CN107461276B - 一种小型分布式冷热电联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型分布式冷热电联供系统，所述系统包括：燃烧单元(2)、电力变换单元(3)、蒸汽压缩节流制冷单元(4)、供热单元(5)和冷却水循环单元(6)；所述系统还包括：自由活塞斯特林发电机单元(1)；所述燃烧单元(2)、自由自由活塞斯特林发电机单元(1)和电力变换单元(3)相连接，用于提供交流电；所述冷却水循环单元(6)用于提供循环冷却水，所述循环冷却水经过自由活塞斯特林发电机单元(1)和燃烧单元(2)进入供热单元(5)，用于提供生活热水和冬季供暖；所述冷却水循环单元(6)与蒸汽压缩节流制冷单元(4)相连，所述蒸汽压缩节流制冷单元(4)用于提供制冷量。
Description
技术领域
本发明涉及能源利用领域，具体地，本发明涉及一种小型分布式冷热电联供系统。
背景技术
冷热电联供(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)系统是一种建立在能源梯级利用概念基础上，集制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程为一体的多能联供总能系统，总的能源利用率可以达到75％—90％以上。与传统分供式能源系统相比较，冷热电联供系统结构紧凑，占地面积小，安装方便，维护简单，自动化程度高，运行成本低。与大电网、集中式供能系统相比，冷热电联供系统还具有投资小、见效快等特点，代表着当前能源利用新的发展方向。
现有冷热电联供系统按动力系统类型分类，可分为蒸汽轮机系统、燃气轮机系统、内燃机系统、斯特林发动机系统、微型燃气轮机系统及燃料电池系统等。其中，蒸汽轮机系统、燃气轮机系统主要用在大型的热电联供场合；内燃机的功率范围较广，发电效率可达30％以上，热电综合效率可达90％，初投资较低，但是其对燃料种类要求高，且噪音较大。燃料电池系统发电效率最高：磷酸型燃料电池(PAFC) 发电效率可达46％，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC) 的发电效率可超过60％，但燃料电池的生产和维护成本很高，而且目前可靠性还有待进一步提高。小型燃气轮机的功率为30～250kW，发电效率在22％～30％，余热的品质较高(尾气温度可达500℃～600℃)。斯特林发动机系统具有能源利用率较高、噪音小、维护简单方便、燃料适应性好等优势，适用于1～100kW机组容量的冷热电联供系统。但其余热的品质较低(供热水的温度在55℃左右，尾气温度在250℃左右)，作为分布式供能系统的主机，余热利用的难度比较大。以上各种动力系统中，燃料电池和微型燃气轮机目前还不具备可靠的制造技术，且系统建设成本较高。基于现有技术，现阶段发展我国自主知识产权的小型分布式能源系统(1～100kW)，斯特林发动机和内燃机是最有发展前途的。
图1是文献1(专利公布号：CN103256145 A)提出的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统结构示意图。该系统中，天然气等气体燃料在第一燃烧器1a中燃烧，产生的高温烟气先用来加热斯特林发动机2a的高温热端6a，然后与第一换热器3a 的空气进行换热，再与第二换热器4a的冷却水进行换热后排放至外界大气。同时，冷却水与斯特林发动机低温冷端7a换热后，再与高温烟气在第二换热器4a进一步换热，使冷却水温度升高，产生的热水用于生活用水、冬季供暖和夏季作为溴化锂吸收式制冷机组5a的热源。斯特林发动机工质循环于高温热腔与低温冷腔之间，从而推动活塞往复运动对外做功，曲柄连杆机构将活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，从而带动发电机8a对外输出电能。
