CN203257561U - 一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，包括燃烧单元、斯特林发动机、电力单元、制冷单元、中心供暖单元、冷却水循环单元和自动控制单元。本实用新型避免了长距离传输过程中能量的损失，提高了供能效率，节约了能源，减少了用户的用能成本，改善了整个系统的安全性、经济性，减少了设备的维修时间；与常见的热电联产系统相比，本实用新型冷热电三联产技术增加了热量需求（用于吸收式制冷机供冷），这对于解决夏季热需求不足、提高系统的经济性，大有裨益，同时，通过引入蓄电器、热水箱和辅助燃烧器等手段，实现了热电比可调，使整个系统灵活多变，足以适应不同的使用环境。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种冷热电联产系统，特别涉及一种基于斯特林发动机的制冷、产热和发电的冷热电三联产系统。
背景技术
冷热电联产符合能源利用的“温度对口，梯级利用”原则，其显著地提高了终端能源利用效率，因此越来越受人们的重视。
因环境污染、交通和水源等诸多因素的制约，大型的电厂一般远离城市中心和负荷中心，只能以相对单一的方式满足用户的需求。然而用户不仅仅需要电能，还需要其他形式的能量，如供暖和空调需求等。但由于供热介质和制冷介质不宜远距离传输，因此中央电站不易实现冷热电联产。
以多种燃料为能源的斯特林发动机，在解决能源紧张、减少环境污染以及军事领域等方面都具有非常重要的意义。随着天然气的大量开发，尤其是管道天然气在城镇中的普及，为基于斯特林发动机的冷热电联产系统提供了充足、廉价的天然气原料。
基于斯特林发动机的冷热电联产系统，不仅具有分布式能量系统的特点，而且还具有较高的能源利用率、系统相对简单、余热容易回收、综合经济效益好等特点，非常适合在我国的开展与应用。然而，基于斯特林发动机的冷热电三联产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，在一定程度上限制了它的应用范围。已知技术中基于斯特发动机的热电联产的系统较多，对于家庭以及小型商业用户而言，热能一般通过产生热水的方式进行再利用。但当用户无热需求或热需求较小时，大多技术方案都采用在满足电力需求的同时将多余的燃烧废气热量进行排放，这样做极大地浪费了能源。
实用新型内容
针对上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单、高效节能、易维护的基于斯特林发动机的冷热电联产系统。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，包括燃烧单元、斯特林发动机、电力单元、制冷单元、供暖单元、冷却水循环单元和自动控制单元；
所述燃烧单元包括由燃气管道供气的第一燃烧器，所述第一燃烧器产生的高温烟气流入所述斯特林发动机的高温热端，再经烟气流路流入第二换热器进行换热后由鼓风机排放至外界大气；
所述电力单元包括与所述斯特林发动机的输出端相连接的发电机，以及与所述发电机电路连接的用于贮存电能的蓄电器；
所述冷却水循环单元包括连接自来水管的第二水箱，第二水箱中的冷却水通过冷却水管路输入斯特林发动机的低温冷端，继而经水泵输入第二换热器进行换热后经四通接头分别输入储热水箱、作为制冷单元的吸收式制冷机、作为供暖单元的供暖器，其中，吸收式制冷机、供暖器的冷却水于输出端汇合后经三通管再分别与储热水箱及第二水箱相连通，所述储热水箱还设置有溢流管道及热水出水管；
所述自动控制系统包括：设置在第二水箱输出管上的电动阀V-9、通过感测低温冷端冷却水出口温度控制电动阀V-9开度的温度传感器TIC3；分别设置在三通管与储热水箱及第二水箱之间的管路上的电动阀V-6、电动阀V-7，以及通过感测三通管处冷却水温度而控制电动阀V-6、电动阀V-7开闭的温度传感器TIC2。
进一步地，所述烟气流路与第二换热器之间还连接有用于将外界空气与烟气流路内的高温烟气进行换热并输送至第一燃烧器的第一换热器。
进一步地，所述燃烧单元还包括设置在第二换热器和四通接头之间的冷却水管路上的辅助燃烧器。
进一步地，所述的自动控制系统还包括通过感测辅助燃烧器出水端的水温控制辅助燃烧器开闭的温度传感器TIC1。
