CN101012759A - 用于将热能转化成机械功的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将热能转换成机械功的方法，具有下列步骤：给第一热交换器(1a)的第一工作室(2a)提供高传热媒质；通过传热媒质来等容加热在第一热交换器(1a)的第二工作室(3a)中的第一量的工作媒质；重复实施下列子步骤：允许第一量的工作媒质的至少部分量从第一热交换器(1a)或前面的热交换器(1b)的第二工作室(3a；3b)传送流动至下一热交换器(1b；1c)的第二工作室(3b；3c)；通过在下一热交换器(1b；1c)的第一工作室(2b；2c)中呈现的传热媒质来等容加热在下一热交换器(1b；1c)的第二工作室(3b；3c)中的第一量的工作媒质的已传送的部分量；用一气动－液压转换器(17)连接最后的热交换器(1c)的第二工作室(3c)，并通过工作媒质的压力来从转换器(17)中喷射出液压媒质。因此，可实现具有高度灵活性的高效率。本发明还涉及一种用于实现本方法的装置。

Description

用于将热能转化成机械功的方法

技术领域

本发明涉及一种用于将热能转化成机械功的方法。

背景技术

已知许多类型的循环过程和装置，用于将热能转化成机械功，并且接着可选择地转化成电流。它们涉及蒸汽动力过程、斯特林电弧炉锌法(Sterling process)等等。一种使用这种方法的可能性是通过使用废热来增大内燃机的效率。有问题的方面是，有效温度等级是相对不利的，因为内燃机的冷却循环通常在接近100℃的温度工作。当来自太阳热装置的热量转化成机械功时，也存在类似的问题。

在国际申请第WO03/081011A号中显示了一种用于这种热力动力过程特定解决方式。此说明书描述了一种方法，其中，一液压媒质通过在几个胶囊型储能器中加热一工作媒质来加压，在一发动机中处理该媒质。尽管这种方法是大致实用的，但是已经证明了，相对于可产生的能量的数量，效率较低并且机器的复杂性相对较高。

德国专利第3232497A号公开了一种用于将热能转化成机械功的方法和装置，其中，将高传热媒质引入一热交换器的第一工作室，在热交换器的第二工作室中通过高传热媒质来加热第一量的工作媒质，以及热交换器的第二工作室与一气动-液压转换器相连接，一液压媒质来自该转化器并通过工作媒质的压力而喷射出。对于该装置必须交替地加热和冷却汽缸，由于汽缸的热容量，这是费时的。因此，该装置具有有限的效率。

美国专利第4617801A号显示了具有自由移动活塞的热力动力发动机。气动一液压转化器用于将压力传送入系统。该装置具有复杂的结构和有限的效率。

在美国专利第4283915A号、英国专利第1536437A号和美国专利第5548957A号中公开了显示将热量转化成机械功的另外的解决方式。对于所有这些解决方式，存在以上的意见。

发明内容

本发明的目的是提供一种上述类型的方法，从而甚至在温度不利的前提下可到达高效率，而装置的构造保持尽可能简单。

根据本发明，这种方法包括下列步骤：

-给第一热交换器的第一工作室提供高传热媒质；

-通过传热媒质来等容加热在第一热交换器的第二工作室中的第一量的工作媒质；

-重复实施下列子步骤：

●允许第一量的工作媒质的至少部分量从第一热交换器或前面的热交换器的第二工作室传送流动至下一热交换器的第二工作室；

●通过在该下一热交换器的第一工作室中呈现的传热媒质来等容加热在该下一热交换器的第二工作室中的第一量的工作媒质的已传送的部分量；

-用一气动-液压转换器连接最后的热交换器第二工作室，并通过工作媒质的压力来从转换器中喷射出液压媒质。

在第一步骤中，传热媒质例如通过一内燃机加热到100℃，将该传热媒质引入第一热交换器的第一工作室中。较佳地，所述第一热交换器指所谓的胶囊型储能器，该胶囊型储能器是具有两个工作室的压力容器，这两个工作室通过一柔性膜而相互隔开。这意味着，两个工作室的总容积保持相对恒定，然而各个工作室的容积是可变的。热交换可通过相对较大的柔性膜在媒质之间相对容易地发生，该媒质呈现在第一和第二工作室中。第一热交换器还可可选择地构造成包括两个工作室的汽缸，这两个工作室由一活塞隔开，只要活塞构造成可易于实现热交换。在所述第一步骤中，将传热媒质以某种程度引入第一热交换器，以致于第一工作室到达热交换器的总容积的大约一半。