包括上述专利方案在内的现有的基于传统斯特林发动机的冷热电联供系统，具有以下缺点：首先，传统斯特林发动机的曲柄连杆机构加剧了压缩活塞与气缸壁面的磨损和工质污染，使得发动机结构复杂，可靠性较低，制造成本较高，工质密封技术较难，机器较为笨重；其次，现有基于传统斯特林发动机的冷热电联供系统使用溴化锂吸收式制冷机作为制冷装置，在实际应用中具有固有缺陷。一方面，溴化锂吸收式制冷机的使用使得制冷系统体积较大，维护困难；由于溴化锂溶液对普通碳钢有较强的腐蚀性，机组要求较高的气密性，因此制冷系统对材料和制造有较高要求。另一方面，斯特林发动机冷热电联供系统由于工作原理的限制，机组的出水温度没有燃气轮机和内燃机高，余热品位较低，供热量小，无法提供双效溴化锂制冷机组所需的较高温度的冷却水，这使得一次能耗大的溴化锂吸收式制冷机并不适合作为制冷系统应用于斯特林发动机冷热电联供系统。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于克服现有基于传统斯特林发动机的冷热电联供系统的缺点，提供一种小型分布式冷热电联供系统。相比于现有采用传统曲柄连杆机构斯特林发动机作为动力源的冷热电联供系统，采用自由活塞斯特林发动机作为动力源具有以下优点：首先，自由活塞斯特林发动机采用气体弹簧或板簧替代了曲柄连杆机构，从而消除了运动件的侧向力；其二，自由活塞斯特林发动机采用了间隙密封，无需油润滑，消除了机械磨损，大大增加了发动机的使用寿命，而且消除了润滑油流道机构，简化了系统；其三，因为运动部件均为直线运动，振动抵消变得更加容易，发动机噪音更低。相比于现有的传统斯特林发动机冷热电联供系统中采用溴化锂吸收式制冷机作为制冷系统的方案，本发明采用蒸汽压缩节流制冷循环在夏季为用户提供制冷量，降低了制冷系统的成本，减小了制冷系统的占地面积，是斯特林发动机冷热电联供系统中一种可行的制冷方式。
为达到上述目的，本发明公开了一种小型分布式冷热电联供系统，所述系统包括：燃烧单元2、电力变换单元3、蒸汽压缩节流制冷单元4、供热单元5和冷却水循环单元6；所述系统还包括：自由活塞斯特林发电机单元1；所述燃烧单元2、自由自由活塞斯特林发电机单元1和电力变换单元3相连接，用于提供交流电；所述冷却水循环单元6用于提供循环冷却水，所述循环冷却水经过自由活塞斯特林发电机单元1和燃烧单元2进入供热单元5，用于提供生活热水和冬季供暖；所述冷却水循环单元6与蒸汽压缩节流制冷单元4相连，所述蒸汽压缩节流制冷单元4用于提供制冷量。
作为上述系统的一种改进，所述自由活塞斯特林发电机单元1包括：自由活塞斯特林发动机11和直线发电机12，所述自由活塞斯特林发动机11通过斯特林循环把热能转化为声能，所述直线发电机12把声能转化为电能；所述自由活塞斯特林发动机11包括膨胀腔111、排出器112、高温换热器113、回热器114、冷却器115和排出器底座116；所述排出器112与外壳形成膨胀腔111，所述高温换热器113一端与膨胀腔111相连，另一端与回热器114相连；所述冷却器115一端与压缩腔117 相连，另一端与回热器114相连；所述直线发电机12包括动力活塞121、发电机动子122、发电机定子123和板簧124，所述动力活塞121设置在压缩腔117与板簧124 之间，所述排出器112的一端连接膨胀腔111，另一端穿过压缩腔117与板簧124连接；所述动力活塞121套设于排出器112上，用以驱动发电机动子122往复运动。
作为上述系统的一种改进，所述燃烧单元2包括空气入口鼓风机21、空气预热器22、第一燃气控制阀23、第二燃气控制阀24、一级燃烧器25、二级燃烧器26、第一换热器27和烟气出口鼓风机28；所述高温换热器113与一级燃烧器25相连接；外界空气经空气入口鼓风机21吹入空气预热器22，在空气预热器22中与一级燃烧器25排出的高温烟气换热，使得空气温度升高；随后空气在一级燃烧器25中与燃气混合燃烧，加热自由活塞斯特林发动机11的高温换热器113；一级燃烧器25排出的余热烟气经空气预热器22与空气换热后，进入二级燃烧器25进行二次燃烧，排出的高温烟气在第一换热器27中加热冷却水后经烟气出口鼓风机28排放至外界大气。
