CN102797560A

CN102797560A - 热电联和系统

Info

Publication number: CN102797560A
Application number: CN2012101598954A
Authority: CN
Inventors: 布施卓哉; 西泽一敏; 桑山和利
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: US20120299306A1; US8776497B2; CN102797560B; JP2012246773A; JP5472203B2

Abstract

本发明公开了一种热电联和系统，该热电联和系统包括：燃料蒸发器(13)；内燃机(14a)，所述内燃机通过燃烧被燃料蒸发器(13)蒸发的燃料来输出机械能；电能发生器(14b)，所述电能发生器将机械能转换成电能；冷能回收部分(20)，所述冷能回收部分回收当燃料蒸发器蒸发燃料时生成的冷能；废热回收部分(30)，所述废热回收部分回收从发动机排出的热量；和气体净化器(17)，所述气体净化器净化从发动机排出的气体中所含有的氮氧化物。当将燃料供应给气体净化器时，燃料通过与氮氧化物反应来减少氮氧化物。

Description

热电联和系统

技术领域

本公开涉及一种热电联和系统(cogeneration system)。

背景技术

JP-A-2010-229885描述了一种寻求有效地使用通过燃烧燃料产生的能量的热电联和系统。

在该热电联和系统中，发电机由燃料在里面燃烧的发动机的旋转动力(机械能)驱动，并且输出电能。此外，水被燃烧废热(热能)加热，并且加热的水从热水供应装置被供应，使得通过燃烧获得的能量被有效地使用。

然而，该热电联和系统仅仅使用通过燃烧获得的能量的一部分，即，燃料的势能(potential energy)没有被充分使用。

例如，在上述系统中没有考虑被供应给发动机之前的燃料。被供应给发动机之前的燃料的势能没有被有效地使用。

此外，在上述系统中没有考虑燃烧之后排放的气体。当发动机在低操作效率下被启动以限制废气中所含有的污染物被排放到大气中时，热电联和系统的效率变低。

当在燃料与氧气之间产生化学反应时获得热能。然而，燃料的势能不仅意味着理论上由燃料燃烧产生的热量的量，而且意味着在燃烧之前燃料的内部能量。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种燃料的势能被有效使用的热电联和系统。

根据本公开的一个示例，热电联和系统包括燃料蒸发器、内燃机、电能发生器、冷能回收部分、废热回收部分和气体净化器。燃料蒸发器蒸发液体燃料。内燃机通过燃烧被燃料蒸发器蒸发的燃料来输出机械能。电能发生器将机械能转换成电能。冷能回收部分回收当燃料蒸发器蒸发燃料时生成的冷能。废热回收部分回收当发动机燃烧燃料时从发动机排出的热量。气体净化器净化当发动机燃烧燃料时从发动机排出的气体中所含有的氮氧化物，并且当燃料供应给气体净化器时燃料通过与氮氧化物反应来减少氮氧化物。

因此，可以有效地使用燃料的势能。

附图说明

本公开的上述及其它目的、特征和优点将从参照附图的以下详细说明变得更加清楚，其中：

附图为显示根据一个实施例的热电联和系统的方框图。

具体实施方式

(实施例)

如图所示，热电联和系统10具有作为储存具有高压力的加压液体燃料的液体燃料存储部分的高压罐11。

储存在罐11中的燃料具有可燃性并且在随后要被提到的发电机部分14的发动机14a中燃烧。燃料可以在高压条件下在诸如大约15℃-25℃的常温下容易地被液化，从而可以降低制造成本。

例如，燃料可以是具有可燃性并且在压力等于或小于1.5MPa的条件下在常温下被液化的氨(NH₃)。因为氨是含有氢的化合物，因此可以通过重整氨生成具有可燃性的氢气体。

