CN101010507A - 热力发动机 - Google Patents

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CN101010507A CNA2005800187055A CN200580018705A CN101010507A CN 101010507 A CN101010507 A CN 101010507A CN A2005800187055 A CNA2005800187055 A CN A2005800187055A CN 200580018705 A CN200580018705 A CN 200580018705A CN 101010507 A CN101010507 A CN 101010507A
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CNA2005800187055A
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F·P·杰格尔
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Abstract

一种热力发动机，包括用于以第一温度水平与周围环境进行热交换的第一环境热交换器(1)、用于以第二温度水平与周围环境进行热交换的第二热交换器(2)、用于接收高压工作介质的第一高压储罐(11)、用于接收高压工作介质的第二高压储罐(12)、用于从高压储罐(11、12)膨胀的工作介质产生机械能的工作机械(31)、和用于控制过程发展的控制设备(42)。通过以下实施获得高效率和高适应性：第一高压储罐(11)包括第一热交换器(21)，所述第一热交换器(21)与环境热交换器(1、2)空间上隔开并可与第一环境热交换器(1)相连接，同时所述第二高压储罐(12)包括第二热交换器(22)，所述第二热交换器与所述环境热交换器(1、2)空间上隔开并可与所述第二环境热交换器(2)相连接。

Description

热力发动机
技术领域
本发明涉及一种热力发动机，具有用于以第一温度水平与周围环境进行热交换的第一环境热交换器、用于以第二温度水平与周围环境进行热交换的第二热交换器、用于接收高压工作介质的第一高压储罐、用于接收高压工作介质的第二高压储罐、用于从两高压储罐之一排出的工作介质产生机械能的工作机械、和用于控制过程发展的控制设备。
背景技术
已知通过利用自然温差有可能获得机械能。来自太阳能系统和地-空气热交换器的热能可用于该目的。
从美国专利第5,259,363A中已知一种用于建筑的太阳能系统，它除了获得用于加热目的的热能还包括用于获得电能的涡轮机。涡轮机是常规循环过程的一部分，其中工作流体由于供应热量而蒸发，然后在涡轮机中膨胀，通过进给泵冷凝并再次带到工作压力。这种系统在最佳条件下当然有效率，但当环境条件波动或未达到最佳时显示出相对小的适应性。
WO 02/075154A显示了一种用于通过太阳能和/或环境热能冷凝气体的装置。在该装置中，使用了高压热交换器，它同时被设计成用于与环境进行热交换的集热器。设有充气气缸作为膨胀来自高压热交换器的高压部分的高压介质的工作机械。在达到压力平衡后，补充高压热交换器的高压部分中进行的工作介质，以开始新的工作循环。用这种已知的装置有可能同时使用或产生热能、制冷和机械能；但该方法的效率非常低且关于对不同要求和环境条件的可能调节的适应性是有限的。该已知解决方案的另一不足之处在于用作环境热交换器的集热器同时构造成高压储罐并因此需要提供非常坚固的机械设置。这在相当程度上增加了构造劳动量。
CH547 590A描述了用于从低程度热源获得有用能量的方法和装置。该装置可包括高压储罐，它在特定实施例中充有分子筛沸石。
发明内容
本发明的目的是提供上述的这种热力发动机，它避免了这些不足并最佳地利用了可用的温度水平并显示出高的效率。此外，实现了简单的结构构造。本发明的另一目的是提供一种允许高效率和高适应性的方法。
根据本发明提供第一高压储罐，包括第一热交换器，所述第一热交换器与所述环境热交换器空间上隔开并可与所述第一环境热交换器相连接，以及第二高压储罐包括第二热交换器，所述第二热交换器与所述环境热交换器空间上隔开并可与所述第二环境热交换器相连接，以及设有与工作机械机械偶合的压缩机，该压缩机较佳地设置为高压压缩机。因此有可能使工作介质变为高压来储存在其中或按要求同样进行。
本发明的相关方面在于，一方面是工作介质用于转换热能，该介质在高压下以实现高水平效率。另一方面，通过集热器，即环境热交换器的空间隔开可实现相当快的工作循环，因为有可能直接在加热和冷却之间切换。根据本发明的系统的另一优点是不需要进给泵来用工作介质填充高压储罐，因为工作介质基本上在两高压储罐之间来回流动。由于环境热交换器仅流过低压介质，可使用常规的太阳能集热器、地-空气热交换器等，这简化了结构构造并降低了成本。
本发明的特殊优点在于通过将部件分开有可能考虑到现有可用温度水平的利用实现高适应性。
本发明的技术方案关于其结构较佳地是工作机械设置为涡轮机。该工作机械是可逆的，即它可设计成在两个方向运行，因此降低了放置在管路中的需要。