作为上述系统的一种改进，所述电力转换单元3包括依次相连的整流桥31、控制变换器32、蓄电池33和逆变器34；所述直线发电机12与整流桥31相连接，所述整流桥31用于将直线发电机12输出的交流电转换为直流电，所述控制变换器32 用于将整流桥31转换的直流电变换成恒定直流电，所述蓄电池33用于储存直流电，所述逆变器34用于将恒定直流电变换成交流电。
作为上述系统的一种改进，所述蒸汽压缩节流制冷单元4包括通过管道依次相连的压缩机41、冷凝器42、膨胀阀43和蒸发器44；所述蒸汽压缩节流制冷单元4 还包括通过管道依次相连的风机盘管系统45、冷冻泵46和节流阀47。
作为上述系统的一种改进，所述压缩机41为活塞式制冷压缩机、转子式制冷压缩机或涡旋式制冷压缩机。
作为上述系统的一种改进，所述供热单元5包括补水阀51、第二换热器52、储热水箱53、热水循环泵54、供暖器入口阀55、供暖器56、供暖器出口阀57和供暖器旁通阀58；其中，所述第二换热器52、储热水箱53、热水循环泵54、供暖器旁通阀58通过水管首尾依次相连，构成热水循环回路；供暖器入口阀55、供暖器56、供暖器出口阀57通过水管与供暖器旁通阀58并联连接。
作为上述系统的一种改进，所述冷却水循环单元6包括通过水管依次相连的冷却塔61、冷却水泵62和冷却水节流阀63；所述自由自由活塞斯特林发电机单元1 的冷却器115与冷却水循环单元6相连接；所述燃烧单元2的第一换热器27与冷却水循环单元6相连接；所述供热单元5的第二换热器52与冷却水循环单元6相连接；所述蒸汽压缩节流制冷单元4的冷凝器42与冷却水循环单元6相连接。
作为上述系统的一种改进，当所述系统处于夏季工作模式时，所述第二燃气控制阀24开启，第一燃气控制阀23关闭，二级燃烧器26处于待机状态，供暖器入口阀55、供暖器出口阀57均关闭，供暖器旁通阀58开启，压缩机41处于开机状态；空气经空气入口鼓风机21吹入空气预热器22后与余热烟气换热后进入一级燃烧器 25与燃气充分混合燃烧，燃烧产生的大量辐射热量和高温烟气热量加热自由活塞斯特林发动机11；循环冷却水经自由活塞斯特林发动机冷却器115、第一换热器27两次换热后，在第二换热器52中将热量传递给自来水，被加热的热水储存于储热水箱 53中，用于提供生活热水；冷却塔63对循环冷却水的剩余热量进行冷却，使冷却水回到常温；从冷却塔63流出的常温冷却水流经冷凝器42，带走制冷剂蒸汽的热量；压缩机41不断抽吸蒸发器44中的制冷剂蒸气，并将其压缩成高压、过热蒸气而排出并送入冷凝器42，制冷剂蒸气在冷凝器42中放出热量，把热量传递给循环冷却水，从而使制冷剂蒸气冷凝成液体，冷凝后的液体流经膨胀阀43进入蒸发器44；制冷剂液体流入蒸发器44后，在蒸发器44盘管中与冷却水循环单元6的常温水进行热交换，常温水就变成了低温冷冻水，低温冷冻水被冷冻水泵46泵送到风机盘管系统45 中，提供制冷量。
作为上述系统的一种改进，当所述系统处于冬季热、电联供工作模式时，所述第二燃气控制阀24开启，第一燃气控制阀23开启，二级燃烧器26处于工作状态，供暖器入口阀55、供暖器出口阀57均开启，供暖器旁通阀58关闭，压缩机41处于停机状态；燃气与余热烟气在二级燃烧器26处充分燃烧，燃烧产生高温烟气在第一换热器27中与循环冷却水充分换热后使冷却水的热量提高；高温循环冷却水在第二换热器52中将热量传递给自来水，被加热的热水储存于储热水箱53中，用于提供冬季生活热水或流经供暖器56供暖。
本发明提供的一种小型分布式冷热电联供系统的优点在于：
1、相比基于传统斯特林发动机的冷热电联供系统，采用自由活塞斯特林发动机作为冷热电联供系统的动力源，具有以下优点：首先自由活塞斯特林发动机采用气体弹簧或板簧替代了曲柄连杆机构，从而消除了运动件的侧向力；其二，自由活塞斯特林发动机采用了间隙密封，无需油润滑，消除了机械磨损，大大增加了发动机的使用寿命，而且消除了润滑油流道机构，简化了系统；其三，因为运动部件均为直线运动，振动抵消变得更加容易，发动机噪音更低；
2、相比于现有斯特林发动机冷热电联供系统中采用溴化锂吸收式制冷机作为制冷系统的方案，本发明采用蒸汽压缩节流制冷循环在夏季为用户提供制冷量，一方面，避免了因斯特林发动机余热品位较低，供热量小等因素造成制冷系统不能正常运行的问题，真正实现斯特林发动机冷、热、电三联供；另一方面，通过采用蒸汽压缩节流制冷循环，降低了制冷系统的成本，减小了制冷系统的占地面积，是斯特林发动机冷热电联供系统中一种可行的制冷方式；
