专利名称：热电联产系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热电联产系统。本发明特别涉及一种包括斯特林 发动机的热电联产系统。
背景技术：
热电联产系统已经得到了改进，其中借助燃料如可燃气体驱动发 电机，并且将驱动过程中产生的热能回收用于空气调节装置、热水
供应装置(优选为水加热装置)，或类似装置。
在PCT文献No. WO 01/90656中7>开了一种包括有斯特林发动 机的热电联产系统。该热电联产系统除包括斯特林发动机外，还包 括用于给斯特林发动机的受热顶部加热的燃烧器，和用于从燃烧器 内燃烧废气中回收热能的热交换器。在该热电联产系统中，燃烧器 内燃烧废气通过管道导入热交换器。
发明内容
在上述的传统系统中，当燃烧器内燃烧废气通过管道输入热交换 器时，燃烧废气热会散失到外界大气中。因此，排出热(指本身没 有被使用就释放到大气中的热)被浪费地释放掉，导致热电联产系 统的效率下降。
本发明提供了一种能够通过避免燃烧废气热散失到外界大气中 而减少排出热的技术方案，解决了上述问题。
本方案中的热电联产系统具有斯特林发动机、燃烧器、第一排气 通道、延续第一排气通道的第二排气通道，和第一热交换器。所述 斯特林发动机具有柱状的受热顶部。所述燃烧器朝向所述斯特林发 动机的受热顶部的端面。所述第 一 排气通道沿着所述斯特林发动机受热顶部的侧面延伸。所述第二排气通道以与斯特林发动机相对的 方式沿第 一排气通道侧方延伸。所述第 一热交换器以与斯特林发动 机相对的方式设置在第二排气通道的侧方。
在本热电联产系统中，从燃烧器排出的燃烧废气首先被导入第一 排气通道。因此，在第一排气通道内，来自燃烧器的燃烧废气沿斯 特林发动机的受热顶部的侧面流动，燃烧废气热用于加热斯特林发 动机。通过第一排气通道之后，燃烧废气随后被导向第二排气通道。 在第二排气通道内，因为来自燃烧器的燃烧废气流经第 一 热交换器， 所以第 一热交换器从燃烧废气中回收了热能。
本热电联产系统在斯特林发动机和第 一 热交换器之间设有层状 结构的第一排气通道和第二排气通道。以这种方式，防止燃烧废气 热散失到外界大气中，并且由此借助于第一热交换器实现了对斯特 林发动机的高效加热和对排出热的回收。另外，由于第一排气通道 通过第二排气通道与第一热交换器隔离，因此第一排气通道保持高 温，从而实现了对斯特林发动才几受热顶部的高温加热。
根据本热电联产系统，避免了燃烧废气热散失到外界大气中，也 因此更好地减少了排出热。
在上述热电联产系统中，优选第 一排气通道围绕斯特林发动机的 受热顶部的侧面，第二排气通道围绕在第一排气通道的外侧，而第 一热交换器围绕在第二排气通道的外侧。
在本热电联产系统中，由于第 一排气通道和第二排气通道被斯特 林发动机和第一热交换器包围，因此进一步地防止燃烧废气热从燃 烧器散失到外界大气中。
本热电联产系统可以包括第二热交换器，所述第二热交换器与第 二排气通道的下游端相连。
可以对第二排气通道排出的燃烧废气中存留的热能进行回收，也 因此进一步减少了排出热。
第二热交换器优选为潜热交换器，可以通过冷凝水蒸汽从燃烧废 气中吸收潜热。由于来自燃烧器的燃烧废气中包含大量水蒸汽，因此可以通过冷 凝这些大量的水蒸汽从燃烧废气中吸收潜热。若第二热交换器为潜 热交换器，则可以从已经通过第 一 热交换器降低了温度的燃烧废气 中进一步回收更多的热量，从而减少了排出热。
根据本发明，防止燃烧废气热散失到外界大气中使得排出热减 少，并由此显著提高了热电联产系统的能效。
图1示意性地表示了热电联产系统的结构；
图2为表示热燃烧装置的示意性结构的横截面图3为表示热燃烧装置的外部结构的立体图4为表示热燃烧装置的局部结构的立体图5为表示流经排气通道的燃烧废气的温度变化的图表。
