本發(fā)明涉及一種用于微型熱電聯供發(fā)電機的熱媒循環(huán)結構和熱水溫度控制方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于微型熱電聯供發(fā)電機的熱媒循環(huán)結構和熱水溫度控制方法，其中，回輸管熱交換器設置在直飲水管的一側，從而，通過該直飲水管引入的直飲水不可直接提供給熱水箱，而是在首先與熱媒回輸管中的熱媒進行熱交換之后提供。

背景技術：

近來，尋找替代能源的要求在增加，并由此，人們對從低溫廢氣或者循環(huán)的制冷劑中回收潛熱的技術越來越感興趣。

在這方面，斯特林發(fā)動機（stirling engine）用于將中低溫熱能轉換為軸功率（shaft power）（優(yōu)質能源）。斯特林發(fā)動機的優(yōu)點在于，由于參與朗肯循環(huán)（Ranking cycle）的其所有元件都集成在一個發(fā)動機上，并且使用諸如空氣的氣體作為工作流體，因此，其具有特別簡單的構造和工作方式。

此外，在使用朗肯循環(huán)的系統(tǒng)中，斯特林發(fā)動機具有最高的熱效。因此，在將中低溫熱能轉化為功時，就其相對簡單的結構和高能量轉換效率方面，與傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)系統(tǒng)相比，斯特林發(fā)動機是具有優(yōu)勢的。

如圖1所示，最近，微型熱電聯供（micro-CHP）發(fā)電機是一種能量生成系統(tǒng)，其能夠利用已經家用的斯特林發(fā)動機來產生電力和熱量。這種micro-CHP系統(tǒng)是一種家用供熱系統(tǒng)（boiler system），其包括斯特林發(fā)動機110和輔助鍋爐200，其中，斯特林發(fā)動機110產生電力而輔助鍋爐200產生用于加熱的熱水。

高溫熱媒經由包含在該輔助鍋爐200中的顯熱交換器210和潛熱交換器220供應，與熱水箱300中的低溫水進行熱交換生成熱水，并由此通過該熱交換散熱而變?yōu)榈蜏責崦?。熱水存儲在該熱水箱中并隨后被用戶使用。通過在熱水箱300中執(zhí)行的熱交換而生成的低溫熱媒經熱媒回輸管130回輸到斯特林發(fā)動機，從而將該斯特林發(fā)動機110冷卻。穿過該斯特林發(fā)動機110之后，該低溫熱媒接下來再次通過該潛熱交換器220和顯熱交換器210，獲得來自該顯熱和潛熱交換器的熱量而變?yōu)楦邷責崦健＿@樣，熱媒循環(huán)往復進行這個熱交換循環(huán)。

在斯特林發(fā)動機110中，當加熱發(fā)動機缸蓋（未示出）時，發(fā)動機缸蓋中的工作流體（如氫氣或者氦氣）由于溫度的變化而膨脹和收縮，并由此產生交流電。如果被發(fā)動機燃燒器120加熱的發(fā)動機缸蓋的高溫部分與熱媒向其回輸的低溫部分之間的溫度差增加，則產生的電量也增加。

熱水箱300配置有溫度傳感器310，當該熱水箱中的熱水溫度降低到低于預定溫度時，溫度傳感器310打開micro-CHP，因此，熱水箱300通常能夠存儲50°C到60°C溫度范圍內的熱水。另外，當熱水消耗一定量時，則從外部通過直飲水管向該熱水箱提供與消耗的水量等量的水，從而熱水箱中的水得到補充。因此，該熱水箱中的水能夠保持在一個預定的水平。

但是，在用戶消耗熱水箱中的熱水時，斯特林發(fā)動機工作并將熱水箱300中的水加熱到55到65°C的溫度范圍內。這時，通過熱媒回輸管130回輸到斯特林發(fā)動機的熱媒的溫度通?？赡軙_到60到70°的溫度范圍內。

