專利名稱：基于燃氣內(nèi)燃機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱管理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于燃氣內(nèi)燃機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱管理器，是一種同時具有熱源溫度控制、高效傳熱和熱量輸出自動調(diào)節(jié)功能的換熱設(shè)備，屬于能源類新型傳熱技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，以及節(jié)能、環(huán)保意識的不斷加強，以天然氣為燃料的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)和改善環(huán)境質(zhì)量的有效手段。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是建立在能量梯級利用概念的基礎(chǔ)上，將制冷、供熱(采暖和供熱水)及發(fā)電過程集成為一體，其一次能源利用率可以達到80％以上，是一種高效、清潔、安全可靠、靈活的分布式能源供給系統(tǒng)。同時，冷熱電聯(lián)供技術(shù)的應用和發(fā)展，對解決城市夏季因空調(diào)引起的用電緊張問題有著深遠的意義。
以燃氣內(nèi)燃機為原動機的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，內(nèi)燃機與發(fā)電機連軸發(fā)電，通過回收內(nèi)燃機缸套水、煙氣的熱量，冬季向用戶提供采暖、生活用熱水，夏季驅(qū)動吸收或吸附制冷機向用戶提供冷量。該系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、可靠性強，投資回收期短、經(jīng)濟性高等優(yōu)點，有著廣闊的市場推廣前景。從能量利用的角度來講，對發(fā)動機缸套水熱量回收是實現(xiàn)余熱利用的措施；從發(fā)動機運行角度來講，回收缸套水的熱量是作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)之一。通過缸套水的循環(huán)，可以及時并適量地把內(nèi)燃機高溫條件下工作機件發(fā)出的熱量帶走，保持發(fā)動機正常地工作溫度下工作。冷卻地好壞，對內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性以及可靠性都有直接地影響。一般地，發(fā)動機正常的工作溫度有一個上下限。在此溫度限內(nèi)工作，既充分發(fā)揮發(fā)動機的動力性能，提高聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性，又能保護發(fā)動機，提高發(fā)動機的工作壽命。在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的實際運行過程中，用戶側(cè)對電量、熱量和冷量需求具有不同時性，且用戶對三種能量的需求在一天內(nèi)隨時間變化很大。另外，聯(lián)供系統(tǒng)又存在不同數(shù)量和品質(zhì)的熱能輸入和輸出問題。因此，如何在保證發(fā)動機缸套水溫在正常范圍內(nèi)的前提下，最大限度的滿足多種不同類型用戶對用熱的不同需求，是一個熱量管理的問題，亟待深入解決。采用發(fā)動機自帶的節(jié)溫器作為控溫手段，只能控制缸套水溫的下限，且會相應的損失一部分軸功；采用變頻水泵或電磁閥等改變流量的做法，需要一套復雜的控制策略，且需要采用精密的電子元件，使整個系統(tǒng)變得極為復雜，從而降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性。
