或氢气受热膨胀斯特林发动机开始工作，产生机械能，斯特林发动机通过联轴器或皮带驱动发电机发电，产生电力。所述的斯特林发动机是一种从外部加热就可以工作的热气机，并且对加热的热源形式没有要求。

整套系统中斯特林发动机的吸热器部分完全置于余热集气管中，并要集热管的中心线与吸热器对称轴重合，吸热器顶部与集热管内蒸汽或烟气的来流方向垂直。为降低传输过程的热量损失，集热管、集气腔外壁面包裹适当厚度的保温绝热材料，吸热器与集气管内壁之间采用耐高温的材料密封，保证接触处无泄漏。集热管、集气腔的材料，尺寸要根据余热热源的温度、余热可利用的总功率大小以及斯特林发动机吸热器形状设计。

斯特林发动机属于一种外燃机，做功工质一般为氦气或氢气，机器的热功转换部件包括吸热器、回热器、冷却器、动力活塞、配气活塞、气缸等。吸热器的功能是吸收外部热量，传递给内部充装的工质；工质受热膨胀推动动力活塞运动，工质膨胀做功后，动力活塞推动工质依次流过加热器、回热器和冷却器后，工质进入配气腔；配气活塞在配气腔内压缩工质并推动工质依次经过冷却器、回热器、加热器，工质在吸热器内吸收外部加热热量，开始下一个周期的做功过程。动力活塞与配气活塞都通过连杆和斯特林发动机的曲轴相连，将活塞的机械往复运动转换为旋转运动，通过曲轴输出机械能。

本发明方法的技术效果是：可以将锅炉排烟、汽轮机排出蒸汽、发动机尾气等这些利用起来比较困难、品位低的热量转化为使用方便、高品位的机械能和电能，降低排出的烟气或蒸汽的温度，提高整体系统的能源利用率。斯特林发动机的热力循环过程理想情况下与热力学上的卡诺循环一样，热功转换效率高，因此斯特林发动机余热发电效率高；斯特林发动机余热发电系统为外部加热，没有排气和进气过程，运行时噪音低；斯特林发动机余热发电方法结构紧凑，系统配套设备少，无需附加热源，发电系统的整体投资小；系统整体功率可以根据实际的余热热源分布情况和总量选择斯特林发动机功率，发电功率可以从几百瓦到几百千瓦，非常适合余热总量很大但是分布分散的场合；斯特林余热发电系统对余热品位要求很低，加热热源温度400摄氏度以上系统就可以工作，可以充分利用低品位的余热，适合中低温余热热源场合。

实施例1：将斯特林发动机4的吸热器1置于电厂锅炉或工业用锅炉的烟道中，在不影响锅炉运行及其性能的前提下吸热器1置于集热管7的靠前端，集热管7外包裹绝热保温材料6，斯特林发动机4除吸热器1外，回热器2、冷却器3等其它部件和发电机5固定于烟道外侧。根据锅炉烟气温度及热功率的大小，烟道内可以布置多台斯特林发动机4的吸热器1，实现烟气不同温度梯级下的综合利用。

实施例2：以汽轮机工作时末级叶片排出的蒸汽为热源8，由外部包裹绝热保温材料6的集热管7引至斯特林发动机4的吸热器1，为了加强蒸汽与吸热器1的换热效果，斯特林发动机4的吸热器1布置在一个与集热管7连接的集气腔9内，蒸汽在集气腔9内加热斯特林发动机4的吸热器1内工质，推动斯特林发动机4工作。为了防止水蒸汽在集气腔9内凝结水引起吸热器1表面的锈蚀，斯特林发动机4的吸热器1设计从集气腔9顶部伸入，并与集气腔9的壁面做密封，斯特林发动机4的回热器2、冷却器3及发电机5等部件置于集气腔9的外部。换热后的蒸汽沿集气腔9底部排气管10排出。

实施例3：以内燃机排气为热源8，斯特林发动机4的吸热器1从集气腔9顶部伸入，置于集气腔9中部，内燃机排气由外部加装绝热保温材料6的集热管7引至集气腔9，对斯特林发动机4的吸热器1加热，推动斯特林发动机4工作，回热器2、冷却器3等其它部件和发电机5固定于烟道外侧，斯特林发动机4经联轴器驱动发电机5发电。换热后的内燃机烟气经与集气腔9连接的排气管10排出。

实施例4：以燃气轮机的涡轮排出燃气为斯特林发动机的热源8，推动斯特林发动机4工作，燃气轮机排出的燃气温度较高，流量大，且气流速度快，因此需要将燃气轮机排气经过较长一段距离的集热管7，气体降低到合适温度后，再在集气腔9内与斯特林发动机4的吸热器1进行热交换，加热斯特林发动机4内工质，推动斯特林发动机4工作，带动发电机5发电。本实例适合应用于燃气轮机发电后排气及船用动力燃气轮机尾气的余热利用。

Claims (7)

1.一种斯特林发动机余热发电方法，其特征在于，包括步骤：A)以锅炉排烟、汽轮机蒸汽、内燃机排气或燃气轮机排气为热源；B)利用做了绝热处理的集热管，将这些余热引至集气腔；C)斯特林发动机吸热器位于集气腔内，吸热器与集气腔壁接触处严格密封；D)被加热的斯特林发动机吸热器内工质推动斯特林发动机工作；E)由斯特林发动机带动发电机发电；F)余热气体加热吸热器内的工质后排入环境中。

2.如权利要求1所述的余热发电方法，其特征在于，所述B)步中的集气腔，为斯特林发动机吸热器与余热热源进行热交换的装置。

3.如权利要求1所述的余热发电方法，其特征在于，所述C)步中的吸热器，为管式换热器或热管型换热器，内部充有工质。

4.如权利要求1或3所述的余热发电方法，其特征在于，所述C)步中，集热管的中心线与吸热器对称轴重合，吸热器顶部与集热管内蒸汽或烟气的来流方向垂直；集热管、集气腔外壁面设有保温绝热材料，吸热器与集气腔内壁之间用耐高温的材料密封。

5.如权利要求1所述的余热发电方法，其特征在于，所述C)步中，对于锅炉烟气，燃气轮机排气组分中含水分较少的工况，斯特林发动机布置在集气腔下方；对于汽轮机排汽或内燃机排气，斯特林发动机布置在集气腔上方，防止余热气体中的水分凝结引起吸热器的锈蚀。

6.如权利要求1或3所述的余热发电方法，其特征在于，所述D)步中的吸热器内工质，为氦气或氢气，工质受热膨胀推动斯特林发动机的动力活塞运动，做功。

7.如权利要求1所述的余热发电方法，其特征在于，所述E)步中，斯特林发动机与发电机的动力连接方式为联轴器、啮合齿轮或皮带连接。

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