CN100370195C - 热电联产*** - Google Patents

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CN100370195C CNB2005100083414A CN200510008341A CN100370195C CN 100370195 C CN100370195 C CN 100370195C CN B2005100083414 A CNB2005100083414 A CN B2005100083414A CN 200510008341 A CN200510008341 A CN 200510008341A CN 100370195 C CN100370195 C CN 100370195C
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Abstract

一种热电联产***，包括：一发动机(50)，其驱动一发电机(52)发电；一制冷/制热单元(60)，包括至少一压缩机(61)、一四通阀(62)、一室外热交换器(63)、一膨胀装置(64)和一室内热交换器(65)，以建立一种热泵式制冷剂的循环；一预热供给装置，将冷却该发动机(50)的冷却水的热量和该发动机(50)排出的废气的热量供给到该室外热交换器(63)，以预热流经该室外热交换器(63)的空气；和一制冷剂过热装置，将从该发动机(50)排出的废气的热量供给到该制冷/制热单元(60)的该室内热交换器(65)的一入口。根据该热电联产***，可以最大化发动机的废热利用，并且达到加强制热性能的效果。

Description

热电联产***
技术领域
本发明涉及一种热电联产***，其中从发动机产生的电能和废热均能被利用。并且，具体而言涉及一种将发动机产生的废热供给一室外热交换器和一室内热交换器的热电联产***以获得制热性能的提升。
背景技术
通常，热电联产***适用于从单一能源既产生电能而又产生热能。
这种热电联产***能够回收在发电工作过程中从发动机或涡轮机产生的冷却水的废热或废气的热能，以使该热电联产***能够比其它***增加70％～80％的效能。由于具备这样的优点，该热电联产***目前广泛作为建筑物的电供应源和热供应源。具体而言，热电联产***显示出高效的能源利用，其中回收的废热主要被用来对一限定的空间制热/制冷以及加热水。
图1为显示了在制热/制冷装置中使用的传统的热电联产***的结构示意图。
如图1所示，这种传统的热电联产***包括一燃气发动机1，和一发电机3，该发电机3被该燃气发动机1输出的驱动力驱动以产生电能。从发电机3产生的电应用于多种设备中，包括一制冷/制热单元20，照明设备，以及其它电气产品。
在该热电联产***中，从燃气发动机1产生的废热，即当冷却水冷却燃气发动机1时产生的冷却水的热量，及从燃气发动机1产生的废气的热量，在制冷/制热单元20的制热操作过程中被利用。
在此，该制冷/制热单元20为一种热泵式的，以使该制冷/制热单元20不仅仅被用作一种制冷单元，而且在制冷剂回路中制冷剂反向流动时可以被用作一种制热单元。因为在普通的热泵式结构中，该制冷/制热单元20包括一压缩机21，一四通阀23，一室外热交换器25，一室外鼓风机26，一膨胀装置27，以及一室内热交换器29。
特别是，一空气预热热交换器30安装在室外热交换器25的一侧以在该制冷/制热单元20的制热操作过程中，利用燃气发动机1的废热对流过室外热交换器25的空气预热。
为了将废热供给该制冷/制热单元20，该热电联产***还包括一冷却水热交换器5以回收冷却燃气发动机1的冷却水的热量，以及设置在一排气管7的废气热交换器9以回收废气的热量。
该冷却水热交换器5和废气热交换器9通过热传输线11连接至制冷/制热单元20的空气预热热交换器30，在该热传输线11中有热传递介质流动，这样在制冷/制热单元20的制热操作过程中将废热供给空气预热热交换器30。于是，该热电联产***回收发动机的热量和废气的热量，利用回收到的热量通过空气预热热交换器30预热室外空气，并且使被预热的空气与室外热交换器25进行热交换。从而避免了当室外的空气温度较低时可能发生的制冷/制热单元20的加热性能的降低。
当制冷/制热单元20在制冷模式下工作时，由于无需提供废热，热传递介质的流动路径变为与和热传输线11连接的散热线13相联通。这样，废热通过一散热器17向大气释放，该散热器17包括一热交换器15和一散热片16，或者该废热供给至且使用在热水器，热水供应***，或其它***中。
