專利名稱：加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加熱裝置。具體地說，本發(fā)明涉及一種家用熱電聯(lián)產(chǎn)(DCHP)單元。
背景技術(shù)：
人們早已提出了這種DCHP單元，其裝有一個與交流發(fā)電機(jī)相連的斯特林(Stirling)發(fā)動機(jī)，以便進(jìn)行發(fā)電。發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的熱量通常用于對供應(yīng)給家庭用水系統(tǒng)和中央加熱系統(tǒng)的水進(jìn)行加熱，因此是DCHP系統(tǒng)的一種有價值的產(chǎn)物，否則就會被浪費(fèi)掉?？梢钥吹?，當(dāng)斯特林發(fā)動機(jī)/交流發(fā)電機(jī)的規(guī)模設(shè)定為可產(chǎn)生大約1KW的電能時，系統(tǒng)就可達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效果。但是，在此水平，只可產(chǎn)生大約5KW的熱量，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通常家用所需的20KW以上的熱負(fù)荷。

發(fā)明內(nèi)容
為了可供應(yīng)余下的熱量，以使DCHP單元可與目前所用規(guī)格的家用鍋爐進(jìn)行有效的競爭，需要一個輔助的氣體燃燒器。本發(fā)明的目的是提供一種可進(jìn)行有效熱工作的斯特林發(fā)動機(jī)和輔助燃燒器。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種家用熱電聯(lián)產(chǎn)組件，其包括一斯特林發(fā)動機(jī)和一水加熱器，其中，斯特林發(fā)動機(jī)布置成可由供有可燃?xì)怏w的第一燃燒器進(jìn)行加熱，該組件還包括一排氣管道，該排氣管道從斯特林發(fā)動機(jī)行進(jìn)并與進(jìn)入第一燃燒器的可燃?xì)怏w入口相接觸，以便對進(jìn)入第一燃燒器的可燃?xì)怏w進(jìn)行預(yù)熱，然后對由水加熱器進(jìn)行輔助加熱的水進(jìn)行加熱。
因此，排氣的熱量被初始地回收到進(jìn)入燃燒器的引入空氣/燃?xì)饣旌蠚怏w中，因此減少了需要進(jìn)行燃燒的燃料并提高了燃燒溫度，從而提高了傳遞給斯特林發(fā)動機(jī)的傳熱率并提高了系統(tǒng)的效率。然后，利用現(xiàn)已冷卻到一定程度的排氣對也被輔助水加熱器進(jìn)行加熱的水進(jìn)行加熱，從而降低了對輔助水加熱器的熱輸出量的需求。
如果系統(tǒng)布置成可在水加熱器的上游利用排氣對水進(jìn)行加熱，就可提高效率。
例如，輔助水加熱器可以是一電加熱器，但最好是一輔助燃燒器。
該系統(tǒng)優(yōu)選布置成，當(dāng)排氣和來自輔助燃燒器的氣體將熱量傳遞給水時，它們就形成混合流，且該混合流可對排氣上游的水進(jìn)行加熱。對于這種結(jié)構(gòu)，由于混合流的一些成分已將一些熱量傳遞給水，因此，水將從混合流接受相對較少的熱量。然后，水將直接從排氣和從輔助燃燒器接受相對較多的熱量。因此，這種結(jié)構(gòu)的熱效率較高。
該系統(tǒng)優(yōu)選地還包括一斯特林發(fā)動機(jī)冷卻器，以便在排氣加熱的上游對水進(jìn)行加熱。這不僅可促進(jìn)水的加熱效果，而且還有助于保持經(jīng)過斯特林發(fā)動機(jī)所需的溫度差。
另外，本發(fā)明提供一種用于操縱家用熱電聯(lián)產(chǎn)組件的方法，其包括從第一燃燒器向斯特林發(fā)動機(jī)供應(yīng)熱量，使來自流出斯特林發(fā)動機(jī)的排氣流與供給第一燃燒器的可燃?xì)怏w流進(jìn)行熱交換，然后使從第一燃燒器流過的排氣與水進(jìn)行熱交換，并且在水加熱器中對預(yù)熱的水進(jìn)行進(jìn)一步地加熱。
對斯特林發(fā)動機(jī)頂部進(jìn)行加熱的爐氣通常大約為1400℃。當(dāng)氣體在頂部周圍流動時，熱量被傳遞到加熱器頭部(heater head)，且氣體的溫度下降到大約800℃。氣體將熱量傳遞給進(jìn)入的燃料/空氣混合氣體。如果不再進(jìn)行熱回收，則流入到斯特林發(fā)動機(jī)煙道中的排氣的溫度通常大約為600℃。
