CN105443267A - 一种基于斯特林发动机的热电联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斯特林发动机的热电联产系统，涉及热电联产系统技术领域，用于提高基于斯特林发动机的热电联产系统的烟气换热效率及使用寿命，且基于斯特林发动机的热电联产系统本身附带存储热水的功能。该热电联产系统包括烟气换热装置、斯特林发动机及补燃系统，所述烟气换热装置包括热交换装置和水箱，所述热交换装置至少有一部分浸于水中，所述热交换装置分别与斯特林发动机的排烟口、补燃系统的排烟口连通，所述热交换装置上设置有烟气出口。本发明用于向用户提供热能和电能。

Description

一种基于斯特林发动机的热电联产系统

技术领域

本发明涉及热电联产技术领域，尤其涉及一种基于斯特林发动机的热电联产系统。

背景技术

热电联产系统是一种集制热(包括供暖和供热水等)和发电过程一体化的系统，该系统具有能源利用效率高，碳化物和有害气体排放少等特点。目前，热电联产系统的核心动力装置一般有斯特林发动机、燃料电池、燃气热泵等。

现有的基于斯特林发动机的热电联产系统包括具有燃烧室的补燃系统和斯特林发动机，斯特林发动机与补燃系统连接，斯特林发动机产生的高温烟气能进入补燃系统的燃烧室中；在补燃系统的燃烧室外壁环绕有一螺旋状的水流管道，用于对斯特林发动机和补燃系统产生的高温烟气进行换热。现有的热电联产系统在运行时，斯特林发动机产生的高温烟气进入到补燃系统的燃烧室中，与补燃系统产生的高温烟气在燃烧室内混合，并通过燃烧室侧壁上的孔向外侧扩散；由于水流管道为螺旋状，相邻两圈管道之间存在间隙，从燃烧室扩散出来的高温烟气则会在水流管道相邻两圈管道之间的间隙处与水流管道中的水进行换热，从而使水流管道中的水成为热水。

为了提高烟气的换热效率，往往采用较小管径的水流管道，以加大水流管道中水的流动阻力，延长烟气与水的热交换时间，但由于水在加热过程中容易产生水垢，形成的水垢容易堵塞较小管径的水流管道，降低了烟气的换热效率。另外，由于斯特林发动机和补燃系统产生的高温烟气均是在水流管道相邻两圈管道之间的间隙处与水流管道中的水进行换热，若水流管道相邻两圈管道之间的间隙设置过大，高温烟气穿过该间隙时，速度过快，换热效率较低，因此，需要将水流管道相邻两圈管道之间的间隙设置得较小，以降低高温烟气穿过的速度，提高换热效率，但由于烟气中含有较多的颗粒物，易出现颗粒物堵塞相邻两圈管道之间的间隙的问题，造成排烟不畅，降低了高温烟气换热效率及热电联产系统的使用寿命。再者，现有的基于斯特林发动机的热电联产系统，要想实现上述热水的储存，以便于随时取用，需在系统外连接一个用于蓄热水的水箱，结构复杂。因此，现有的基于斯特林发动机的热电联产系统的设置不合理，需要提出一种新的基于斯特林发动机的热电联产系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于斯特林发动机的热电联产系统，用于提高基于斯特林发动机的热电联产系统的烟气换热效率及使用寿命，且基于斯特林发动机的热电联产系统本身附带存储热水功能。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于斯特林发动机的热电联产系统，包括烟气换热装置、斯特林发动机及补燃系统，所述烟气换热装置包括热交换装置和水箱，所述热交换装置至少有一部分浸于水中，所述热交换装置分别与所述斯特林发动机的排烟口、所述补燃系统的排烟口连通，且所述热交换装置上设置有烟气出口。

本发明提供的基于斯特林发动机的热电联产系统，对热电联产系统中烟气换热装置的结构进行了改进，设置了水箱及热交换装置，斯特林发动机和补燃系统产生的高温烟气是通过热交换装置与水箱中的水进行换热，本发明提供的技术方案与现有技术相比，取消了螺旋环绕在补燃系统的燃烧室外壁上的水流管道，避免了水垢堵塞水流管道的问题，且由于高温烟气不再是在水流管道相邻两圈管道之间的间隙处与水流管道中的水进行换热，避免了烟气中颗粒物堵塞相邻两圈管道之间的间隙的问题，提高了基于斯特林发动机的热电联产系统的换热效率及使用寿命。另外，由于设置了水箱，换热后产生的热水可以直接储存在水箱中，使得本发明提供的基于斯特林发动机的热电联产系统本身附带存储热水功能，无需在基于斯特林发动机的热电联产系统外再连接用于存储热水的水箱，便于用户随时取用热水。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的基于斯特林发动机的热电联产系统的结构示意图。

附图标记：

1-水箱；2-斯特林发动机；3-补燃系统；

4-进水口；5-出水口；6-第一热交换管道；

7-第二热交换管道；8-第三热交换管道；9-冷却管路；

10-循环水泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于斯特林发动机的热电联产系统，包括烟气换热装置、斯特林发动机2及补燃系统3，烟气换热装置包括热交换装置和水箱1，热交换装置至少有一部分浸于水中，热交换装置分别与斯特林发动机2的排烟口、补燃系统3的排烟口连通，且热交换装置上设置有烟气出口。

具体实施时，斯特林发动机2和补燃系统3产生的高温烟气均通过热交换装置的烟气入口进入到热交换装置中，与水箱1中的水进行换热，经过换热后形成的低温烟气通过热交换装置的烟气出口排出水箱1。与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案取消了螺旋环绕在补燃系统的燃烧室外侧的水流管道，而在烟气换热装置中设置水箱1，将热交换装置至少一部分浸于水箱1的水中，从而实现高温烟气的换热，由于水是放置在水箱1内，因此，避免了水垢堵塞水流管道的问题，进而可以提高基于斯特林发动机的热电联产系统的烟气换热效率。且由于高温烟气不是在水流管道相邻两圈管道之间的间隙处与水流管道中的水进行换热，而是在热交换装置内与水箱1中的水进行换热，热交换装置内的高温烟气通道较现有技术中的水流管道相邻两圈管道之间的间隙，要大二十倍以上，避免了烟气中颗粒物堵塞水流管道相邻两圈管道之间的间隙的问题，提高了基于斯特林发动机的热电联产系统的烟气换热效率及使用寿命。另外，由于设置了水箱1，换热后产生的热水可以直接储存在水箱1中，使得本发明提供的基于斯特林发动机的热电联产系统本身具有存储热水的功能。

热交换装置可部分浸于水中，当然，为了提高热交换装置与水箱1中的水之间的换热面积，热交换装置可全部浸于水中。在后续描述中，如无特别说明，提及的热交换装置全部浸于水中。

为方便水进入和排出水箱1，在水箱1上设置有进水口4和出水口5。在烟气换热过程中，水箱1中的水会被热交换装置中的高温烟气加热，由于热水的比重比冷水的比重轻，使得水箱1中上层的水的温度较高，下层的水温度较低，水箱1中水流方向为由下往上运动，为方便水箱1中冷水的注入及热水的排出，将出水口5设置在进水口4的上方，具体地，将出水口5设置在水箱1的上部位置，进水口4设置在水箱1的下部位置。

此外，考虑到本发明实施例中烟气换热装置是针对斯特林发动机2和补燃系统3的高温烟气的回收利用，且由于斯特林发动机2的重量远超过补燃系统3的重量，因此，将补燃系统3设置在烟气换热装置的上方，斯特林发动机2设置在烟气换热装置的下方。

具体地，如图1所示，热交换装置包括第一热交换管道6、第二热交换管道7和第三热交换管道8，第一热交换管道6的烟气入口与补燃系统3的排烟口连通，第二热交换管道7的烟气入口与斯特林发动机2的排烟口连通，第一热交换管道6的烟气出口与第二热交换管道7的烟气出相连接，第三热交换管道8的烟气入口连接在在第一热交换管道6与第二热交换管道7的接合处。

具体使用时，补燃系统3产生的高温烟气进入第一热交换管道6，并在第一热交换管道6中与水箱1中的水进行换热；斯特林发动机2产生的高温烟气进入第二热交换管道7，并在第二热交换管道7中与水箱1中的水进行换热。上述两种经过初步换热后的高温烟气在第一热交换管道6、第二热交换管道7的接合处混合，形成混合烟气，并进入第三热交换管道8中进行进一步换热，最终形成的低温烟气通过第三热交换管道8的烟气出口排出，进而使得烟气余热得到充分利用，提高了基于斯特林发动机的热电联产系统的换热效率。进一步地，为便于经换热后形成的低温烟气排出水箱1，可在水箱1的侧壁上设置低温烟气出口，第三热交换管道8的烟气出口与上述低温烟气出口连通。低温烟气出口可以设置在水箱1的上部侧壁上，当然也可以设置在水箱1的下部侧壁上。由于水箱1中的水在加热时，水的流动方向是由下往上运动的，且由于斯特林发动机2相对于补燃系统3来说，产生的高温烟气相对较少，作为优选方式，将低温烟气出口设置在水箱1的下部侧壁上，如此设计，使得大部分高温烟气从水箱1的上部进入，再由水箱1的下部排出，与水箱1中的水形成逆流换热，从而达到强化换热的效果。

补燃系统3产生的高温烟气经过第一热交换管道6换热，以及斯特林发动机2产生的高温烟气经过第二热交换管道7换热后，烟气的大部分热量已经释放，混合烟气进入到第三热交换管道8中，与水箱1中的水进行进一步换热，释放潜热，为了进一步提高混合烟气在第三热交换管道8中的换热效率，作为优选方式，将第三热交换管道8设置成螺旋状，螺旋状的第三热交换管道8，加大了混合烟气的流动阻力，使得混合烟气在第三热交换管道8中的流动时间延长，进而延长换热时间，进一步提高换热效率。类似地，第一热交换管道6和第二热交换管道7也可设置成螺旋状，但考虑到工艺难度，以及热交换装置的重量，本发明实施例中将第一热交换管道6和第二热交换管道7设置成柱状，比如圆柱状。需要补充的是，螺旋状的第三热交换管道8优选设置为环绕在第二热交换管道7的外壁，能减少水箱1的占用空间。在后续描述中，如无特别说明，提及的第一热交换管道6和第二热交换管道7均为圆柱状，第三热交换管道8为螺旋状，螺旋状的第三热交换管道8环绕在第二热交换管道7外壁。

需要说明的是，由于补燃系统3相对于斯特林发动机2来说，产生的高温烟气相对较多，因此，第一热交换管道6的横截面积大于第二热交换管道7的横截面积，保证补燃系统3产生的高温烟气在第一热交换管道6中换热充分。优选地，第一热交换管道6的横截面积为第二热交换管道7的横截面积的两倍及以上。

进一步地，为防止水箱1底部出现高温热源，影响水箱1中水的循环，第二热交换管道7的下部外壁可以设置有隔热层。此时，斯特林发动机2产生的高温烟气不会与水箱1底部的水交换热量。作为一种具体的实施方式，设置第二热交换管道7的上1/3部分管道为换热管道，下2/3部分管道外壁设置有隔热层。

由于第二热交换管道7的下部分管道不能实现高温烟气与水之间的换热，为了保证斯特林发动机2产生的高温烟气能在第二热交换管道7中换热充分，设置第二热交换管道7的长度大于第一热交换管道6的长度，优选地，设置第二热交换管道7的长度为第一热交换管道6长度的3/2到4/3之间。

另外，当第一热交换管道6的横截面积大于第二热交换管道7的横截面积，且第二热交换管道7的长度大于第一热交换管道6的长度时，补燃系统3产生的高温烟气能够在第一热交换管道6中充分换热，且斯特林发动机2产生的高温烟气能够在第二热交换管道7中充分换热。并且，上述两种烟气在第一热交换管道6和第二热交换管道7中换热后，进入第三热交换管道8时，其温度均高于水蒸汽的冷凝温度(100℃)，最好维持在120℃左右，以避免在第一热交换管道6中和第二热交换管道7中出现冷凝水，从而可以避免上述冷凝水返回到斯特林发动机2的燃烧室中而损坏燃烧室，提高了基于斯特林发动机的热电联产系统的使用寿命。

值得一提的是，为了提高热交换管道的耐高温、耐腐蚀性能，第一热交换管道6、第二热交换管道7、第三热交换管道8均采用不锈钢材质。

由于斯特林发动机2在工作时，需要对斯特林发动机2进行冷却，因此，在斯特林发动机2中还设置有冷却管路9。其中，冷却管路9的入水端和冷却管路9的出水端位于水箱1中的水中，冷却管路9上安装有循环水泵10。通过循环水泵10，将水箱1中的低温水抽入冷却管路9中，进入冷却管路9中的低温水与斯特林发动机2运行过程中产生的热量进行换热，使低温水变成高温水，高温水从冷却水路9的出水端进入水箱1。由于设置了冷却水路9，既可以对斯特林发动机2进行冷却，也可以充分回收利用斯特林发动机2在运行过程中产生的热量，提高能源利用率。

为了便于冷却管路9中低温水的进入及高温水的排出，将冷却管路9的出水端设置在入水端的上方。示例性地，冷却管路9的入水端与水箱1底部的距离为水箱1高度的1/3，冷却管路9的出水端与水箱1底部的距离为水箱1高度的2/3。

由于冷却管路9中经过换热后的水为高温水，为避免其加热水箱1底部的低温水，影响水箱1中高低温水的正常循环，对冷却管路9的出水端部分管路做隔热处理。示例性地，可以在冷却管路9的出水端部分的外壁上设置有隔热层。

需要补充说明的是，为防止水箱1中产生水垢，影响换热效率，在水箱1中还设置阳极棒，阳极棒浸于水箱1的水中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述基于斯特林发动机的热电联产系统包括烟气换热装置、斯特林发动机及补燃系统，所述烟气换热装置包括热交换装置和水箱，所述热交换装置至少有一部分浸于水中，所述热交换装置分别与所述斯特林发动机的排烟口、所述补燃系统的排烟口连通，所述热交换装置上设置有烟气出口。

2.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述水箱上设置有进水口和出水口，所述出水口设置在进水口的上方。

3.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述热交换装置包括第一热交换管道、第二热交换管道和第三热交换管道；所述第一热交换管道的烟气入口与补燃系统的排烟口连通，所述第二热交换管道的烟气入口与斯特林发动机的排烟口连通；所述第一热交换管道的烟气出口与所述第二热交换管道的烟气出口相连接，第三热交换管道的烟气入口连接在第一热交换管道与第二热交换管道的接合处。

4.根据权利要求3所述的基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述水箱的下部侧壁上设置有低温烟气出口，所述第三热交换管道的烟气出口与所述低温烟气出口连通。

5.根据权利要求3所述的基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述第一热交换管道和第二热交换管道均为圆柱状，所述第三热交换管道为螺旋状，螺旋状的第三热交换管道环绕在所述第二热交换管道外壁。

6.根据权利要求3所述的基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述第一热交换管道的横截面积大于所述第二热交换管道的横截面积。

7.根据权利要求3所述的基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述第二热交换管道的下部外壁设置有隔热层。

8.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述基于斯特林发动机的热电联产系统还包括用于冷却斯特林发动机的冷却管路，所述冷却管路的入水端和出水端均位于所述水箱的水中，所述冷却管路上安装有循环水泵。

9.根据权利要求8所述的基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述冷却管路的出水端设置在所述冷却管路的入水端的上方。

10.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机的热电联产系统，其特征在于，所述水箱中还设置有阳极棒，所述阳极棒浸于水中。