可选地，燃料可以是诸如甲醚的乙醇物质。此外，含有氢的燃料在分子中可以进一步包括硫(S)、氧(O)、氮(N)、和卤素中的至少一种原子，并且可以在分子之间获得氢键。

热电联和系统10包括燃料蒸发器13、蓄热部分15和气体净化器17。燃料蒸发器13通过第一流量控制阀12a连接到罐11的燃料出口端口，并且蒸发燃料。蓄热部分15和气体净化器17通过第二流量控制阀12b连接到罐11的燃料出口端口。蓄热部分15具有发热剂并且储存热量，其中所述发热剂可逆地具有与燃料的化学反应。气体净化器17净化从燃料在里面燃烧的发动机14a排出的气体中所含有的氮氧化物。

第一流量控制阀12a和第二流量控制阀12b中的每一个都具有布置在燃料通道中的阀体。当通过第一阀12a的阀体控制燃料通道的开度时，流入到燃料蒸发器13中的燃料的量被控制，同时从罐11流出的液体燃料被减压。此外，通过第二阀12b控制流入到蓄热部分15和气体净化器17中的燃料的量。

流量控制阀12a、12b能够完全关闭燃料通道以禁止燃料从罐11流出来。通过从系统控制器(未示出)输出的控制信号控制流量控制阀12a、12b。

燃料蒸发器13由具有第一蒸发部13a和第二蒸发部13b的热交换器形成。从罐11流出的液体燃料在第一蒸发部13a中被蒸发。在第二蒸发部13b中，液体燃料或由从第一蒸发部13a流出的液体燃料和气态燃料构成的两相燃料被蒸发。

更具体地，在第一蒸发部13a中，在从罐11流出的液体燃料与循环通过随后要被提及的冷却回路20的第一热介质之间交换热量。

在第二蒸发部13b中，在从第一蒸发部13a流出的液体或两相燃料与循环通过随后要被提及的冷却剂回路30的发动机14a的冷却水30(冷却剂)之间交换热量。

发动机14a的循环通过冷却剂回路30的冷却水的温度被设定成高于循环通过冷却回路20的第一热介质的温度。当从罐11流出的燃料依次流入第一蒸发部13a和第二蒸发部13b中时，在第一蒸发部13a中确保燃料与第一热介质之间的温差，并且在第二蒸发部13b中确保燃料与冷却水之间的温差。因此，燃料被有效地蒸发。

此外，控制第一蒸发部13a和第二蒸发部13b的热交换性能，使得从燃料蒸发器13流出的燃料变成当发电机部分14具有正常操作时确定地具有过热度的气态燃料。

例如，在起动发动机14a时，冷却水的温度可能没有充分高于第一热介质的温度。在这种情况下，从燃料蒸发器13流出的燃料可能不能变成气态燃料，这是因为燃料的温度较低。然而，根据本实施例，因为热量从蓄热部分15被供应给第二蒸发部13b，因此从燃料蒸发器13流出的燃料变成确定地具有过热度的气态燃料。

蓄热部分15具有容纳发热剂的反应容器，所述发热剂具有与燃料的化学反应。发热剂可以例如由诸如氯化锶(SrCl₂)的金属卤化物形成。

卤化锶具有与对应于燃料的氨的可逆化学反应，并且在可逆化学反应中生成卤化锶的氨加成化合物和热量，如以下化学式(1)所示，例如，其中氨化的卤化锶具有8摩尔氨(SrC₂·8NH₃)。进一步地，当氨化的卤化锶吸收热量时，氨和卤化锶被再生。

在本实施例中，当冷却水的温度不是充分高于第一热介质的温度时，燃料被供应给反应容器，并且产生发热反应。接着，产生的热量被供应给第二蒸发部13b。因此，从燃料蒸发器13流出的燃料变成确定地具有过热度的气态燃料。

当热电联和系统10具有通常操作时，发动机14a的废热通过循环通过随后要被提及的加热回路40的第二热介质被供应给反应容器的化学反应产物，即，氨化的卤化锶。因此，氨和卤化锶被再生。

如图所示，从燃料蒸发器13流出的气态燃料流被分支成两个流。两个流中的一个被供应给发电机部分14的发动机14a的进入端口，而两个流中的另一个被供应给将气态燃料重整成氢气体的重整器16。