控溫熱管(石程名等.充氣熱管空氣余熱器的設(shè)計分析及應用.熱能動力工程.200419(3)305-308)是一種可以控制熱源溫度的特殊形式的熱管，其具備了控溫和高效傳熱的雙重特點。控溫熱管的傳熱能力能夠自動地隨著加熱負荷的改變而改變，從而保持熱源工作溫度的不變，實現(xiàn)控制溫度和傳熱的需要?？販責峁艿倪@種特性已經(jīng)在航天、化學反應工程、鍋爐防腐等領(lǐng)域得到了廣泛的開發(fā)與應用。但目前，關(guān)于可控熱管的應用大都局限于溫度控制方面，重點研究對熱源的溫度控制問題上，大部分將從熱源回收的熱量散失于環(huán)境，很少針對余熱回收的應用研究。
如何簡單、可靠、經(jīng)濟地實現(xiàn)基于燃氣內(nèi)燃機的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的熱量管理問題，方便靈活的滿足不同的熱用戶及不同季節(jié)的熱量需求，是一個新的研究課題。迄今為止尚未檢索到涉及此類問題解決方法的相關(guān)專利材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于燃氣內(nèi)燃機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱管理器，具有自動控制內(nèi)燃機缸套水溫、并且能夠根據(jù)用戶側(cè)的熱量需求自動調(diào)節(jié)熱量輸出的特點，降低聯(lián)供系統(tǒng)初投資，提高系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟性。
為了實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明基于控溫熱管的原理，采用相變換熱方式，以水為工質(zhì)，氮氣或其他分子量大的不凝氣體作為阻塞氣體，通過不凝氣體體積的改變影響傳熱面積來達到控制熱源溫度和管理熱量輸出的目的。發(fā)動機缸套水傳熱管和煙氣傳熱管布置在熱管理器的下部，浸沒于工質(zhì)液體中，熱管理器的左上方布置用熱段傳熱管和散熱段傳熱管，傳熱管兩側(cè)緊密布置氣流引板，形成引動工質(zhì)蒸汽向下的冷凝通道，工質(zhì)液體上方布置氣流斜引板，與左側(cè)氣流引板和外罩形成引導工質(zhì)蒸汽上升的通道，擋板、外罩和氣流斜引板圍成貯氣室，內(nèi)部布置貯氣室冷凝管，貯氣室內(nèi)充有不凝氣體。貯氣室液封及冷凝液封均下降到工質(zhì)液體中。
本發(fā)明的熱管理器包括用熱段傳熱管，左側(cè)氣流引板，散熱段傳熱管，右側(cè)氣流引板，擋板，冷凝液封，發(fā)動機缸套水傳熱管，煙氣傳熱管，貯氣室液封，氣流斜引板，托盤，貯氣室冷凝管，外罩。各組成部分具體連接方式為發(fā)動機缸套水傳熱管和煙氣傳熱管排列布置在熱管理器的下部，浸沒于工質(zhì)液體中。熱管理器的左上方依次并列布置左側(cè)氣流引板，右側(cè)氣流引板及擋板，其中右側(cè)氣流引板上部固定在外罩的頂部，左側(cè)氣流引板及右側(cè)氣流引板之間從上而下依次布置用熱段傳熱管和散熱段傳熱管，右側(cè)氣流引板及擋板之間下部也布有散熱段傳熱管，擋板的下端彎折與左側(cè)氣流引板的下端相連。在工質(zhì)液體的上方布置一塊氣流斜引板，氣流斜引板的一端與擋板的下端彎折部分相連，另一端固定在外罩上。氣流斜引板、左側(cè)氣流引板和外罩形成引導工質(zhì)蒸汽上升的通道。左側(cè)氣流引板、右側(cè)氣流引板通過螺栓緊固的方式與它們之間的用熱段傳熱管和散熱段傳熱管緊密相連，形成引動工質(zhì)蒸汽向下的冷凝通道。擋板的底部開孔與冷凝液封連接，冷凝液封的下端伸到工質(zhì)液體中。擋板、外罩和氣流斜引板圍成的空間構(gòu)成貯氣室。在貯氣室的內(nèi)部布置貯氣室冷凝管，貯氣室內(nèi)充有不凝氣體，下側(cè)布置托盤，托盤的一端固定在外罩上。托盤的底部開孔，與貯氣室液封相連。貯氣室液封的下端穿過氣流斜引板伸到工質(zhì)液體中。
