CN100412346C - 热-液-动力放大器 - Google Patents

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Abstract

一种热-液-动力放大设备，它在利用一个外部的热源和一个外部的冷吸收的条件下能够使一种液态工作介质在一个三节拍工作循环(尤其是加热、等温减压、通过交流换热收缩)中完成有用功。在此在挤出机(11)上通过辅助驱动装置(12)给与的功明显小于由转换系统(18，19)产生的(动力放大)。一个反向做功的、外部驱动的设备起到热泵/制冷机的作用。

Description

热-液-动力放大器
技术领域
本发明涉及一种热-液-动力放大器。
背景技术
液体与气体相比实际上不可压缩，具有更微小的由热引起的体积增加，极其高的单位热容量并且提供了更好地实现热交换的方法。早在上世纪20年代就由(英国)News-castle-on-Tyne的J.F.Malone在热力机中进行过用液体替换工作气体的尝试。
他研究了一种与热气-斯特林机类似的交流换热的机器，但是它以压力水代替空气作为工作介质充满。(美国专利1,487,664，1924年3月18日和美国专利1,7717,161，1929年6月11日)
已经可以证明，它在一个305K的温度差时达到一个27％的效率，这等于理想的诺顿循环的54％的可观的实现效率并且与当时的常见的蒸汽机相比高出约两倍。
这种高效率的基础建立在这样的事实上，所述机器如斯特林机具有一个热量交流换热器并且还利用与气体相比更加好的液体热传递特性。在图1中简示出马隆机。在此1是工作缸，2是挤出缸，3是加热器，它通过外部的(火焰)热量3a持续地加热，4是冷却器，5是挤出机活塞，它使交流换热器2a相对于做功活塞6相移90°地从热到冷地移动。与飞轮7通过连杆7a连接的做功活塞6通过辅助连杆8a和偏心轮8将相移的振荡的运动传递到交流换热器2a。
在图2中的PV曲线中不仅示出一个理想的斯特林循环10，而且示出由马隆机实现的循环9。
因为水只在非常高的＞100巴的压力下才在延长的工作温度范围里保持液态，因此马隆机必需使用非常耐压的缸体。因为该缸体为了将在液体中以热工技术产生的压力变化转换成旋转的轴能量还追溯到曲轴和做功活塞，所以与在传统的做功机中常见的一样，该缸体使液体置于一个工作循环，其中原则上在(热)膨胀期间通过做功活塞和曲轴-飞轮系统输出有用功，而在(冷)回压状态必需将源自储存在飞轮中的膨胀功的一部分加入到系统里面。
因为液体与气体或液体-蒸汽混合物相比几乎不能压缩，因此不能避免由于刚性的强制耦联使做功活塞、柱塞、曲轴和飞轮冲压液体，尤其是在回压状态期间产生特别高的压力。这导致太高的压力变换负荷并需要非常沉重的惯性质量，它们本身将强烈的动态负荷传递到轴承和整个结构上。
因此马隆机的主要优点(相对于气体更好的热传递性、高的热容量和相关的功率密度)受到由这种结构形式引起的限制寿命的压力变化的遏制。这也是为什么这种机器尽管具有很好的热动力效果但是也没有进入实际应用的原因。
发明内容
本发明的目的是，以一个技术上新型的结构形式利用由马隆机已知的由液体作为热工作介质的原理优点，克服上述负面影响。
为了解决类似的目的，US 2,963,853公开了一种热-液动力放大器，其中在一个设备中设置一个活塞-缸体装置和一个实心的曲轴。该活塞在缸体中穿过一个压缩室、一个膨胀室和一个做功室。在该活塞在一个循环内部往复移动时一个独立于活塞的、与这个固定在曲轴上的控制连杆共同通过不同的管道接通一个阀门控制，由此在活塞移动时流体分别流过为此所存在的并通过阀门控制的管道通过一个加热器、一个冷却器和一个再生器导引。
与US 2,963,853相比，提出本发明的特殊目的，实现一个在提高运行可靠性的同时具有改善的效率的动力放大器。