进一步地，所述的自动控制系统还包括设置在自来水管上的电动阀V-8，以及通过感测第二水箱内的冷却水水位高度控制电动阀V-8开闭的液位传感器LIC2。
进一步地，所述的自动控制系统还包括设置在四通接头与储热水箱之间的冷却水管路上的电动阀V-5，以及通过感测储热水箱内的冷却水水位高度控制电动阀V-5开闭的液位传感器LIC1。
进一步地，所述的第二换热器为烟气冷凝换热器。
进一步地，所述的蓄电器由一个蓄电池或一个以上的蓄电池并联或串联而成。
进一步地，所述的吸收式制冷机为溴化锂吸收式制冷机，所述的供暖器为地暖散热器或暖气片。
进一步地，所述的四通接头与吸收式换热器之间的冷却水管路上设置有截止阀V-2；所述的四通接头与供暖器之间的冷却水管路上设置有截止阀V-3；所述热水出水管上设置有截止阀V-4。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
（1）本实用新型系统因位于用户附近或负荷中心，避免了长距离传输过程中能量的损失，提高了供能效率，节约了能源，减少了用户的用能成本；
（2）本实用新型采用了能量“梯级利用”的机制，具有很高的能量利用率：高品位的能量用于发电，中品位的能量主要用于制冷或供暖并辅助提供生活热水，低品位的能量用于提供生活热水；同时通过阀门的控制，在保证生活热水最低储量的前提下，可选择性的提供电力、供暖和制冷中的一种或数种供能方式，显著地提高了终端能源效率；
（3）本实用新型通过自动监测通信系统的控制，改善了整个系统的安全性、经济性，减少了设备的维修时间；
（4）本实用新型通过利用电池储能系统，可提供高质量不间断的电能，该功能对于那些在健康、安全和经济等方面无法接受停电的企事业、商业和工业用户来说具有极佳的应用价值；并且由于电能被储存于电池中，所以本实用新型使得即使不存在热或者冷需求的情况下，斯特林发动机亦能以其最大电力输出工作；
（5）与常见的热电联产系统相比，本实用新型冷热电三联产技术增加了热量需求（用于吸收式制冷机供冷），这对于解决夏季热需求不足、提高系统的经济性，大有裨益。同时，通过引入蓄电器、热水箱和辅助燃烧器等手段，实现了热电比可调，使整个系统灵活多变，足以适应不同的使用环境。
附图说明
图1是根据本实用新型的一个实施例的冷热电联产系统构成示意图。
图中所示为：1燃气管道；2第一换热器；3第一燃烧器；4斯特林发动机；5发电机；6蓄电器；7第二换热器；8鼓风机；9辅助燃烧器；10吸收式制冷机；11供暖器；12储热水箱；13溢流管道；14热水出水管；15第二水箱；16自来水；17水泵；18烟气通道；19高温热端；20低温冷端；21三通管；22四通接头；V-1～V-4：截止阀；V-5～V-9：电动阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
需要说明的是，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
如图1所示，来自于燃气管道1中的天然气等气体燃料经截止阀V-1与经第一换热器2加热后的热空气一起进入第一燃烧器3中燃烧，产生的高温烟气进入斯特林发动机4的高温热端19对其进行加热。从斯特林发动机高温热端19流出的烟气经第一换热器2后进入第二换热器7，在其中已经过两次换热的烟气再将热量传给水流，最后换热的燃烧废气经鼓风机8吸收后排放至外界大气。
第二换热器7中的水流是由循环动力机构水泵17驱动的，该水流从第二换热器7流出后，进入一外部有辅助燃烧器9的管道，然后流经四通接头22。
水流在四通接头22处被分为三路：
A. 经过电动阀V-5后流至储热水箱12，储热水箱12中的热水可为日常生活所用，储热水箱12还包括一生活热水排出系统14及一溢流管道13；
B. 经过截止阀V-2后流入吸收式制冷机10，其与吸收式制冷机10的发生器换热后排出，该吸收式制冷机10为溴化锂吸收式制冷机。此处通过溴化锂吸收式制冷机可产生大量低温水，该低温水可用于空调设备；
C. 经过截止阀V-3后进入供暖单元，在所述的供暖单元中，热水以对流的形式将热量传给暖气片11，暖气片11通过自身的导热，将热量从内壁传到外壁，外壁以对流的方式加热空间的空气，同时以辐射的形式加热空间中包含的壁（墙体，家具，人体等），使房间升高到一定的温度。