本發(fā)明還涉及一種新型的可將熱量傳遞給水的加熱裝置。需要該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，并可以最大的效率將熱量從至少兩個氣流傳遞到水中。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于加熱流體的加熱裝置，該裝置包括一外殼；一位于外殼內(nèi)并朝向其外周邊且圍繞外殼的中心軸線螺旋卷繞的導(dǎo)管，以便將流體從外殼的第一端輸送到外殼的第二端；一位于外殼內(nèi)并靠近第二端的輔助燃燒器，所述導(dǎo)管包圍著該輔助燃燒器以便將熱量傳遞給導(dǎo)管的一第一部分中的流體；一用于來自外部熱源的熱氣的出口，該入口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可將熱氣沿徑向直接向外引導(dǎo)到比導(dǎo)管的第一部分更靠近外殼第一端的導(dǎo)管的第二部分上。
由于輔助燃燒器和外部熱源氣體入口都位于輸送流體的導(dǎo)管中，因此這種裝置結(jié)構(gòu)特別緊湊。另外，輔助燃燒器和入口布置成可將熱量傳遞給螺旋導(dǎo)管的不同部分。因此，該裝置具有較高的熱效率。
所述入口優(yōu)選地布置成基本上可防止來自輔助燃燒器的氣體與來自外部熱源的熱氣發(fā)生混合，至少直到它們都經(jīng)過螺旋卷繞的導(dǎo)管時為止。因此，在氣流到達(dá)導(dǎo)管之前，基本上可避免氣流發(fā)生混合，從而保證可更有效地進(jìn)行熱傳遞。
一旦排氣和來自外部熱源的熱氣經(jīng)過了螺旋卷繞的導(dǎo)管，它們就可簡單地分別地或作為混合氣流被排出。但優(yōu)選地，這兩個氣流在最初將一些熱量傳遞給導(dǎo)管后，就形成一混合氣流，且混合氣流經(jīng)過比導(dǎo)管的第二部分更靠近第一端的導(dǎo)管的第三部分。因此，螺旋卷繞導(dǎo)管中進(jìn)入外殼第一端的冷卻流體最初與該相對較冷的混合氣流相遇，并在被來自外部熱源的氣體和來自輔助燃燒器的氣體進(jìn)行加熱之前，被該氣流預(yù)熱。
盡管由于少量的混合對流體的整體加熱效果只有相對小的影響從而允許來自輔助燃燒器的氣體和來自外部熱源的熱氣發(fā)生一定的混合，但這種混合優(yōu)選地盡可能最小。因此，優(yōu)選地設(shè)置有密封件來防止來自輔助燃燒器的氣體與來自外部熱源的熱氣在導(dǎo)管徑向向內(nèi)發(fā)生混合。
為了使傳遞到導(dǎo)管的熱量最大，導(dǎo)管優(yōu)選地布置成使導(dǎo)管的每個螺旋圈在中心軸線的方向上是平的，從而在橫截面上使該螺旋圈的徑向尺寸超過其軸向尺寸。而且，最好，導(dǎo)管的相鄰螺旋圈相互靠近或相互鄰接。這就保證了熱氣不得不從導(dǎo)管的相鄰螺旋圈之間的一相對較長且較窄的通道通過，從而可有效地進(jìn)行熱傳遞。這種導(dǎo)管結(jié)構(gòu)參見WO94/16272。

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，其中
圖1是第一斯特林發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是第二斯特林發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是加熱裝置的截面圖；圖4是圖3所示裝置的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示裝置包括斯特林發(fā)動機(jī)1，燃燒器14向該斯特林發(fā)動機(jī)供應(yīng)熱量。熱量通過翅片系統(tǒng)3傳遞到頂部并經(jīng)煙道排出，翅片系統(tǒng)3在本申請人早先申請的未決專利申請No.0020012中有相應(yīng)的描述。
圖1所示裝置具有水加熱器15，水加熱器15布置成利用輔助燃燒器17對水流16進(jìn)行加熱。排氣經(jīng)煙道18排出。
第一燃燒器14和輔助燃燒器17設(shè)有共同的燃?xì)夤?yīng)通道19。燃?xì)饬魍ㄟ^一單個多功能閥20進(jìn)行控制。用于控制燃燒器點(diǎn)火和火焰檢測的燃燒器控制裝置可設(shè)置在多功能控制器中。多功能閥20中的燃?xì)膺M(jìn)入文丘里歧管21形式的混合腔，并與由風(fēng)扇驅(qū)動的空氣流22混合。
燃?xì)夂涂諝饣旌蠚怏w被供應(yīng)到分流閥23，在該分流閥中的一入口24通向第一燃燒器的出口25和第二燃燒器的出口26。每個出口的相對流量由可繞軸28轉(zhuǎn)動的瓣閥27控制。瓣閥27的位置由設(shè)備控制器進(jìn)行設(shè)定，并通過例如伺服電機(jī)被驅(qū)動到該位置?；蛘?，空氣流可在經(jīng)過一進(jìn)氣風(fēng)扇60之后由分流閥23分開，然后每個空氣流可結(jié)合一多功能閥/控制器，以便對供應(yīng)給每個燃燒器的混合氣體進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。圖2示出了這種結(jié)構(gòu)。
進(jìn)入斯特林發(fā)動機(jī)1的燃?xì)?空氣混合氣體在包圍所述燃燒器裝置的罩蓋29周圍流動，并因此而被離開燃燒器的熱氣流加熱。已經(jīng)將一些熱量傳遞給流入的混合氣體的排氣經(jīng)歧管30離開罩蓋，并進(jìn)入水加熱器15與水流16接觸(水流16已在斯特林發(fā)動機(jī)冷卻器31中已經(jīng)加熱到一定的程度)，從而進(jìn)一步對輔助燃燒器17上游側(cè)的水流16進(jìn)行預(yù)熱。如果需要，輔助燃燒器17被點(diǎn)火以對水流16進(jìn)行輔助加熱。來自第一燃燒器14的排氣與來自輔助燃燒器17的排氣一起經(jīng)煙道18離開水加熱器15。
圖3和4更為詳細(xì)地示出了加熱裝置，該加熱裝置包括輔助燃燒器17和水加熱器15。水加熱器15具有一大致為圓筒形的外殼39，外殼39具有主軸線40。輔助燃燒器17設(shè)置在軸線40上從而徑向向外進(jìn)行燃燒。
水從圖3的右側(cè)到左側(cè)經(jīng)水加熱器15圍繞水管41流向圓筒形外殼39的外周邊，水管41是圍繞軸線40卷繞的一單個螺旋管(其可由多個相互連接的部分構(gòu)成)。水管41的每個單獨(dú)的螺旋圈在軸向上是平的。相鄰螺旋圈相互緊密靠近，但不密封在一起，以便于熱氣可從相鄰的螺旋圈之間穿過。來自斯特林發(fā)動機(jī)的排氣的入口42伸向加熱器15的中部。該入口通向形成于兩個圓板44和45之間的圓形腔室43，圓板45具有用于入口42的開口。環(huán)形托架46橋接在板44、45的邊緣和水管41之間的間隙上，以保證所有的排氣從腔室43流經(jīng)水管41的螺旋圈。輔助燃燒腔室47從腔室43伸向第二端，輔助燃燒器17在輔助燃燒腔47中燃燒。輔助燃燒器加熱朝向第二端的相鄰螺旋圈。
排出腔48從腔室43伸向第一端并具有出口49。還設(shè)有一出口50，用于因最后一級的熱回收的高效特性而產(chǎn)生的冷凝。
水加熱器15以如下的方式進(jìn)行工作。水從第一端經(jīng)水管41圍繞螺旋路徑流向第二端。輔助燃燒器17在腔47中燃燒，且排氣流入入口42并進(jìn)入腔室43。這兩個熱氣流沿徑向通過水管41的相鄰螺旋圈之間的間隙，進(jìn)入外部環(huán)形腔室51并形成混合流。然后，該混合流如箭頭52所示經(jīng)水管41流回到第一端附近。因此，流入的水一開始就被該混合流加熱。當(dāng)流入的水進(jìn)一步流向第二端時，就遇到來自腔室43的斯特林發(fā)動機(jī)排氣并進(jìn)一步被加熱。最后，流入的水遇到來自輔助燃燒器17的熱氣，從而進(jìn)行第三級的加熱。
通過設(shè)置這種三級加熱結(jié)構(gòu)，就可有效地將水加熱。另外，從圖2中可看出，進(jìn)行這種三級加熱的結(jié)構(gòu)特別緊湊，因此成本低且節(jié)省空間。
權(quán)利要求
1.一種家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，其包括一斯特林發(fā)動機(jī)和一水加熱器，其中，斯特林發(fā)動機(jī)布置成可由供有可燃?xì)怏w的第一燃燒器進(jìn)行加熱，該組件還包括一排氣管道，該排氣管道從斯特林發(fā)動機(jī)行進(jìn)并與進(jìn)入第一燃燒器的可燃?xì)怏w的入口相接觸，以便對進(jìn)入第一燃燒器的可燃?xì)怏w進(jìn)行預(yù)熱，然后對由水加熱器進(jìn)行輔助加熱的水進(jìn)行加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)布置成在水加熱器的上游利用排氣對水進(jìn)行加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助水加熱器是一第二燃燒器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)這樣設(shè)置，以便一旦所述排氣和來自輔助燃燒器的氣體將熱量傳遞給水，所述排氣和來自輔助燃燒器的氣體就形成一混合流，且該混合流能夠在排氣上游對水進(jìn)行加熱。
5.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一斯特林發(fā)動機(jī)冷卻器，以便在排氣加熱的上游對水進(jìn)行加熱。
6.一種用于操縱家用熱電聯(lián)產(chǎn)組件的方法，其包括從第一燃燒器向斯特林發(fā)動機(jī)供應(yīng)熱量；使來自離開斯特林發(fā)動機(jī)的排氣流與供給第一燃燒器的可燃?xì)怏w流進(jìn)行熱交換；以及，然后從第一燃燒器流過的排氣與水進(jìn)行熱交換，并在水加熱器中對預(yù)熱的水進(jìn)行進(jìn)一步的加熱。
7.一種用于加熱流體的加熱裝置，該裝置包括一外殼；一位于外殼內(nèi)并朝向其外周邊且圍繞外殼的中心軸線螺旋卷繞的導(dǎo)管，以便將流體從外殼的第一端輸送到外殼的第二端；一位于外殼內(nèi)并靠近第二端的輔助燃燒器，所述導(dǎo)管包圍著該輔助燃燒器，以便將熱量傳遞給所述導(dǎo)管的一第一部分中的流體；一用于來自外部熱源的熱氣的入口，入口的被構(gòu)造成可將熱氣沿徑向向外引導(dǎo)到比導(dǎo)管的第一部分更靠近外殼第一端的導(dǎo)管的一第二部分上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述入口布置成基本上可防止來自輔助燃燒器的氣體與來自外部熱源的熱氣發(fā)生混合，至少直到它們都經(jīng)過螺旋卷繞的導(dǎo)管時為止。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，一旦所述這兩個氣流初始地將一些熱量傳遞給導(dǎo)管，它們就形成一混合氣流，且該混合氣流圍繞著比導(dǎo)管的第二部分更靠近第一端的導(dǎo)管的第三部分經(jīng)過。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，設(shè)置一密封件來防止來自輔助燃燒器的氣體與外部熱源的熱氣在導(dǎo)管徑向向內(nèi)發(fā)生混合。
11.根據(jù)權(quán)利要求7-10中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，導(dǎo)管的每個螺旋圈在中心軸線方向是平的，從而在橫截面上，其徑向尺寸大于其軸向尺寸。
12.根據(jù)權(quán)利要求7-11中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，導(dǎo)管的相鄰螺旋圈相互靠近或相互鄰接。
全文摘要
一種家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括斯特林發(fā)動機(jī)(1)和輔助燃燒器(17)形式的水加熱器。利用來自斯特林發(fā)動機(jī)的排氣對進(jìn)入斯特林發(fā)動機(jī)的可燃?xì)怏w進(jìn)行預(yù)熱，然后對水進(jìn)行加熱。水加熱器(15)具有通向外殼(39)周邊的螺旋水管(41)。通過來自斯特林發(fā)動機(jī)排氣和輔助燃燒器(17)的排氣對該水管的各個部分順序加熱，所述排氣沿徑向向外燃燒穿過螺旋水管。
文檔編號F24H1/10GK1555474SQ02817965
公開日2004年12月15日 申請日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月19日
發(fā)明者大衛(wèi)·安東尼·克拉克, 詹姆士·羅伯特·羅利, 希瑟·奧德瑞蒂, 羅伯特 羅利, 大衛(wèi) 安東尼 克拉克, 奧德瑞蒂 申請人:麥克羅金能源有限公司