这个目的通过一个热-液的动力放大器得以实现，其中一种液体在一个刚性缸体的内部通过一个辅助活塞周期地通过一个加热器-再生器-冷却器或者加热器-换热器-冷却器系统的管道在热区与冷区之间移动，由此使液体周期地压缩和膨胀并且给出一个输出功，该输出功在每个循环中大于辅助活塞上的输入功，其中所述动力放大器的特征是，所述液体在装置中周期地在交替的流动方向上移动并将输出功给到一个独立的设备上。
附图说明
下面描述的按照本发明的设备起到热-液-动力放大器的作用(THK)。其中：
图1表示现有技术，简示出马隆机；
图2表示由图1所示的马隆机实现的循环，用PV曲线表示；
图3表示本发明的热-液-动力放大器(THK)的PV曲线；
图4简示出一个THK与一个液压马达的组合；
图4a表示液体等温地压缩；
图4b表示挤出机活塞到达下死点；
图4c表示挤出机活塞向上移动；
图5表示由上述热-液-动力放大器的过程得到的PV曲线；
图6表示THK变化的示踪曲线；
图7借助于PV曲线简示出相应的、必需的具有截止阀的旁通管道和其在时间上的使用；
图8表示具有线性的力输出器和线性适配器的热-液-动力放大器；
图9a，9b，9c分别表示本发明的THK设备的三个工作状态期间具有对应的工作步骤；
图10表示一种变型的热-液-动力放大器。
具体实施方式
所述THK在PV曲线(见图3)中进行一个在原理上与传统的热力机不同的循环。在此所述液体从a到b等容地加热。初始压力Po在此对应于环境压力(或者一个略高的压力)。只要在液体中达到所期望的压力P1，一个截止元件17打开并使液体减压，其中液体对一个串联的系统(液压马达，压缩机活塞)做功。这种减压一直到在c又达到初始压力Po时出现与初始状态a相比更大的体积和更高的温度。与传统的机器相反，其中流体通过机械的再压缩回到初始状态a，对于THK所述液体的收缩通过去除热量实现。这一点按照本发明具有极大优点，因为所有的利用能在从b到c的膨胀状态被去除，不必以任何方式(飞轮、风力炉等)中间存储机械能。此外在原理上，如同还要描述的那样，按照本发明的方法完全放弃一个将强制作用力施加到液体上的曲轴机构。
此外，如果在a→b和c→a的工作状态期间一个再生器或蓄热器包括在热交换过程中并且流体的膨胀等温地进行，则通过拐点a，b，c确定的工作过程除了不可逆的流体损失和热损失以外在热动力方面是理想的。
在图4中简示出一个THK与一个液压马达的组合。
在此挤出机活塞11由一个线性驱动装置12在压力缸13内部上下移动。该活塞通过加热器14、再生器15和冷却器16路线往复挤出工作液体。作为可操纵的截止元件17使用一个液压阀。当挤出机活塞向下运动并因此将液体输送到系统的热端时，这个液压阀使循环(图3路线a→b)开始。当在PV曲线的点b上达到所期望的压力P1时阀门打开并且使液体在高压下膨胀同时通过液压马达18与耦联的飞轮19输出功。接着使卸压的液体汇集到收集容器20。一个具有止回阀21的循环管道负责使液体从收集容器通过液压马达持续循环，只要这个液压马达旋转。当提供功的液体卸压结束时(PV曲线中的点c，见图3)，所述阀门17关闭，挤出机11向上移动并挤出液体到系统的冷端(路线c→a，见图3)。冷却的液体收缩到循环的初始点a(见图3)并同时通过管道22和止回阀23向上抽吸来自收集容器20中的液体。
因为再生器15以交替的方向通流热的和冷的流体，该再生器短时间地几乎没有熵损失地存储热量(因为热量和冷量沿着一个线性升高的温度曲线获得)并且将热量在正确的时刻再给到液体。
当适当地选择挤出机11振荡频率并正确设计通流加热器、再生器、冷却器的通流截面尺寸时能够使由膨胀的液体给出的功贡献远高于由挤出机活塞给出的功。由于这个原因并根据其工作方式将按照本发明的设备称为热-液的动力放大机(THK)。