發(fā)動機缸套水傳熱管和煙氣傳熱管分別通入由三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)動機產(chǎn)生的高溫缸套水和煙氣，換熱工質(zhì)被加熱后蒸發(fā)沸騰產(chǎn)生工質(zhì)蒸汽。工質(zhì)蒸汽沿氣流斜引板、左側(cè)氣流引板和外罩形成的蒸汽通道上升至熱管理器的頂部，然后沿左側(cè)氣流引板和右側(cè)氣流引板形成的氣流引導通道下降，并在用熱段傳熱管、散熱段傳熱管上冷凝。在用熱段傳熱管中流動的冷卻水將凝結(jié)熱帶走，向熱用戶供熱。從用熱段傳熱管和散熱段傳熱管冷凝的工質(zhì)液體，從冷凝液封排回工質(zhì)液面。貯氣室冷凝管用于冷凝貯氣室中的不凝氣體和可能存在的工質(zhì)氣體，使不凝氣體與工質(zhì)蒸汽的分界面變得明顯，提高熱管理器的控溫精度。從貯氣室冷凝管冷凝的工質(zhì)氣體從貯氣室液封排回工質(zhì)液面。
在本發(fā)明的技術(shù)方案中，加熱段采用微肋強化管以起到強化沸騰換熱、減小傳熱溫差目的；冷凝管采用低肋翅片銅管，減小工質(zhì)蒸汽的流通截面積，提高蒸汽流速，減弱了不凝氣體擴散的相對作用；貯氣室被冷卻管冷凝，降低了貯氣室中不凝氣體的溫度，使不凝氣體擴散減弱，提高控溫效果；通過在熱管理器內(nèi)部加裝引流板，起到引導工質(zhì)蒸汽氣流和不凝氣體的走向的作用；外部罩板是簿壁鋼板彎制或焊接成的矩形腔體。
本發(fā)明可在工質(zhì)液體中添加異辛醇，在保證水的穩(wěn)定性的同時，有效降低水的表面張力，改善冷凝表面性能的作用。
本發(fā)明采用相變換熱的原理，提高了余熱的利用效率，大大減小換熱器的體積。通過充注不凝氣體，自動調(diào)節(jié)用熱段熱量的輸出，從而實現(xiàn)自動平衡發(fā)動機的熱量輸出與用戶側(cè)的用熱需求，能夠保證發(fā)動機缸套水溫在正常范圍內(nèi)的前提下，最大限度的滿足不同用戶側(cè)的用熱需求。本發(fā)明集發(fā)動機缸套水控溫與余熱利用于一體，具有高效節(jié)能、安全可靠、使用壽命長、投資少、經(jīng)濟性能較好等諸多優(yōu)點，可應用于基于燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱量輸出和管理中，以及其他既需熱源溫度控制又需余熱利用的場合。


圖1為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1為用熱段傳熱管，2為左側(cè)氣流引板，3為散熱段傳熱管，4為右側(cè)氣流引板，5為擋板，6為冷凝液封，7為發(fā)動機缸套水傳熱管，8為煙氣傳熱管，9為貯氣室液封，10為氣流斜引板，11為托盤，12為貯氣室冷凝管，13為外罩。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細描述。
如圖1所示，本發(fā)明的熱管理器包括用熱段傳熱管1，左側(cè)氣流引板2，散熱段傳熱管3，右側(cè)氣流引板4，擋板5，冷凝液封6，發(fā)動機缸套水傳熱管7，煙氣傳熱管8，貯氣室液封9，氣流斜引板10，托盤11，貯氣室冷凝管12，外罩13。各組成部分具體連接方式為發(fā)動機缸套水傳熱管7和煙氣傳熱管8布置在熱管理器的下部，浸沒于工質(zhì)液體中。熱管理器的左上方依次并列布置左側(cè)氣流引板2，右側(cè)氣流引板4及擋板5，其中右側(cè)氣流引板4上部固定在外罩13的頂部，左側(cè)氣流引板2及右側(cè)氣流引板4之間從上而下依次布置用熱段傳熱管1和散熱段傳熱管3，右側(cè)氣流引板4及擋板5之間下部也布有散熱段傳熱管3，擋板5的下端彎折與左側(cè)氣流引板2的下端相連。在工質(zhì)液體的上方布置一塊與水平面成30度角的氣流斜引板10，氣流斜引板10的一端與擋板5的下端彎折部分相連，另一端固定在外罩13上。氣流斜引板10、左側(cè)氣流引板2和外罩13形成引導工質(zhì)蒸汽上升的通道。左側(cè)氣流引板2、右側(cè)氣流引板4通過螺栓緊固的方式與它們之間的用熱段傳熱管1和散熱段傳熱管3緊密相連，形成引導工質(zhì)蒸汽向下的冷凝通道。擋板5的底部開孔與冷凝液封6連接，冷凝液封6的下端伸到工質(zhì)液體中。擋板5、外罩13和氣流斜引板10圍成的空間構(gòu)成貯氣室。在貯氣室的內(nèi)部布置貯氣室冷凝管12，貯氣室內(nèi)充有不凝氣體，下側(cè)布置托盤11。托盤11的底部開孔，與貯氣室液封9相連。貯氣室液封9的下端穿過氣流斜引板10伸到工質(zhì)液體中。