附图中的参考标号 10:热电联产系统 20:热燃烧装置 24:燃烧器 26:第一热交换器 40:第二热交换器 70:斯特林发动机 A:第一排气通道 B:第二排气通道 C:第三排气通道 D:第四排气通道 E:第五排气通道
具体实施例方式
本发明的 一个实施例的主要特征特征1:热电联产系统包括一个自由活塞型的斯特林发动机。 特征2:该热电联产系统包括 一 个用于燃烧可燃气体的燃烧器。 特征3:该热电联产系统包括一个鼓风机，其从燃烧器中吸收燃 烧废气并将该气体排放到外界。
下面参照附图对本发明的优选实施例进行具体描述。 图1为表示根据本实施例的热电联产系统10结构的示意图。热 电联产系统10包括斯特林发动机70和热燃烧装置20。斯特林发动 机70装备有柱状(更确地说是圆柱状)的受热顶部94a和94b,以 及冷却器96。考虑到斯特林发动机70在工作状态下产生振动，斯特 林发动机70由热电联产系统IO的机架(未示出)的弹性构件支撑。 而热燃烧装置20固定在该机架上。因此热燃烧装置20和斯特林发 动机70没有互相固定，这样可以确保即使斯特林发动机70在工作 中发生振动，斯特林发动机70的振动也不会传给热燃烧装置20。
热燃烧装置20包括燃烧器24，其用于燃烧可燃气体以加热斯特 林发动才几的受热顶部94a和94b。此外，热燃烧装置20还包括热交 换器26和40，其用于回收在对斯特林发动机加热时产生的热。当受 热顶部94a和94b由热燃烧装置20加热并且同时,皮冷却器96冷却 时，斯特林发动才几70即被驱动，由此将生成的交流电供给外部电力 机械或设备。该热电联产系统10是一个热力和电力的联合供应系统， 其中燃烧可燃气体以便供应电力和热能。
参照图1描述了斯特林发动机70的结构。斯特林发动机70,即 所谓的贝塔(beta)型斯特林发动机，包括柱状外形的外壳94、安 装在外壳94内部工作空间100和102内的排换活塞78、和在外壳 94内朝向工作空间100的输出活塞80。在图中，所述斯特林发动机 70的受热顶部94a和94b位于外壳94的上端。
排换活塞78被收容在设置于工作空间100和102内的气缸104 中，并且由固定在外壳94上的轴72可移动地支撑。排换活塞78通 过两个弹簧构件76与轴72相连，因此允许排换活塞78以预定频率 (特征频率)沿气缸104的内表面104a往复运动。排换活塞78的特征频率可以通过两个弹簧构件76的弹性系数进行调节。关于这一 点，各个弹簧构件76可以选用板簧或类似物。另一方面，轴72通 过其上形成有多孔79a的固定板79固定在外壳94上。
工作空间100和102中充满工作介质氦气。就工作空间100和 102而言，图中位于排换活塞78上方的工作空间102是由热燃烧装 置20加热的受热部分工作空间。受热部分工作空间102位于受热顶 部94a和94b之间的内部区域。另一方面，图中位于排换活塞78下 方的工作空间IOO是由冷却器96冷却的冷却部分工作空间。受热部 分工作空间102和冷却部分工作空间100通过位于气缸104的外表 面104b与外壳94的内表面之间的空间相连，并且在该连接空间内 安装有一个回热器74。
在斯特林发动机70中，受热部分工作空间102内的氦气不断被 加热，而冷却部分工作空间100内的氦气不断^皮冷却，导致排换活 塞78在气缸104内往复运动。排换活塞78的往复运动造成受热部 分工作空间102与冷却部分工作空间之间的容量比发生改变。例如， 当排换活塞78移至受热部分工作空间102—侧时，受热部分工作空 间102减小，而冷却部分工作空间IOO相应地增大。此时，受热部 分工作空间内的氦气通过回热器74进入冷却部分工作空间100。相 反地，当排换活塞78移至冷却部分工作空间100—侧时，冷却部分 工作空间100变小，而受热部分工作空间102相应地增大。此时， 冷却部分工作空间100内的氦气通过回热器74进入受热部分工作空 间102。由于受热部分工作空间102与冷却部分工作空间100之间的 容量比变化引起高温氦气与低温氦气之间的比例变化，致使整个工 作空间100和102内的压力发生改变。整个工作空间100和102内 的压力变化作用在朝向空间100的输出活塞80上。
