CN1568398A - 集成微型联合热电系统 - Google Patents

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Abstract

一种提供热能和电能的集成系统。所述集成的或者热电联合系统利用在兰金循环中循环的有机工作流体进行操作，其中有机工作流体被热源过度加热，并通过渐开线螺旋缠绕(涡旋式)膨胀机(301)膨胀，以便有机工作流体通过膨胀机时保持过热，在冷凝器(302)中冷却，并被泵(303)增压。系统中的热交换环路限定用于环流供暖(348)以及生活用热水(308)的热水生产能力，而发电机(305)连接到涡旋式膨胀机(301)以产生电力。

Description

集成微型联合热电系统
技术领域
本发明总的来说涉及用于提供电力、环流供暖(SH)水和生活用热水(DHW)的热电联合系统，更具体而言，涉及一种使用涡旋式膨胀机(scrollexpander)和有机工作流体的小型兰金式热电联合系统。
背景技术
热电联合(cogeneration)或者联合热电(CHP，combined heat and power)的概念作为提高能量生产系统的总效率的方式已经为人们所知有一段时间了。对于典型的CHP系统，热(通常为热空气或水的形式)和电是所产生的两种能量形式。在这样的系统中，从燃烧过程产生的热可以驱动发电机，也可以加热水，通常将水转化为蒸汽以保持(dwelling)或处理热。最现代的CHP系统趋向于大型化，用于为大量的消费者或大的工业公司产生热能和电能。传统上，规模经济阻止了这种方法向下推广到单个或个别数量的用户。然而，燃料费的增加消弱了集中产能的益处。因此，存在着潜力巨大的市场，在该市场中可利用大量的相对自给的、分散的热电生产者。例如，在较陈旧的、现存的热传输基础设施中，遍布有流体运载管，包括可提供CHP的系统将会特别有前景，因为不需要邻近建筑物插入新的管道，从而不会有干扰。类似地，CHP系统的固有的多功能性能可以减小结构冗余。
在欧洲和英国以及美国的一些部分，地区化产热能力的市场要求用于单个家庭住宅和小商业区的单个装置通过需求系统(demand system)或即热系统(instantaneous system)提供既可用于SH(诸如具有散热器的循环加热系统)又可用于DHW(诸如在水槽或浴缸中的喷淋头或水龙头)的热。有时使用现有的组合装置，其中用于即热DHW的热积聚在组合储罐和锅炉盘管(boiler coil)中。在一种结构中，SH水通过锅炉盘管循环，所述锅炉盘管作为加热元件、用于加热储罐中的水。举例来说，由于即热DHW供给单个家庭住宅(诸如独立式住宅或大公寓)中一个到两个淋浴器所需要的储存容量大约为120-180升(大约30-50加仑)，其结果是储罐的尺寸需要相当大，有时大得惊人，以便满足储存的热水所含的热量高达25千瓦热(kWt)的热需求，以满足高峰淋浴需求。然而，在较新的和较小的家庭中，通常没有充足的空间容纳这样的储罐体积。除了需要达到25kWt的即热DHW容量之外，季节性地需要达到10kWt的SH容量以加热平均尺寸的住宅。
而且，即使在将SH和DHW应用于单个加热系统以合并空间的系统中，也不包括用于CHP的供应。在上面给出的例子中，与使用35kWt伴随的电需求将在3与5千瓦电(kWe)之间。如前所述，传统的用于提供两种形式能量的方法是：大的中心电厂将公共高压输电网上的电力供给到数千或甚至数百万的用户，其中热能和热水生产能力在以个人或小团体为基础的终端用户处或其附近被提供。这样，利用传统的方法，当产生电力的成本受到通行汇率以及其他消费者需求的支配时，消费者不仅对于所述产生电力的成本没有控制力，而且由于系统固有的低效率使得消费者还要支付更多的费用，其中所述系统不协同使用另外废热以提供附加发电或加热能力。
对于大型的(在兆瓦特(MW)范围和该范围以上)热电联合系统，尽管有助于减小上述的基于中心发电设施的低效率，但它不是很适合于提供小型(低于几百kW)的热能和电能，特别是在几kWc和几kWc以下(基于微型系统)到几十kWe(基于迷你型系统)的小型范围内。这主要是由于大的原动机系统无法小型化，而合理的电效率通常只能通过改变负载响应系统、使关键部件的尺寸公差更紧凑以及紧缩伴随着的高资本成本来获得。这一类型的代表是燃气轮机，其的建造对于小规模应用来说很昂贵，并且在电力负载需求变化过程中进行操作的情况下，牺牲了效率。效率提高装置(诸如同流换热器)趋向于减小可用于DHW或SH环路的热，从而限制了它们在高热-电比(下文称作Q/P)应用的使用。基于燃气轮机的原动机的子类是微型涡轮机，它包括连接到大功率电子设备的高速发电机，并且是通向小型热电联合系统的可行途径。与大型CHP系统相关的其它缺点来自具有高维护成本的寿命有限的结构。这一类别包括包含传统内燃机的原动机，其中噪声、废气排放、润滑油和火花塞变化、以及相关的保养和封装要求使得在住宅或小型商用住宅中的使用遭到反对。这一类原动机在需要高Q/P(诸如可能在单个家庭住宅中遇到的高Q/P)的情况下也不能排出足量的热。对于其它的原动机结构，诸如蒸汽轮机，尽管有助于得到高Q/P，但它甚至比燃气轮机更不适用于波动的电需求。另外，基于蒸汽的方法通常涉及较慢的系统启动、高的初始系统成本，这两者都对小型应用产生不利影响。
发明内容
考虑到这些现有技术的局限性，本发明的发明者发现所需要的是一种自给的系统，其将热和电生产结合为买得起的、紧凑的、有效率的和分布式的发电机。
本发明满足了这些需求，其中描述了一种新的微型-CHP系统。在微型CHP系统中，紧凑的原动机既可以提供例如从连接到热源的发电机输出的电输出，也可以提供热输出，用于为住宅提供暖空气和热水。微型CHP系统与传统CHP的区别在于尺寸：在微型CHP中，电输出相当小，在低kWe或甚至低于kWe的范围内。由于储存水所需要的储罐的尺寸极大地减小了、或可能甚至消除了，因此本发明的系统可提供对DHW需求的快速响应。这里描述的微型CHP系统的尺寸可适用于特定的用户需求；例如，用于单个家庭住宅的系统的尺寸可被设定为产生大约3-5kWe、10kWt SH和25kWt DHW。对于小型商业应用或多住宅(例如成组公寓单元)应用，所述系统的尺寸可以相应地向上成比例地增加。热电比Q/P在构成系统过程中是重要的参数。对大多数住宅和小的商业应用，在7∶1到11∶1范围内的Q/P是优选的，这是因为比这更低的比率会导致发电的浪费，而比这更高的比率几乎对最冷的气候也是不实际的(与季节性气候相比，在最冷的气候中对加热的需要更要恒定)。由于电力的生产(例如通过发电机或燃料电池)只是原动机产热过程的副产品，没有附加的二氧化碳或相关的气体污染产生，从而使本发明的系统可经受更严格的排放控制要求的检测。
根据本发明的第一方面，公开了一种热电联合系统。所述热电联合系统包括有机工作流体、能够使有机工作流体过热的热源、传输有机工作流体的第一回路以及用于产生电力的发电机。包括涡旋式膨胀机、冷凝器和泵的第一回路的至少一部分与热源热连通。所述泵使有机工作流体循环通过第一回路。优选的是，所述热源是与蒸发器热连通的燃烧器，以便由燃烧器提供的热使流过蒸发器的有机工作流体变得过热。在这样的上下文中，术语“热连通”意味着广泛地覆盖所有的由于两个系统部件连接而发生的热互换的例子，而范围更窄的“热交换连通”(以下讨论)意味着覆盖为该目的专门设计的直接相邻的热交换部件之间的更特殊的关系。通过有机工作流体的性质，其从进入涡旋式膨胀机之前到从涡旋式膨胀机中出来保持在过热的状态下。高蒸汽密度和过热的有机工作流体的热传递属性确保能够从流体中提取最大的热能和电能，而不必求助于大的膨胀机。