3、由于自由活塞斯特林发动机具有灵活的输出功率，可根据实际的需要进行功率调节，因而本发明可根据用户对发电量、制冷量和供热量的不同需求以及季节的变化灵活应用于不同工况；
基于以上优点，本发明提供的一种小型分布式冷热电联供系统在海岛地区、偏远山区、部队营房等供电困难地区以及小型分布式系统中具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是文献1提出的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统结构示意图；
图2是本发明的一种小型分布式冷热电联供系统结构示意图；
图3是本发明的自由活塞斯特林发电机结构示意图。
附图标记：
1a、第一燃烧器； 2a、传统曲柄连杆机构斯特林发动机； 3a、第一换热器；
4a、第二换热器； 5a、溴化锂吸收式制冷机组；6a、斯特林发动机高温热端；
7a、斯特林发动机低温冷端； 8a、发电机；
1、自由活塞斯特林发电机单元；2燃烧单元； 3、电力变换单元；
4、蒸汽压缩节流制冷单元； 5、供热单元； 6、冷却水循环单元；
11、自由活塞斯特林发动机； 111、膨胀腔； 112、排出器；
113、高温换热器； 114、回热器； 115、冷却器；
116、排出器底座； 117、压缩腔； 12、直线发电机；
121、动力活塞； 122、发电机动子； 123、发电机定子；
124、板簧； 125、背腔； 21、空气入口鼓风机；
22、空气预热器； 23、第一燃气控制阀； 24、第二燃气控制阀；
25、一级燃烧器； 26、二级燃烧器； 27、第一换热器；
28、烟气出口鼓风机； 31、整流桥； 32、控制变换器；
33、蓄电池； 34、逆变器； 35、用电设备；
41、压缩机； 42、冷凝器； 43、膨胀阀；
44、蒸发器； 45、风机盘管系统； 46、冷冻泵；
47、冷冻水节流阀； 51、补水阀； 52、第二换热器；
53、储热水箱； 54、热水循环泵； 55、供暖器入口阀；
56、供暖器； 57、供暖器出口阀； 58、供暖器旁通阀；
61、冷却塔； 62、冷却水泵； 63、冷却水节流阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图2是本发明实施例中的一种小型分布式冷热电联供系统结构示意图，所述系统包括：自由活塞斯特林发电机单元1、燃烧单元2、电力变换单元3、蒸汽压缩节流制冷单元4、供热单元5和冷却水循环单元6。
图3是本发明的自由活塞斯特林发电机单元结构示意图，所述自由活塞斯特林发电机单元1包括：自由活塞斯特林发动机11和直线发电机12，所述自由活塞斯特林发动机11通过斯特林循环把热能转化为声能(机械能，所述直线发电机12把声能转化为电能。
所述自由活塞斯特林发动机11包括膨胀腔111、排出器112、高温换热器113、回热器114、冷却器115和排出器底座116；所述排出器112与外壳形成膨胀腔111，排出器112的一端连接膨胀腔111，另一端穿过压缩腔117与板簧124连接。外壳上环绕排出器112设置有高温换热器113、回热器114和冷却器115，高温换热器113 一端与膨胀腔111相连，另一端与回热器114相连；冷却器115一端与压缩腔117 相连，另一端与回热器114相连。
所述直线发电机12为动铁式、动磁式或动圈式结构，其包括发电机动子122和发电机定子123，发电机动子122和发电机定子123都包括线圈、铁芯和永磁体。压缩腔117与板簧124之间设有动力活塞121，动力活塞121套设于排出器112上，用以驱动直线发电机动子122发生往复运动，发电机动子122在往复运动过程中切割磁力线，将机械能转化为电能输出。