为了更好地理解，在图4a，4b，4c中再一次简示出三个工作节拍并充分对应在PV曲线中的那个区段。在此→表示压力液流，...→表示没有运动的压力液流，......→表示低压的液体运动。
在图4a中液体被等容地压缩。所述挤出机活塞11由线性驱动装置12驱动位于其向下的行程上。所述液压阀17关闭。在PV曲线中路线a→b连续。在膨胀容器20中的液面位于其最低的状态。
在图4a中液体等温地压缩。所述挤出机活塞11由线性驱动装置12驱动位于其向下的行程上。所述液压阀17关闭。在PV曲线中路线a→b连续。在膨胀容器20中的液面位于其最低的状态。
在图4b中挤出机活塞11到达下死点。所述线性驱动装置12停止。所述液压阀17打开。在PV曲线中路线a→b连续。所述液压马达18由减压的液体驱动。在膨胀容器20中的液面升高。
在图4c中挤出机活塞11通过线性驱动装置12向上移动。所述液压阀17关闭。无压力的热流体通过再生器15和冷却器16回冷到初始温度并由此获得一个收缩。由此产生的负压通过管道22抽吸来自膨胀容器20的液体。该容器的液面下降到最低值。在PV曲线中路线c→a连续。因此使循环又到达初始状态。
在这里所述的一个三节拍-THK的基本工作原理可以以不同的方式改变。一个按照本发明的方案是，代替液压阀17利用液压马达18本身建立压力。这一点由此得到实现，即，这样选择液压马达18的吸收体积，使得它明显小于流体由于在PV曲线中的路线a→b上加热产生的体积流。在图5中示出一个由这种THK过程得到的PV曲线。在此按照本发明当液体位于压力状态Po时过程又开始。由于流体从冷到热的移动而膨胀的介质在压力升高到P1’的条件下通流液压马达17，在b点所述挤出机活塞11达到其下死点。接着流体在挤出机活塞保持不动时减压到Po时的点c并且接着通过从c→a的交流换热冷却而收缩。所述液压阀17在循环a→b→c期间关闭而从c→b打开。
所述THK循环的这种变化尽管对每个循环实现较小的功率，但是显示出一个特别灵活的连续过程的特征并且由于微小的最大压力只需更低的耐压性。
另一有利的改进方案在于液压阀17与液压马达的截止特性的结合。在图6中示出一个这样的THK变化的示踪曲线。从初始点P0开始液体等容地(阀门17关闭)压缩到中间压力P1。从b到b’液体通过液压马达18等压地(阀门17打开)减压。当挤出机活塞11达到其下死点以后，液体从b’到c(阀门17打开)减压。然后液体在关闭阀门17的情况下通过可逆的热量去除再从c收缩到初始点a。所述THK的这种变化实现良好的循环效率并且由于与基本变化相比更低的最大压力而节省压力缸。
另一按照本发明有利的THK改进方案是，存在使加热器14和冷却器16总是只在工作循环区段期间加入到对于其各功能必需的液体回路里面。这一点一方面使流体-空体积的负面影响最小化，而另一方面能够使通流加热器和冷却器的压力流横截面在微小的动态通流阻力和最佳的热传递特性的循环方面没有负面影响。在图7中借助于PV曲线简示出相应的、必需的具有截止阀的旁通管道和其在时间上的使用。
在流体从a→b通过挤出机活塞移动期间，所述流体被加热，不希望通过冷却器16去除热量。通过关闭阀门24a，24b使流体在一个旁路24c中绕过冷却器并接着通流再生器15和加热器14。在液体接着从b→c减压时仍然不期望冷却(24a，24b继续关闭，流体通流24c)。
由于从b→c所致力的等温减压期望通过加热器14再加热。在PV曲线中表示出从a→b→c所述流体通过旁路24c流动的事实。当流体接着从c→a可逆地冷却并由此收缩时，只希望冷却器16起作用，但是不希望加热器14起作用。因此现在将加热器通过两个阀门25a，25b截止并使流体通过旁路25c直接通过再生器15和冷却器16导引(阀门24a，24b又打开)。为了使流体在打开截止阀24a，24b以及25a，25b时分别流过16和14，所述旁路管道24c和25c配有止回阀24d和25d。
