CN106662039B - 用于热电联供发电机的热媒循环结构和热水温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于微型热电联供（micro‑CHP）发电机的热媒循环结构，其中，热媒首先通过与热水箱里的水进行热交换而散热，从而具有低温，进一步地，在回输管热交换器中，与通过直饮水管供应的低温直饮水进行热交换，由此进一步散热，然后通过热媒回输管回输到斯特林发动机，从而有效地冷却斯特林发动机的低温部分。这样，该热媒循环结构能够带来高的发电效率。进一步地，提供用于微型热电联供发电机的热水温度控制方法，其中，通过流量传感器检测热水消耗。规定第一和第二预定温度，从而分别在由于自然散热和热水消耗而引起的热水温度降低的情况下运转斯特林发动机。

Description

用于热电联供发电机的热媒循环结构和热水温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于微型热电联供发电机的热媒循环结构和热水温度控制方法。更具体地，本发明涉及一种用于微型热电联供发电机的热媒循环结构和热水温度控制方法，其中，回输管热交换器设置在直饮水管的一侧，从而，通过该直饮水管引入的直饮水不可直接提供给热水箱，而是在首先与热媒回输管中的热媒进行热交换之后提供。

背景技术

近来，寻找替代能源的要求在增加，并由此，人们对从低温废气或者循环的制冷剂中回收潜热的技术越来越感兴趣。

在这方面，斯特林发动机（stirling engine）用于将中低温热能转换为轴功率（shaft power）（优质能源）。斯特林发动机的优点在于，由于参与朗肯循环（Rankingcycle）的其所有元件都集成在一个发动机上，并且使用诸如空气的气体作为工作流体，因此，其具有特别简单的构造和工作方式。

此外，在使用朗肯循环的系统中，斯特林发动机具有最高的热效。因此，在将中低温热能转化为功时，就其相对简单的结构和高能量转换效率方面，与传统的朗肯循环系统相比，斯特林发动机是具有优势的。

如图1所示，最近，微型热电联供（micro-CHP）发电机是一种能量生成系统，其能够利用已经家用的斯特林发动机来产生电力和热量。这种micro-CHP系统是一种家用供热系统（boiler system），其包括斯特林发动机110和辅助锅炉200，其中，斯特林发动机110产生电力而辅助锅炉200产生用于加热的热水。

高温热媒经由包含在该辅助锅炉200中的显热交换器210和潜热交换器220供应，与热水箱300中的低温水进行热交换生成热水，并由此通过该热交换散热而变为低温热媒。热水存储在该热水箱中并随后被用户使用。通过在热水箱300中执行的热交换而生成的低温热媒经热媒回输管130回输到斯特林发动机，从而将该斯特林发动机110冷却。穿过该斯特林发动机110之后，该低温热媒接下来再次通过该潜热交换器220和显热交换器210，获得来自该显热和潜热交换器的热量而变为高温热媒。这样，热媒循环往复进行这个热交换循环。

在斯特林发动机110中，当加热发动机缸盖（未示出）时，发动机缸盖中的工作流体（如氢气或者氦气）由于温度的变化而膨胀和收缩，并由此产生交流电。如果被发动机燃烧器120加热的发动机缸盖的高温部分与热媒向其回输的低温部分之间的温度差增加，则产生的电量也增加。

热水箱300配置有温度传感器310，当该热水箱中的热水温度降低到低于预定温度时，温度传感器310打开micro-CHP，因此，热水箱300通常能够存储50°C到60°C温度范围内的热水。另外，当热水消耗一定量时，则从外部通过直饮水管向该热水箱提供与消耗的水量等量的水，从而热水箱中的水得到补充。因此，该热水箱中的水能够保持在一个预定的水平。

但是，在用户消耗热水箱中的热水时，斯特林发动机工作并将热水箱300中的水加热到55到65°C的温度范围内。这时，通过热媒回输管130回输到斯特林发动机的热媒的温度通常可能会达到60到70°的温度范围内。