所述燃烧单元2包括空气入口鼓风机21、空气预热器22、第一燃气控制阀23、第二燃气控制阀24、一级燃烧器25、二级燃烧器26、第一换热器27和烟气出口鼓风机28。所述高温换热器113与一级燃烧器25相连接。外界空气经空气入口鼓风机 21吹入空气预热器22，在空气预热器22中与一级燃烧器25排出的高温烟气换热，使得空气温度升高。随后空气在一级燃烧器25中与燃气混合燃烧，加热自由活塞斯特林发动机11的高温换热器113。一级燃烧器25排出的余热烟气经空气预热器22 与空气换热后，进入二级燃烧器25进行二次燃烧，排出的高温烟气在第一换热器27 中加热冷却水后经烟气出口鼓风机28排放至外界大气。
所述电力转换单元3包括和直线发电机12依次相连的整流桥31、控制变换器 32、蓄电池33和逆变器34。其中，所述直线发电机12与整流桥31相连接，所述整流桥31用于将直线发电机12输出的交流电转换为直流电，控制变换器32用于将整流桥31转换的直流电变换成恒定直流电，蓄电池33用于储存直流电，逆变器34用于将恒定直流电变换成用电设备35所需的交流电。
所述蒸汽压缩节流制冷单元4包括通过管道依次相连的压缩机41、冷凝器42、膨胀阀43、蒸发器44；所述蒸汽压缩节流制冷单元4还包括通过管道依次相连的风机盘管系统45、冷冻泵46和节流阀47。
所述压缩机41不断抽吸蒸发器44中的制冷剂蒸气，并将其压缩成高压、过热蒸气而排出并送入冷凝器42，制冷剂蒸气在冷凝器中放出热量，把热量传递给循环冷却水，从而使制冷剂蒸气冷凝成液体，冷凝后的液体流经膨胀阀43进入蒸发器44。制冷剂液体流入蒸发器44后，在蒸发器44盘管中与冷却水循环单元6的常温水进行热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，低温冷冻水被冷冻水泵46泵送到各房间的风机盘管系统45中为用户提供制冷量，从而达到给房间降温的目的。而制冷剂液体因吸收热量而汽化，逐渐变为蒸气，不断地供给压缩机41进行抽吸、压缩并排出。
所述压缩机41选用活塞式制冷压缩机、转子式制冷压缩机或涡旋式制冷压缩机等。所述蒸汽压缩节流制冷单元4使用的制冷剂为R407C、R410A、R134A等。
所述供热单元5包括补水阀51、第二换热器52、储热水箱53、热水循环泵54、供暖器入口阀55、供暖器56、供暖器出口阀57和供暖器旁通阀58。其中，所述第二换热器52、储热水箱53、热水循环泵54、供暖器旁通阀58通过水管首尾依次相连，构成热水循环回路。供暖器入口阀55、供暖器56、供暖器出口阀57通过水管与供暖器旁通阀58并联连接。
所述冷却水循环单元6包括通过水管依次相连的冷却塔61、冷却水泵62和冷却水节流阀63。所述自由自由活塞斯特林发电机单元1的冷却器115与冷却水循环单元6相连接；所述燃烧单元2的第一换热器27与所述冷却水循环单元6相连接；所述供热单元5的第二换热器52与所述冷却水循环单元6相连接；所述蒸汽压缩节流制冷单元4的冷凝器42与冷却水循环单元6相连接。
下面具体说明本实施例提供的一种小型分布式冷热电联供系统的工作过程：
首先打开第二燃气控制阀24，关闭第一燃气控制阀23。进入一级燃烧器25的燃气与由空气入口鼓风机21吹入、经空气预热器22加热的新鲜空气充分混合后在一级燃烧器25处充分燃烧，燃烧产生的大量辐射热量和高温烟气热量持续加热自由活塞斯特林发电机单元1的高温换热器113，高温换热器113将热量传递给自由活塞斯特林发电机1的内部工质。工质在回热器114内将热量转化为声功(机械能)，无法转换的热量和漏热则经冷却器115换热后将热量传递给冷却水。回热器114产生的声功大部分用于推动动力活塞121和电机动子122发电，剩下的声功则经过冷却器 115后回到回热器114内继续被放大。
自由活塞斯特林发电机单元1产生的电能通过整流桥31和控制变换器32转换成稳定直流电储存于蓄电池33中，当用户有用电需求时，逆变器34将储存于蓄电池33中的直流电变换成用电设备35所需的交流电，供给用电设备使用。
高温烟气在与自由活塞斯特林发电机单元1的高温换热器113换热后，剩余的余热烟气经过空气预热器22、二级燃烧器26、第一换热器27将剩余热量分别传递给由空气入口鼓风机21吹入的新鲜空气和经发动机冷却器115流出的冷却水，最后低温烟气经由烟气出口鼓风机28排出。