在這種情況下，由于通過熱媒回輸管130回輸的熱媒使斯特林發(fā)動機110的低溫部分的溫度增加，帶來的問題是產生電量的降低。

此外，當回輸熱媒的溫度為60°C或更高時，斯特林發(fā)動機的工作部分地或者全部受到抑制，由此保護斯特林發(fā)動機免受由于回輸到斯特林發(fā)動機的高溫熱媒引起的熱沖擊。因此，根據斯特林發(fā)動機110的低溫部分的溫度，該斯特林發(fā)動機110反復停止和恢復工作，這可能會導致耐久性的惡化。因此，希望找到一種無故障工作的斯特林發(fā)動機是一個難題。

技術實現要素：

技術問題

因此，本發(fā)明一直注意了現有技術中存在的上述問題，并且，本發(fā)明的目的是提供一種用于微型熱電聯供（micro-CHP）發(fā)電機的熱媒循環(huán)結構，其中，在熱水箱中首先進行熱交換而經過散熱的熱媒，在回輸管熱交換器中與通過直飲水管引入的低溫直飲水進行熱交換，并之后通過熱媒回輸管回輸到斯特林發(fā)動機，因此，斯特林發(fā)動機低溫部分溫度的降低有助于保持高發(fā)電效率。

本發(fā)明的另一個目的是，提供一種用于micro-CHP發(fā)電機的熱水溫度控制方法，其中，通過設置在直飲水管一側的流量傳感器檢測熱水的使用。在這個方法中，規(guī)定第一預定溫度和第二預定溫度，分別在由于自然輻射而引起溫度降低的情況下和由于熱水使用而引起溫度降低的情況下，用作斯特林發(fā)動機的工作參考值。這個方法避免斯特林發(fā)動機由于其頻繁停止和恢復工作而引起的耐久性的惡化。

技術方案

為了實現上述目的，本發(fā)明提供一種用于微型熱電聯供（micro-CHP）發(fā)電機的熱媒循環(huán)結構，該結構包括：斯特林發(fā)動機，其利用通過發(fā)動機燃燒器加熱的發(fā)動機缸蓋的高溫和通過熱媒回輸管從熱水箱回輸的熱媒的低溫之間的溫度差來產生電力；顯熱交換器，設置在該斯特林發(fā)動機的一側；熱水箱，接收通過該斯特林發(fā)動機和該顯熱交換器加熱到高溫的熱媒，并然后通過熱媒供應管向其供應，并允許該高溫熱媒與存儲在其中的水進行熱交換；以及直飲水管，通過其將直飲水供應到該熱水箱，以補充存儲在熱水箱中的水，從而使熱水箱保持在一個預定水位，穿過回輸管熱交換器的直飲水與該熱媒回輸管中的熱媒進行熱交換。

該熱媒循環(huán)結構還可包括：潛熱交換器，設置在該斯特林發(fā)動機的一側，其中，該熱水箱接收由穿過該斯特林發(fā)動機、顯熱交換器和潛熱交換器而加熱的熱媒，并允許該熱媒與存儲在其中的水進行熱交換。

該熱媒循環(huán)結構還可包括：循環(huán)泵，設置在回輸管熱交換器和斯特林發(fā)動機之間，用于調節(jié)循環(huán)的和在該回輸管熱交換器中與該直飲水進行熱交換的熱媒的流量M，從而調節(jié)從該斯特林發(fā)動機供應的熱媒的溫度。