在这种情况下，由于通过热媒回输管130回输的热媒使斯特林发动机110的低温部分的温度增加，带来的问题是产生电量的降低。

此外，当回输热媒的温度为60°C或更高时，斯特林发动机的工作部分地或者全部受到抑制，由此保护斯特林发动机免受由于回输到斯特林发动机的高温热媒引起的热冲击。因此，根据斯特林发动机110的低温部分的温度，该斯特林发动机110反复停止和恢复工作，这可能会导致耐久性的恶化。因此，希望找到一种无故障工作的斯特林发动机是一个难题。

发明内容

技术问题

因此，本发明一直注意了现有技术中存在的上述问题，并且，本发明的目的是提供一种用于微型热电联供（micro-CHP）发电机的热媒循环结构，其中，在热水箱中首先进行热交换而经过散热的热媒，在回输管热交换器中与通过直饮水管引入的低温直饮水进行热交换，并之后通过热媒回输管回输到斯特林发动机，因此，斯特林发动机低温部分温度的降低有助于保持高发电效率。

本发明的另一个目的是，提供一种用于micro-CHP发电机的热水温度控制方法，其中，通过设置在直饮水管一侧的流量传感器检测热水的使用。在这个方法中，规定第一预定温度和第二预定温度，分别在由于自然辐射而引起温度降低的情况下和由于热水使用而引起温度降低的情况下，用作斯特林发动机的工作参考值。这个方法避免斯特林发动机由于其频繁停止和恢复工作而引起的耐久性的恶化。

技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种用于微型热电联供（micro-CHP）发电机的热媒循环结构，该结构包括：斯特林发动机，其利用通过发动机燃烧器加热的发动机缸盖的高温和通过热媒回输管从热水箱回输的热媒的低温之间的温度差来产生电力；显热交换器，设置在该斯特林发动机的一侧；热水箱，接收通过该斯特林发动机和该显热交换器加热到高温的热媒，并然后通过热媒供应管向其供应，并允许该高温热媒与存储在其中的水进行热交换；以及直饮水管，通过其将直饮水供应到该热水箱，以补充存储在热水箱中的水，从而使热水箱保持在一个预定水位，穿过回输管热交换器的直饮水与该热媒回输管中的热媒进行热交换。

该热媒循环结构还可包括：潜热交换器，设置在该斯特林发动机的一侧，其中，该热水箱接收由穿过该斯特林发动机、显热交换器和潜热交换器而加热的热媒，并允许该热媒与存储在其中的水进行热交换。

该热媒循环结构还可包括：循环泵，设置在回输管热交换器和斯特林发动机之间，用于调节循环的和在该回输管热交换器中与该直饮水进行热交换的热媒的流量M，从而调节从该斯特林发动机供应的热媒的温度。

为了达到上述目的，根据另一方面，提供一种用于微型热电联供发电机的热水温度控制方法，该方法包括：在该微型热电联供发动机工作期间，利用流量传感器检测引入到热水箱的直饮水的流量，确定热水是否消耗；当确定热水在消耗时，确定存储在该热水箱中的热水的温度T是否低于第二预定温度B（该温度是在由于热水消耗而引起温度降低的情况下，用于运转斯特林发动机的预设参考温度）；当确定热水未被消耗时，确定存储在该热水箱中的热水的温度T是否低于第一预定温度A（该温度是在由于自然辐射而引起温度降低的情况下，用于运转斯特林发动机的预设参考温度）；当确定热水温度T低于该第二预定温度B或者第一预定温度A时，运转该斯特林发动机；通过利用循环泵调节热媒的流量M来调节由斯特林发动机提供的热媒的温度；确定热水温度T是否低于第三预定温度C，在此温度，该斯特林发动机需要停止运转；以及当确定热水温度T等于或者高于该第三温度C时，停止运转的斯特林发动机。

有益效果

根据本发明的一个实施方式，回输到斯特林发动机的热媒在回输管热交换器中与通过直饮水管引入的低温直饮水进行热交换，由此进行散热并对斯特林发动机的低温部分进行冷却，这使高发电效率称为可能。