当用户的热负荷(生活热水、供暖等不大或没有热负荷，经冷却器115、第一换热器27换热后的冷却水热量足以满足用户需求时，二级燃烧器26处于待机状态；当用户的热负荷较大，经冷却器115、第一换热器27换热后的冷却水热量不能满足用户需求时，应开启二级燃烧器26，同时打开第一燃气控制阀23，使燃气与余热烟气(含空气)在二级燃烧器26处充分燃烧，燃烧产生高温烟气在第一换热器27中与冷却水充分换热后提高冷却水的热量。
循环冷却水经冷却器115、第一换热器27两次换热后，在第二换热器52中将热量传递给自来水，被加热的热水储存于储热水箱53中，用于生活热水或冬季供暖。
循环冷却水的剩余热量由冷却塔63对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水回到常温，并在用户有制冷需求时，流经蒸汽压缩节流制冷单元4的冷凝器42，带走制冷剂蒸汽的热量。
当用户有制冷需求时，开启压缩机41使其不断抽吸蒸发器44中的制冷剂蒸气，并将其压缩成高压、过热蒸气而排出并送入冷凝器42，制冷剂蒸气在冷凝器42中放出热量，把热量传递给循环冷却水，从而使制冷剂蒸气冷凝成液体，冷凝后的液体流经膨胀阀43进入蒸发器44。制冷剂液体流入蒸发器44后，在蒸发器44盘管中与冷却水循环单元6的常温水进行热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，低温冷冻水被冷冻水泵46泵送到各房间的风机盘管系统中为用户提供制冷量，从而达到给房间降温的目的。而制冷剂液体因吸收热量而汽化，逐渐变为蒸气，不断地供给压缩机41进行抽吸、压缩并排出。
本发明的一种小型分布式冷热电联供系统，典型的工作模式如下：
1夏季冷、热、电联供工作模式：
第二燃气控制阀24开启，第一燃气控制阀23关闭，二级燃烧器26处于待机状态，供暖器入口阀55、供暖器出口阀57均关闭，供暖器旁通阀58开启，压缩机41 处于开机状态。新鲜空气经空气入口鼓风机28吹入空气预热器22后与余热烟气换热后进入一级燃烧器25与燃气充分混合燃烧，燃烧产生的大量辐射热量和高温烟气热量加热自由活塞斯特林发动机11，自由活塞斯特林发动机11通过斯特林循环把热能转化为声能(机械能，直线发电机12将声能转化为电能输出。循环冷却水经自由活塞斯特林发动机冷却器115、第一换热器27两次换热后，在第二换热器52中将热量传递给自来水，被加热的热水储存于储热水箱53中，用于在夏季给用户提供生活热水。循环冷却水的剩余热量由冷却塔63对其进行冷却，使冷却水回到常温。从冷却塔63流出的常温冷却水流经蒸汽压缩节流制冷单元的冷凝器42，带走制冷剂蒸汽的热量。压缩机41不断抽吸蒸发器44中的制冷剂蒸气，并将其压缩成高压、过热蒸气而排出并送入冷凝器42，制冷剂蒸气在冷凝器42中放出热量，把热量传递给循环冷却水，从而使制冷剂蒸气冷凝成液体，冷凝后的液体流经膨胀阀43进入蒸发器 44。制冷剂液体流入蒸发器44后，在蒸发器44盘管中与冷却水循环单元6的常温水进行热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，低温冷冻水被冷冻水泵46 泵送到各房间的风机盘管系统45中为用户提供制冷量，从而达到给房间降温的目的。
2冬季热、电联供工作模式：
第二燃气控制阀24开启，第一燃气控制阀23开启，二级燃烧器26处于工作状态，供暖器入口阀55、供暖器出口阀57均开启，供暖器旁通阀58关闭，压缩机41 处于停机状态。由于冬季用户的热负荷较大，需要进一步提高循环冷却水的热量。燃气与余热烟气(含空气在二级燃烧器26处充分燃烧，燃烧产生高温烟气在第一换热器27中与循环冷却水充分换热后使冷却水的热量提高。高温循环冷却水在第二换热器52中将热量传递给自来水，被加热的热水储存于储热水箱53中，用于冬季生活热水或流经供暖器54给房间供暖。