為了達到上述目的，根據另一方面，提供一種用于微型熱電聯供發(fā)電機的熱水溫度控制方法，該方法包括：在該微型熱電聯供發(fā)動機工作期間，利用流量傳感器檢測引入到熱水箱的直飲水的流量，確定熱水是否消耗；當確定熱水在消耗時，確定存儲在該熱水箱中的熱水的溫度T是否低于第二預定溫度B（該溫度是在由于熱水消耗而引起溫度降低的情況下，用于運轉斯特林發(fā)動機的預設參考溫度）；當確定熱水未被消耗時，確定存儲在該熱水箱中的熱水的溫度T是否低于第一預定溫度A（該溫度是在由于自然輻射而引起溫度降低的情況下，用于運轉斯特林發(fā)動機的預設參考溫度）；當確定熱水溫度T低于該第二預定溫度B或者第一預定溫度A時，運轉該斯特林發(fā)動機；通過利用循環(huán)泵調節(jié)熱媒的流量M來調節(jié)由斯特林發(fā)動機提供的熱媒的溫度；確定熱水溫度T是否低于第三預定溫度C，在此溫度，該斯特林發(fā)動機需要停止運轉；以及當確定熱水溫度T等于或者高于該第三溫度C時，停止運轉的斯特林發(fā)動機。

有益效果

根據本發(fā)明的一個實施方式，回輸到斯特林發(fā)動機的熱媒在回輸管熱交換器中與通過直飲水管引入的低溫直飲水進行熱交換，由此進行散熱并對斯特林發(fā)動機的低溫部分進行冷卻，這使高發(fā)電效率稱為可能。

此外，規(guī)定兩個溫度，分別在由于自然輻射而引起熱水變涼的情況下和由于熱水消耗而補充水的情況下，用作運轉斯特林發(fā)動機的參考值，這個可避免斯特林發(fā)動機由于其頻繁停止和恢復工作而引起的耐久性的惡化，并由此可能獲得希望的無故障工作的斯特林發(fā)動機。

附圖說明

圖1是根據相關技術的用于微型熱電聯供（micro-CHP）發(fā)電機的排氣結構和熱媒循環(huán)結構的示意圖；

圖2是根據本發(fā)明一個實施方式的用于微型熱電聯供（micro-CHP）發(fā)電機的排氣結構和熱媒循環(huán)結構的示意圖；

圖3是根據本發(fā)明該實施方式的輔助鍋爐主要部分的透視圖；

圖4是根據本發(fā)明該實施方式的輔助鍋爐排氣管的前視圖和截面圖的組合；

圖5是根據本發(fā)明一個實施方式的用于micro-CHP發(fā)電機的熱水溫度控制方法的流程圖。

100：外罩

110：斯特林發(fā)動機

120：發(fā)動機燃燒器

130：熱媒回輸管

140：直飲水管

150：回輸管熱交換器

160：熱媒供應管

170：循環(huán)泵

180：流量傳感器

200：輔助鍋爐

210：顯熱交換器

215：輔助燃燒器

220：潛熱交換器

230：殼

250：連接管

300：熱水箱

310：溫度傳感器。

具體實施方式

接下來將參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行說明。

如圖2至4所示，根據本發(fā)明一個實施方式的微型熱電聯供（micro-CHP）發(fā)電機包括外罩100、設置在外罩100中的斯特林發(fā)動機110，以及設置在斯特林發(fā)動機110上方的輔助鍋爐200。

輔助鍋爐200包括殼230、設置在殼230中的潛熱交換器220，以及設置在殼230上方的顯熱交換器210。

殼230的前面部分開口，前面的這個開口被蓋240覆蓋并密封，因此，形成一個用于釋放發(fā)動機廢氣的通道。

殼230在底部有一個孔（未示出），以及一個連接該孔的連接管250。連接管250還連接該斯特林發(fā)動機110的發(fā)動機缸蓋。連接管250引導由發(fā)動機燃燒器120燃燒而產生的廢氣并在加熱該斯特林發(fā)動機110之后釋放。連接管250設置有凸緣，因此其能夠容易地與殼230結合。