此外，规定两个温度，分别在由于自然辐射而引起热水变凉的情况下和由于热水消耗而补充水的情况下，用作运转斯特林发动机的参考值，这个可避免斯特林发动机由于其频繁停止和恢复工作而引起的耐久性的恶化，并由此可能获得希望的无故障工作的斯特林发动机。

附图说明

图1是根据相关技术的用于微型热电联供（micro-CHP）发电机的排气结构和热媒循环结构的示意图；

图2是根据本发明一个实施方式的用于微型热电联供（micro-CHP）发电机的排气结构和热媒循环结构的示意图；

图3是根据本发明该实施方式的辅助锅炉主要部分的透视图；

图4是根据本发明该实施方式的辅助锅炉排气管的前视图和截面图的组合；

图5是根据本发明一个实施方式的用于micro-CHP发电机的热水温度控制方法的流程图。

100：外罩

110：斯特林发动机

120：发动机燃烧器

130：热媒回输管

140：直饮水管

150：回输管热交换器

160：热媒供应管

170：循环泵

180：流量传感器

200：辅助锅炉

210：显热交换器

215：辅助燃烧器

220：潜热交换器

230：壳

250：连接管

300：热水箱

310：温度传感器。

具体实施方式

接下来将参考附图对本发明的优选实施方式进行说明。

如图2至4所示，根据本发明一个实施方式的微型热电联供（micro-CHP）发电机包括外罩100、设置在外罩100中的斯特林发动机110，以及设置在斯特林发动机110上方的辅助锅炉200。

辅助锅炉200包括壳230、设置在壳230中的潜热交换器220，以及设置在壳230上方的显热交换器210。

壳230的前面部分开口，前面的这个开口被盖240覆盖并密封，因此，形成一个用于释放发动机废气的通道。

壳230在底部有一个孔（未示出），以及一个连接该孔的连接管250。连接管250还连接该斯特林发动机110的发动机缸盖。连接管250引导由发动机燃烧器120燃烧而产生的废气并在加热该斯特林发动机110之后释放。连接管250设置有凸缘，因此其能够容易地与壳230结合。

从连接管250的上端释放的废气被引导流过该潜热交换器220，并然后穿过该潜热交换器220。之后，废气被引导向下流动，并最后释放到该辅助锅炉的外部。

斯特林发动机110由主锅炉（未示出）操纵。当该斯特林发动机110的缸盖（未示出）通过该主锅炉的发动机燃烧器120加热时，由于温度的改变，斯特林发动机内的工作流体膨胀和收缩，由此产生交流电。

由该辅助锅炉200的显热交换器210和潜热交换器220加热的、将要变为高温热媒的热媒与存储在热水箱300中的水进行热交换，由此通过该热交换产生热水并变为低温热媒。

在这种情况下，根据本发明一个实施方式的用于micr-CHP发电机的热媒循环结构，将在热水箱300中进行过热交换的热媒回输到该斯特林发动机110，以冷却斯特林发动机110。在这点上，该低温热媒在回输管热交换器150中与通过直饮水管140引入的低温直饮水进行热交换之后，回输到斯特林发动机110。接下来，穿过斯特林发动机110之后，该热媒随后再次穿过该潜热交换器220和显热交换器210。热媒以这种方式反复循环。

热水箱300配置有温度传感器310，对存储在热水箱300中的水温进行探测。当存储在热水箱中的热水温度低于预定温度时，micro-CHP发电机开始工作，以正常产生50°C到60°C的热水。当消耗的水少时，热水处于介于50°C到60°C之间的平衡状态。当热水被消耗时，通过直饮水管140向该热水箱供应与消耗的量相应的直饮水。因此，在热水使用期间保持预定水位。

同时，直饮水并不通过该直饮水管140直接提供给热水箱300。即，在该直饮水管140的一侧设置有回输管热交换器150，从而，在供应到该热水箱300之前，直饮水在该回输管热交换器150中首先与穿过该热媒回输管130的热媒进行热交换。

