CN1321311C - 基于燃气内燃机的冷热电三联供系统的热管理器 - Google Patents

Abstract

一种基于燃气内燃机的冷热电三联供系统的热管理器，发动机缸套水传热管和烟气传热管排列布置在热管理器的下部，浸没于工质液体中，热管理器的左上方布置用热段传热管和散热段传热管，传热管两侧紧密布置气流引板，形成引动工质蒸汽向下的冷凝通道，工质液体上方布置气流斜引板，与左侧气流引板和外罩形成引导工质蒸汽上升的通道，挡板、外罩和气流斜引板围成贮气室，内部布置贮气室冷凝管，贮气室液封及冷凝液封均伸到工质液体中。本发明采用相变换热原理，提高余热的利用效率，自动平衡发动机的热量输出与用户侧的用热需求，可应用于基于燃气内燃机冷热电联供系统的热量输出和管理中，以及其他既需热源温度控制又需余热利用的场合。

Description

基于燃气内燃机的冷热电三联供系统的热管理器

技术领域

本发明涉及一种基于燃气内燃机的冷热电三联供系统的热管理器，是一种同时具有热源温度控制、高效传热和热量输出自动调节功能的换热设备，属于能源类新型传热技术领域。

背景技术

随着可持续发展战略的实施，以及节能、环保意识的不断加强，以天然气为燃料的冷热电联供系统已经逐渐成为优化城市能源结构和改善环境质量的有效手段。冷热电联供系统是建立在能量梯级利用概念的基础上，将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程集成为一体，其一次能源利用率可以达到80％以上，是一种高效、清洁、安全可靠、灵活的分布式能源供给系统。同时，冷热电联供技术的应用和发展，对解决城市夏季因空调引起的用电紧张问题有着深远的意义。

以燃气内燃机为原动机的冷热电联供系统，内燃机与发电机连轴发电，通过回收内燃机缸套水、烟气的热量，冬季向用户提供采暖、生活用热水，夏季驱动吸收或吸附制冷机向用户提供冷量。该系统具有技术成熟、可靠性强，投资回收期短、经济性高等优点，有着广阔的市场推广前景。从能量利用的角度来讲，对发动机缸套水热量回收是实现余热利用的措施；从发动机运行角度来讲，回收缸套水的热量是作为发动机冷却系统必不可少的环节之一。通过缸套水的循环，可以及时并适量地把内燃机高温条件下工作机件发出的热量带走，保持发动机正常地工作温度下工作。冷却地好坏，对内燃机的动力性、经济性以及可靠性都有直接地影响。一般地，发动机正常的工作温度有一个上下限。在此温度限内工作，既充分发挥发动机的动力性能，提高联供系统的经济性，又能保护发动机，提高发动机的工作寿命。在冷热电联供系统的实际运行过程中，用户侧对电量、热量和冷量需求具有不同时性，且用户对三种能量的需求在一天内随时间变化很大。另外，联供系统又存在不同数量和品质的热能输入和输出问题。因此，如何在保证发动机缸套水温在正常范围内的前提下，最大限度的满足多种不同类型用户对用热的不同需求，是一个热量管理的问题，亟待深入解决。采用发动机自带的节温器作为控温手段，只能控制缸套水温的下限，且会相应的损失一部分轴功；采用变频水泵或电磁阀等改变流量的做法，需要一套复杂的控制策略，且需要采用精密的电子元件，使整个系统变得极为复杂，从而降低了系统的经济性与可靠性。

控温热管(石程名等.充气热管空气余热器的设计分析及应用.热能动力工程.2004：19(3)：305-308)是一种可以控制热源温度的特殊形式的热管，其具备了控温和高效传热的双重特点。控温热管的传热能力能够自动地随着加热负荷的改变而改变，从而保持热源工作温度的不变，实现控制温度和传热的需要。控温热管的这种特性已经在航天、化学反应工程、锅炉防腐等领域得到了广泛的开发与应用。但目前，关于可控热管的应用大都局限于温度控制方面，重点研究对热源的温度控制问题上，大部分将从热源回收的热量散失于环境，很少针对余热回收的应用研究。