在图1中，附图标记P指代泵，每一个泵用来使热传递介质流经热传输线11的相关部分。附图标记V指代阀，每一个阀用来在热传输线11和散热路线13之间切换热传递介质的流动路径。
然而，由于从燃气发动机1产生的废热仅仅通过空气预热热交换器30被用来预热室外热交换器25，这种传统的热电联产***在制热操作过程中限制了制热效果的加强。
发明内容
鉴于上述问题创作了本发明，本发明的一个目的是提供一种热电联产***，其在制热操作过程中，利用发动机冷却水的热量和主要的(primary)废气热量来预热室外热交换器，而发动机的次要的(secondary)废气热量用于加热进入室内热交换器的制冷剂，由此增强了制热的性能。
一方面，本发明提供一种热电联产***，包括：一发动机，驱动一发电机发电；一制冷/制热单元，包括至少一压缩机、一四通阀、一室外热交换器、一膨胀装置和一室内热交换器，以建立一种热泵式制冷剂的循环，该压缩机由该发电机提供的电能驱动；预热供给装置，其在该制冷/制热单元的制热操作模式下，将冷却该发动机的冷却水的热量和从该发动机排出的废气的热量供给到该室外热交换器，以预热经过该室外热交换器的空气；和制冷剂过热装置，其在该制冷/制热单元的制热操作模式下，将从该发动机排出的废气的热量供给到该室内热交换器的一入口。
该预热供给装置包括一第一废气热交换器，以从该发动机的废气中回收温度相对较高的热量。该制冷剂过热装置包括一第二废气热交换器，以从该发动机的废气中回收温度相对较低的热量；该第二废气热交换器设置在该第一废气热交换器的下游。
该预热供给装置包括：一冷却水热交换器，以回收该发动机的冷却水的热量；一第一废气热交换器，以回收从该发动机排出的废气的热量；一预热热交换器，以预热该室外热交换器；和一热传送管线，其连接该冷却水热交换器、该第一废气热交换器和该预热热交换器，以引导热传送介质流经该冷却水热交换器、该第一废气热交换器和该预热热交换器。
一温度传感器安装在该热传送管线上，以感测该热传送介质的温度。
热电联产***还包括：散热装置，设置在该热传送管线上，以便在该制冷/制热单元的制冷操作模式下，发散从该冷却水热交换器和该第一废气热交换器传送的热量。
该热电联产***还包括：一外部热交换器，连接到该热传送管线，以便在该制冷/制热单元的制冷操作模式下，接收从该冷却水热交换器和该第一废气热交换器传送的热量，并由此为一外部***提供热源。
该制冷剂过热装置包括：一加热管线，分支于该室内热交换器和该四通阀之间的制冷剂管线；一阀，在该制冷剂管线和该加热管线之间改变制冷剂路径；和一第二废气热交换器，设置在第一废气热交换器的下游。该加热管线延伸穿过该第二废气热交换器，并且与该第二废气热交换器进行热交换。
在该加热管线上安装有一流速控制阀，以控制流经该加热管线的制冷剂的流速。
根据另一方面，提供了一种热电联产***，包括：一发动机，其驱动一发电机发电；一制冷/制热单元，包括至少一压缩机、一四通阀、一室外热交换器、一膨胀装置和一室内热交换器，以建立一种热泵式制冷剂的循环，该压缩机由该发电机提供的电能驱动；预热供给装置，其在该制冷/制热单元的制热操作模式下，将冷却该发动机的冷却水的热量和该发动机排出的废气的热量供给到该室外热交换器，由此预热通过该室外热交换器的空气，该预热供给装置包括：一冷却水热交换器，以回收该发动机的冷却水的热量；一第一废气热交换器，以回收从该发动机排出的废气的热量；一预热热交换器，预热该室外热交换器；和一热传送管线，其连接该冷却水热交换器、该第一废气热交换器和该预热热交换器，以引导热传送介质流经冷却水热交换器、该第一废气热交换器和该预热热交换器；和制冷剂过热装置，其在该制冷/制热单元的制热操作模式下，将从该发动机排出的废气的热量供给到该室内热交换器的一入口，该制冷剂过热装置包括：一加热管线，分支于该室内热交换器和该四通阀之间的制冷剂管线；一阀，在该制冷剂管线和该加热管线之间改变制冷剂的路径；和一第二废气热交换器，设置在该该第一废气热交换器的下游，该加热管线延伸穿过该第二废气热交换器，并且与该第二废气热交换器进行热交换。