從連接管250的上端釋放的廢氣被引導流過該潛熱交換器220，并然后穿過該潛熱交換器220。之后，廢氣被引導向下流動，并最后釋放到該輔助鍋爐的外部。

斯特林發(fā)動機110由主鍋爐（未示出）操縱。當該斯特林發(fā)動機110的缸蓋（未示出）通過該主鍋爐的發(fā)動機燃燒器120加熱時，由于溫度的改變，斯特林發(fā)動機內的工作流體膨脹和收縮，由此產生交流電。

由該輔助鍋爐200的顯熱交換器210和潛熱交換器220加熱的、將要變?yōu)楦邷責崦降臒崦脚c存儲在熱水箱300中的水進行熱交換，由此通過該熱交換產生熱水并變?yōu)榈蜏責崦健?/p>

在這種情況下，根據本發(fā)明一個實施方式的用于micr-CHP發(fā)電機的熱媒循環(huán)結構，將在熱水箱300中進行過熱交換的熱媒回輸到該斯特林發(fā)動機110，以冷卻斯特林發(fā)動機110。在這點上，該低溫熱媒在回輸管熱交換器150中與通過直飲水管140引入的低溫直飲水進行熱交換之后，回輸到斯特林發(fā)動機110。接下來，穿過斯特林發(fā)動機110之后，該熱媒隨后再次穿過該潛熱交換器220和顯熱交換器210。熱媒以這種方式反復循環(huán)。

熱水箱300配置有溫度傳感器310，對存儲在熱水箱300中的水溫進行探測。當存儲在熱水箱中的熱水溫度低于預定溫度時，micro-CHP發(fā)電機開始工作，以正常產生50°C到60°C的熱水。當消耗的水少時，熱水處于介于50°C到60°C之間的平衡狀態(tài)。當熱水被消耗時，通過直飲水管140向該熱水箱供應與消耗的量相應的直飲水。因此，在熱水使用期間保持預定水位。

同時，直飲水并不通過該直飲水管140直接提供給熱水箱300。即，在該直飲水管140的一側設置有回輸管熱交換器150，從而，在供應到該熱水箱300之前，直飲水在該回輸管熱交換器150中首先與穿過該熱媒回輸管130的熱媒進行熱交換。

因此，通過在回輸管熱交換器150中與該熱媒進行的熱交換，提供給熱水箱300的水具有中等溫度。因此，將存儲在該熱水箱300中的熱水溫度控制在50°C到60°C的溫度范圍內變得更加容易。

通過熱媒回輸管130回輸到斯特林發(fā)動機110的熱媒，通過與由直飲水管140引入的水進行熱交換而進一步冷卻。因此，回輸的熱媒能夠更加有效地將斯特林發(fā)動機110的低溫部分進行冷卻，這帶來高的發(fā)電效率。

存儲在熱水箱300中的熱水需要保持在一個高的溫度。因此，通過熱媒供應管160供應到熱水箱300的熱媒的溫度需要達到65°C或者更高，其通常比熱水的期望溫度高5°C。但是，當通過熱媒回輸管130回輸的熱媒溫度比這個低時，以及熱媒流量高時，通過熱媒供應管160提供到熱水箱300的熱媒就很難保持一個充分的高溫。

具體地，斯特林發(fā)動機110能夠給熱媒的總熱量Q是恒定的，并且其與熱媒流量M和溫差dT的乘積成比例。當熱媒的溫度低且熱媒流量高時，提供給熱水箱300的熱媒溫度則很可能低于存儲在熱水箱300中的熱水的預設溫度。

在這種情況下，輔助鍋爐200需要同時工作，從而使存儲在熱水箱300中的水溫能夠達到預定溫度。但是，這可能帶來較低的能效。

為此，在回輸管熱交換器150和斯特林發(fā)動機110之間設置循環(huán)泵170，該循環(huán)泵170用于調節(jié)熱媒循環(huán)的流量。利用該循環(huán)泵170降低循環(huán)熱媒的流量，這可能會充分提高斯特林發(fā)動機110中存在的熱媒的溫度。