其中A路设置一电动阀V-5，其通过接收传感器LIC1的信号，自动控制储热水箱12中生活热水的储量。液位传感器LIC1设置于储热水箱12中。具体操作为：当储热水箱12中的水位低于一规定值时，自动打开电动阀V-5，使热水进入储热水箱中，从而随时满足用户生活热水的需求；但当水位超过规定值后，自动关闭电动阀V-5。B路、C路中被冷却的水在三通管21处可选择性的排放至储热水箱12或第二水箱15中。该操作通过设置的温度传感器TIC2发出信号并由电动阀V-6和V-7自动控制。即当温度传感器TIC2检测到水温超过一设定值时，则关闭电动阀V-7，打开电动阀V-6，从而将较高温度的热水排放至储热水箱12中；否则，关闭电动阀V-6，打开电动阀V-7，将较低温度的热水排放至第二水箱15中。储热水箱12外壁设有保温材料，而第二水箱15无保温措施。
在第二水箱15处还设置了整个系统的冷却水补给装置，此处通过液位传感器LIC2来自动控制。具体操作为：当第二水箱15中水量少于一定值时，自动打开电动阀V-8，补充一定量的冷却水；当第二水箱15中的水量满足系统回路循环使用时，则关闭电动阀V-8。
从第二水箱15中流出的水被送至斯特林发动机4的低温冷端20，其与斯特林发动机4的低温冷端20换热后，经水泵17将该水送至第二换热器7中。在斯特林发动机4的低温冷端20冷却水出口处设置一温度传感器TIC3，该温度传感器将接收的信号传递给电动阀V-9，电动阀V-9位于第二水箱15和斯特林发动机4的低温冷端20之间的管道中。通过电动阀V-9的自动调节，使冷却水的温度不致过高，即当温度传感器TIC3监测到水温超过一规定值，不能满足冷却要求时，增大电动阀V-9的开度，使冷却剂流量增大，否则减小电动阀V-9的开度，从而保证斯特林发动机4的低温冷端20在一定的温度范围内工作。
在通常情况下，当用户的热需求或冷需求很大时，则打开辅助燃烧器9，将来自第二换热器7中的热水进一步加热。至此已经历三个加热阶段的热水进入四通接头22并被分为三路，即用于提供生活热水的A路、用于提供冷量的B路和用于中心供暖的C路。根据能量需求分别调节截止阀V-2和截止阀V-3的开度，可分别得到溴化锂吸收式制冷机所需热量和供暖系统所需热量；当用户的热需求或冷需求不大时，经第二换热器7的热水的热量足以满足用户需求时，则关闭辅助燃烧器9。辅助燃烧器9的开启或关闭通过温度传感器TIC1自动控制，温度传感器TIC1亦是温控元件，其设置于四通接头22处，即当流入四通接头22的水温低于一阀值时，自动开启辅助燃烧器9加热水流。
斯特林发动机4的高温热端19被来自第一燃烧器3的高温烟气加热，并且其低温冷端20被从第二水箱15中流出的冷却水冷却，从而使斯特林发动机4启动做功，并通过传动机构带动发电机5工作，进而将电能存储于蓄电器6中。
应用上述实用新型，通过开启或者关闭相应的阀门，可方便的实现集成化的、多功能高效的冷热电联产系统工作状态的转换，从而使斯特林发动机冷热电联产系统始终保持在高效的状态下运行。其特征是包括以下几种典型的工作模式：
（1）夏季供冷工作模式：截止阀V-3关闭，截止阀V-2根据冷负荷情况调节其开度。冷量可通过空调等设备向用户供冷，换热后的热水流向三通管21处，并根据其温度由温度传感器TIC2决定其进入储热水箱12或者第二水箱15中。
（2）冬季供暖工作模式：截止阀V-2关闭，截止阀V-3根据热负荷情况调节其开度。热量可向用户供暖，换热后的热水根据其温度在三通管21处，由温度传感器TIC2决定其进入储热水箱12或者第二水箱15中。
（3）供热水工作模式：当用户不需要制冷和供暖但需要大量生活热水的情况下，关闭截止阀V-2和截止阀V-3，此时无热水通过电动阀V-6流入储热水箱12中。当储热水箱12水位低于最低水位时，通过液位传感器LIC1的控制，从四通接头22处流出的热水将通过电动阀V-5直接流入储热水箱12中。
另外，由于可任意组合阀门的开启与关闭，系统还可处于复合运行模式。例如，当用户不仅需要供冷还需要供暖时，可根据冷负荷和热负荷的情况同时调节截止阀V-2和截止阀V-3的开度，产生一定量的冷量和热量。
显然，附图中描述的位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：包括燃烧单元、斯特林发动机、电力单元、制冷单元、中心供暖单元、冷却水循环单元和自动控制单元；
所述燃烧单元包括由燃气管道(1)供气的第一燃烧器(3)，所述第一燃烧器(3)产生的高温烟气流入所述斯特林发动机(4)的高温热端(19)，再经烟气流路(18)流入第二换热器(7)进行换热后由鼓风机(8)排放至外界大气；
所述电力单元包括与所述斯特林发动机(4)的输出端相连接的发电机(5)，以及与所述发电机(5)电路连接的用于贮存电能的蓄电器(6)；
所述冷却水循环单元包括连接自来水管(16)的第二水箱(15)，第二水箱(15)中的冷却水通过冷却水管路输入斯特林发动机(4)的低温冷端(20)，继而经水泵(17)输入第二换热器(7)进行换热后经四通接头(22)分别输入储热水箱(12)、作为制冷单元的吸收式制冷机(10)、作为供暖单元的供暖器(11)，其中，吸收式制冷机(10)、供暖器(11)的冷却水于输出端汇合后经三通管(21)再分别与储热水箱(12)及第二水箱(15)相连通，所述储热水箱(12)还设置有溢流管道(13)及热水出水管(14)；
所述自动控制系统包括：设置在第二水箱(15)输出管上的电动阀V-9、通过感测低温冷端(20)冷却水出口温度控制电动阀V-9开度的温度传感器TIC3；分别设置在三通管(21)与储热水箱(12)及第二水箱(15)之间的管路上的电动阀V-6、电动阀V-7，以及通过感测三通管(21)处冷却水温度而控制电动阀V-6、电动阀V-7开闭的温度传感器TIC2。
2.根据权利要求1所述的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：所述烟气流路(18)与第二换热器(2)之间还连接有用于将外界空气与烟气流路(18)内的高温烟气进行换热并输送至第一燃烧器(3)的第一换热器(2)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：所述燃烧单元还包括设置在第二换热器(7)和四通接头(22)之间的冷却水管路上的辅助燃烧器(9)。
4.根据权利要求3所述的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：所述的自动控制系统还包括通过感测辅助燃烧器(9)出水端的水温控制辅助燃烧器(9)开闭的温度传感器TIC1。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：所述的自动控制系统还包括设置在自来水管(16)上的电动阀V-8，以及通过感测第二水箱(15)内的冷却水水位高度控制电动阀V-8开闭的液位传感器LIC2。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：所述的自动控制系统还包括设置在四通接头(22)与储热水箱(12)之间的冷却水管路上的电动阀V-5，以及通过感测储热水箱(12)内的冷却水水位高度控制电动阀V-5开闭的液位传感器LIC1。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：所述的第二换热器(7)为烟气冷凝换热器。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：所述的蓄电器(6)由一个蓄电池或一个以上的蓄电池并联或串联而成。
9.根据权利要求1或2所述的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：所述的吸收式制冷机(10)为溴化锂吸收式制冷机，所述的供暖器(11)为地暖散热器或暖气片。
10.根据权利要求1或2所述的一种基于斯特林发动机的冷热电联产系统，其特征在于：所述的四通接头(22)与吸收式换热器(10)之间的冷却水管路上设置有截止阀V-2；所述的四通接头(22)与供暖器(11)之间的冷却水管路上设置有截止阀V-3；所述热水出水管(14)上设置有截止阀V-4。
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