具有轴8 2的输出活塞8 0被支撑为可以沿图中的垂直方向以预定 频率(特征频率)往复运动，所述轴82通过弹簧构件84和92与外 壳94相连。该输出活塞80的特征频率可以通过弹簧构件84和92 的弹性系数进行改变。在本实施例中，将输出活塞80的特征频率调节为与排换活塞78的特征频率相等。
输出活塞80在上述整个工作空间100和102内产生的压力变化 的迫使下往复运动。这时，输出活塞80的频率与排换活塞78的频 率相匹配。由于输出活塞80和排换活塞78的特征频率设置成等值， 避免了输出活塞80或排换活塞78产生无益的阻尼。
如图l所示，在输出活塞80的轴82上设有多个磁铁86。此外， 在外壳94 一侧，铁芯88和线圏90设置在朝向所述多个磁铁86的 位置上。在斯特林发动机70中，用一组磁铁86、铁芯88、线圈90 和其他组件构成一个发电机，从而通过输出活塞80的往复运动产生 交流电。这里，产生的交流电的频率等于输出活塞80往复运动的频 率。因此，可以通过改变排换活塞78或输出活塞80的特征频率以 调节产生的交流电源的频率。
下面对热燃烧装置20进行描述。图2是表示热燃烧装置20的示 意性结构的横截面图，图3是示出了热燃烧装置20外观的立体图。
如图2和图3所示，热燃烧装置20包括顶板22和与顶板22相 连的燃烧器24。燃烧器24朝向斯特林发动机70的受热顶部的端面 94a。从供气端口 25将由可燃气体和空气混合而成的空气燃料混合 物供入燃烧器24。燃烧器24燃烧所述可燃气体以加热斯特林发动机 70的受热顶部的端面94a和受热顶部的侧面94b。随后，燃烧器将 受热顶部的端面94a力o热到约650°C,而将受热顶部的侧面94b力口热 到约600 °C。
图4是除去顶板22和其他构件的热燃烧装置20的立体图。如图 2和图4所示，热燃烧装置20包括与顶板22相连的圆筒状隔壁构件 32。该隔壁构件32沿着斯特林发动机70的受热顶部的侧面94b延 伸。在斯特林发动机70的受热顶部的侧面94b与隔壁构件32的内 表面32a之间设有间隙，形成第一排气通道A,在该排气通道中沿 着斯特林发动机70受热顶部的侧面94b输导来自燃烧器24的燃烧 废气。所述第一排气通道A从斯特林发动机70的受热顶部的端面 94a起沿着斯特林发动机70的受热顶部的侧面94b延伸。第一排气通道A由大致为圆柱状的空间构成，乂人而围绕受热顶部的侧面94b。 在热燃烧装置20中，当从燃烧器24排出的燃烧废气流过第一排 气通道A时，斯特林发动机70由燃烧废气的热加热。以这种方式， 维持斯特林发动机70的输出。
如图2、图3和图4所示，热燃烧装置20包括第一热交换器26。 该热交换器26包括圓筒状的传热构件30和沿该传热构件30的外表 面30b设置的传热管28。所述传热构件30设置成围绕隔壁构件32 的外表面32b,并且传热构件30的内表面30a朝向隔壁构件32的外 表面32b。在隔壁构件32的外表面32b与传热构件30的内表面30a 之间设有间隙，形成第二排气通道B。在传热构件30的内表面30a 上设有大量的狭槽，以使传热构件30与第二排气通道B的交界面积 更大。
第二排气通道B与第一排气通道A相通。第二排气通道B以与 斯特林发动机70相对的方式设置在第 一排气通道A的侧方，并且沿 第 一 排气通道A延伸。从第 一 排气通道A流出的燃烧废气改变方向 并流入第二排气通道B。由基本为圆筒形的空间形成的第二排气通 道B从隔壁构件32外侧围绕第 一排气通道A。