根据另一方面，本发明提供了一种热电联产***，包括：一发动机，其驱动一发电机发电；一制冷/制热单元，包括至少一压缩机、一四通阀、一室外热交换器、一膨胀装置和一室内热交换器，以建立一种热泵式制冷剂的循环，该压缩机由该发电机提供的电能驱动；预热供给装置，通过一第一废气热交换装置回收从该发动机排出的相对较高温度的废气的热量，由此预热通过该室外热交换器的空气；和制冷剂过热装置，通过一第二废气热交换装置回收从该发动机排出的相对较低温度的废气的热量，并从回收到的废热供给到该制冷/制热单元的室内热交换器的一入口。
在本发明的热电联产***中，在制热操作过程中，利用发动机冷却水的热量和主要的废气热量来预热室外热交换器，而发动机的次要的废气热量用于加热进入室内热交换器的制冷剂。因此，可以最大化发动机废热的利用，并由此增强了制热的性能。
附图说明
附图说明
本发明上述的目的、其它的特征及优点参考附图在阅读以下详细的描述后变得更清楚，其中：
图1为示出了传统的热电联产***的结构示意图；
图2为示出了依照本发明一实施例的一种热电联产***的结构示意图；
和
图3为示出了依照本发明另一实施例的热电联产***的结构示意图，其中使用了多个制冷/制热单元。
具体实施方式
以下，将参考附图详细描述依照本发明的一种热电联产***的实施例。
图2为显示依照本发明一实施例的一种热电联产***的结构示意图。
如图2所示，该热电联产***包括：一种使用诸如天然气或石油气之类的矿物燃料运行的发动机50；一发电机52和一变换器(inverter)53，利用发动机50的驱动力发电；第一和第二废气热交换器75和76，设置在排气管54，用于回收发动机50的废气的热量；一冷却水热交换器72，用于回收发动机50的冷却水的热量，以及一散热交换器78，用于对冷却水进行散热。
该热电联产***还包括一制冷/制热单元60，该制冷/制热单元60使用一种利用从发动机50产生的废热的热泵式制冷剂循环。该制冷/制热单元60包括至少一个压缩机61、一四通阀62、一室外热交换器63、一膨胀阀64和一室内热交换器65，如同在通常的热泵式的制冷/制热单元中，该制冷/制热单元依照制冷/制热单元的制冷剂循环中的制冷剂流向的变化，既可以作为制冷单元也可以作为制热单元使用。
分别为压缩机61、室外热交换器63、和室内热交换器65提供的鼓风机(未显示)，由发电机52提供的电能驱动。
如上所述，该第一和第二废气热交换器75和76安装在排气管54，发动机50的废气从该排气管排出。相对于废气的流向，第一废气热交换器75位于第二废气热交换器76的上游，以回收相对较高温度的热量。这样，位于第一热交换器75下游的该第二废气热交换器76，回收相对较低温度的热量。
该废气热交换器75和76优选的设计为可以承受600mmAq或更低压力的废气。而且，该第一废气热交换器75必须设计为使排出的废气在130℃至150℃的温度范围内。这样，该第二废气热交换器76可以更有效地与经过第二废气热交换器76的制冷剂进行热交换，并且这样可以使排出的废气保持在100℃或更低的温度。
该热电联产***还包括一预热供给装置，以将冷却发动机50的冷却水的热量和发动机50排出的废气的热量供给室外热交换器63，并且由此将通过室外热交换器63的空气预热。冷却水热交换器72包括在该预热供给装置中。该冷却水热交换器72通过一冷却水管线71与发动机50相连以回收发动机50的冷却水的热量。主要回收发动机50排出的废气的热量的第一废气热交换器75同样包括在该预热供给装置中。该预热供给装置还包括：一预热热交换器74，以预热室外热交换器63；和热传送管线73，其与冷却水热交换器72、第一废气热交换器75、和预热热交换器74相连，以引导热传送介质通过交换器72、75和74。
一温度传感器T安装在热传送管线73上，以感应在第一废气热交换器75出口处的热传送介质的温度。
一散热装置同样安装在热传送管线73上，以辐射来自冷却水热交换器72和第一废气热交换器75传送的热量。该散热装置包括：一从热传送管线73分支出的散热管线77；阀77v，以在热传送管线73和散热管线77之间改变液流路径；和散热交换器78，该散热管线77延伸穿过其中，以进行散热。
一外部的热交换器83通过一外部管线81与热传送管线73连接，以接收从冷却水热交换器72和第一废气热交换器75传送的热量，并且由此将热源供给一外部***，来用于提供热水或其它目的。