3过渡季节冷、热、电联供工作模式：由于用户春季所需的热负荷减小，冷负荷逐渐增加，可以通过减小第一燃气控制阀23的开度从而减小二级燃烧器26的燃气进气量，进而减小第一换热器27中高温烟气对冷却水的加热量。由于用户秋季所需的冷负荷减小，热负荷逐渐增加，可以通过增大第一燃气控制阀23的开度从而增大二级燃烧器26的燃气进气量，进而增大第一换热器27中高温烟气对冷却水的加热量。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种小型分布式冷热电联供系统，所述系统包括：燃烧单元(2)、电力变换单元(3)、蒸汽压缩节流制冷单元(4)、供热单元(5)和冷却水循环单元(6)；其特征在于，所述系统还包括：自由活塞斯特林发电机单元(1)；所述燃烧单元(2)、自由活塞斯特林发电机单元(1)和电力变换单元(3)相连接，用于提供交流电；所述冷却水循环单元(6)用于提供循环冷却水，所述循环冷却水经过自由活塞斯特林发电机单元(1)和燃烧单元(2)进入供热单元(5)，用于提供生活热水和冬季供暖；所述冷却水循环单元(6)与蒸汽压缩节流制冷单元(4)相连，所述蒸汽压缩节流制冷单元(4)用于提供制冷量。
2.根据权利要求1所述的小型分布式冷热电联供系统，其特征在于，所述自由活塞斯特林发电机单元(1)包括：自由活塞斯特林发动机(11)和直线发电机(12)，所述自由活塞斯特林发动机(11)通过斯特林循环把热能转化为声能，所述直线发电机(12)把声能转化为电能；所述自由活塞斯特林发动机(11)包括膨胀腔(111)、排出器(112)、高温换热器(113)、回热器(114)、冷却器(115)和排出器底座(116)；所述排出器(112)与外壳形成膨胀腔(111)，所述高温换热器113一端与膨胀腔(111)相连，另一端与回热器(114)相连；所述冷却器(115)一端与压缩腔(117)相连，另一端与回热器(114)相连；所述直线发电机(12)包括动力活塞(121)、发电机动子(122)、发电机定子(123)和板簧(124)，所述动力活塞(121)设置在压缩腔(117)与板簧(124)之间，所述排出器(112)的一端连接膨胀腔(111)，另一端穿过压缩腔(117)与板簧(124)连接；所述动力活塞(121)套设于排出器(112)上，用以驱动发电机动子(122)往复运动。
3.根据权利要求2所述的小型分布式冷热电联供系统，其特征在于，所述燃烧单元(2)包括空气入口鼓风机(21)、空气预热器(22)、第一燃气控制阀(23)、第二燃气控制阀(24)、一级燃烧器(25)、二级燃烧器(26)、第一换热器(27)和烟气出口鼓风机(28)；所述高温换热器(113)与一级燃烧器(25)相连接；外界空气经空气入口鼓风机(21)吹入空气预热器(22)，在空气预热器(22)中与一级燃烧器(25)排出的高温烟气换热，使得空气温度升高；随后空气在一级燃烧器(25)中与燃气混合燃烧，加热自由活塞斯特林发动机(11)的高温换热器(113)；一级燃烧器(25)排出的余热烟气经空气预热器(22)与空气换热后，进入二级燃烧器(25)进行二次燃烧，排出的高温烟气在第一换热器(27)中加热冷却水后经烟气出口鼓风机(28)排放至外界大气。
4.根据权利要求3所述的小型分布式冷热电联供系统，其特征在于，所述电力转换单元(3)包括依次相连的整流桥(31)、控制变换器(32)、蓄电池(33)和逆变器(34)；所述直线发电机(12)与整流桥(31)相连接，所述整流桥(31)用于将直线发电机(12)输出的交流电转换为直流电，所述控制变换器(32)用于将整流桥(31)转换的直流电变换成恒定直流电，所述蓄电池(33)用于储存直流电，所述逆变器(34)用于将恒定直流电变换成交流电。
5.根据权利要求4所述的小型分布式冷热电联供系统，其特征在于，所述蒸汽压缩节流制冷单元(4)包括通过管道依次相连的压缩机(41)、冷凝器(42)、膨胀阀(43)和蒸发器(44)；所述蒸汽压缩节流制冷单元4还包括通过管道依次相连的风机盘管系统(45)、冷冻泵(46)和节流阀(47)。
6.根据权利要求5所述的小型分布式冷热电联供系统，其特征在于，所述压缩机(41)为活塞式制冷压缩机、转子式制冷压缩机或涡旋式制冷压缩机。