所述热电联合系统可构造为使有机工作流体直接点火或间接点火。在前一结构中，在燃烧器和有机工作流体运载蒸发器之间的关系为：来自燃烧器中的燃烧过程的火焰直接撞击在运载流体的导管上或者撞击在容纳至少一部分有机工作流体运载导管的容器(或者称为燃烧室)上，从而有机工作流体变得过热的导管部分被当作蒸发器。在后一种结构中，来自燃烧器中的燃烧过程的火焰放出自身的一部分热到构成第二回路的导管上，其依次将热交换流体传送到环间热交换器。所述热交换流体可以是水、水和防冻添加剂(诸如丙二醇)的混合物、或者有机物，例如第一回路的有机工作流体。环间热交换器的第一环路流体连接到有机工作流体传送第一回路，而二次环路流体连接到热交换流体传送第二回路。优选的是，环间热交换器位于第一回路的泵与涡旋式膨胀机之间，从而其用作有机工作流体的蒸发器。后一种结构也可以包括环流供暖环路预热装置，所述环流供暖环路预热装置与冷凝器二次环路热交换连通，从而在放出自身的一部分热到环间热交换器中的有机工作流体之后，仍然存在于热交换流体中的一部分热可被用于预热外部SH环路中的流体。
并且，对于前一种结构，燃烧器能够设置在容器中。在两种结构中，所述容器可包括：用于带走燃烧产物(主要是废气)的排气管道、进一步促进所述产物移除的排气扇、以及设置在排气管道附近(最好是内部)的废气热交换器，以便存在于废气中的残热可以被用于热电联合系统中其它部分的辅助加热。所述废气热交换器可进一步包括废气再循环设备，用于进一步提高来自废气的热传递。在前一种结构中，由废气热交换器收集的热可被引向第一回路或环流供暖环路内的不同地方，以便分别提供有机工作流体或环流供暖流体的附加预热。另外，任一种结构可适用于与外部DHW环路交换热量。所述热交换可进一步发生在结构与冷凝器类似的热交换器中，从而两个独立的环路彼此邻近地设置，以利于流过其中的各个流体之间的热传递，或者所述热交换发生在储罐中(例如热水储罐)以便储存在其中的流体(优选为水)保持在升高的温度下，从而具有更易得到的热水龙头、浴室和淋浴器的水供给。在基于储罐的方法的情况下，在罐中的液体的附加加热可通过接收来自发电机的电力的加热元件来产生。当没有储罐时，到达DHW环路的热可从一个连接点(connection)被带到第一回路冷凝器(在直接点火的结构中)或者被带到流过第二回路(在间接点火结构中)的热交换流体。此外，在直接点火或者间接点火结构中，如果希望保存提供DHW的能力，同时保持整体简单、低成本的系统，那么可使用超大的或多阶燃烧器。这种快速加热将减少大储罐的尺寸或者甚至免除对大储罐的需要，同时仍然能够在需要时提供大体上“即时”的热水。
热电联合系统第一回路的、包括最高温度和压力的操作条件被构造为处于有机工作流体的设计范围内。可包括控制器，用于监控，并且如果必要，用于改变系统中的操作参数。可在系统中包括开关、传感器、阀，以帮助控制器执行其功能。例如，为了保护膨胀机在启动或关闭的瞬时、或者低(或者无)输电网负载时不超速运行，控制器可以下指令启动隔断阀和旁路阀，从而迫使过热的有机工作流体绕过膨胀机。所述控制器也可通过恒温器与用户确定的条件相结合。
使用有机工作流体而不是更易于得到的流体(例如水)在运送时是重要的，并且甚至一些最终用途也可能使系统的一部分冷冻(32°华氏温度以下)。对于充满水的系统，在过长地暴露于冷冻温度以下之后，可能发生损坏和无法操作。另外，通过利用有机工作流体而不是水，避免了在有氧参与的情况下与水有关的腐蚀问题以及与低蒸汽密度流体相关的膨胀机尺寸或分级问题。有机工作流体优选是卤化碳制冷剂或天然产生的碳氢化合物。前者的例子包括R-245fa，而后者的例子包括一些烷烃，诸如异戊烷。其它已知的工作流体和制冷剂，尽管展示了优越的热力学性能，但因为其它的原因而被排除。例如，R-11是出于环境的原因在大多数国家被禁止的一类制冷剂之一。类似的，R-123，其与R-11相比较少受到环境方面的反对(目前)，然而它在特定的微型CHP操作条件下的分解问题是反对的主题。需要在足够高的温度下操作冷凝器以得到有用的循环加热环流供暖、以及需要具有大的蒸汽膨胀率(5-7或8)限制了具有有用属性的流体的数量。另外，在膨胀机入口处需要具有大的蒸汽密度对流体的选择和涡管(scroll)的直径具有直接的影响，这两者都影响涡管成本。对于许多流体，冷凝温度以及对显著膨胀的需要导致非常高的涡管入口压力(增加泵功率)或者在入口处的超临界条件，从而导致蒸发器设计操作和控制方面的困难。当考虑其它的天然(碳氢化合物)流体时这些同样的条件也受到关注。例如，当戊烷、丁烷和丙烷被考虑作为潜在的工作流体时，发明人确定，在天然产生的碳氢化合物中，异戊烷提供了用于微型CHP应用的优良的流体性能。
根据本发明的另一方面，公开了一种使用有机工作流体进行操作的热电联合系统。所述系统包括热源、用于传输有机工作流体的第一回路以及可操作地连接到涡旋式膨胀机以产生电力的发电机。第一回路包括：涡旋式膨胀机，用于接收有机工作流体；与涡旋式膨胀机流体连通的冷凝器；以及用于循环有机工作流体的泵。所述第一回路与热源热连通，以便从第一回路传递的热将有机工作流体转换为过热的蒸汽。
根据本发明的另一方面，公开了一种间接加热的微型CHP，包括热源、第一和第二流体循环环路以及环间热交换器。所述间接点火的微型CHP在系统灵活性和可保养性方面具有优越性。采用多流体循环环路以便热源(例如燃烧器)被供给到第二流体循环环路，所述第二流体循环环路与第一流体循环环路热连通但流体隔离。所述第二流体循环环路包括用于传送热交换流体的管路。所述管路优选盘绕并带有翅片，以使热源与热交换流体之间的热传递最大化。至少一个泵用于循环热交换流体。所述第二流体循环环路还包括平行的次级环路组，其中一个次级环路经过DHW热交换器以加热城市用水，而其它的次级环路经过环间热交换器，所述环间热交换器是热源与流过第一流体循环环路之间的媒介。除了使有机工作流体经过环间热交换器之外，第一流体循环环路包括连接到发电机的涡旋式膨胀机、SH热交换器以及循环泵。在施加热的时候，有机工作流体变得过热，接着在涡旋式膨胀机中膨胀以转动发电机，从而产生电力。低压、但仍然过热的有机工作流体离开涡旋式膨胀机进入SH热交换器，在那里，另一种流体，通常为空气或水，可经过并被有机工作流体加热。该SH流体接着循环到散热器或住宅内的类似环流供暖设备。所述循环泵将冷凝的有机工作流体返回到环间热交换器，在那里它可以重复进行所述过程。
可选的是，用于SH环路的预热装置可被设置为与第二流体循环环路热交换连通，从而可实现附加的SH。另外，与前一方面一样，热源可包括设置在燃烧室型容器中的燃烧器。所述容器可包括排气管道、排气扇以及设置在排气管道附近的废气热交换器。所述废气热交换器可进一步包括废气再循环设备，用于进一步由废气提高热传递。否则将会被排出管道和排放到大气中的残热可被获取并被重新引导至系统中的其它部分。例如，所述废气热交换器可被结合到第二流体循环环路的第一次级环路中，以便向DHW热交换器提供附加的加热。
根据本发明的另一个方面，公开了一种用于循环有机工作流体的直接点火的热电联合系统。所述直接点火的微型CHP在系统成本和简单性方面具有优点。所述系统包括：限定有机工作流体流动通路的管路环路；设置在管路环路中的有机工作流体；设置在有机工作流体流动通路中的蒸发器；与蒸发器热连通的燃烧器，以便传递到蒸发器的热使有机工作流体过热；涡旋式膨胀机，其设置在有机工作流体流动通路中，以便经过涡旋式膨胀机的过热的有机工作流体在从涡旋式膨胀机排放时保持过热；发电机，其可操作地响应于涡旋式膨胀机以产生电力；冷凝器；以及泵，其设置在有机工作流体流动通路中并且在冷凝器和蒸发器之间。所述冷凝器包括：设置在有机工作流体流动通路中的一次环路，以便一次环路与涡旋式膨胀机流体连通；以及与一次环路有热交换关系的二次环路，其中二次环路用于将包含在经过一次环路的有机工作流体中的至少一部分热传递到外部环路，例如环流供暖设备。
可选的是，所述直接点火微型CHP系统包括控制器、阀、燃烧室和类似于本发明前一方面的排气特征。并且，与前一方面相同，所述有机工作流体优选或者是天然产生的碳氢化合物(例如异戊烷)或者是卤化碳制冷剂，例如R-245fa。另外，所述热源可以是燃烧器，并且所述热源可以是特大型的，以便在不使用用于DHW目的的储罐的系统变体中提供附加的热。在这种情况下，燃烧器或者可以较大，或者可以是多级装置，以便每一级用于外部加热回路(如SH或DHW回路)的特定部分。并且，所述外部加热回路可以从冷凝器上的单个连接点连接到热电联合系统，以便对应于SH和DHW环路的分支通路都可以被容纳。