在图中，界定第一排气通道A和第二排气通道B之间的连接区 域的板件31与传热构件30的下端相连。板件31固定在传热构件30 上，并且从传热构件30起朝向斯特林发动机70的受热顶部的侧面 94b延伸。；板件31可以由具有高导热性的金属构成，例如，铜。板 件31由流经传热管28的热载体冷却，此时板件31作为传热构件30 的一部分。
如上所述，热燃烧装置20和斯特林发动机70没有相互固定。因 此，板件31没有固定在斯特林发动机70的任何部件上，这样使得 ^!件31可以相对受热顶部的侧面94b滑动。因为才反件31与受热顶 部的侧面94b之间的空隙不完全密封，所以燃烧废气可以从板件31 与受热顶部的侧面94b之间的空隙少量漏出。
如图2所示，在板件31与斯特林发动机70的冷却器96之间设有橡胶制成的作为弹性构件的套管27。该套管27与板件31和斯特 林发动机70—起形成一个与大气隔绝的空间29。以这种形式，从板 件31与受热顶部的侧面94b之间的缝隙漏出的燃烧废气被保持在空 间29中，从而防止了燃烧废气被释放到大气中。
由于空间29邻接板件31,所以空间29的温度上升得到抑制。 这样，即使燃烧废气流入空间29,空间29也可以免受高温，随之也 可以防止由于燃烧废气的热量而使套管27裂开。换句话说，从板件 31与受热顶部的侧面94b之间的缝隙漏出的燃烧废气热也得以回 收。另外，不会出现高温燃烧废气从裂开的套管27喷射到外界大气 中的问题。
在热燃烧装置20中，当从燃烧器24排出的燃烧废气流经第二排 气通道B时，燃烧废气热被第一热交换器26回收。由于第一热交换 器26的传热构件30朝向第二排气通道B的面积很大，因此可以从 燃烧废气中回收较多的热量。
在热燃烧装置20中，将第一排气通道A设置成围绕着斯特林发 动机70的受热顶部的侧面94b,而第二排气通道B从外侧围绕第一 排气通道A,并且第一热交换器26从外侧围绕第二排气通道B。以 这种方式，避免了燃烧器24产生的燃烧热散失到外界大气中，这样 可以将更多的热量用于加热斯特林发动机，或者可以通过第一热交 换器回收更多的热量。
第二排气通道B将第一排气通道A与第一热交换器26隔离开 来。该隔离防止第 一 热交换器2 6从流经第 一 排气通道A的燃烧废气 中回收热量。第一排气通道A维持在比第二排气通道B高的温度， 从而使斯特林发动才几70的受热顶部94a和94b可以被加热到更高的 温度。
如图2和图3所示，热燃烧装置20包括第二热交换器40，所述 第二热交换器40通过排气管38与第二排气通道B相连。来自燃烧 器24的燃烧废气经排气管38 (第三排气通道C )从第二排气通道B 导入第二热交换器40。在第二热交换器40的内部区域40a中设有传热管42。将热载体，例如水从传热管42的入口端42a供入传热管 42,该热载体随后从排出端42b排出。
当燃烧废气流经第二热交换器40的内部区域(第四排气通道D) 40a时，第二热交换器40将燃烧废气中的热量回收到传热管42内的 热载体中。在回收过程中，第二热交换器40冷凝燃烧废气中含有的
水蒸汽以吸收潜热。在第二热交换器40内的整个传热管42中循环 的热载体被从燃烧废气中回收的热量加热。随后，将热载体供应给
外部装置，如空调设备或类似装置。
如图2和图3所示，热燃烧装置20包括鼓风才几44,该鼓风机44 从燃烧器24中吸收燃烧废气并将燃烧废气排放到外界。所述鼓风机 44包括风扇46和驱动风扇46旋转的电机48。该鼓风机44与第二 热交换器40的下游端相连。当鼓风机44驱动风扇46旋转时，来自 燃烧器24的燃烧废气随即被吸入第一排气通道A、第二排气通道B、 第三排气通道C、第四排气通道D和第五排气通道E (在鼓风机44 中)，并随后从排出端50排出。