同時，雖然通過使用循環(huán)泵170將熱媒的流量控制到足夠低，但是，由于輔助鍋爐200的顯熱交換器和潛熱交換器帶走了熱媒，其通過與斯特林發(fā)動機110進行的熱交換而獲得相當大的熱量，這可避免供應到熱水箱300的熱媒突然過熱。因此，其可避免對熱水用戶帶來的不便。

流量傳感器180設置在直飲水管140上，檢測供應到熱水箱300的直飲水的流量。因此，其可通過使用流量傳感器180檢測直飲水的流量而檢測熱水的使用。當檢測到使用熱水時，設置在熱水箱300上的溫度傳感器（310）檢測存儲在熱水箱300中的熱水溫度。在這點上，當檢測到的溫度低于預定溫度時，斯特林發(fā)動機110工作，或者斯特林發(fā)動機110和輔助鍋爐220都工作。

關于這種情況，下面將對根據本發(fā)明一個實施方式的用于micro-CHP發(fā)電機的熱水溫度控制方法進行說明。

如圖5所示，為了確定在micro-CHP工作期間是否消耗熱水，用流量傳感器180檢測引入到熱水箱300的直飲水的流量（步驟180）。

第一預定溫度A是這樣的溫度，在由于自然輻射而引起熱水溫度T降低的情況下，低于這個溫度斯特林發(fā)動機110需要工作的溫度。

第二預定溫度B是這樣的溫度，在由于熱水消耗而向熱水箱供應低溫直飲水而引起熱水溫度T降低的情況下，低于這個溫度斯特林發(fā)動機110需要工作的溫度。為了向用戶提供預定穩(wěn)定溫度的熱水，第二預定溫度B可設置為比第一預定溫度A更高。

具體地，利用流量傳感器180可檢測熱水的消耗，可設置第一和第二預定溫度A和B，為了分別在由于自然輻射而引起熱水冷卻的情況下和由于熱水消耗而引起的熱水冷卻的情況下運轉斯特林發(fā)動機。對于用于自然輻射的第一預定溫度A，對于這種情況，用戶并不立即需要熱水。因此，在這種情況下，就能效來說，熱水并不必須保持在高溫。因此，第一預定溫度A相對比較低。

當流量傳感器180顯示熱水消耗時，確定存儲在熱水箱300中的熱水溫度T是否低于第二預定溫度B（步驟S12）。

相反，當流量傳感器180顯示沒有熱水消耗時，確定存儲在熱水箱300中的熱水溫度T是否低于第一預定溫度A（步驟S14）。

當在步驟S12中確定熱水溫度T低于第二預定溫度B時，或者在步驟S14中確定低于第一溫度A時，斯特林發(fā)動機110工作（步驟S20）。

在這種情況下，利用循環(huán)泵（170）控制熱媒的循環(huán)流量M，從而，由斯特林發(fā)動機110提供的熱媒溫度可能是高的（步驟S30）。

隨后，當熱水溫度T等于或高于斯特林發(fā)動機110在此溫度需要停止工作的第三預定溫度C時（步驟S40），則停止從步驟S20就已經開始工作的斯特林發(fā)動機110（步驟S50）。

第三預定溫度C可設置得足夠高溫，以避免斯特林發(fā)動機110的頻繁停止和恢復工作，從而避免斯特林發(fā)動機110的耐久性的惡化。

根據本發(fā)明的用于微型熱電聯供發(fā)電機的熱媒循環(huán)結構和熱水溫度控制方法的實施方式僅是為了示例的目的提供，本領域技術人員可以理解，各種選擇、改變和等效情況都是可能的。因此，可以理解，本發(fā)明并不僅限于說明書中詳細描寫的形式。因此，本發(fā)明的實際技術保護范圍應當在附后的權利要求書的基礎上限定。此外，本發(fā)明應當解釋為包括在由附后的權利要求書限定的精神和范圍內的所有選擇、改變、等效情況和替換情況。