發(fā)動機缸套水傳熱管7和煙氣傳熱管8分別通入由三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)動機產(chǎn)生的高溫缸套水和煙氣，當工質(zhì)液體吸收缸套水和煙氣的熱量后，工質(zhì)液體在熱管理器的腔體內(nèi)蒸發(fā)沸騰。工質(zhì)蒸汽沿氣流斜引板10、左側(cè)氣流引板2和外罩13形成的蒸汽通道上升至熱管理器的頂部，然后沿左側(cè)氣流引板2和右側(cè)氣流引板4形成的氣流引導通道下降，并在用熱段傳熱管1、散熱段傳熱管3上冷凝。在用熱段傳熱管1中流動的冷卻水將凝結(jié)熱帶走，向熱用戶供熱。冷凝的工質(zhì)液體由冷凝液封6返回到工質(zhì)液面。擋板5、外罩13和氣流斜引板10圍成的貯氣室中主要存儲不凝氣體，不凝氣體用于影響相變傳熱系數(shù)，其體積的變化可有效地改變用熱段傳熱管1、散熱段傳熱管3的相變傳熱面積，從而調(diào)節(jié)向外輸出熱量的多少。由于蒸汽的通道很窄，形成了流速很大宏觀蒸汽氣流，因此不凝氣體會不斷的被工質(zhì)蒸汽攜帶，穩(wěn)定地沉積在左側(cè)氣流引板2和右側(cè)氣流引板4形成的氣流引導通道的下部并與不凝氣體貯氣室相連通。工質(zhì)蒸汽和不凝氣體交界面的具體位置由外界的熱負荷決定。
貯氣室冷凝管12用于冷凝貯氣室中的不凝氣體和可能存在的工質(zhì)氣體，使不凝氣體與工質(zhì)蒸汽的分界面變得明顯，提高熱管理器的控溫精度。從貯氣室冷凝管12冷凝的工質(zhì)氣體從下部托盤11經(jīng)貯氣室液封9排回工質(zhì)液面。由于貯氣室的體積比較大，所以減弱了不凝氣體壓力波動，減小了工質(zhì)工作溫度的變化，提高了控溫精度。在設(shè)計工況下，發(fā)動機的熱負荷與熱用戶的用熱負荷相平衡，不凝氣體完全遮蓋散熱段傳熱管3，發(fā)動機熱負荷完全由用熱段傳熱管1傳給熱用戶，散熱段傳熱管3沒有熱量輸出。當發(fā)動機熱負荷偏離設(shè)計工況，發(fā)動機熱負荷逐漸減小時，腔體內(nèi)的蒸汽溫度和壓力降低，將使得不凝氣體體積膨脹，并向上伸展，遮蓋部分用熱段傳熱管1，使得用熱段傳熱管1中的有效換熱面積減小，所傳出的熱量隨之下降。當外界熱用戶用熱負荷偏離設(shè)計工況，用熱負荷不斷減小時，腔體內(nèi)的工質(zhì)蒸汽溫度和壓力升高，不凝氣體的體積被壓縮，使得部分散熱段傳熱管3參與換熱，將用熱段傳熱管1消耗不掉的多余的熱量帶走。熱管理器實際上是通過不凝氣體的體積變化改變有效相變傳熱面積，從而改變傳熱量。整個熱管理器類似于一個巨型的控溫熱管，可以在保證發(fā)動機缸套水溫在一定范圍的情況下，自動調(diào)節(jié)向熱用戶負荷端的熱量輸出。此外，由于熱管理器內(nèi)部是相變傳熱，且工作溫度即使在外界負荷波動情況下變化也不大。所以，在不受不凝氣體影響的情況下，腔體內(nèi)的每根換熱管的換熱量都是處于一定值。因此，可以根據(jù)外界各種熱用戶對用熱的不同需求，以及冬夏季不同的用熱需求，通過選擇用熱段傳熱管1的不同根數(shù)，來滿足外界熱用戶對熱的具體需求。
本發(fā)明的用熱段傳熱管1和散熱段傳熱管3可以采用微肋強化管，以起到強化沸騰換熱、減小傳熱溫差的目的。貯氣室冷凝管12可以采用低肋翅片銅管，矩形排列，減小工質(zhì)蒸汽的流通截面積，提高蒸汽流速，減弱不凝氣體擴散的相對作用。貯氣室冷凝管12的冷凝作用，降低了貯氣室中不凝氣體的溫度，使不凝氣體擴散減弱，提高控溫效果。本發(fā)明通過在熱管理器內(nèi)部加裝左側(cè)氣流引板2，右側(cè)氣流引板4及氣流斜引板10，起到引導工質(zhì)蒸汽氣流和不凝氣體的走向的作用；外罩13是簿壁鋼板彎制或焊接成的矩形腔體。
本發(fā)明在工質(zhì)液體中添加異辛醇，在保證水的穩(wěn)定性的同時，有效降低水的表面張力，改善冷凝表面性能的作用。