依照本发明，该热电联产***还包括一制冷剂过热(over-heating)装置，用于将发动机50排出的废气的热量供给至制冷/制热单元60的室内热交换器65的入口。该制冷剂过热装置包括：一加热管线67，其从在室内热交换器65和四通阀62之间的制冷剂管线66分支出来；和阀67v，用于在制冷剂管线66和加热管线67之间改变制冷剂的路径。该制冷剂过热装置还包括安装在发动机50的排气管54的第二废气热交换器76。该加热管线67延伸穿过该第二废气热交换器76，并且与第二废气热交换器76进行热交换。
一流速控制阀68设置在加热管线67上，以控制流经第二废气热交换器76的制冷剂的流速。
在图2中，附图标记P代表泵，每一个泵用来使热传递介质流经一相关的管线。
尽管在图2中示出了多个室内热交换器65仅与一个压缩机61连接的设计，仍然可以使用多个压缩机61或多个室外热交换器63。并且尽管所示的该热电联产***包括一个发动机50和一个制冷/制热单元60，也可以使用如图3所示的多个的制冷/制热单元60A、60B和60C或多个发动机室。
当然，使用多个制冷/制热单元或多个发动机室时，它们通过分配器P1和P5串联或并联到制冷剂管线或热传送管线上。
同时，上述的热交换器依照特定的设计条件或特定的需求可以具有多种热传送构造，例如，在一种热传送构造中，通过一热导体进行热传送；或者在一热传送构造中，通过在热交换器中的流体进行热传送。
以下将描述依照本发明的热电联产***的工作过程。
由发动机50的驱动力产生的电能可以用来运行电消耗装置，例如制冷/制热单元60的压缩机61和各种控制器。
在制冷/制热单元60的制热操作过程中，制冷剂依次流经压缩机61、四通阀62、室内热交换器65、膨胀装置64、和室外热交换器63以执行制热操作。在这种情形下，发动机50的冷却水的热量和废气的热量通过冷却水热交换器72和第一废气热交换器75传送至预热热交换器74，使室外的热交换器63被预热。因此，可以避免在环境温度相对较低的条件下，作为蒸发器的室外热交换器63的热交换性能显著降低。于是，可以达到提高制热性能的效果。
同样，通过第二废气热交换器76被引入室内热交换器65的制冷剂，被第二废气热交换器加热。因此，可以提高对限定的空间加热的、作为冷凝器的室内热交换器65的制热效果。
当发生加热过载时，或所加热的量较小时，制冷剂的流速通过使用阀67v和流速控制阀68适当地控制。同样，通过由温度传感器T感测热传送介质的温度，并基于该感测到的温度，分别改变与散热交换器78和外部热交换器83相关的阀77v和阀81v的连通路径，来适当控制传送至预热热交换器74的热传送介质的温度。
同时，当需要加热水时，安装在外部管线81上的阀81v打开，以通过外部管线81将热量传送至外部热交换器83，由此，使外部热交换器81能够加热水。
在制冷/制热单元60的制冷工作过程中，制冷剂依次流经压缩机61、四通阀62、室外热交换器63、膨胀装置64、室内热交换器65、四通阀62、和压缩机61以执行制冷工作。
在这种情形下，从冷却水热交换器72和第一废气热交换器75传送至预热热交换器74的热量被切断。而且，发动机冷却水的热量和废气的热量通过散热交换器78和外部热交换器83被散出。改变阀67v的连通路径，以阻止制冷剂从在室内热交换器65和四通阀62之间的制冷剂管线66，流至与第二废气热交换器76连通的旁路管线67。
从以上描述中看出，在本发明的热电联产***中，发动机冷却水热量和主要的废气的热量在制热过程中被利用预热室外热交换器，并且发动机其余废气的热量被用于加热进入室内热交换器的制冷剂。因此，可以最大化发动机废热的利用，达到了提高制热性能的效果。
尽管为了说明目的公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员应当理解，可以在不脱离如所附的权利要求揭示的本发明的范围和实质的情况下，进行各种可能的修改、添加和替换。

Claims (10)

1.一种热电联产***，包括：
一发动机(50)，驱动一发电机(52)发电；
一制冷/制热单元(60)，包括至少一压缩机(61)、一四通阀(62)、一室外热交换器(63)、一膨胀装置(64)和一室内热交换器(65)，以建立一种热泵式制冷剂的循环，该压缩机(61)由该发电机(52)提供的电能驱动；
预热供给装置，其在该制冷/制热单元(60)的制热操作模式下，将冷却该发动机(50)的冷却水的热量和从该发动机(50)排出的废气的热量供给到该室外热交换器(63)，并由此预热经过该室外热交换器(63)的空气；和
制冷剂过热装置，其在该制冷/制热单元(60)的制热操作模式下，将从该发动机(50)排出的废气的热量供给到该室内热交换器(65)的一入口。