根据本发明的另一个方面，公开了一种微型联合热电系统。所述微型联合热电系统包括电力产生环路和到达外部加热环路的连接点。所述电力产生环路包括：燃烧器，用于提高有机工作流体的温度以便有机工作流体变得过热；涡旋式膨胀机，用于接收过热的蒸汽以便所述工作流体通过其中后保持过热的状态；发电机，其可操作地连接到涡旋式膨胀机以产生电力；冷凝器，其与涡旋式膨胀机流体连通地设置；以及用于循环有机工作流体的泵。所述连接点设置在冷凝器中，并用于使外部加热环路与冷凝器热连通。该外部加热环路或者可以是DHW环路、或者可以是SH环路、或者可以是DHW环路和SH环路。与本发明前述方面相同，可包括类似的控制器、燃烧室和有关的特征。
根据本发明的另一个方面，公开了一种利用有机工作流体从兰金式循环中产生生活用热水、空间热能和电能的系统。所述系统包括基本上闭合的回路流体通路，用于传递通过其中的有机工作流体；燃烧器，用于提供足够的热以使有机工作流体过热；以及控制器，用于调节系统的操作。所述基本上闭合的回路流体通路至少部分由盘绕的导管限定，并包括作为部件的涡旋式膨胀机、发电机、冷凝器和泵，所述导管用于作为有机工作流体的热传递元件。术语“管(tube)”可与“导管(conduit)”互换地使用，因为两者都表示用于流体传输的闭合中空容器。所述燃烧器与基本上闭合的回路流体通路的盘绕管热连通。所述涡旋式膨胀机被构造为用于接收过热的有机工作流体。所述冷凝器被构造为用于提取在有机工作流体经过涡旋式膨胀机之后保留在有机工作流体中的至少一部分热。所述泵加压和循环有机工作流体。
根据本发明的另一个方面，公开了一种间接点火的热电联合系统，所述系统包括热源、与热源热连通的被动热传递元件、第一回路、发电机和第二回路。所述第一回路被构造为用于传输有机工作流体，并被设置在被动热传递元件的端部附近，以便从被动热传递元件传递的热提高有机工作流体的能含量。所述第一回路至少由涡旋式膨胀机、冷凝器和泵构成，所述涡旋式膨胀机构造为用于接收有机工作流体，所述冷凝器与所述涡旋式膨胀机流体连通，所述泵构造为用于循环有机工作流体。所述冷凝器被构造为用于将包含在有机工作流体中的至少一部分过量的热传递到外部加热环路。与前述的方面一样，所述发电机被连接到涡旋式膨胀机，以响应于从涡管给予它的运动而产生电力。所述第二回路被构造为用于传输通过其中的热交换流体，并被设置在被动热传递元件的端部附近，以便从其传递的热增加热交换流体的能含量。所述第二回路至少由设置在热源附近的燃烧室构成以便可除去废气。除了被动热传递元件(优选为加热管)的一端设置在燃烧室内部以便所述端部从热源吸收热量外，有关燃烧室的细节类似于结合前述方面进行讨论的细节。
根据本发明的另一个方面，公开了一种热电联合系统，所述系统包括热源、与热源热连通的被动热传递元件和第一回路。所述第一回路被构造为用于传输有机工作流体，并被设置在被动热传递元件的端部附近，以便从被动热传递元件传递的热使有机工作流体过热。所述第一回路至少由涡旋式膨胀机、冷凝器和泵构成，所述涡旋式膨胀机被构造为用于接收有机工作流体，所述冷凝器与涡旋式膨胀机流体连通，所述泵构造为使有机工作流体循环。发电机连接到涡旋式膨胀机上，以响应涡管中有机工作流体的膨胀而产生电力。所述冷凝器被构造为用于将包含在有机工作流体中的至少一部分过量的热传递到外部加热环路。与前述的方面一样，优选的是，被动热传递元件为热管，其与燃烧室的结合是类似的。
根据本发明的一个方面，公开了一种由热电联合设备产生热能和电能的方法。该方法包括以下步骤：构造第一回电路以传输有机工作液体；利用与第一回路热连通的热源使有机工作液体过热；在涡旋式膨胀机中膨胀过热的有机工作流体；旋转与涡旋式膨胀机相连的发电机以产生电力；在冷凝器中冷却有机工作流体，以便将流过冷凝器的有机工作流体中的至少一部分热量传递到外部加热环路中；利用已被传递到外部加热环路的热量中的至少一部分热量进行加热以提供空间热；以及将流出冷凝器的有机工作流体返回到第一回路中的位置，以便它可接收由热源输入的附加热量。
作为选择，所述方法包括通过膨胀步骤将有机工作流体保持在过热状态的步骤。作为附加步骤，所述方法可选择地利用已被传递到外部加热环路的至少一部分热量来加热生活用热水环路。备选的一组步骤可被用来构造第二回路，以便将热交换流体传输到DHW环路中与SH环路分离的地方，其中所述SH环路热连接到冷凝器。所述第二回路由与热源热连通的管路环路流动通路限定。所述第二回路与至少一个生活用热水环路，如热交换器或储水罐热交换连通。所述第二回路被构造为：已被传递到热交换流体的至少一部分热量将加热生活用热水环路中的流体(如水)。优选的是，在过热步骤中，有机工作流体被过度加热到其沸点以上大约10-30华氏度，并且在返回(泵作用)步骤中，有机工作流体被加压到约每平方英寸200-450磅的最大压力。此外，过热步骤在有机工作流体中产生约为250-350华氏度之间的最大温度。而且，进行膨胀步骤以使发电机的电输出量达到10千瓦，同时进行冷却步骤以使被传递到外部加热环路的热输出量达到60千瓦。热源可以直接或间接地点燃有机工作流体。附加的步骤可以进一步包括操作一组阀门，所述阀门构造为用于使有机工作流体在预设的条件下绕过涡旋式膨胀机，所述预设条件可为输电网断电、瞬时启动或瞬时断电。
根据本发明的另一方面，公开了一种通过膨胀过热状态下的有机工作流体来产生电力和空间热的系统。所述系统包括：有机工作流体；构造为用于传输有机工作流体的流动通路；设置在流动通路中的燃烧室；设置在流动通路中的涡旋式膨胀机，用于接收和排放处于过热状态下的有机工作流体；发电机，其可操作地连接到涡旋式膨胀机以产生电力；与涡旋式膨胀机流体连通的冷凝器；以及泵，用于使有机工作流体循环经过流动通路。所述燃烧室包括：燃烧器；热传递元件，适合于传送与燃烧器相邻近的有机工作流体；以及废气管道，用于将由燃烧器所产生的燃烧产物传送到大气。与前述方面一样，在冷凝器和外部加热环路之间的连接可被用于实现与SH环路的热交换。此外，可利用诸如控制器、开关和阀门之类的系统调节设备，作为连接到废气管道或冷凝器的附加热交换设备，所述附加热交换设备也结合前述方面被讨论过。
附图说明
参照下列附图，可更好地理解以下对本发明优选实施例的详细描述，其中，相同的结构用相同的标号来表示，其中：
图1示出了根据本发明实施例的集成微型CHP系统的示意图，示出了带有储罐与SH和DHW两种能力的间接点火结构；
图2示出了集成微型CHP系统的示意图，示出了不带有储罐、带有SH和DHW两种能力的间接点火结构；
图3示出了集成微型CHP系统的示意图，示出了不带有储罐、带有SH和DHW两种能力的直接点火结构；
图4示出了集成微型CHP系统的示意图，示出了带有储罐以及SH和DHW两种能力的直接点火结构；
图5示出了集成微型CHP系统的示意图，示出了不带有储罐、带有SH能力的直接点火结构；
图6示出了将热管结合到本发明的间接点火实施例中，进一步强调了用于SH和DHW两者的通用热交换器；
图7示出了将热管结合到本发明的直接点火实施例中，进一步强度用于SH和DHW两者的通用热交换器；
图8示出了废气热交换器的详细内容，包括废气再循环设备的详细内容。
具体实施方式
首先参照图1，微型CHP系统1的一个实施例是间接加热、双环路系统，所述双环路系统包括第一(或一次)回路100和第二回路150。间接点火系统的优点是：避免了第一回路锅炉(或蒸发器)导管的过热和随后的烧毁。第一回路100包括膨胀机101、冷凝器102、泵103和环间热交换器104的一部分。有机工作液体(如自然产生的烃或卤烃制冷剂，未示出)通过由流体连接的膨胀机101、冷凝器102、泵103和环间热交换器104的一部分所限定的回路而循环。管路110用来连接第一回路100的各个部件，而泵103提供压力，以便将有机工作液体供给到环间热交换器104，从而完成第一回路100。发电机105(优选为感应式)被连接到膨胀机101，以便由膨胀机101给予发电机105的运动来产生电力。尽管膨胀机101可为任一种类型，然而优选其为涡旋式设备。涡旋式膨胀机可为如现有技术公知的传统的单个涡旋式设备。油泵108被用于为涡管提供润滑剂。油的存在有助于在互相啮合的固定件和轨道盘绕件之间建立密封，所述轨道盘绕件组成涡管的月牙形室(未示出)。带有水位高120A和水位低120B指示器的水位指示器开关120设置在冷凝器103的排放处。控制器130被用于控制系统操作。它检测从水位指示器开关120采集的水位信息和在第一回路内不同点处的诸如有机工作流体温度等参数。通过适当的程序逻辑，控制器130通过响应如输电网断电等预设条件可用于打开和关闭阀门(目前未示出)。优选的是，发电机105为异步设备，因此，由于不需要复杂的发电机速度控制和相关的输电网互连，促进了系统1的简单、低成本操作。由于当发电机105超过系统频率时异步发电机的扭矩需求快速增加，因此异步发电机在没有控制的情况下总是提供最大可能的电力。发电机105可被设计为用于提供商用频率50或60Hz的电能，同时保持在与同步速度(3000或3600rpm)接近(通常每分钟为150或更小转数(rpm))的范围内。
外部加热环路140(优选如SH环路所示)可以通过冷凝器102上的连接器(未示出)连接至第一回路100。作为选择，预热盘管145可以插入在外部加热环路140中，以便流经其中的循环加热流体(通常为水)可以接收由于它与流经第二回路150(以下将详细讨论)的热交换流体之间的热交换关系而引起的附加温度增加。流经外部加热环路140的循环加热流体通过传统的泵141被循环，并且通过散热器148或相关设备被供给作为空间热。作为例子，循环加热流体能够在大约50摄氏度下离开冷凝器102，并且以低于30摄氏度的温度返回冷凝器102。系统1的容量达到60kWt；然而，它在本发明的范围内，即根据需要可以使用较大或较小容量单位的范围内。除了提供电能外，微型CHP(热电联合)系统中固有的能力是提供热能。来自热源和膨胀工作流体的过量热量可以被传递到外部DHW和SH环路。热交换过程优选通过逆流热交换器(对于DHW和SH环路中的任一个或者两者)、或者传统的热水储罐(对于DHW环路)来进行。本领域普通技术人员将会了解，图中描绘的实施例示出并联的DHW和SH热交换器(在某些情况下由相同的热交换设备提供，稍后示出)，也可以使用串联或者连续的热交换结构，它也落在本公开物的实质范围内。
第二回路150包括两个平行的次级环路150A、150B。由燃烧器151为两个平行的次级环路150A、150B提供热量，通过一组气体吸收装置(gastrain)152和可变气流阀153为所述燃烧器151提供燃料。管路160(组成平行的次级环路)穿过燃烧室154，在所述燃烧室154中，由燃烧器151中的燃料燃烧而产生的热传递给流过管路160的热交换流体(未示出)。管路160包括设置在燃烧室154内部的翅片管部分161，并分支为第一平行次级环路150A，所述次级环路150A将已在燃烧室154中被加热的热交换流体传输到环间热交换器104，以便将热量传递给流过第一回路100的有机工作流体。隔断阀(未示出)可被用于调节次级环路之间的流动；然而，通过空转非激活次级环路的泵，在不需要增加附加阀门的情况下，可防止在该次级环路中的明显流动。为了加热生活用热水，第二平行次级环路150B将热交换流体传输到DHW热交换器180。生活用热水热交换器180(可为储水罐)的一侧包括构造为用于传输热交换流体的盘管180A，另一侧包括壳体180B，用于将生活用热水(未示出)从冷水入口191A经盘管180A传输到DHW出口191B。典型地，冷水或者来自井水或者来自城市/市政供水系统。类似地，温度传感器171B可检测来自DHW热交换器180的DHW的温度。该传感器还可连接到控制器130(下面将详细说明)。燃烧室154包括排气管道155、带有排气管道热交换器157的废气再循环设备156和风扇158。本领域技术人员将会理解，尽管优选示出的风扇158为引风扇，若相对燃烧室154而适当地定位，风扇158也可是送风扇。与温度传感器171B类似，温度传感器171A设置在第二回路150的燃烧室154出口处，以测量热交换流体的温度条件。第二回路泵185A、185B用来循环第二回路150中的热交换流体，泵185B循环通过DHW加热器180的热交换流体，泵185A循环通过环间热交换器104的热交换流体。排气管道热交换器157和排气再循环(EGR)设备156从燃烧器151接收热的废气并在内部热交换过程中再循环热的废气，因此，降低了由风扇158抽走并排出到大气中的废气的温度。在废气热交换器157中由废气放出的热量用来为系统1的其它部分提供附加的热量。在本图中，该附加的热量用来增加在第二回路150中流动的热交换流体的温度。
可以是可编程逻辑控制器(PLC)或传统微型计算机(未示出)的控制器130能够用于提供详细的系统控制。所有的泵可被配置为变速的，并响应来自控制器130的输入信号。在收到加热信号时，燃烧器151点燃燃料，同时给适当的循环泵185B或185A加电。对于DHW，与温度传感器171B结合的流量开关190为控制器130提供输入。流量开关190选择DHW模式，DHW设定点被连接到温度传感器171A。调节燃烧器气体流量和DHW泵185B的流量，以根据用户在DHW恒温器(未示出)上预先设定的温度在171B处提供所希望的温度。
当系统工作时，被加热的热交换流体流过传感器171A，所述传感器171A能够为控制器130提供有效的信号，以便调节燃烧器151的燃烧率和泵185B的流量以实现安全操作和达到所需的输出。然而，当系统刚启动时，必须给定控制器130的某个初始化状态，所述初始化状态可被用作安全操作条件直到热交换流体流过温度传感器171A时。在启动期间希望具有最小量的热交换流体流量，以便流体尽可能快地被加热。然而，也需要一定流量以防止在燃烧室154中的流体的局部过热，并为控制器130提供燃烧器151确实点燃的指示。与所检测的户外温度以及室内温度变化率相一致，设置气体流速以便为系统提供最长的运行时间。泵185B工作，以便使被供以热交换流体的燃烧室154保持在温度传感器171A的工厂预定值处。当温度传感器171A到达恒温器设定值的50％时，增加泵185B的速度，直到在温度传感器171A读出的温度达到其设定值，这时，燃烧器151和泵185B调整温度传感器171A和171B的常数值。当流量开关190指示为零流量时，燃烧器151和泵185B停止工作。较小膨胀箱(未示出)可设置在第二回路150中，以允许在热交换流体的适当高的压力下的不同热膨胀。
当用户希望加热时，如由室内恒温器(未示出)所指示的那样，燃烧器151开始达到其容量的50％以加热系统1。泵185A开始达到预定的速度，以便与由初始燃烧器燃烧率和系统的设计响应所建立的流量需求相一致。控制器130响应用户加热的请求、以及所有者选择的室温设定值。通常由室温及其设定值以及户外温度(未示出的传感器)部分地控制燃烧器151的燃烧和泵185A的流量。第一回路泵103运行地足够快，以将有机工作流体液位保持在水位低120B与水位高120A转换设定值之间。例如，控制器130在有机工作流体液体位上升到水位120A以上时指示泵103启动或加速，在有机工作流体液位下降到水位120B以下时停止。
在燃烧室154内部的管路160的翅片管部分161的长度可通过仔细选择泵、控制点和导管尺寸而被最小化。现在结合图1并参照图8，示出用于微型CHP系统1的EGR设备156的细节。本质上，EGR设备156与排气管道155结合使用，并且是废气热交换器157的必要部分。热的废气流沿轴向被引导通过EGR设备156，优选的是，所述EGR设备156设置在燃烧器151和排气管道155之间。环形再循环管道156B，以逆流方式传送一些废气，直到其在入口156A被再次注入。EGR设备156的壁由流过管式热交换器157的热交换流体冷却，结果，在入口平面156A处进入的再循环气体被部分冷却。这些在平面156B处离开的回调气流进入由第二回路管路(这里未示出)的翅片管部分161所确定的第二热传递区，在该区域发生气体的附加冷却。在更紧凑的结构中，EGR设备156的内环形管道可由细管(未示出)阵列来代替，每一个细管在入口端具有用于热气体的气流进口段(flow inducer)。当这种方法涉及使用大量的流体，从而将增加系统的响应时间时，可实现明显的好处，包括将EGR设备156应用到使用有机工作流体的蒸发器，以便流体不会暴露在废气的全部温度下，并且最终的热回收不会被附加的任何形式的废气稀释(尤其是冷却空气)所减小。EGR设备156的主要益处是减小了有害气体副产品(如NOx)的量。EGR设备156的附加益处是：通过减小翅片管部分161暴露在其中的最高温度，可使用具有较低成本的简单部件而得到与较贵成本的材料相同的较长使用寿命。
参照图2，示出了间接点火微型CHP系统2的替换实施例。这里，第二回路250不包括平行次级环路。而是单个环路直接从燃烧室254通向环间热交换器204。图1所示的实施例中的第二次级环路150B所提供的DHW容量现在被结合到外部加热环路240中。既用作DHW又用作SH的该外部环路可在连接到冷凝器202后分支，并且如果需要，通过阀247A、247B操作以供应SH散热器248或DHW热交换器280。DHW热交换器280可以是储存热水的储水罐(如结合前述方面的描述)，或者是双通逆流热交换设备。当流体(典型的为水)流过SH和DHW热交换器两者或者其中之一后，被循环通过加热环路240并回到冷凝器202，以再次启动其循环。在进入冷凝器202之前，流体可流经热相邻的第二回路250在预热设备245中进行预热。
现在参照图3和4，示出了直接点火的微型CHP系统。该系统的优点在于其结构较简单以及伴随着较低的成本。在本实施例中，系统3不包括第二回路。前面实施例中用作第一回路热源的环间热交换器由燃烧室304来代替，在燃烧室304中，发生通过一组气体吸收装置352、阀353和燃烧器351的燃料燃烧以及有机工作流体的蒸发。如同前述实施例，有机工作流体被过度加热。如同前述实施例，发电机305优选在电表的客户/用户侧异步地连接到负荷，所述电表的客户/用户端典型地为电力网。由输电网施加到涡旋式膨胀机301上的负荷确保了涡管301的机械速度被保持在其结构限度内。隔断阀307A和旁路阀307B位于由管路310(管道361是管路310的一部分)限定的有机工作流体流动通路中。这些阀响应控制器330中的信号，其中所述控制器330指示在系统上是否无负荷(如输电网断电)，使过热的蒸气绕过膨胀机，从而避免了涡管301的过高速度。在这种条件下，改变路径的过热蒸气被送进冷凝器302的入口。在正常操作条件下，当系统有负荷时，过热的蒸气进入涡旋式膨胀机301，引起轨道渐开线螺旋缠绕(orbiting involute spiral wrap)相对于互相啮合固定的渐开线螺旋缠绕移动。当过热蒸气膨胀通过增加了容积的月牙形室时，它引起轨道运行缠绕的运动通过被连接的轴或在涡管301上的一体转子/定子结合体传送到发电机305。根据在系统中所使用的油的类型(诸如，油相对于有机工作流体是否容易混合或不易混合)，优选的是，涡管301可包括油泵308，以从过热的蒸气循环涡管中的油。排气管道355和风扇358的工作方式与前述方面的工作方式相同；然而，本实施例的EGR设备356和排气管道热交换器357，不是为流过前述实施例的第二回路150、250的热交换流体提供附加热量，而是被用于为系统3内的各个位置提供辅助的热量。例如，如点A所示，附加热量可被添加到来自泵385的有机工作流体中。同样，在点B或C处，它可用来为外部加热环路340添加附加热量。由有机工作流体的特性及其属性可以确定热交换点A、B或C的精确位置。应该注意到，如上所述，DHW热交换器380可被构造为传统的双通逆流热交换器、或储水罐。在不使用(或使用很小的)储罐时(例如在空间非常宝贵的情况下)，为了提供快速响应DHW，可能需要产生额外的热量。一种方法是使用较大或多级燃烧器(未示出)。这将为与DHW使用(如淋浴、浴室和热自来水)相关的即时或准即时需求提供快速响应时间。具体参照图4，示出了图3的直接点火微型CHP的变化。在这种情况下，系统4特别包括储罐480。这种方法允许在不必凭借增加的燃烧器容量的情况下包含DHW能力。此外，储罐加热元件480C的能量可从发电机405直接提供。此外，可在储罐480的尺寸和燃烧器451的尺寸或数量之间进行平衡，以最好地适合系统的功能性和包装/容量需求。
现在参照图5，其示出了直接点火微型CHP系统5。它表示最简单的系统，因为，它被调向专用发电和SH。由于不包括DHW能力，因此在不牺牲系统功能性或不需要增大燃烧器容量的情况下，能够避免了使用储罐。另一方面，这个系统与前述的直接点火的实施例相同，包括热源元件部分551、552和553、排气元件部分555、556、557和558、有机工作流体流动通路元件部分501、502、503、504、507A、B和508、发电机505的操作，并且检测控制装置520、530。
现在参照图6和7，示出了前述间接点火和直接点火热电联合系统的变体。具体参照图6，被动热传递元件，优选采用热管675的形式，可设置在第一回路600和第二回路650之间，以在这些回路和热源之间进行热交换。具体参照图7，热管775设置在第一回路的流动通路中，所述第一回路还包括涡旋式膨胀机701、冷凝器702和泵703。在任一种配置中，热管是抽空的密封容器，容纳有小量的工作流体，如水或甲醇。当热管的一端(典型地称作蒸发器端)被加热时，工作流体迅速被蒸发，部分是由于流体的较低内部压力。蒸气向低压相对端(典型地称作冷凝器端)移动，释放其潜热。优选的是，重力或毛细管作用允许冷凝的流体流回蒸发器端，在该处循环可被重复。当流体具有较大蒸发热时，即使在相对端之间的温差不是很大时，也可传送大量的热量。另一方面，系统的操作与前述方面的系统操作相同。
现在参照图8，示出了排气管道热交换器157和废气再循环设备156的细节。燃烧室154(未按比例画出)装有足够多的热源装置，包括燃烧器151，以确保废气和相关的燃烧产物被带进排气管道155中以便它们可被排出到大气中。吸风机(在别处示出)可用来保证完全排出燃烧产物。废气再循环设备156为同环管道，它通过内环156A将废气带离燃烧器151附近的区域，并且返回一部分气体以在外环156B中流动。在该部分气体通过外环156B再循环的期间，它将自身的一些热量释放到排气管道热交换器157，所示出的排气管道热交换器为盘绕的管道。从这里，热交换器157的盘绕管道可被引导到系统中的其它位置(其它地方示出)，接着可被用来提供附加热量。
通过参照本发明的优选实施例并对其进行详细描述，很显然在不偏离后附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，有可能对本发明进行改进和变化。更具体而言，尽管这里指出的本发明的一些方面作为优选的或特别有益的方面，但应考虑到本发明并不必局限于本发明的这些优选的方面。

Claims (104)

1.一种热电联合系统，包括：
有机工作流体；
能够使所述有机工作流体过热的热源；
构造为用于传输所述有机工作流体的第一回路，所述第一回路的至少一部分与所述热源热连通，所述第一回路包括：
用于接收所述有机工作流体的涡旋式膨胀机；
与所述涡旋式膨胀机流体连通的冷凝器；和
用于经过所述第一回路循环所述有机工作流体的泵；和
发电机，其可操作地连接到所述涡旋式膨胀机以产生电力。
2.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，所述有机工作流体在通过所述涡旋式膨胀机后保持过热。
3.根据权利要求2所述的热电联合系统，其特征在于，所述热源是与蒸发器热连通的燃烧器。
4.根据权利要求3所述的热电联合系统，其特征在于，所述燃烧器和所述蒸发器被包含在共同的容器内，所述容器包括排气管道。
5.根据权利要求4所述的热电联合系统，其特征在于，还包括与所述排气管道邻近的热交换器。
6.根据权利要求5所述的热电联合系统，其特征在于，所述热交换器还包括废气再循环设备。
7.根据权利要求5所述的热电联合系统，其特征在于，由所述热交换器从所述排气管道中移除的一部分热量被设置为与至少一个循环流体热连通，从而增加所述流体的温度。
8.根据权利要求3所述的热电联合系统，其特征在于，在所述燃烧器和所述第一回路之间的所述热连通是通过设置在所述泵和所述涡旋式膨胀机之间的环间热交换器进行的。
9.根据权利要求8所述的热电联合系统，其特征在于，还包括第二回路，其设置在所述燃烧器附近，所述第二回路包括适于传送在其中通过的热交换流体的至少一个管路环路。
10.根据权利要求9所述的热电联合系统，其特征在于，所述燃烧器被包含在燃烧室内，所述燃烧室与所述第二回路热连通，所述燃烧室包括与所述燃烧器燃烧连通的排气管道。
11.根据权利要求10所述的热电联合系统，其特征在于，还包括排气扇，所述排气扇与所述排气管道相连，以便于从所述燃烧室中除去废气。
12.根据权利要求10所述的热电联合系统，其特征在于，所述排气管道还包括废气再循环设备，以便使在所述废气中存在的至少一部分残留热量传递到所述热交换流体。
13.根据权利要求8所述的热电联合系统，其特征在于，在所述第二回路中的所述热交换流体包括水和冷冻抑制添加剂的混合物。
14.根据权利要求8所述的热电联合系统，其特征在于，在所述第二回路中的所述热交换流体包括有机热交换流体。
15.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，所述热源和所述第一回路被构造为在所述第一回路中的所述有机工作流体的最大工作压力为大约200-450磅/每平方英寸，以及最高工作温度为大约250-350华氏度。
16.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，所述有机工作流体包括卤烃制冷剂。
17.根据权利要求16所述的热电联合系统，其特征在于，所述卤烃制冷剂包括R-245fa。
18.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，所述工作流体包括至少一种自然产生的碳氢化合物。
19.根据权利要求18所述的热电联合系统，其特征在于，所述至少一种自然产生的碳氢化合物包括通式CnH2n+2。
20.根据权利要求19所述的热电联合系统，其特征在于，所述通式CnH2n+2的至少一种自然产生的碳氢化合物包括异戊烷。
21.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，所述冷凝器被构造为与环流供暖环路热交换连通。
22.根据权利要求21所述的热电联合系统，其特征在于，还包括环流供暖环路预热设备，所述预热设备设置为与第二回路热交换连通，所述第二回路适合于传送在其中通过的热交换流体。
23.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，所述第一回路被构造为由所述发电机所产生的电力达到10千瓦。
24.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，所述系统被构造为由所述发电机所产生的所述电力的一部分被用于操作所述泵。
25.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，所述冷凝器能够传递达到60千瓦的热能。
26.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，还包括控制器，其被构造用来监视和有选择地改变所述有机工作流体过热的程度。
27.根据权利要求26所述的热电联合系统，其特征在于，所述控制器被构造用来比较所述涡旋式膨胀机和所述蒸发器中的温度信号，以确定所述有机工作流体被过度加热的程度。
28.根据权利要求27所述的热电联合系统，其特征在于，还包括至少一个开关，所述开关响应于在所述冷凝器出口处的所述有机工作流体的水位，所述至少一个开关连接到所述控制器。
29.根据权利要求26所述的热电联合系统，其特征在于，还包括一组阀，所述阀被构造用于在预设的条件下使所述有机工作流体绕过所述涡旋式膨胀机。
30.根据权利要求29所述的热电联合系统，其特征在于，所述预设条件为输电网断电。
31.根据权利要求29所述的热电联合系统，其特征在于，所述预设条件为启动瞬间。
32.根据权利要求29所述的热电联合系统，其特征在于，所述预设条件为关闭瞬间。
33.根据权利要求1所述的热电联合系统，其特征在于，所述热电联合系统被构造为与生活用热水环路热交换连通。
34.根据权利要求33所述的热电联合系统，其特征在于，在所述热电联合系统和所述生活用热水环路之间的所述热交换连通发生在设置在第二回路内的储罐中，其中，所述第二回路适合于在其中传送热交换流体。
35.根据权利要求34所述的热电联合系统，其特征在于，还包括设置在所述储水罐中的加热元件，所述加热元件由所述发电机提供的电力来加热。
36.根据权利要求33所述的热电联合系统，其特征在于，在所述热电联合系统和所述生活用热水环路之间的所述热交换连通发生在所述冷凝器中。
37.一种利用有机工作流体进行操作的热电联合系统，所述系统包括：
热源；
用于传输所述有机工作流体的第一回路，所述第一回路与所述热源热连通，以便从第一回路传递的热使所述有机工作流体过热，所述第一回路包括：
涡旋式膨胀机，用于接收所述有机工作流体；
与所述涡旋式膨胀机流体连通的冷凝器；和
用于经过所述第一回路循环所述有机工作流体的泵；和
可操作地连接到所述涡旋式膨胀机以产生电力的发电机。
38.一种间接点火的微型联合热电系统，包括：
热源；
与所述热源热连通的环间热交换器；
第一流体循环环路，它的至少一部分通过所述环间热交换器的第一通道；所述第一流体循环环路包括：
有机工作流体；
涡旋式膨胀机；
可操作地响应于所述涡旋式膨胀机以产生电力的发电机；
与所述涡旋式膨胀机流体连通的冷凝器，所述冷凝器适合在所述有机工作流体和用于住宅内环流供暖的外部热交换流体之间建立热交换关系；和
用于循环所述有机工作流体的泵；和
第二流体循环环路，它的至少一部分通过所述环间热交换器的第二通道，以便所述第二流体循环环路与第一环路热连通，所述第二流体循环环路包括：
第一次级环路，包括：
用于循环热交换流体的管路，其设置在所述第二流体循环环路内，所述管路的至少一部分与所述热源热连通；
生活用热水热交换器；和
至少一个泵，用来通过所述生活用热水热交换器循环所述热交换流体的一部分；
第二次级环路，包括：
用于循环所述热交换流体的管路，以便与所述环间热交换器中的所述有机工作流体具有热交换关系；
至少一个泵，用来通过所述环间热交换器循环所述热交换流体的一部分；
其特征在于，所述热源、所述热交换器、所述第一环路和所述涡旋式膨胀机被构成为：在经所述环间热交换器将来自所述热源的热应用到所述有机工作流体时，所述有机工作流体过热到一定程度，以便所述有机工作流体至少在通过所述涡旋式膨胀机时保持过热。
39.根据权利要求38所述的间接点火微型联合热电系统，其特征在于，还包括排气管道，所述排气管道与所述热源流体连通，以便来自所述热源的产物可从所述微型联合热电系统中去除。
40.根据权利要求39所述的间接点火微型联合热电系统，其特征在于，还包括与所述排气管道热连通的热交换器。
41.根据权利要求38所述的间接点火微型联合热电系统，还包括环流供暖环路预热设备，所述预热设备设置为与所述第二流体循环环路热交换连通。
42.一种直接点火的微型联合热电系统，包括：
有机工作流体；
限定有机工作流体流动通路的管路环路；
设置在所述有机工作流体流动通路中的蒸发器；
与所述蒸发器热连通的燃烧器，以便传递到蒸发器的热使所述有机工作流体过热；
涡旋式膨胀机，其设置在所述有机工作流体流动通路中，以便经过所述涡旋式膨胀机的所述过热有机工作流体在从所述涡旋式膨胀机排放时保持过热；
发电机，其可操作地响应于所述涡旋式膨胀机以产生电力；
冷凝器，所述冷凝器包括：
设置在所述有机工作流体流动通路中的一次环路，以便所述一次环路与所述涡旋式膨胀机流体连通；以及
与所述一次环路有热交换关系的二次环路，其中所述二次环路用于将包含在经过所述一次环路的所述有机工作流体中的至少一部分热传递到环流供暖设备；和
泵，其设置在所述有机工作流体流动通路中并且在所述冷凝器和所述蒸发器之间。
43.根据权利要求42所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，还包括被构造用于监视和有选择地改变所述有机工作流体的过热程度的控制器。
44.根据权利要求43所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，还包括至少一个开关，所述开关响应于在所述冷凝器出口处的所述有机工作流体的水位，所述至少一个开关连接到所述控制器。
45.根据权利要求43所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，还包括一组阀，所述阀被构造用于在所述控制器检测到输电网断电时允许所述有机工作流体绕过所述涡旋式膨胀机。
46.根据权利要求42所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述燃烧器和所述蒸发器被包含在共同的容器中，所述容器包括排气管道。
47.根据权利要求46所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述二次环路被分支以便一个通路被构造用于连接到环流供暖环路，而另一个通路被构造用于连接到生活用热水环路。
48.根据权利要求47所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，在所述二次环路中的至少一个位置与设置在所述排气管道附近的所述热交换器热连通。
49.根据权利要求42所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，还包括设置在所述排气管道中的热交换器。
50.根据权利要求42所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述热交换器还包括废气再循环设备。
51.根据权利要求42所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述燃烧器的尺寸设置为为所述二次环路提供附加的热。
52.根据权利要求42所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述冷凝器的所述二次环路进一步构造为连接到储水罐。
53.根据权利要求52所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，还包括与所述发电机电连接的连接点，所述连接点适于连接到所述储水罐中的加热元件上。
54.根据权利要求52所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述冷凝器被构造为用于将达到60千瓦的热量传送到所述二次环路。
55.根据权利要求52所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述二次环路被构造为用于循环循环加热流体。
56.根据权利要求42所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述有机工作流体包括卤烃制冷剂。
57.根据权利要求56所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述卤烃制冷剂包括R-245fa。
58.根据权利要求42所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述工作流体包括至少一种自然产生的碳氢化合物。
59.根据权利要求58所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述至少一种自然产生的碳氢化合物包括通式CnH2n+2。
60.根据权利要求59所述的直接点火微型联合热电系统，其特征在于，所述通式CnH2n+2的至少一种自然产生的碳氢化合物包括异戊烷。
61.一种微型联合热电系统，包括：
电力产生环路，所述电力产生环路包括：
有机工作流体；
燃烧器，用于过度加热所述有机工作流体；
涡旋式膨胀机，用于接收所述有机工作流体，所述涡旋式膨胀机被构造用来使所述有机工作流体通过其中后保持过热的状态；
发电机，其可操作地连接到所述涡旋式膨胀机以产生电力；
冷凝器，其与所述涡旋式膨胀机流体连通地设置；以及
用于经过所述电力产生环路循环所述有机工作流体的泵，和在所述冷凝器中的连接点，所述连接点用于连接到外部加热环路。
62.根据权利要求61所述的微型联合热电系统，其特征在于，所述外部加热环路是环流供暖环路。
63.根据权利要求61所述的微型联合热电系统，其特征在于，所述外部加热环路是生活用热水环路。
64.根据权利要求61所述的微型联合热电系统，其特征在于，所述外部加热环路包括生活用热水环路和环流供暖环路。
65.根据权利要求61所述的微型联合热电系统，其特征在于，还包括与所述燃烧器热连通的第二回路。
66.根据权利要求65所述的微型联合热电系统，其特征在于，所述第二回路适于通过其中传送热交换流体。
67.根据权利要求66所述的微型联合热电系统，其特征在于，还包括预热盘管，所述预热盘管连接到所述冷凝器，并与所述燃烧器热连通，以便流过所述预热盘管的流体在进入所述冷凝器之前可被预热。
68.根据权利要求61所述的微型联合热电系统，其特征在于，还包括控制器，其与所述电力产生环路信号连通，以便监视和有选择地改变所述有机工作流体的内能。
69.根据权利要求61所述的微型联合热电系统，其特征在于，所述燃烧器设置在燃烧室中，所述燃烧室设置在第二回路中以循环经过其中的二次流体，所述燃烧室包括：
与所述燃烧器燃烧连通的排气管道；
设置在所述燃烧器附近的二次流体流动通路；和
与所述燃烧器流体连通的废气再循环管道。
70.根据权利要求69所述的微型联合热电系统，其特征在于，还包括连接到所述排气管道的排气扇，用于促进从所述燃烧室中除去废气。
71.根据权利要求63所述的微型联合热电系统，其特征在于，还包括连接环路，以促进所述电力产生环路和所述生活用热水环路之间的热连通，所述连接环路包括：
循环流体流动通路；
设置在所述工作流体流动通路中的燃烧室，所述燃烧室包括：
燃烧器，所述燃烧器与所述热源热连通，以便提高所述有机工作流体流动通路中的所述有机工作流体的温度；
与所述燃烧器燃烧连通的排气管道；
连接到所述排气管道的排气扇，以便于除去所述燃烧室中的废气；和
与所述燃烧器流体连通的废气再循环管道；和
带有所述至少一个热交换器的热接口，其设置在所述生活用热水环路中，以便存在于流过所述有机工作流体流动通路的工作流体中的至少一部分热被传递到流过所述生活用热水环路的生活用热水中。
72.一种用于从兰金式循环产生生活用热水、空间热和电力的系统，所述系统包括：
有机工作流体；
基本上闭合的回路流体通路，被构造用来传输通过其中的所述有机工作流体，所述基本上闭合的回路流体通路至少部分地由导管限定，所述导管被构造用来作为所述有机工作流体的热传递元件，所述基本上闭合的回路流体通路包括：
涡旋式膨胀机，其被构造用来接收所述有机工作流体；
发电机，其可操作地连接到所述涡旋式膨胀机以产生电力；
冷凝器，其被构造用来提取在所述有机工作流体经过所述涡旋式膨胀机后保留在所述有机工作流体中的至少一部分热量；和
泵，所述泵能够使所述有机工作流体循环通过所述基本上闭合的回路流体通路；
与所述导管热连通的燃烧器，所述燃烧器被构造用来提供足够的热以使所述有机工作流体过热；以及
控制器，用于调节所述系统的操作。
73.根据权利要求72所述的系统，其特征在于，所述冷凝器的构造方式为：外部加热流体通路可被设置为与所述冷凝器热连通。
74.根据权利要求73所述的系统，其特征在于，所述冷凝器被构造为：从所述有机工作流体中提取达到60千瓦的热能。
75.根据权利要求72所述的系统，其特征在于，所述泵由所述发电机产生的所述电力的一部分提供动力。
76.根据权利要求72所述的系统，其特征在于，所述发电机的所述电力输出达到10千瓦。
77.根据权利要求72所述的系统，其特征在于，在正常操作期间从所述系统中提取的热功比优选在大约7∶1和11∶1之间。
78.一种间接点火的热电联合系统，包括：
热源；
与所述热源热连通的被动热传递元件；
第一回路，其设置在所述被动热传递元件的端部附近，以便接收从所述被动热传递元件传递的热量，所述第一回路包括：
有机工作流体，所述有机工作流体在从所述被动热传递元件接收热时变得过热；
涡旋式膨胀机，其被构造用来接收所述过热的有机工作流体；
冷凝器，所述冷凝器与所述涡旋式膨胀机流体连通，并被构造用来将至少一部分包含在所述有机工作流体中的过量的热传递给外部加热环路；和
泵，其被构造用来使所述有机工作流体循环通过所述第一回路；
发电机，其被连接到所述涡旋式膨胀机，以响应于从所述涡管膨胀机给予它的运动而产生电力；和
第二回路，其被构造用来传输通过其中的热交换流体，所述第二回路与所述被动热传递元件的端部热连通，以便从其传递的热增加所述热交换流体的内能，所述第二回路包括：
设置在所述热源附近的燃烧室；
至少一个外部环路热交换器，和
导管，用于在所述燃烧室和所述至少一个外部环路热交换器之间传输所述热交换流体。
79.根据权利要求78所述的间接点火热电联合系统，其特征在于，所述被动热传递元件是热管。
80.根据权利要求78所述的间接点火热电联合系统，其特征在于，所述燃烧室由以下部分限定：
与所述热源燃烧连通的排气管道；
连接到所述排气管道的排气扇，以便于除去废气；和
与所述燃烧室排气连通的废气再循环管道。
81.一种热电联合系统，包括：
热源；
与所述热源热连通的被动热传递元件；
第一回路，其设置在所述被动热传递元件的端部附近，以便接收从所述被动热传递元件传递的热量，所述第一回路包括：
有机工作流体，所述有机工作流体在从所述被动热传递元件接收热时变得过热；
涡旋式膨胀机，其被构造用来接收所述过热的有机工作流体；
冷凝器，所述冷凝器与所述涡旋式膨胀机流体连通，并被构造用来将至少一部分包含在所述有机工作流体中的过量的热传递给外部加热环路；和
泵，其被构造用来使所述有机工作流体循环通过所述第一回路；和
发电机，其被连接到所述涡旋式膨胀机，以响应于从所述涡管膨胀机给予它的运动而产生电力。
82.根据权利要求81所述的热电联合系统，其特征在于，所述被动热传递元件是热管。
83.根据权利要求81所述的热电联合系统，其特征在于，所述燃烧室由以下部分限定：
与所述热源燃烧连通的排气管道；
连接到所述排气管道的排气扇，以便于除去废气；和
与所述燃烧室排气连通的废气再循环管道。
84.一种由热电联合设备产生热能和电能的方法，所述方法包括以下步骤：
构造第一回路以传输有机工作流体；
用与所述第一回路热连通的热源过度加热所述有机工作流体；
在涡旋式膨胀机中膨胀所述过热的有机工作流体；
旋转与所述涡式膨胀机相连的发电机以产生电力；
在冷凝器中冷却所述有机工作流体，以便将流过所述冷凝器的所述有机工作流体中的至少一部分热量传递到外部加热环路中；
使用已被传递到所述外部加热环路的所述热量的至少一部分热量以提供空间热；以及
将流出所述冷凝器的所述有机工作流体返回到所述第一回路中的位置，以便第一回路可接收由所述热源输入的附加热量。
85.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，还包括通过所述膨胀步骤将所述有机工作流体保持过热状态的步骤。
86.根据权利要求85所述的方法，其特征在于，包括有选择地利用已被传递到所述外部加热环路的所述热的至少一部分以加热生活用热水环路的附加步骤。
87.根据权利要求85所述的方法，其特征在于，包括以下附加步骤：
构造用于传输热交换流体的第二回路，所述第二回路由与所述热源热连通并且与至少一个生活用热水环路热交换连通的管路环路所限定；
用所述热源加热所述热交换流体；
利用已传递到所述热交换流体的所述热量的至少一部分加热所述生活用热水环路中的流体。
88.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，在所述过热步骤中，所述有机工作流体被过度加热到其沸点以上10-30华氏度。
89.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，在所述返回步骤中，所述有机工作流体被加压到约每平方英寸200-450磅的最大压力。
90.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，所述过热步骤产生的所述有机工作流体的最大温度在大约250-350华氏度之间。
91.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，进行所述膨胀步骤以使所述发电机的电输出量达到10千瓦。
92.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，进行所述冷却步骤以使传递到所述外部加热环路的热输出量达到60千瓦。
93.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，进行所述过热步骤以便所述热源直接点燃所述有机工作流体。
94.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，进行所述过热步骤以便所述热源间接点燃所述有机工作流体。
95.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，包括操作一组阀门的附加步骤，所述阀门构造为用来使所述有机工作流体在预设的条件下绕过所述涡旋式膨胀机。
96.根据权利要求95所述的方法，其特征在于，所述预设条件是输电网断电。
97.根据权利要求95所述的方法，其特征在于，所述预设条件是启动瞬间。
98.根据权利要求95所述的方法，其特征在于，所述预设条件是断电瞬间。
99.一种用来产生电力和空间热的系统，所述系统包括：
有机工作流体；
用于传输所述有机工作流体的流动通路；
设置在所述流动通路中的燃烧室，所述燃烧室包括：
燃烧器；
热传递元件，适合于传送与所述燃烧器相邻近的所述有机工作流体，以便在所述燃烧器工作时，所述有机工作流体变得过热；以及
废气管道，用于将由所述燃烧器产生的燃烧产物传送到大气；
设置在所述流动通路中的涡旋式膨胀机，用于接收和排放所述有机工作流体；
发电机，其可操作地连接到所述涡旋式膨胀机以产生电力；
与所述涡旋式膨胀机流体连通的冷凝器；和
泵，用于使所述有机工作流体循环通过所述流动通路。
100.根据权利要求99所述的系统，其特征在于，还包括在所述冷凝器中的至少一个连接点，所述连接点被构造用来使环流供暖环路与所述有机工作流体热连通。
101.根据权利要求100所述的系统，其特征在于，还包括：
控制器，其被构造用来监视和有选择地改变所述有机工作流体被过热的程度；
至少一个开关，所述开关响应于在所述冷凝器出口处的所述有机工作流体的水位，所述至少一个开关连接到所述控制器；和
一组阀，所述阀被构造用来在预设的条件下允许所述有机工作流体绕过所述涡旋式膨胀机。
102.根据权利要求100所述的系统，其特征在于，还包括位于所述排气管道附近的热交换器。
103.根据权利要求102所述的系统，其特征在于，所述热交换器还包括废气再循环设备。
104.根据权利要求102所述的系统，其特征在于，还包括与所述热交换器热交换连通的辅助加热设备，所述辅助加热设备被构造用来增加所述有机工作流体流动通路或所述空间环流供暖环路中的至少一个中的流体的温度。
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