如何简单、可靠、经济地实现基于燃气内燃机的冷热电联供系统中的热量管理问题，方便灵活的满足不同的热用户及不同季节的热量需求，是一个新的研究课题。迄今为止尚未检索到涉及此类问题解决方法的相关专利材料。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于燃气内燃机的冷热电三联供系统的热管理器，具有自动控制内燃机缸套水温、并且能够根据用户侧的热量需求自动调节热量输出的特点，降低联供系统初投资，提高系统的可靠性与经济性。

为了实现这样的目的，本发明基于控温热管的原理，采用相变换热方式，以水为工质，氮气或其他分子量大的不凝气体作为阻塞气体，通过不凝气体体积的改变影响传热面积来达到控制热源温度和管理热量输出的目的。发动机缸套水传热管和烟气传热管布置在热管理器的下部，浸没于工质液体中，热管理器的左上方布置用热段传热管和散热段传热管，传热管两侧紧密布置气流引板，形成引动工质蒸汽向下的冷凝通道，工质液体上方布置气流斜引板，与左侧气流引板和外罩形成引导工质蒸汽上升的通道，挡板、外罩和气流斜引板围成贮气室，内部布置贮气室冷凝管，贮气室内充有不凝气体。贮气室液封及冷凝液封均下降到工质液体中。

本发明的热管理器包括：用热段传热管，左侧气流引板，散热段传热管，右侧气流引板，挡板，冷凝液封，发动机缸套水传热管，烟气传热管，贮气室液封，气流斜引板，托盘，贮气室冷凝管，外罩。各组成部分具体连接方式为：发动机缸套水传热管和烟气传热管排列布置在热管理器的下部，浸没于工质液体中。热管理器的左上方依次并列布置左侧气流引板，右侧气流引板及挡板，其中右侧气流引板上部固定在外罩的顶部，左侧气流引板及右侧气流引板之间从上而下依次布置用热段传热管和散热段传热管，右侧气流引板及挡板之间下部也布有散热段传热管，挡板的下端弯折与左侧气流引板的下端相连。在工质液体的上方布置一块气流斜引板，气流斜引板的一端与挡板的下端弯折部分相连，另一端固定在外罩上。气流斜引板、左侧气流引板和外罩形成引导工质蒸汽上升的通道。左侧气流引板、右侧气流引板通过螺栓紧固的方式与它们之间的用热段传热管和散热段传热管紧密相连，形成引动工质蒸汽向下的冷凝通道。挡板的底部开孔与冷凝液封连接，冷凝液封的下端伸到工质液体中。挡板、外罩和气流斜引板围成的空间构成贮气室。在贮气室的内部布置贮气室冷凝管，贮气室内充有不凝气体，下侧布置托盘，托盘的一端固定在外罩上。托盘的底部开孔，与贮气室液封相连。贮气室液封的下端穿过气流斜引板伸到工质液体中。

发动机缸套水传热管和烟气传热管分别通入由三联供系统发动机产生的高温缸套水和烟气，换热工质被加热后蒸发沸腾产生工质蒸汽。工质蒸汽沿气流斜引板、左侧气流引板和外罩形成的蒸汽通道上升至热管理器的顶部，然后沿左侧气流引板和右侧气流引板形成的气流引导通道下降，并在用热段传热管、散热段传热管上冷凝。在用热段传热管中流动的冷却水将凝结热带走，向热用户供热。从用热段传热管和散热段传热管冷凝的工质液体，从冷凝液封排回工质液面。贮气室冷凝管用于冷凝贮气室中的不凝气体和可能存在的工质气体，使不凝气体与工质蒸汽的分界面变得明显，提高热管理器的控温精度。从贮气室冷凝管冷凝的工质气体从贮气室液封排回工质液面。

在本发明的技术方案中，加热段采用微肋强化管以起到强化沸腾换热、减小传热温差目的；冷凝管采用低肋翅片铜管，减小工质蒸汽的流通截面积，提高蒸汽流速，减弱了不凝气体扩散的相对作用；贮气室被冷却管冷凝，降低了贮气室中不凝气体的温度，使不凝气体扩散减弱，提高控温效果；通过在热管理器内部加装引流板，起到引导工质蒸汽气流和不凝气体的走向的作用；外部罩板是簿壁钢板弯制或焊接成的矩形腔体。