在第二步骤中，通过第一传热媒质来加热呈现在第一热交换器的第二工作室中的工作媒质。它涉及加热的主要部分，因为显然某种加热会在将传热媒质供给至第一工作室期间已经存在。所述加热的主要部分以一等容的方式发生，因为闭合了所有允许进入第二工作室的阀。由于在第二工作室中温度的升高，因此升高了工作媒质的压力。

在第三步骤中，第一热交换器的第二工作室与第二热交换器的第二工作室相连，从而工作媒质可流入所述工作室。由于释放的原因，已传送的工作媒质冷却，由于第二热交换器的第二工作室的容积增加，传热媒质同时从第一工作室中移位。继续此过程，直到例如第二热交换器的第一和第二工作室具有大致相同大的容积为止。在相应的阀闭合之后，在第二热交换器的第二工作室中再次等容加热工作媒质，这代表第四步骤。

取决于根据本发明的方法的实施例，接连转换两个、三个或多个热交换器。在只有两个热交换器存在的情况下，现在在第五步骤中，会将第二热交换器的第二工作室与一气动-液压转换器连接，该转换器也较佳地构造成胶囊型储能器。由于工作媒质膨胀的原因，液压媒质在高压下从气动-液压转换器中喷射出，从而例如驱动一发动机。

在具有三个或多个热交换器的本发明的实施例的情况下，以相应的多次方式来重复本发明的第三和第四步骤。因此可实现200-300巴的非常高的压力，从而可达到很高的效率。尤其在前面的热交换器的第二工作室和接着的热交换器的第二工作室之间建立压力补偿之后，还将传热媒质压入前面的热交换器中，从而将工作媒质从第一热交换器或前面的热交换器的第二工作室传送至下一热交换器的第二工作室，这样可增高效率。显然需要使用机械功，从而在传送流动过程之后，驱动工作媒质完全地来自相应热交换器的第二工作室。此附加的要求通过一更高的能量产出了弥补，这相应地增高了效率。当热交换器的第二工作室是完全清空的时，在这方面是尤其有利的。

为了从第一工作室中移出冷却的传热媒质从而避免效率损失，较佳地提供了第一工作室在运行了以上步骤之后完全清空。这通过将工作媒质引入相应热交换器的第二工作室来发生，这可以一实际上无压的方式发生。

相关的方面是，工作媒质是可压缩的。可使用气态工作媒质以及提供液/气态混合物。当环境压力下工作媒质具有位于-60℃到-20℃之间的沸点时，这是尤其较佳的。

根据本发明的方法的一种尤其有利的实施例提供了，几个循环过程以一时间后移的方式有规律间隔地实施。这意味着，可如同在多汽缸内燃机中一样补偿循环波动，以及尤其在液压系统中可带来平稳的压力。

供给至液压系统的能量可用于不同的方式。例如可发生供给至一液压网络，从而驱动液压发动机。主要提供由发电机产生的电能，该发电机由一液压发动机驱动。

由于在工作媒质从最后的热交换器的第二工作室中释放期间所发生的强烈冷却，可引导该过程从而相对较低的温度在此处发生。这允许以相应的方式提供制冷循环，例如，用于储藏室、制冷装置等等，以致于因此可产生附加的益处。

本发明还涉及一种用于将热能转化成机械功的装置，包括至少两个热交换器，每个热交换器包括第一和第二工作室，且第一工作室与高传热媒质源相连。

根据本发明，在此装置中，诸热交换器包括可彼此相连并具有工作媒质源的第二工作室，并且一热交换器的第二工作室可与一气动-液压转换器相连。

当从第一热交换器开始，诸热交换器每个都具有一更小的容积，在这方面是较佳的。因此可达到尤其高的效率。

附图说明

下面通过参照图中所示的实施例，更详细地说明本发明，其中，图1显示了本发明的一实施例的框图。

具体实施方式

根据本发明的装置包括三个构造成胶囊型储能器的热交换器1a、1b、1c。每个热交换器1a、1b、1c包括第一工作室2a、2b、2c和第二工作室3a、3b、3c，这些工作室每个都通过一柔性膜4彼此隔开。由于膜4的薄壁构造的柔性，在每个热交换器1a、1b、1c的第一工作室2a、2b、2c或第二工作室3a、3b、3c中保证了总是相同的压力、以及在短的过渡期之后至少基本相同的温度分布。热交换器1a、1b、1c的第一工作室2a、2b、2c通过阀5与一管路6相连接，热量传送媒质在该管路6中循环。所述热量传送媒质通过一泵7来循环，并且起源于一内燃机9，例如该内燃机9使用热量传送媒质作为冷却水。还可以可选择地提供高压泵(在此未显示)，从而通过将热量传送媒质压入热交换器1a、1b、1c的第一工作室2a、2b、2c而清空每个热交换器1a、1b、1c的第二工作室3a、3b、3c。