2.如权利要求1所述的热电联产***，其中：
该预热供给装置包括一第一废气热交换器(75)，以从该发动机(50)的废气中回收温度相对较高的热量；
该制冷剂过热装置包括一第二废气热交换器(76)，以从该发动机(50)的废气中回收温度相对较低的热量；该第二废气热交换器(76)设置在该第一废气热交换器(75)的下游。
3.如权利要求1所述的热电联产***，其中该预热供给装置包括：
一冷却水热交换器(72)，以回收该发动机(50)的冷却水的热量；
一第一废气热交换器(75)，以回收从该发动机(50)排出的废气的热量；
一预热热交换器(74)，以预热该室外热交换器(63)；和
一热传送管线(73)，其连接该冷却水热交换器(72)、该第一废气热交换器(75)和该预热热交换器(74)，以引导热传送介质流经该冷却水热交换器(72)、该第一废气热交换器(75)和该预热热交换器(74)。
4.如权利要求3所述的热电联产***，其中一温度传感器(T)安装在该热传送管线(73)上，以感测该热传送介质的温度。
5.如权利要求3所述的热电联产***还包括：
散热装置(77，78)，设置在该热传送管线(73)上，以便在该制冷/制热单元(60)的制冷操作模式下，发散从该冷却水热交换器(72)和该第一废气热交换器(75)传送的热量。
6.如权利要求5所述的热电联产***，其中该散热装置(77，78)包括：
一散热管线(77)，分支于该热传送管线(73)；
一阀，在该热传送管线(73)和该散热管线(77)之间改变液流路径；和
一散热热交换器(78)，该散热管线(77)延伸穿过该散热热交换器(78)，以进行散热。
7.如权利要求3所述的热电联产***，还包括：
一外部热交换器(83)，连接到该热传送管线(73)，以便在该制冷/制热单元(60)的制冷操作模式下，接收从该冷却水热交换器(72)和该第一废气热交换器(75)传送的热量，并由此为一外部***提供热源。
8.如权利要求1所述的热电联产***，其中该制冷剂过热装置包括：
一加热管线(67)，分支于该室内热交换器(65)和该四通阀(62)之间的制冷剂管线(66)；
一阀(67v)，在该制冷剂管线(66)和该加热管线(67)之间改变制冷剂路径；和
一第二废气热交换器(76)，设置在一第一废气热交换器(75)的下游，
其中该加热管线(67)延伸穿过该第二废气热交换器(76)，并且与该第二废气热交换器(76)进行热交换。
9.如权利要求8所述的热电联产***，其中在该加热管线(67)上安装有一流速控制阀(68)，以控制流经该加热管线(67)的制冷剂的流速。
10.一种热电联产***，包括：
一发动机(50)，其驱动一发电机(52)发电；
一制冷/制热单元(60)，包括至少一压缩机(61)、一四通阀(62)、一室外热交换器(63)、一膨胀装置(64)和一室内热交换器(65)，以建立一种热泵式制冷剂的循环，该压缩机(61)由该发电机(52)提供的电能驱动；
预热供给装置，其在该制冷/制热单元(60)的制热操作模式下，将冷却该发动机(50)的冷却水的热量和该发动机(50)排出的废气的热量供给到该室外热交换器(63)，由此预热通过该室外热交换器(63)的空气，该预热供给装置包括：一冷却水热交换器(72)，以回收该发动机(50)的冷却水的热量；一第一废气热交换器(75)，以回收从该发动机(50)排出的废气的热量；一预热热交换器(74)，预热该室外热交换器(63)；和一热传送管线(73)，其连接该冷却水热交换器(72)、该第一废气热交换器(75)和该预热热交换器(74)，以引导热传送介质流经该冷却水热交换器(72)、该第一废气热交换器(75)和该预热热交换器(74)；和
制冷剂过热装置，其在该制冷/制热单元(60)的制热操作模式下，将从该发动机(50)排出的废气的热量供给到该室内热交换器(65)的一入口，该制冷剂过热装置包括：一加热管线(67)，分支于该室内热交换器(65)和该四通阀(62)之间的制冷剂管线(66)；一阀(67v)，在该制冷剂管线(66)和该加热管线(67)之间改变制冷剂的路径；和一第二废气热交换器(76)，设置在该第一废气热交换器(75)的下游，该加热管线(67)延伸穿过该第二废气热交换器(76)，并且与该第二废气热交换器(76)进行热交换。
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