至此已经描述了具有通过液压马达输出旋转的THK设备。因为循环能量在工作流体减压过程中持续地降低，因此必需使这种不连续的功率输出“协调”。在旋转的设备中这一点最好通过一个相应的飞轮19实现。
一方面能量只在膨胀状态期间向外输出，另一方面由于效率的原因所述THK设备的工作频率应该尽可能地低，这一事实导致所述飞轮除了上述的协调不连续的能量输出以外在膨胀期间还必需过渡相对长的时间间隔，在该间隔期间设备不输出能量。这一点当然导致大的飞轮。
因此按照本发明的THK设备的改进方案使这个设备由多缸设备构成(缸的数量n≥2)并且这样实现不同缸体的线性驱动装置12的控制，使由此引起的循环重叠导致一个平滑的驱动转矩。这一点导致非常小的飞轮。
但是按照本发明也能够利用膨胀和又收缩的液体柱的纯转换运动来驱动子系统，如空气压缩机，热泵-制冷机、压缩机，可逆-渗透设备和类似设备。
在图8中示出一个这样的按照本发明的THK设备，它具有线性的力输出器和线性适配器。因为所述子系统在这种情况下必需是一个固体的做功活塞(代替上述的“液体”做功活塞)，按照本发明的这种变化的有利改进方案通过做功活塞26在压力缸13和在其中上下运动的挤出机活塞11的组合给出。在做功活塞下部的气垫27在这个结构形式中使膨胀容器(见图3，20)成为不必要的。在这种情况下也周期地在膨胀状态期间在作用力展开的条件下向下运动的做功活塞长时间地由可控的截止元件28保持，直到达到所期望的最高压力(在PV示踪曲线中的点b)，所述截止元件在这种情况下最好由包围活塞杆的闸瓦构成。所述作用力通过在几何形状上由平行四边形构成的力结构30输出。所述平行四边形在其四个角上配有活动铰链，它们使其形状通过施加的运动持续地变化(通过30，31表示)。如果在一个拐角点的延伸轴线垂直于由做功活塞给定的轴线的拐角点中耦入所期望的、以线性作用力驱动的子系统的活塞杆，则使THK做功活塞的由于从b→c的等温减压的不对称过程的力作用协调一致，即，在整个工作行程上是均匀的。因为THK只在膨胀期间对外部输出功，所述子系统的做功活塞通过活塞杆33只在膨胀期间传力连接，即，做功活塞只由协调器“移动”并且在分离位置33a松动地位于做功活塞上(无压力地耦联)。
按照本发明所述THK的这种结构形式也可以通过在图5和图6中所示的并且在文字中叙述的循环变型方案驱动，以及通过在图7中所示的“旁路”装置进行优化。
因为THK是一个可逆的热动力设备，因此在其改进方案中存在一个特别有利的、按照本发明的变型作为制冷机-热泵。
在图9a，9b，9c中分别示出一个这样的THK设备，它们在驱动THK设备和被驱动的THK制冷机-热泵的三个工作状态期间具有对应的工作步骤。
在此驱动的THK设备在原理上具有与图8中所示的结构相同的结构并已经在前面的文字中描述过。通过协调机构30通过同样描述过的无压力离合器33a周期地且对于驱动设备相移地使被驱动的制冷机-热泵的做功活塞26a移动进入缸体13a。所述制冷机按照本发明原则上具有与做功机相同的部件，因此它们以相同的数字加下标a表示(14a＝加热器，15a＝再生器，16a＝冷却器，12a＝挤出机活塞的线性驱动装置，29a＝可控的截止元件)。在图9a的右上部PV曲线中示出THK做功机(——线)和THK制冷机(......线)的相移工作循环。在图9a至9c的左侧只分别示出做功机和制冷机对于三个基本工作节拍的对应工作节拍。位于下面的视图分别给出关于两个设备26，26a，11，11a的做功活塞和挤出机活塞的位置、运动方向或静止状态和可控截止元件29，29a状态的信息。对于截止元件＝0表示关闭，＝1表示打开。
此外在协调器30和做功活塞的位置上可以选择无压力离合器33a，这取决于做功机是否驱动制冷机。流体和活塞运动方向通过箭头表示。