应该理解，可提供至内燃机的其它连接，例如通过热交换器也来利用废热。在本发明的方式中，还可使用其它的热源，诸如地热能、太阳能等等以用于根据本发明的方法。一缓冲储存器8用于设定相应的所需压力。

热交换器1a、1b、1c的第二工作室3a、3b、3c通过一阀10与一用于工作媒质的管路11相连接，而在各个热交换器1a、1b、1c之间还提供阀12。作为另一选择，可将阀10设置成多通阀。通过一泵14从储存容器15中传送工作媒质。一气动一液压转换器17进一步通过阀13和16与管路11相连，该转换器包括一液压室18和一工作室19，这两个室也通过一柔性膜4来相互隔开。

用于工作媒质的管路11在通过第一冷却器20和第二冷却器21分支进入气动一液压转换器17之后继续前进，在第一冷却器20和第二冷却器21之间设置了一节流阀22。在第二冷却器21之后，工作媒质离开储存容器15。起源于气动-液压转化器17的液压循环包括第一止回阀23，在该第一止回阀23之后提供了一液压发动机24，该液压发动机24与一用于产生电能的发电机25相连。在液压发动机24的下游，供给液压媒质至一储存容器26，液压媒质从该储存容器26中通过一第二止回阀27而被再次引回至气动-液压转换器17。

该系统构造成250巴的最大压力，第一热交换器1a具有200升的总容积。第二热交换器1b具有160升的总容积，而第三热交换器1c具有120升的总容积。气动-液压转换器17具有80升的容积。

在实际构造中，图1所示的五个装置设置成彼此平行，并且以一时间后移方式运作，如同例如在五汽缸的内燃机中的情况一样。

现在通过参见图1的框图来更详细地描述根据本发明的方法。

在初始状态，第一工作室2a、2b、2c具有最小值，该最小值意味着膜4实际上完全设置于传热媒质的一边，第二工作室3a、3b、3c实际上占据了热交换器1a、1b、1c的整个内容积并装满工作媒质。在第一热交换器1a中的工作媒质基本上具有室温和对应于例如5巴的进气压力的压力，保持该5巴的进气压力作为系统中的最小压力。

属于第一热交换器1a的阀5在第一步骤中打开，允许例如具有100℃的温度的高传热媒质流入第一工作室2a。一旦膜4设置在中间位置，这意味着第一和第二工作室2a、3a具有大致相同的容积，馈送就终止。多余的工作媒质通过与第一热交换器1a相关连的第一阀10返回至储存容器15。在到达中间位置之后，阀5和10闭合，从而第二工作室3a中的工作媒质通过第一工作室2a中的高传热媒质以一等容的方式被加热。在几秒后建立温度补偿之后，第二工作室3a中的工作媒质呈现出80℃的温度和80巴的压力。在第三步骤，打开在第一热交换器1a和第二热交换器1b之间的阀10和12，从而工作媒质可从第一热交换器1a的第二工作室3a流出至第二热交换器1b的第二工作室3b。传热媒质通过与第二热交换器1b相关的阀5返回至管路6，直到膜4已经大致达到中间位置为止。然后闭合所有的阀5、10、12，并且在第二热交换器1b的第二工作室3b中再次发生工作媒质的等容加热。工作媒质通过加热之前的传送-流动过程冷却到50℃的温度，并且压力降至60巴。在等容加热之后，压力为120巴，而温度为85℃。

接着，在第二热交换器1b和第三热交换器1c之间实施又一个相似的传送和加热过程。工作媒质最后到达250巴的压力下90℃的温度。在最后的步骤之后，打开第三热交换器1c和气动-液压转换器17之间的阀10、13和16，从而工作媒质流入气动-液压转换器17的工作室19中。因此，液压媒质引导过第一止回阀23通过发动机24，在该发动机24中获得机械功，并且凭借该发动机24驱动发电机25。

根据本发明的解决方式不仅允许获得机械功和因此的电能，而且还可获得冷却器20和21中所需的制冷。当冷却器20中的工作媒质从高温冷却至室温时，可获得最适产量的制冷，从而例如在可用于制冷过程的节流阀22之后会呈现极低的温度-40℃。

根据本发明的方法和装置的一特定优点是，由于不同的控制，可设定很大带宽的运作参数，并且因此可实现高效率时的非常高度的灵活性。

Claims (25)

1.一种用于将热能转换成机械功的方法，具有下列步骤：

-给第一热交换器(1a)的第一工作室(2a)提供高传热媒质；

-通过所述传热媒质来等容加热所述第一热交换器(1a)的第二工作室(3a)中的第一量的工作媒质；

-重复实施下列子步骤：

●允许所述第一量的工作媒质的至少部分量从所述第一热交换器(1a)或前面的热交换器(1b)的第二工作室(3a；3b)传送流动至下一热交换器(1b；1c)的第二工作室(3b；3c)；

●通过在所述下一热交换器(1b；1c)的第一工作室(2b；2c)中呈现的传热媒质来等容加热所述下一热交换器(1b；1c)的第二工作室(3b；3c)中的所述第一量的工作媒质的已传送的部分量；

-用一气动-液压转换器(17)连接最后的热交换器(1c)的第二工作室(3c)，并通过所述工作媒质的压力从所述转换器(17)中喷射出液压媒质。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述前面的热交换器(1a；1b)的所述第二工作室(3a；3b)和所述下一热交换器(1b；1c)的所述第二工作室(3b；3c)之间建立压力补偿之后，还将传热媒质压入所述前面的热交换器(1a；1b)，从而将工作媒质从所述第一热交换器(1a)或前面的热交换器(1b)的所述第二工作室(3a；3b)传送至下一热交换器(1b；1c)的第二工作室(3b；3c)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第一热交换器(1a)或所述前面的热交换器(1b)的所述第二工作室(3a；3b)和所述下一热交换器(1b；1c)的所述第二工作室(3b；3c)之间建立压力补偿之后，完全清空所述第一热交换器(1a)或所述前面的热交换器(1b)的所述第二工作室(3a；3b)。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，在液压媒质喷射结束之后，清空所有热交换器(1a、1b、1c)的第一工作室(2a、2b、2c)。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，等容加热所述工作媒质在两个至四个步骤之间、较佳地为三个步骤中实施。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述工作媒质是气态的。

7.如权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述工作媒质呈现成一液/气态混合物。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的方法，其特征在于，在等容加热之后，所述第一热交换器中的所述工作媒质的压力为50-100巴。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的方法，其特征在于，在建立所述压力补偿之后，所述第一热交换器中的所述工作媒质的压力为25-50巴。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的方法，其特征在于，在环境压力下，所述工作媒质具有位于-60℃到-20℃之间的沸点。

11.如权利要求1-10中任意一项所述的方法，其特征在于，有规律间隔的几个循环过程以一时间后移的方式同时实施。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在三个至七个循环过程之间、较佳地为五个循环过程中同时实施。

13.如权利要求1-12中任意一项所述的方法，其特征在于，由一内燃机(9)的废热、太阳能或地热能来加热所述传热媒质。

14.如权利要求1-13中任意一项所述的方法，其特征在于，所述液压媒质在一发动机(24)中处理，该发动机(24)较佳地连接至一用于产生电能的发电机(25)。

15.如权利要求1-14中任意一项所述的方法，其特征在于，在喷射所述液压媒质之后，释放所述工作媒质，从而产生制冷。

16.一种用于将热能转化成机械功的装置，包括至少两个热交换器(1a、1b、1c)，每个热交换器都包括第一和第二工作室(2a、2b、2c；3a、3b、3c)，所述第一工作室(2a、2b、2c)与高传热媒质源相连，其特征在于，所述热交换器(1a、1b、1c)包括可彼此相连并具有工作媒质源的第二工作室(3a、3b、3c)，并且一热交换器(1a、1b、1c)的所述第二工作室(3a、3b、3c)可与一气动-液压转换器(17)相连。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述热交换器(1a、1b、1c)构造成胶囊型储能器。

18.如权利要求16或17所述的装置，其特征在于，提供一压缩机(7)，用于将传热媒质供给至所述热交换器(1a、1b、1c)的所述第一工作室(2a、2b、2c)。

19.如权利要求16-18中任意一项所述的装置，其特征在于，所述气动-液压转换器(17)构造成胶囊型储能器。

20.如权利要求16-19中任意一项所述的装置，其特征在于，包括热交换器(1a、1b、1c)和一气动-液压转换器(17)的若干组设置成相对于彼此平行。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，在包括热交换器(1a、1b、1c)和一气动-液压转换器(17)的三个至七个组、较佳地为五个组设置成相对于彼此平行。

22.如权利要求16-21中任意一项所述的装置，其特征在于，一热交换器(1c)可与一发动机(24)相连，该发动机(24)较佳地连接至一用于产生电能的发电机(25)。

23.如权利要求16-22中任意一项所述的装置，其特征在于，一热交换器(1c)可与一制冷机相连。

24.如权利要求16-23中任意一项所述的装置，其特征在于，所述传热媒质的循环与一内燃机(9)、一太阳热装置、或一利用地热能来加热所述传热媒质的装置相连。

25.如权利要求16-24中任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一热交换器(1a)具有比所述下一热交换器(1b)更大的容积，并且每下一个热交换器(1b)具有比相应的下一热交换器(1c)更大的容积。

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