因此，通过在回输管热交换器150中与该热媒进行的热交换，提供给热水箱300的水具有中等温度。因此，将存储在该热水箱300中的热水温度控制在50°C到60°C的温度范围内变得更加容易。

通过热媒回输管130回输到斯特林发动机110的热媒，通过与由直饮水管140引入的水进行热交换而进一步冷却。因此，回输的热媒能够更加有效地将斯特林发动机110的低温部分进行冷却，这带来高的发电效率。

存储在热水箱300中的热水需要保持在一个高的温度。因此，通过热媒供应管160供应到热水箱300的热媒的温度需要达到65°C或者更高，其通常比热水的期望温度高5°C。但是，当通过热媒回输管130回输的热媒温度比这个低时，以及热媒流量高时，通过热媒供应管160提供到热水箱300的热媒就很难保持一个充分的高温。

具体地，斯特林发动机110能够给热媒的总热量Q是恒定的，并且其与热媒流量M和温差dT的乘积成比例。当热媒的温度低且热媒流量高时，提供给热水箱300的热媒温度则很可能低于存储在热水箱300中的热水的预设温度。

在这种情况下，辅助锅炉200需要同时工作，从而使存储在热水箱300中的水温能够达到预定温度。但是，这可能带来较低的能效。

为此，在回输管热交换器150和斯特林发动机110之间设置循环泵170，该循环泵170用于调节热媒循环的流量。利用该循环泵170降低循环热媒的流量，这可能会充分提高斯特林发动机110中存在的热媒的温度。

同时，虽然通过使用循环泵170将热媒的流量控制到足够低，但是，由于辅助锅炉200的显热交换器和潜热交换器带走了热媒，其通过与斯特林发动机110进行的热交换而获得相当大的热量，这可避免供应到热水箱300的热媒突然过热。因此，其可避免对热水用户带来的不便。

流量传感器180设置在直饮水管140上，检测供应到热水箱300的直饮水的流量。因此，其可通过使用流量传感器180检测直饮水的流量而检测热水的使用。当检测到使用热水时，设置在热水箱300上的温度传感器（310）检测存储在热水箱300中的热水温度。在这点上，当检测到的温度低于预定温度时，斯特林发动机110工作，或者斯特林发动机110和辅助锅炉220都工作。

关于这种情况，下面将对根据本发明一个实施方式的用于micro-CHP发电机的热水温度控制方法进行说明。

如图5所示，为了确定在micro-CHP工作期间是否消耗热水，用流量传感器180检测引入到热水箱300的直饮水的流量（步骤180）。

第一预定温度A是这样的温度，在由于自然辐射而引起热水温度T降低的情况下，低于这个温度斯特林发动机110需要工作的温度。

第二预定温度B是这样的温度，在由于热水消耗而向热水箱供应低温直饮水而引起热水温度T降低的情况下，低于这个温度斯特林发动机110需要工作的温度。为了向用户提供预定稳定温度的热水，第二预定温度B可设置为比第一预定温度A更高。

具体地，利用流量传感器180可检测热水的消耗，可设置第一和第二预定温度A和B，为了分别在由于自然辐射而引起热水冷却的情况下和由于热水消耗而引起的热水冷却的情况下运转斯特林发动机。对于用于自然辐射的第一预定温度A，对于这种情况，用户并不立即需要热水。因此，在这种情况下，就能效来说，热水并不必须保持在高温。因此，第一预定温度A相对比较低。

当流量传感器180显示热水消耗时，确定存储在热水箱300中的热水温度T是否低于第二预定温度B（步骤S12）。

相反，当流量传感器180显示没有热水消耗时，确定存储在热水箱300中的热水温度T是否低于第一预定温度A（步骤S14）。

当在步骤S12中确定热水温度T低于第二预定温度B时，或者在步骤S14中确定低于第一温度A时，斯特林发动机110工作（步骤S20）。

在这种情况下，利用循环泵（170）控制热媒的循环流量M，从而，由斯特林发动机110提供的热媒温度可能是高的（步骤S30）。

随后，当热水温度T等于或高于斯特林发动机110在此温度需要停止工作的第三预定温度C时（步骤S40），则停止从步骤S20就已经开始工作的斯特林发动机110（步骤S50）。