在三个工作状态期间出现如下所述现象：
图9a做功机所述流体从a到b等容地被加热。所述挤出机11向着固定的做功活塞26移动。
制冷机所述流体通过挤出机从a’到c’的移动等压地冷却。所述做功活塞26a固定。所述无压力离合器33a脱离接合。
图9b做功机所述流体从b到c等温地膨胀。做功活塞26和挤出机活塞11共同向下运动。无压力的离合器30处于接合。所述截止元件29打开。
制冷机所述做功活塞26a压缩流体。所述挤出机活塞固定在外死点。所述截止元件29a打开。
图9c做功机所述流体通过交流换热冷却从c到a收缩。做功活塞和挤出机活塞26、11并联地向上运动。所述截止元件29打开。所述无压力离合器30脱离接合。
制冷机所述做功活塞26a通过截止元件29a固定在下死点。所述挤出机活塞使流体从b’到a’移动(等容的冷却)。
所述制冷机-热泵通过16a接收环境热量(冷却器)，等温地压缩它们并通过加热器14a再给出热量。在此所进行的三节拍循环在原理上类似于上述的按照本发明的做功机循环，但是“相反”地进行并在较低的温度水平上工作。
除了可逆的、有效的循环以外，在此特别有利的是，可以实现从液体到液体的所有的热量交换过程。与在传统制冷机中常见的两相混合相反，这一点能够实现更经济且更有效的冷却器/加热器热交换。按照本发明可以与图7中的旁路24c，25c类似，在制冷机中也使用一个这样的结构并因此使冷却的流体没有静区效应地直接通流相应的冷却体。
因为驱动的THK设备和被驱动的THK制冷机在不同的温度水平上运行，因此压力必需相互适配。按照本发明这一点或者通过做功机缸体13与制冷机缸体13a的相应体积比实现，或者通过相应地降低协调器30与制冷机之间的一个台阶做功活塞的压力实现。
另一按照本发明的THK制冷机-热泵的改进方案在适配于THK设备的特殊循环的条件下利用已知的、按照斯特林原理工作的文氏(Vuilleumier)制冷机-热泵的原理。在图10中简示出这种变型。
一个线性驱动的挤出机活塞通过所连接的加热器-再生器-冷却器路线分别位于一个公共的、通过良好的热绝缘和耐压的壁体34分成两个做功区的缸体(I＝“热”缸，II＝“冷”缸)里面。在此属于“热”缸的部件通过下标a标记，属于“冷”缸的部件通过下标b标记。通过时间控制的阀门对于所期望的时刻使来自缸体I和缸体II的流体循环连接。
在开始动作时两个缸半体通过相同的流体以相同的压力(最好1巴)充满。所述压缩机驱动装置12a，12b使压缩机活塞11a，11b以90°相移运动。
在热缸体中流体通过14a的加热等容地带到高压。在达到这个压力后阀门打开并且来自缸体I的压力流体在发生热量的条件下压缩缸体II中的流体。在实现压力平衡后在“热”缸中挤出机活塞11a向上移动，而在“冷”缸中挤出机活塞向下运动。
在此不仅在缸体I而且在缸体II中都将热焓交流换热地传递到再生器15a和15b并对于接着的循环段中间存储。在第三工作节拍中11a和11b同步地向上运动。只要两者达到其上死点，就关闭阀门并如上所述重新开始循环。
在这个按照本发明的变化中所述缸体I在原理上是交流换热的压力脉冲换向器，而缸体II作为制冷机-热泵向左进行在缸体I中向右移动的THK脉冲换向器循环。同时在一个所期望的空间中通过14b在较低的温度时去除热量(制冷机)并通过16a再给出到一个中间温度水平上(热泵)。在作为热泵或作为组合机组(同时产生冷量和热量)运行时有意义的是，所述热流通过16a和16b串联地相互接通。
在原理上在此所述的“Vuilleumier THK”制冷机-热泵也可以没有阀门地运行。按照本发明在这种情况下所述阀门通过壁体34中的一个永磁的、小的通道孔替换。在这种情况下所述压缩机11a，11b不是不连续地以90°相移运动，而是连续地以90°相移运动。但是按照本发明的循环简化由于更微少的可利用压力变化具有一个更微小的功率密度。这一点在原理上可以通过提高工作频率进行补偿，但是由于超比例的增加液压压力损失而使效率降低。
在选择工作液体时提供了大范围的方案。最重要的选择标准是：温度和循环稳定性，明显的热体积放大，微小的压缩性，大的热容量，cP明显大于cV，高沸点，低冰点，环境兼容性和成本。
如上所述，由马隆机使用的水尽管具有许多优点，但是也存在原理上的缺陷，即，为了在整个工作循环上保持液态必需以＞100巴的预压力加载。这一点在原理上尽管可以通过上述的THK设备实现，但是需要膨胀容器和风力炉，它们以这个预压力充满。
因此在现有技术中尤其优选使用合成油，如上所述，对于这种油可以接近大气压力工作，并且可以使粘度、耐温性、压缩性和其它重要的参数按照需要适配于THK的热动力特性。
因为所述THK设备在从约100℃至约400℃的中等温中已经以良好的效率运行，并且流体的热量加入(和冷却)在技术上可以特别简单地实现，因此下面的能源对于THK的运行具有特殊的意义：太阳能包括通过热存储器的夜间运行，所有的生物燃烧物质，在上述温区中的废热。THK设备和组合的THK制冷机-热泵特别适用于楼宇中的动力-供热，适用于通过太阳和/或生物物质提供分散能源并适用于(工业)废热的再利用。
由于新型的循环而简单和紧凑的结构能够实现经济的设备。由于流体的高能量密度在合理的设备重量(静态应用)条件下工作频率可以明显在低于1赫兹以下运行。这一点不仅使压缩机活塞的输入功率最小，而且还提高了系统的寿命。

Claims (9)

1. 一种热-液-动力放大器(THK)，其中一种液体在一个刚性缸体(13)的内部通过一个被驱动的辅助活塞(11)通过一个加热器-再生器-冷却器(14，15，16)或者加热器-换热器-冷却器系统(14，15，16)的管道在一个热区(14)与一个冷区(16)之间移动，使得所述液体周期地压缩和膨胀同时给出一个输出功(19)，该输出功(19)在每个循环中大于辅助活塞(11)上的输入功(12)，其特征在于，所述液体在装置(14，15，16)中周期地在交替的流动方向上移动并且将输出功(19)给到一个独立的设备(18，33)上。
2. 如权利要求1所述的动力放大器，其特征在于，所述液体在膨胀期间提供输出功(19)，其中液体减压到大气压力(Po)或者一个低于其下的压力，并且接着通过在一个可逆的冷却过程上的压缩实现液体回输到周期的一个初始状态。
3. 如权利要求1或2所述的动力放大器，其特征在于一个可控的截止元件(17)，通过它可以在时间和数值上调节由膨胀的液体柱产生的压力。
4. 如权利要求1或2所述的动力放大器，其特征在于一个低于1赫兹的工作频率。
5. 如权利要求1或2所述的动力放大器，其特征在于，所述独立的设备(18，33)耦联到动力放大器的驱动装置(30)上，使周期性膨胀的液体的线性功输出直接耦合到独立的设备里面，其中所述独立的设备(18，33)是一个以线性运动工作的能量转换器。
6. 如权利要求1或2所述的动力放大器，其特征在于，所述独立的设备(18，33)通过一个力平衡器(30)和一个压力离合器(33a)耦联到动力放大器上并且作为制冷机-热泵工作。
7. 如权利要求1或2所述的动力放大器，其特征在于，所述独立的设备是一个液压马达(18)，所述热膨胀的液体周期地通流该液压马达，在液压马达的一个轴上产生旋转能(19)。
8. 如权利要求7所述的动力放大器，其特征在于，所述周期膨胀的和压缩的液体同时作为液压马达(18)的液压液体。
9. 如权利要求7所述的动力放大器，其特征在于，对所述液压马达串联一个通过大气压力(Po)或过压加载的膨胀容器(20)。
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