通过鼓风机44从排气通道A至E的下游端吸收燃烧废气，使得 排气通道A至E的内部维持在相对大气压力为负压的状态。结果是， 例如在套管27发生断裂的情况下，由于大气从裂开的套管27上的 缺口进入排气通道A至E,就避免了高温燃烧废气从裂开的套管27 喷射到空气中或类似情况的发生。
图5以图表示出了燃烧器24产生的燃烧废气从第一排气通道A 依次流至第五排气通道E,并随后从排出端50排出时的温度降低过 程。图5中的参考字母A表示第一排气通道A的区域，图5中的参 考字母B表示第二排气通道B的区域，图5中的参考字母C表示第 三排气通道C的区域，图5中的参考字母D表示第四排气通道D的 区域，图5中的参考字母E表示第五排气通道E的区域。如图5所 示，在第一排气通道A的区域内，燃烧废气热用于加热斯特林发动 机70,因此燃烧废气的温度下降。在第二排气通道B的区域内，燃 烧废气热被第一热交换器26回收，因此燃烧废气的温度下降。在第四排气通道D的区域内，燃烧废气热被第二热交换器40回收，因此 燃烧废气的温度下降。这里，在第四排气通道D区域内，燃烧废气 中包含的水蒸汽被冷凝，以此从燃烧废气中吸收潜热。因此，与其 他区域相比，从第四排气通道D内的燃烧废气中回收的热量大于燃 烧废气温度降低的量。在燃烧废气从排出端50排出的最后阶段中， 燃烧废气的温度降低到近似室温值。在热电联产系统10中，由于充 分地减少了排出热，能效得到了显著的提高。
已经在上述实施例中对使用自由活塞型斯特林发动机的示例作 出了具体描述，然而其中公开的技术可以应用于任何形式或类型的 斯特林发动才几。
上述为本发明的具体实施例，但是该实施例仅说明了本发明的几 种可能性，而并不限制其权利要求。在权利要求中写明的技术，包 括对上述具体实施例所作的变化和修改。
此外，本说明书或附图中公开的技术要素可以单独使用或者以所 有类型的组合的方式使用，并且不限于提交申请时权利要求中所述 的组合方式。而且，本说明书或附图中公开的技术可以用于同时实 现多个发明目的或仅实现发明目的之一。
权利要求
1.一种热电联产系统，包括斯特林发动机，其具有柱状的受热顶部；燃烧器，其朝向斯特林发动机的受热顶部的端面；第一排气通道，其沿着斯特林发动机受热顶部的侧面延伸；第二排气通道，其延续第一排气通道，并且以与斯特林发动机相对的方式沿第一排气通道侧方延伸；和第一热交换器，其以与斯特林发动机相对的方式设置在第二排气通道的侧方。
2. 如权利要求1所述的热电联产系统，其特征在于，所述第 一 排气通道围绕着斯特林发动机的受热顶部的侧面；所述第二排气通道围绕在第一排气通道的外侧；所述第 一 热交换器围绕在第二排气通道的外侧。
3. 如权利要求2所述的热电联产系统，其特征在于， 还包括第二热交换器，其与第二排气通道的下游端相连。
4. 如权利要求3所述的热电联产系统，其特征在于，所述第二热交换器为潜热交换器，其可以通过冷凝燃烧废气中包 含的水蒸汽从燃烧废气中吸收潜热。
5. 如权利要求1所述的热电联产系统，其特征在于， 还包括第二热交换器，其与第二排气通道的下游端相连。
6. 如权利要求5的所述的热电联产系统，其特征在于，所述第二热交换器为潜热交换器，其可以通过冷凝燃烧废气中包含的水蒸汽从燃烧废气中吸收潜热。
全文摘要
热电联产系统，优选包括斯特林发动机，其具有柱状的受热顶部；燃烧器，其朝向斯特林发动机的受热顶部的端面；第一排气通道，其沿着斯特林发动机受热顶部的侧面延伸；第二排气通道，其延续第一排气通道，并且以与斯特林发动机相对的方式沿第一排气通道侧方延伸；和第一热交换器，其以与斯特林发动机相对的方式设置在第二排气通道的侧方。该热电联产系统可以从燃烧废气中回收更多的热。
文档编号F02G5/04GK101292082SQ20068003874
公开日2008年10月22日 申请日期2006年10月17日 优先权日2005年10月18日
发明者河村初彦, 神野秀幸 申请人:林内株式会社