第三预定温度C可设置得足够高温，以避免斯特林发动机110的频繁停止和恢复工作，从而避免斯特林发动机110的耐久性的恶化。

根据本发明的用于微型热电联供发电机的热媒循环结构和热水温度控制方法的实施方式仅是为了示例的目的提供，本领域技术人员可以理解，各种选择、改变和等效情况都是可能的。因此，可以理解，本发明并不仅限于说明书中详细描写的形式。因此，本发明的实际技术保护范围应当在附后的权利要求书的基础上限定。此外，本发明应当解释为包括在由附后的权利要求书限定的精神和范围内的所有选择、改变、等效情况和替换情况。

Claims (4)

1.一种用于微型热电联供发电机的热媒循环结构，该结构包括：

斯特林发动机（110），其利用通过发动机燃烧器（120）加热的发动机缸盖的高温和通过热媒回输管（130）从热水箱（300）回输的热媒的低温之间的温度差来产生电力；

显热交换器（210），设置在该斯特林发动机（110）的一侧；

热水箱（300），接收通过该斯特林发动机（110）和该显热交换器（210）加热到高温的热媒，并然后通过热媒供应管（160）向其供应，并允许该高温热媒与存储在其中的水进行热交换；以及

直饮水管（140），通过其将直饮水供应到该热水箱（300），以补充存储在热水箱中的水，从而使热水箱（300）保持在一个预定水位；

以及，回输管热交换器(150)，设置在该直饮水管(140)的一侧，从而，在供应到该热水箱（300）之前，直饮水在该回输管热交换器(150)中首先与穿过该热媒回输管（130）的热媒进行热交换。

2.根据权利要求1的用于微型热电联供发电机的热媒循环结构，还包括：

潜热交换器（220），设置在该斯特林发动机（110）的一侧，其中，该热水箱（300）接收由穿过该斯特林发动机（110）、显热交换器（210）和潜热交换器（220）而加热的热媒，并允许该热媒与存储在其中的水进行热交换。

3.根据权利要求1的用于微型热电联供发电机的热媒循环结构，还包括：

循环泵（170），设置在回输管热交换器（150）和斯特林发动机（110）之间，用于调节循环的和在该回输管热交换器（150）中与该直饮水进行热交换的热媒的流量（M），从而调节从该斯特林发动机（110）供应的热媒的温度。

4.一种根据权利要求1所述的用于微型热电联供发电机的热媒循环结构的热水温度控制方法，该方法包括：

步骤S10，在该微型热电联供发电机工作期间，利用设置直饮水管(140)一侧的流量传感器（180）检测通过直饮水管(140)引入到热水箱（300）的直饮水的流量，确定热水是否消耗；

步骤S12，当通过该步骤S10确定热水在消耗时，确定存储在该热水箱（300）中的热水的温度（T）是否低于第二预定温度（B）；

步骤S14，当通过该步骤S10确定热水未被消耗时，确定存储在该热水箱（300）中的热水的温度（T）是否低于第一预定温度（A）；

步骤S20，当通过步骤S12和S14确定热水温度（T）低于该第二预定温度（B）或者第一预定温度（A）时，运转斯特林发动机（110）；

步骤S30，通过利用循环泵（170）调节热媒的流量（M）来调节由斯特林发动机（110）提供的热媒的温度；

步骤S40，确定热水温度（T）是否低于第三预定温度（C），在此温度，该斯特林发动机（110）需要停止运转；以及

步骤S50，当通过步骤S40确定热水温度（T）等于或者高于该第三预定温度（C）时，停止在步骤S20运转的斯特林发动机（110）。