權(quán)利要求
1.一種基于燃氣內(nèi)燃機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱管理器，其特征在于發(fā)動機缸套水傳熱管(7)和煙氣傳熱管(8)排列布置在熱管理器的下部，浸沒于工質(zhì)液體中，熱管理器的左上方依次并列布置左側(cè)氣流引板(2)，右側(cè)氣流引板(4)及擋板(5)，其中右側(cè)氣流引板(4)上部固定在外罩(13)的頂部，左側(cè)氣流引板(2)及右側(cè)氣流引板(4)之間從上而下依次布置用熱段傳熱管(1)和散熱段傳熱管(3)，右側(cè)氣流引板(4)及擋板(5)之間下部也布有散熱段傳熱管(3)，擋板(5)的下端彎折與左側(cè)氣流引板(2)的下端相連，在工質(zhì)液體的上方布置一塊氣流斜引板(10)，氣流斜引板(10)的一端與擋板(5)的下端彎折部分相連，另一端固定在外罩(13)上，氣流斜引板(10)、左側(cè)氣流引板(2)和外罩(13)形成引導工質(zhì)蒸汽上升的通道；左側(cè)氣流引板(2)、右側(cè)氣流引板(4)通過螺栓緊固的方式與它們之間的用熱段傳熱管(1)和散熱段傳熱管(3)緊密相連，形成引動工質(zhì)蒸汽向下的冷凝通道；擋板(5)的底部開孔與冷凝液封(6)連接，冷凝液封(6)的下端伸到工質(zhì)液體中；擋板(5)、外罩(13)和氣流斜引板(10)圍成的空間構(gòu)成貯氣室，貯氣室內(nèi)部布置貯氣室冷凝管(12)，貯氣室內(nèi)充有不凝氣體，下側(cè)布置托盤(11)，托盤(11)的底部開孔與貯氣室液封(9)相連，貯氣室液封(9)的下端穿過氣流斜引板(10)伸到工質(zhì)液體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的基于燃氣內(nèi)燃機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱管理器，其特征在于所述用熱段傳熱管(1)和散熱段傳熱管(3)采用微肋強化管，所述貯氣室冷凝管(12)采用低肋翅片銅管，矩形排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的基于燃氣內(nèi)燃機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱管理器，其特征在于所述外罩(13)為簿壁鋼板彎制或焊接成的矩形腔體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的基于燃氣內(nèi)燃機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱管理器，其特征在于所述工質(zhì)液體中添加異辛醇。
全文摘要
一種基于燃氣內(nèi)燃機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱管理器，發(fā)動機缸套水傳熱管和煙氣傳熱管排列布置在熱管理器的下部，浸沒于工質(zhì)液體中，熱管理器的左上方布置用熱段傳熱管和散熱段傳熱管，傳熱管兩側(cè)緊密布置氣流引板，形成引動工質(zhì)蒸汽向下的冷凝通道，工質(zhì)液體上方布置氣流斜引板，與左側(cè)氣流引板和外罩形成引導工質(zhì)蒸汽上升的通道，擋板、外罩和氣流斜引板圍成貯氣室，內(nèi)部布置貯氣室冷凝管，貯氣室液封及冷凝液封均伸到工質(zhì)液體中。本發(fā)明采用相變換熱原理，提高余熱的利用效率，自動平衡發(fā)動機的熱量輸出與用戶側(cè)的用熱需求，可應用于基于燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱量輸出和管理中，以及其他既需熱源溫度控制又需余熱利用的場合。
文檔編號F28D15/00GK1710369SQ20051002706
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者皇甫藝, 夏再忠, 吳靜怡, 王如竹 申請人:上海交通大學