7.根据权利要求5所述的小型分布式冷热电联供系统，其特征在于，所述供热单元5包括补水阀(51)、第二换热器(52)、储热水箱(53)、热水循环泵(54)、供暖器入口阀(55)、供暖器(56)、供暖器出口阀(57)和供暖器旁通阀(58)；其中，所述第二换热器(52)、储热水箱(53)、热水循环泵(54)、供暖器旁通阀(58)通过水管首尾依次相连，构成热水循环回路；供暖器入口阀(55)、供暖器(56)、供暖器出口阀(57)通过水管与供暖器旁通阀(58)并联连接。
8.根据权利要求7所述的小型分布式冷热电联供系统，其特征在于，所述冷却水循环单元(6)包括通过水管依次相连的冷却塔(61)、冷却水泵(62)和冷却水节流阀(63)；所述自由活塞斯特林发电机单元(1)的冷却器(115)与冷却水循环单元(6)相连接；所述燃烧单元(2)的第一换热器(27)与冷却水循环单元(6)相连接；所述供热单元(5)的第二换热器(52)与冷却水循环单元(6)相连接；所述蒸汽压缩节流制冷单元(4)的冷凝器(42)与冷却水循环单元(6)相连接。
9.根据权利要求8所述的小型分布式冷热电联供系统，其特征在于，当所述系统处于夏季工作模式时，所述第二燃气控制阀(24)开启，第一燃气控制阀(23)关闭，二级燃烧器(26)处于待机状态，供暖器入口阀(55)、供暖器出口阀(57)均关闭，供暖器旁通阀(58)开启，压缩机(41)处于开机状态；空气经空气入口鼓风机(21)吹入空气预热器(22)后与余热烟气换热后进入一级燃烧器(25)与燃气充分混合燃烧，燃烧产生的大量辐射热量和高温烟气热量加热自由活塞斯特林发动机(11)；循环冷却水经自由活塞斯特林发动机冷却器(115)、第一换热器(27)两次换热后，在第二换热器(52)中将热量传递给自来水，被加热的热水储存于储热水箱(53)中，用于提供生活热水；冷却塔(61)对循环冷却水的剩余热量进行冷却，使冷却水回到常温；从冷却塔(61)流出的常温冷却水流经冷凝器(42)，带走制冷剂蒸汽的热量；压缩机(41)不断抽吸蒸发器(44)中的制冷剂蒸气，并将其压缩成高压、过热蒸气而排出并送入冷凝器(42)，制冷剂蒸气在冷凝器(42)中放出热量，把热量传递给循环冷却水，从而使制冷剂蒸气冷凝成液体，冷凝后的液体流经膨胀阀(43)进入蒸发器(44)；制冷剂液体流入蒸发器(44)后，在蒸发器(44)盘管中与冷却水循环单元(6)的常温水进行热交换，常温水就变成了低温冷冻水，低温冷冻水被冷冻泵(46)泵送到风机盘管系统(45)中，提供制冷量。
10.根据权利要求8所述的小型分布式冷热电联供系统，其特征在于，当所述系统处于冬季热、电联供工作模式时，所述第二燃气控制阀(24)开启，第一燃气控制阀(23)开启，二级燃烧器(26)处于工作状态，供暖器入口阀(55)、供暖器出口阀(57)均开启，供暖器旁通阀(58)关闭，压缩机(41)处于停机状态；燃气与余热烟气在二级燃烧器(26)处充分燃烧，燃烧产生高温烟气在第一换热器(27)中与循环冷却水充分换热后使冷却水的热量提高；高温循环冷却水在第二换热器(52)中将热量传递给自来水，被加热的热水储存于储热水箱(53)中，用于提供冬季生活热水或流经供暖器(56)供暖。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Luo Ercang Inventor after: Zhu Shunmin Inventor after: Wu Zhengmin Inventor after: Yu Guoyao Inventor after: Wu Zhanghua Inventor after: Dai Wei Inventor before: Luo Ercang Inventor before: Wu Zhengmin Inventor before: Zhu Shunmin Inventor before: Yu Guoyao Inventor before: Wu Zhanghua Inventor before: Dai Wei |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |