用于内燃机的换热器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及新颖的换热设备，该换热设备用于提供歧管中充足的热量，以通过外部内燃蒸汽机进行发电，该歧管包含加热盘管中的工作流体。此类新颖的换热器包括盘管，所述盘管环绕中心加热室，从而使所述盘管暴露至逐渐提升的温度，使得工作流体首先被蒸发，并且然后在换热器的通向发动机部分的出口点处最终过热成“干燥”蒸汽。以此方式，加热工作流体的更大的效率得以实现，同时所有流体在压力下转变成气体，以实现所需的发动机(无论是涡轮式的或者活塞式的)等、用于产生能量的运动或者可以认为是合适的其它用途。而且，该换热设备的构造减少了在盘管本身上产生灰烬或其它炭黑残留的倾向，从而允许显著减少外部盘管表面上的装配的绝热体，并且允许采用相对容易的手段按需要从换热设备的内部清理所述残留。通过此类新颖设备，实现非常有效且高效地加热所需的工作流体，同时通过最大程度暴露工作盘管中的过热气体而高比例地利用燃烧资源(诸如废油、再循环气体、合成气体等)。一旦利用处于蒸汽状态的该工作流体，则该总体系统允许工作流体进行再循环(冷凝)以重复加热或者将特定量的工作流体递送到内燃机作为可行的润滑剂和冷却剂。由此，附加地，该新颖的换热设备可以与任何类型的蒸汽或其它形式的内燃机结合使用。
[0002]该新颖的换热器因此允许用于燃烧任意类型燃料的一体式发电机，该燃料可以被焚烧以产生充足的热量来用于蒸汽型发动机的工作流体。此类新颖设备允许为此目的而进行更高效率地蒸发工作流体和/或使气体过热，由此将更高的效率传送到具有干燥蒸汽和/或气体的发动机部件。而且，冷凝此类获得的干燥蒸汽(或类似物)的能力也有助于该整体封闭的系统的总体性能。另外，利用该新颖换热设备的、这种类型的内燃机提供了合适的环境以有效地消除在所产生的废气中获得的可感知水平的氮和/或硫的氧化物的可能性。
[0003]所涉及的燃烧的燃料可以是任意类型的材料，该材料在燃烧时能够产生必要的放热效果，从而可产生足够的温度以在该设备本身中从工作流体源生成蒸汽。此类燃料可以是来自车辆或装备的废油或用过的油、来自饭馆的废植物油或食用油、柴油、汽油、合成气体、天然气、甲烷和类似物。由此，紧凑的高千瓦发电设备可以设置有此类换热装置并且因此包含在本发明中，并且还涉及一种利用此类发电机以从紧凑源提供电力到电网和/或电灯、装备和类似物的方法。由此，该换热器实际上与用于此类目的的任意类型的内燃机设备结合使用，以允许以各种方式递送和/或产生电荷，而不论该发电系统的总体大小和构造。
【背景技术】
[0004]多年来已经开发了多种不同的发电机。许多发电机依赖于燃烧化石燃料(具体地，汽油和柴油)，以产生热量，该热量最终转化成机械能(通过诸如内燃机和斯特林发动机等各种发动机类型)。然而，此类燃烧化石燃料的发电机(以及燃烧废油的类型)会产生氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)的排放问题，因此需要引起注意并且需要可能的额外的过滤器技术以保护使用者和环境免于受此类有毒排放物(具体是由于需要高温来焚烧液体燃料，在存在空气的情况下，液体燃料会产生此类不期望的副产物)危害。而且，由于为此目的需要进行燃料精练，所以用于此类装置作用所需要的特定燃料类型通常受限且是昂贵的。虽然对于短期目的(例如，断电时)而言，由此类装置获得的千瓦发电量是可接受的，但是，遗憾地，对于将电力提供到电网或者用于较长时期供电而言，此类装置是高度不理想的。
[0005]同样地，其它现有发电机依赖于内燃机，这些内燃机呈现体积庞大和/或极重的构造，并且需要用于特定位置。虽然此类构造是有效的，但是这些内燃机事实上相当精密，并且/或者对于此类目的是效率很低的，而且使用了高度精练且昂贵的燃料来工作。遗憾地，为了在发电时使这些内燃机工作而产生了众多问题，使得所需要的燃料在活塞缸中以爆炸方式点燃，此立刻将目标燃料燃烧到产生高温的点，但是这个过程太快而不能合适地且完全地焚烧燃料本身，因此导致不期望地产生NOx和放物。换句话说，用于在该规模和输出的此类发电装置的现有设计在它们的燃料类型方面是受限的(更不必说燃烧和排放收集的适当平衡)，从而使得对于用户来说提供成本效益好的发电机是值得的。而且，如上所述，持续安全的问题以及燃料燃烧排放问题使此类现有装置在任何所需位置处进行实际长期使用的可用性具有严重问题，特别是没有增加对排放控制部件的开支时更是如此。
[0006]在一个单独的考虑中，在均授予Schoell的美国专利第7，080, 512号、第7，856，122号以及第7，992，386号(作为实例)中存在有特别有效的热再生蒸汽机，这些蒸汽机具体构造成纳入并且引入一系统中，在该系统中，水蒸发源是来自生产过程中的废热。此类系统因此捕获通常不能使用的热量，并且将此类源与变成蒸汽(或者类似于蒸气)的工作流体结合，以藉由改型的多活塞发动机来发电。将此类特定的有效蒸汽机与任何其他类型热源的结合的可能性未作讨论，并且也没有提供可能将此类装置与任何类型的热源一起使用所需要的必要部件，所述任何类型的热源除了指定作为大型反应器的排气类型的热源之外。由此，虽然此类特定热再生发动机与某些废热源结合是高效的，但是还没有研究使用任何其它类型的热源的可能性，更不必说将单独发动机直接纳入此类热再生类型的设备，特别地对于小型设备，无论在千瓦发电上总体最终结果如何，均是如此。
[0007]由此，明确地需要提供一种成本效益好、有效的、环境友好的使用低面积发电机组技术的发电机。遗憾地，至今上述现有设备的缺陷在发电机行业中可购买到的发电机类型内仍旧在一定程度上留有大的遗漏。本发明克服了上述问题，并且在较窄的范围内提供了一种设备，该设备实现所有这些目标并且具有能力来产生高千瓦的电量用以直接引入电网和/或电灯、装备和类似物。
[0008]另外，目前在用于实施蒸汽机或内燃机的换热器行业中缺乏明显的改进。过去的开发已包括标准盘管结构，该标准盘管结构经受热源并且对于蒸汽机至少将工作流体转换成蒸气并且因此将蒸气传送到发动机以用于机械运动的目的。遗憾地是，专注于发动机的改进尚未产生对于过去的典型换热器的任何显著修改。虽然该类型的大多数设备是封闭系统(以至少减少热量损失)，但是用于此类过程的典型构造允许直接热暴露于目标盘管而在温度上没有任何明显变化。一种系统不仅弥补可能存在于允许立即加热而非逐渐加热的盘管设备中的问题，而且考虑到了由于来自燃料和气体燃烧的烟灰或其它碳的副产物所造成的盘管隔热的可能性，该系统至少会对内燃机行业是非常具有吸引力的。然而，至今且如上所述，还尚未提供此类改进。
【发明内容】
[0009]本发明的显著优势是提供一种发电机组设备，该发电机组设备产生至少6.0(优选地为至少6.5，并且更优选地为至少8.5)千瓦每工作小时的电力，并且具有至多13.5平方英尺区域的占地面积。该创造性设备和方法的另一优势是使用废油、合成气、天然气、丙烷、甲烷、柴油、汽油和类似物，它们直接连接到热再生发动机并且作为用于热再生发动机的热源而存在，以如上所述产生最低的动力水平。本发明的另一优势是该总体系统能够使用工作流体作为蒸汽资源和发动机润滑油，所有的工作流体都在再生系统中，该再生系统不需要引入任何其它的工作流体。另外，本发明的另一优势是能够安全地使用穿过冷凝系统的空气以提供某个敞开的或限定的空间中的热源，由此产生CHP(热电联供)设备。本发明的又一优势是能够通过换热器提供一种合适的热源，该换热器有效地将加热盘管暴露于不同的温度水平，由此符合存在于其中的工作流体从液态到气态的逐渐改变，并且将加热盘管暴露于足够高的温度中以确保所附连的发动机设备中的有效能量和较高能量。而且，另一优势是能够限制在与工作流体盘管有限的接触区域上由燃烧火焰产生的灰烬和其它碳副产物，由此允许在不必从盘管表面移除隔热副产物的情形下进行更长时间的燃烧并且由此允许更长时间的能量输出。另外，本发明的显著优势是提供了相对小的管直径，所述管直径允许加热盘管在换热设备中更大数量的匝数，由此进一步允许更大量的表面面积，以用于更有效地加热工作流体。本发明的再一优势是换热器能够将逐渐增加的温度水平提供到小直径加热盘管，以提供有效的蒸发，接着进行过热，从而当工作流体输送到发动机时适当地提供总体为气态的所需工作流体以将能量转化成运动。
[0010]因此，本发明包含一种一体发电机，该发电机需要至多4.6平方英尺区域的总占地面积，其中，所述发电机包括框架，三个独立主要部件附连到该框架并且是以堆叠关系或并排关系构造的(如该位置可以保证的)，所述部件包括:a)热发生器部件，包括:i)燃烧室，其用于燃烧或焚烧挥发性燃料，燃烧或焚烧挥发性燃料产生的温度足以在工作流体暴露于该温度时将工作流体蒸发成蒸汽；ii)点火装置，用以在所述燃烧室内产生火花；iii)空气压缩机(设置在该系统的内部或近侧)，用于将所述燃烧室内的液体燃料雾化；iv)换热器，包括至少一个小直径盘管，工作流体存在于所述盘管中，并且当所述盘管暴露于由所述发热器部件所产生的热量时，所述工作流体蒸发以在所述盘管中变成蒸汽；b)蒸汽机，包括i)多个径向构造的活塞，存在于基本相同的平面中，来自所述换热器的所述蒸汽穿过所述活塞以由此产生活塞运动；ii)使驱动轴旋转；iii)冷凝器，包括冷却区域，在穿过所述活塞后，所述蒸汽穿过所述冷却区域；v)散热器，包括散热器风扇以将所述蒸汽冷凝成工作流体冷凝物，或者包括带有用于冷却冷却水的装置(例如，空气处理器)的水-水板式换热器；vi)储器，用于采集所述冷凝物；vii) —个栗，用于将所述冷凝物的至少一部分递送到所述换热器，以用于在其中进行再循环并且引回到所述活塞；和viii)另一栗，用于将所述冷凝物的至少一部分递送到所述活塞，以用于其润滑；以及c)发电机部件，所述驱动轴的运动为该发电机部件产生电荷；其中所述热发生器直接连接到所述换热器，以将足够高的温度提供到所述至少一个盘管。附连到此类发电机的可以是任何数量的典型的电气系统部件以允许输送到特定设备零件或者电力网。通过此类热再生系统产生电荷的方法也包含在此发明中。然而，本发明也包含其本身的新颖换热设备，该换热设备包括壳体，该壳体具有顶板、底板、两个侧板、前板和后板，其中，所述壳体包括位于其中的由耐热管形成的加热歧管，其中所述耐热管以垂直于所述前板的关系构造，并且从所述前板延伸，使得所述管包括位于所述壳体中的开口；其中，所述壳体包括分隔管