本发明可在工质液体中添加异辛醇，在保证水的稳定性的同时，有效降低水的表面张力，改善冷凝表面性能的作用。

本发明采用相变换热的原理，提高了余热的利用效率，大大减小换热器的体积。通过充注不凝气体，自动调节用热段热量的输出，从而实现自动平衡发动机的热量输出与用户侧的用热需求，能够保证发动机缸套水温在正常范围内的前提下，最大限度的满足不同用户侧的用热需求。本发明集发动机缸套水控温与余热利用于一体，具有高效节能、安全可靠、使用寿命长、投资少、经济性能较好等诸多优点，可应用于基于燃气内燃机冷热电联供系统的热量输出和管理中，以及其他既需热源温度控制又需余热利用的场合。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图。

图1中，1为用热段传热管，2为左侧气流引板，3为散热段传热管，4为右侧气流引板，5为挡板，6为冷凝液封，7为发动机缸套水传热管，8为烟气传热管，9为贮气室液封，10为气流斜引板，11为托盘，12为贮气室冷凝管，13为外罩。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的热管理器包括：用热段传热管1，左侧气流引板2，散热段传热管3，右侧气流引板4，挡板5，冷凝液封6，发动机缸套水传热管7，烟气传热管8，贮气室液封9，气流斜引板10，托盘11，贮气室冷凝管12，外罩13。各组成部分具体连接方式为：发动机缸套水传热管7和烟气传热管8布置在热管理器的下部，浸没于工质液体中。热管理器的左上方依次并列布置左侧气流引板2，右侧气流引板4及挡板5，其中右侧气流引板4上部固定在外罩13的顶部，左侧气流引板2及右侧气流引板4之间从上而下依次布置用热段传热管1和散热段传热管3，右侧气流引板4及挡板5之间下部也布有散热段传热管3，挡板5的下端弯折与左侧气流引板2的下端相连。在工质液体的上方布置一块与水平面成30度角的气流斜引板10，气流斜引板10的一端与挡板5的下端弯折部分相连，另一端固定在外罩13上。气流斜引板10、左侧气流引板2和外罩13形成引导工质蒸汽上升的通道。左侧气流引板2、右侧气流引板4通过螺栓紧固的方式与它们之间的用热段传热管1和散热段传热管3紧密相连，形成引导工质蒸汽向下的冷凝通道。挡板5的底部开孔与冷凝液封6连接，冷凝液封6的下端伸到工质液体中。挡板5、外罩13和气流斜引板10围成的空间构成贮气室。在贮气室的内部布置贮气室冷凝管12，贮气室内充有不凝气体，下侧布置托盘11。托盘11的底部开孔，与贮气室液封9相连。贮气室液封9的下端穿过气流斜引板10伸到工质液体中。

发动机缸套水传热管7和烟气传热管8分别通入由三联供系统发动机产生的高温缸套水和烟气，当工质液体吸收缸套水和烟气的热量后，工质液体在热管理器的腔体内蒸发沸腾。工质蒸汽沿气流斜引板10、左侧气流引板2和外罩13形成的蒸汽通道上升至热管理器的顶部，然后沿左侧气流引板2和右侧气流引板4形成的气流引导通道下降，并在用热段传热管1、散热段传热管3上冷凝。在用热段传热管1中流动的冷却水将凝结热带走，向热用户供热。冷凝的工质液体由冷凝液封6返回到工质液面。挡板5、外罩13和气流斜引板10围成的贮气室中主要存储不凝气体，不凝气体用于影响相变传热系数，其体积的变化可有效地改变用热段传热管1、散热段传热管3的相变传热面积，从而调节向外输出热量的多少。由于蒸汽的通道很窄，形成了流速很大宏观蒸汽气流，因此不凝气体会不断的被工质蒸汽携带，稳定地沉积在左侧气流引板2和右侧气流引板4形成的气流引导通道的下部并与不凝气体贮气室相连通。工质蒸汽和不凝气体交界面的具体位置由外界的热负荷决定。

贮气室冷凝管12用于冷凝贮气室中的不凝气体和可能存在的工质气体，使不凝气体与工质蒸汽的分界面变得明显，提高热管理器的控温精度。从贮气室冷凝管12冷凝的工质气体从下部托盘11经贮气室液封9排回工质液面。由于贮气室的体积比较大，所以减弱了不凝气体压力波动，减小了工质工作温度的变化，提高了控温精度。在设计工况下，发动机的热负荷与热用户的用热负荷相平衡，不凝气体完全遮盖散热段传热管3，发动机热负荷完全由用热段传热管1传给热用户，散热段传热管3没有热量输出。当发动机热负荷偏离设计工况，发动机热负荷逐渐减小时，腔体内的蒸汽温度和压力降低，将使得不凝气体体积膨胀，并向上伸展，遮盖部分用热段传热管1，使得用热段传热管1中的有效换热面积减小，所传出的热量随之下降。当外界热用户用热负荷偏离设计工况，用热负荷不断减小时，腔体内的工质蒸汽温度和压力升高，不凝气体的体积被压缩，使得部分散热段传热管3参与换热，将用热段传热管1消耗不掉的多余的热量带走。热管理器实际上是通过不凝气体的体积变化改变有效相变传热面积，从而改变传热量。整个热管理器类似于一个巨型的控温热管，可以在保证发动机缸套水温在一定范围的情况下，自动调节向热用户负荷端的热量输出。此外，由于热管理器内部是相变传热，且工作温度即使在外界负荷波动情况下变化也不大。所以，在不受不凝气体影响的情况下，腔体内的每根换热管的换热量都是处于一定值。因此，可以根据外界各种热用户对用热的不同需求，以及冬夏季不同的用热需求，通过选择用热段传热管1的不同根数，来满足外界热用户对热的具体需求。

本发明的用热段传热管1和散热段传热管3可以采用微肋强化管，以起到强化沸腾换热、减小传热温差的目的。贮气室冷凝管12可以采用低肋翅片铜管，矩形排列，减小工质蒸汽的流通截面积，提高蒸汽流速，减弱不凝气体扩散的相对作用。贮气室冷凝管12的冷凝作用，降低了贮气室中不凝气体的温度，使不凝气体扩散减弱，提高控温效果。本发明通过在热管理器内部加装左侧气流引板2，右侧气流引板4及气流斜引板10，起到引导工质蒸汽气流和不凝气体的走向的作用；外罩13是簿壁钢板弯制或焊接成的矩形腔体。

本发明在工质液体中添加异辛醇，在保证水的稳定性的同时，有效降低水的表面张力，改善冷凝表面性能的作用。

Claims (4)

1、一种基于燃气内燃机的冷热电三联供系统的热管理器，其特征在于发动机缸套水传热管(7)和烟气传热管(8)排列布置在热管理器的下部，浸没于工质液体中，热管理器的左上方依次并列布置左侧气流引板(2)，右侧气流引板(4)及挡板(5)，其中右侧气流引板(4)上部固定在外罩(13)的顶部，左侧气流引板(2)及右侧气流引板(4)之间从上而下依次布置用热段传热管(1)和散热段传热管(3)，右侧气流引板(4)及挡板(5)之间下部也布有散热段传热管(3)，挡板(5)的下端弯折与左侧气流引板(2)的下端相连，在工质液体的上方布置一块气流斜引板(10)，气流斜引板(10)的一端与挡板(5)的下端弯折部分相连，另一端固定在外罩(13)上，气流斜引板(10)、左侧气流引板(2)和外罩(13)形成引导工质蒸汽上升的通道；左侧气流引板(2)、右侧气流引板(4)通过螺栓紧固的方式与它们之间的用热段传热管(1)和散热段传热管(3)紧密相连，形成引动工质蒸汽向下的冷凝通道；挡板(5)的底部开孔与冷凝液封(6)连接，冷凝液封(6)的下端伸到工质液体中；挡板(5)、外罩(13)和气流斜引板(10)围成的空间构成贮气室，贮气室内部布置贮气室冷凝管(12)，贮气室内充有不凝气体，下侧布置托盘(11)，托盘(11)的底部开孔与贮气室液封(9)相连，贮气室液封(9)的下端穿过气流斜引板(10)伸到工质液体中。

2、根据权利要求1的基于燃气内燃机的冷热电三联供系统的热管理器，其特征在于所述用热段传热管(1)和散热段传热管(3)采用微肋强化管，所述贮气室冷凝管(12)采用低肋翅片铜管，矩形排列。

3、根据权利要求1的基于燃气内燃机的冷热电三联供系统的热管理器，其特征在于所述外罩(13)为薄壁钢板弯制或焊接成的矩形腔体。

4、根据权利要求1的基于燃气内燃机的冷热电三联供系统的热管理器，其特征在于所述工质液体中添加异辛醇。

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