发电机部分14被构造成具有发动机14a和发电机14b。发动机14a通过燃烧在燃料蒸发器13中被蒸发的燃料输出旋转动力(机械能)。发电机14b由从发动机14a输出的旋转动力驱动，并且通过将机械能转换成电能而生成电能。

发动机14a由往复压缩机式发动机构造而成，并且被系统控制器控制。发动机14a的旋转轴与发电机14b的旋转轴直接连接。当发动机14a被启动时，发电机14b开始发电。

重整器16通过在催化剂条件下加热气态燃料而产生氢气体。此时，当气态燃料的温度升高到预定可重整温度时，产生重整反应。具体地，对应于燃料的氨被加热以具有等于或高于350℃的温度。因此，在催化剂条件下实施重整反应，并且生成氢气体。

在重整器16中生成的氢气体与吸入空气混合，并且对应于辅助燃料。氢气体和所述气态燃料通过发动机14a的进入端口被供应给燃烧室。因为氢的燃烧速度高于氨的燃烧速度，因此当氢和氨在混合状态下被燃烧时，可以限制发动机14a具有火灾。

当氢气体和所述气态燃料在发动机14a中燃烧时，废气从发动机14的排气端口被排出并流入到气体净化器17中。在气体净化器17中，在催化剂条件下在废气中所含有的氮氧化物与氨之间发生选择反应，使得氮氧化物被分解成水和氮气。在氮氧化物通过气体净化器17被净化之后，废气被排放到大气空气中。

接下来，说明冷却回路20、冷却剂回路30和加热回路40。

当燃料在燃料蒸发器13的第一蒸发部13a中蒸发时，第一热介质通过吸收潜热被冷却。第一热介质在冷却回路20中循环，并且例如由水或乙二醇水溶液形成。换句话说，冷却回路20使第一热介质回收当燃料在燃料蒸发器13的第一蒸发部13a中蒸发时生成的冷能。冷却回路20对应于冷能回收部分。

具体地，冷却回路20通过用管环形地依次连接第一水泵20a、第一通道20b和冷却室内热交换器21被构造而成。第一水泵20a通过压缩发送第一热介质。第一通道20b限定在燃料蒸发器13的第一蒸发部13a中。在冷却室内热交换器21中，在第一热介质与空气之间交换热量。通过从系统控制器输出的控制信号控制第一水泵20a。

当燃料在发动机14a中燃烧时，冷却水通过吸收发动机14a的废热而被加热。冷却水在冷却剂回路30中循环，并且例如由水或乙二醇水溶液形成。换句话说，冷却剂回路30使冷却水回收当燃料在发动机14a中燃烧时生成的废热。冷却剂回路30对应于废热回收部分。

具体地，冷却剂回路30通过用管环形地依次连接第二水泵30a、第一通道30b、第二通道30c、冷却剂-水热交换器31和加热室内热交换器32被构造而成。第二水泵30a通过压缩输送冷却水。第一通道30b限定在发动机14a中。第二通道30c限定在燃料蒸发器13的第二蒸发部13b中。在加热室内热交换器32中，在冷却水与空气之间交换热量。

在冷却剂-水热交换器31中，在循环通过冷却剂通道的冷却水与循环通过水通道的水之间交换热量，使得水被加热，并且加热后的水被供应给热水供应装置。在热交换器31中被加热的热水储存在热水储存罐(未示出)中。第二水泵30a由从系统控制器输出的控制信号控制。

加热回路40的热介质吸收发动机14a的废热，并且吸收的热量被供应给蓄热部分15的反应容器中的化学反应产物。热介质例如是水或乙二醇水溶液。

更具体地，加热回路40通过用管环形地依次连接第三水泵40a、第二通道40b和第三通道40c被构造而成。第三水泵40a通过压缩输送第二热介质。第二通道40b限定在发动机14a中。第三通道40限定在蓄热部分15的反应容器中。第三水泵40a由从系统控制器输出的控制信号控制。

例如，系统控制器(未示出)由包括CPU和诸如ROM和RAM的存储电路的公知的微型计算机、将控制信号或控制电压输出给各种设备的输出电路、被从各种传感器输入检测信号的输入电路和电源电路构造而成。

阀12a、12b、发动机14a和泵20a-40a连接到系统控制器的输出侧，并且系统控制器控制阀12a、12b、发动机14a和泵20a-40a的操作。此外，各种传感器连接到系统控制器的输入侧，并检测用于控制阀12a、12b、发动机14a和泵20a-40a的物理量。

具体地，各种传感器对应于包括电力消耗计、发动机旋转传感器、冷却剂温度传感器等(未示出)的传感器组。电力消耗计检测从发电机14b输出的电力的消耗量。发动机旋转传感器检测发动机14a的转数。冷却剂温度传感器检测从发动机14a流出的冷却水的温度。

例如，冷却剂温度传感器检测从冷却剂回路30的第一通道30b流出的冷却水的温度。可选地，冷却剂温度传感器可以检测从加热回路40的第二通道40b流出的第二热介质的温度，所述第二热介质的温度近似等于从冷却剂回路30的第一通道30b流出的冷却水的温度。

进一步地，控制面板(未示出)连接到系统控制器的输入侧，并且包括启动开关、温度设定开关等。热电联和系统10通过操作启动开关被起动或停止。通过操作温度设定开关来设定热水供应装置中的热水的温度。从控制面板输入各种开关的操纵信号。

系统控制器一体地具有分别控制上述装置的控制器，并且所述控制器由硬件和软件构造而成。控制器可以彼此分离。

以下描述热电联和系统10的操作。首先，如果启动开关被接通，则系统控制器运行存储在存储电路中的系统控制程序。根据系统的操作状态通过系统控制程序控制各种设备。

当热电联和系统10被启动时，系统控制器控制第一流量控制阀12a的阀开度，使得预定流量的燃料被供应给燃料蒸发器13。进一步地，系统控制器控制第二流量控制阀12b的阀开度，使得预定流量的燃料被供应给蓄热部分15和气体净化器17中的每一个。此外，发电机部分14的发动机14a在第一水泵20a和第二水泵30a以预定压力操作的状态下被起动。

因此，通过第一阀12a供应给燃料蒸发器13的第一蒸发部13a的燃料通过与流动通过冷却回路20的第一通道20b的第一热介质交换热量而被蒸发。相反，第一热介质通过燃料的蒸发被冷却，并且流入到冷却室内热交换器21中以与空气交换热量。因此，空气被冷却并发送到要被空气调节的空间中。

在第一蒸发部13a中蒸发的燃料流入到第二蒸发部13b中。在起动热电联和系统10时，循环通过冷却剂回路30的冷却水的温度相对较低。在这种情况下，即使在流入到第二蒸发部13b中的燃料与循环通过第二通道30c的冷却水之间交换热量，也不能有助于流入到第二蒸发部13b的燃料的蒸发。

相反，根据本实施例，因为燃料通过第二流量控制阀12b被供应给蓄热部分15，因此燃料和发热剂在蓄热部分15的反应容器中具有发热反应。由所述反应生成的热量被供应给燃料蒸发器13的第二蒸发部13b，从而有助于流入到第二蒸发部13b中的燃料的蒸发。

此外，冷却水流动通过的第二通道30c布置在燃料蒸发器13的第二蒸发部13b处。因此，反应热被供应给在第二通道30c中流动的冷却水，并且冷却水的温度迅速升高。因此，可以促进发动机14a的预热。

另外，当由传感器检测到的冷却水的温度等于或低于诸如40℃的第一阈值温度KT1时，发动机14a被确定处于启动阶段。接着，当由传感器检测到的冷却水的温度变得等于或高于诸如90℃的第二阈值温度KT2时，发动机14a被确定为从启动状态变化到通常操作状态。此时，发动机14a被充分预热。

从燃料蒸发器13流出的气态燃料被供应给发动机14a和重整器16。在发动机14a中，燃料被燃烧，并且旋转动力(机械能)被输出。旋转动力被传递给发电机14b，并且从发电机14b输出电能。在重整器16中，燃料被重整成氢。氢在发动机14a中与燃料一起被燃烧。

从发动机14a流出的废气被供应给气体净化器17。在气体净化器17中，废气与通过第二流量控制阀12b供应的燃料发生反应，从而减少氮氧化物。因为氮氧化物被除去，因此废气被净化并在净化状态下被排放到大气空气。

当热电联和系统10变化到通常操作状态时，系统控制器控制第一阀12a的阀开度以根据由功率计检测到的消耗功率的增加来增加供应给燃料蒸发器13的燃料的流量。此外，系统控制器控制发动机14a的转数。

此外，系统控制器停止到蓄热部分15的燃料供应，并且控制第二阀12b的阀开度以根据由功率计检测到的消耗功率的增加来增加供应给气体净化器17的燃料的流量。此外，系统控制器启动第一至第三水泵20a-40a以具有预定性能。

在通常操作状态下，类似于启动阶段，燃料在燃料蒸发器13的第一蒸发部13a中被蒸发，并且燃料流入到第二蒸发部13b中。此时，因为从冷却剂回路30的第一通道30b流出的冷却水的温度被升高以等于或高于第二阈值温度KT2，因此流入到第二蒸发部13b中的燃料通过第二通道30c的冷却水被加热，从而促进蒸发。

此外，从第二通道30c流出的冷却水流入到冷却剂-水热交换器31中，并且冷却水(冷却剂)与水交换热量。因此，水被加热并且加热后的水通过热水供应装置被供应。从冷却剂-水热交换器31流出的冷却水流入到加热室内热交换器32中，并且与空气交换热量。因此，空气被加热并且被发送到要被空气调节的空间中。

此外，在通常操作状态下，反应容器中的化学反应产物被循环通过加热回路40的第三通道40c的第二热介质加热，并且氨和卤化锶被再生。发电机部分14、重整器16和气体净化器17的操作与启动阶段近似相同。

根据本实施例，可以使用在发电机部分14中生成的电力。此外，因为热电联和系统10具有对应于废热回收部分的冷却剂回路30，因此可以在冷却剂-水热交换器31中有效地使用发动机14a的废热以加热将从热水供应装置供应的水。进一步地，可以在加热室内热交换器32中使用发动机14a的废热以加热用于加热操作的空气。

此外，热电联和系统10具有对应于冷能回收部分的冷却回路20。因此，由内部能量的变化生成的冷能可以有效地用于通过冷却室内热交换器21进行的冷却操作。被供应给发动机14a之前的燃料具有势能，并且内部能量是所述势能的一部分。

此外，热电联和系统10具有气体净化器17。即使通过优先给予高操作效率增加了废气中氮氧化物的浓度，氮氧化物也可以被自动分解，而不需要接收来自外面的能量供应。因此，在优先选择发动机14a的高操作效率的状态下，燃料的势能可以被有效地转换成机械能。

此外，热电联和系统10具有重整器16。因此，具有高燃烧速度的氢可以被供应给发动机14a。当发动机14a被启动时，发动机14a可以被迅速预热并且可以迅速提高发动机14a的操作效率。此外，氢也在预热结束之后被积极地供应给发动机14a的气缸。因此，可以增加发动机14a的转数和输出，同时限制发动机14a具有火灾。因此，可以进一步提高发动机14a的操作效率。

此外，热电联和系统10具有蓄热部分15。因此，当燃料和发热剂在蓄热部分15中反应时产生反应热，并且该反应热被供应给燃料蒸发器13的第二蒸发部13b。因此，可以在第二蒸发部13b中促进燃料的蒸发。此外，可以通过将反应热供应给发电机部分14的发动机14a来促进发动机14a的预热。

此外，发动机14a的废热被收集在冷却剂回路30中，并被供应给通过燃料与发热剂之间的反应生成的化学反应产物。因此，可以自动再生燃料和发热剂，而不需要接收来自外部的热供应。因此，可以有效地使用被再生的燃料。

本公开不局限于以上实施例。

控制从燃料罐11供应给燃料蒸发器13、蓄热部分15和气体净化器17的燃料的流量的流量控制器不局限于第一流量控制阀12a和第二流量控制阀12b。例如，作为流量控制器，燃料罐11可以具有三个燃料出口端口，并且流量控制阀布置在相应燃料出口端口中以控制供应给燃料蒸发器13、蓄热部分15和气体净化器17中每一个的燃料的流量。

在以上实施例中没有详细地说明将反应热供应给第二蒸发部的反应热供应装置。具体地，类似于冷却回路20和加热回路40，反应热可以通过提供热介质回路而通过热介质被供应给燃料。此外，蓄热部分15的反应容器可以布置在第二蒸发部13b的蒸发空间中。

在以上实施例中没有说明通过再生化学反应产物得到的燃料。再生后的燃料可以被供应给发电机部分14的发动机14a和气体净化器17。

收集在冷却回路20中的冷能不局限于用于冷却操作。例如，冷能可以用于冷却制冷机或冷冻机的内部。

此外，收集在加热回路40中的废热不局限于用于加热操作或热水供应装置。例如，所述废热可以用于地板加热系统。

冷却剂回路30和加热回路40可以集成到热介质流动通过的一个循环回路中。例如，所述一个循环回路可以通过环形地连接第二水泵30a、用于冷却水的第一通道30b、用于第二热介质的第三通道40c、用于冷却水的第二通道30c、冷却剂-水热交换器31和加热室内热交换器32来构造而成。

根据在通常操作状态下由功率计检测到的电力消耗量的增加来增加供应给燃料蒸发器13的燃料的流量。可选地，电池可以被设置以储存从发电机14b输出的电力，并且可以根据电池的剩余电力的减小通过增加供应给燃料蒸发器13的燃料的流量控制发动机14a的转数。

在蓄热部分15中生成的反应热被供应给燃料蒸发器13和发动机14a中的至少一个以加热燃料蒸发器13和/或发动机14a。反应热可以被供应给燃料蒸发器13和发动机14a中的至少一个以加热要被供应给燃料蒸发器13和/或发动机14a的燃料。

表述“当燃料在发动机14a中被燃烧时生成的废热”也意味着“通过废热回收部分30回收的热量”。

这种改变和变化将被理解为在本公开的由权利要求限定的保护范围内。

Claims

1.一种热电联和系统，包括：

燃料蒸发器(13)，所述燃料蒸发器蒸发液体燃料；

内燃机(14a)，所述内燃机通过燃烧被所述燃料蒸发器(13)蒸发的燃料来输出机械能；

电能发生器(14b)，所述电能发生器将所述机械能转换成电能；

冷能回收部分(20)，所述冷能回收部分回收当所述燃料蒸发器蒸发所述燃料时生成的冷能；

废热回收部分(30)，所述废热回收部分回收当所述发动机燃烧所述燃料时从所述发动机排出的热量；和

气体净化器(17)，所述气体净化器净化当所述发动机燃烧所述燃料时从所述发动机排出的气体中所含有的氮氧化物，其中当将所述燃料供应给所述气体净化器时，所述燃料通过与所述氮氧化物反应来减少所述氮氧化物。

2.根据权利要求1所述的热电联和系统，还包括：

重整所述燃料的重整器(16)，其中：

所述燃料是含有氢的化合物；

所述重整器通过重整所述燃料生成氢；以及

由所述重整器生成的所述氢被供应给所述内燃机。

3.根据权利要求1或2所述的热电联和系统，还包括：

蓄热部分(15)，所述蓄热部分包括与所述燃料起化学反应并发出热量的发热剂，所述发热剂具有与所述燃料的可逆反应，其中：

当所述燃料被供应给所述蓄热部分时，所述燃料生成反应热；

所述反应热被供应给所述内燃机和所述燃料蒸发器中的至少一个；以及

当从所述发动机排出的热量被供应给所述蓄热部分时，所述发热剂被再生。

4.根据权利要求1或2所述的热电联和系统，其中，所述燃料是氨。