以这样的方式可以实现效率的增加：第一高压储罐除了第一热交换器还包括第五热交换器，以及第二高压储罐除了第二热交换器还包括第六热交换器。当第一环境热交换器可选择地与第五和第六热交换器相连接，且第二环境热交换器可选择地与第一和第二热交换器相连接时，该连接尤其有利。管路较佳地构造成这样的方式：第一环境热交换器与第五和第六热交换器一起设置在封闭的热载体循环中，且第二环境热交换器与第一和第二热交换器一起设置在另一封闭的热载体循环中。第一和第二热交换器用在正常操作中以交替方式向第一和第二高压储罐供应热量，而热量从两个高压储罐中另一个中通过第五或第六热交换器撤除。必须注意到在特殊操作条件下如在夜间，热量可通过环境热交换器放出，该环境热交换器通常用于吸收热量如太阳能集热器，而热量通过另一环境热交换器吸收，该环境热交换器可构造成例如地-空气交换器。由于根据本发明装置的特殊适应性，有可能利用这种非正常周围环境条件来将热能转化成机械能。尤其还有可能提供用于加热和冷却建筑或设施的环境热交换器。
使用的适应性可进一步增加，通过此外提供可选择地与工作机械连接的第三高压储罐和第四高压储罐。热量供应和释放的较佳方式为：第三高压储罐包括第三热交换器，且第四高压储罐包括第四热交换器。
本发明的特别优选实施例提供了可选择地与压缩机连接的第三热交换器和第四热交换器。此外，第三热交换器和第四热交换器可选择地与另一工作机械相连接。
本发明的另一范围提供了第三高压储罐除了第三热交换器还包括第七热交换器，且第四高压储罐除了第四热交换器还包括第八热交换器，第七热交换器和第八热交换器可连接在高压热载体循环中的压缩机和工作机械。这样，实现了关于变化大的环境条件的先前不平行的可变性。需要能量超过可变能量的短期，可较佳地通过提供增加高压缓冲储存单元过渡。
本发明还涉及一种用于将热能转化为机械能的方法，其中以第一温度水平通过第一环境热交换器从周围环境吸收热量，并传输到存在于高压储罐中的高压工作介质，以及其中以第二温度水平通过第二环境热交换器与周围环境进行热交换，高压工作介质在工作机械中被膨胀。
根据本发明的方法的特征在于，使得第一高压储罐以交替方式与第一环境热交换器和第二环境热交换器热力连接。可通过短的循环时间实现高水平的效率。
根据本发明的方法的变化提供了：使得第二高压储罐以交替方式与第一环境热交换器和第二环境热交换器热力连接，因此第一高压储罐与环境热交换器热力连接且第二高压储罐与另一环境热交换器热力连接。
该方法尤其通过以下方式进行：在第一工作循环中，工作介质在所述第一高压储罐中通过第一热交换器以交替的方式被加热，因此使得第一热交换器与第一环境热交换器相连接，而同时第二高压储罐通过第六热交换器被冷却，因此使得第六热交换器与第二环境热交换器相连接，以及在第二工作循环中，第二高压储罐中的工作介质通过第二热交换器被加热，因此使得第二热交换器与第一环境热交换器相连接，而同时第一高压储罐通过第五热交换器被冷却，因此使得第五热交换器与第二环境热交换器相连接。
附图说明
本发明现通过参考附图中所示实施例进一步详细说明。其中：
图1示出了描述本发明基本概念的线路原理图；
图2示出了图1的另一种形式，以及
图3示出了在线路图中的本发明的较佳实施例。
具体实施方式
图1示意地示出了本发明的基本概念。第一环境热交换器1构造成例如太阳能集热器。第二环境热交换器2为地热集热器。对于本发明来说考虑集热器设置在100m或更深深度钻孔中的深度集热器还是在大表面面积上挖入地面约1到2m深度的平面集热器是不相关的。第一高压储罐11和第二高压储罐12设置成与环境热交换器1、2空间上隔开的方式，它们相应地包括第一热交换器21和第二热交换器22。选择阀51确保了第一环境热交换器1可选择地连接到第一热交换器21或第二热交换器22。同时，第二环境热交换器2相应地与另一热交换器22、21连接。循环泵(未示出)确保了工作介质到第一和第二环境热交换器1、2的热传送循环的运输。控制设备42确保了选择阀51相应的最优转接。由于通过相应的热交换器21、22加热高压储罐11、12之一的结果，所述高压储罐11、12的内部压力会增加，因此引起相对于另一个高压储罐12、11的压差。所述压差可通过例如构造成涡轮机的工作机械31转化成机械能。在达到压力平衡后，选择阀51反向，使得现在另一个高压储罐12、11被加热且通过工作机械31发生不同方向的膨胀。工作机械31可设有可逆构造、或使用阀52、53、54、55来确保高压储罐11、12和工作机械31之间工作介质的按要求引导。
在图2的实施例中，冷却循环设置成使得第一环境热交换器1、第一热交换器21、第二环境热交换器2和第二热交换器22在封闭循环中成功地转换。可逆循环泵3能够可选择地在两个方向中的任何一个方向将所述循环中的工作介质抽出。如果在箭头4的方向驱动循环泵，通过第一热交换器21来自环境热交换器2的热量用于加热第一高压储罐11，因此工作介质流入温度较低的环境热交换器2且因此通过第二热交换器冷却第二高压储罐12。如果循环泵3反向以在箭头5的方向传输工作介质，从第一环境热交换器1流出的工作介质通过第二热交换器22加热第二高压储罐12，并然后流过第二环境热交换器2，并然后通过第一热交换器21冷却第一高压储罐11。剩余的线路基本上相应于图1的线路。在该实施例中，有可能在两高压储罐11、12的加热和冷却之间相互对调而不需要任何特殊阀门。
应当理解图1和2仅示意性地示出了本发明的基本工作原理。有无数种方法进行更改。因此有可能提供多余两个高压储罐11、12并根据环境热交换器1、2的预定转换循环连接到环境热交换器上，并因此加热或冷却它们。本发明的另一更改如图3所示。
在图3的实施例中，第一高压储罐11设有第一热交换器21和第五热交换器25。第二高压储罐12装备有第二热交换器22和第六热交换器26。第一环境热交换器1可通过阀门56、57选择地连接到第一热交换器21和第二热交换器22。同时，第二环境热交换器2可通过阀门58、59可选择地连接到第五热交换器25和第六热交换器26。工作机械31通过阀门52、53与第一高压储罐11和第二高压储罐12相连接。由于两高压储罐11、12的加热和冷却的变换，可驱动工作机械31，因此工作介质通过具有较高压力的高压储罐11、12进入另一具有较低压力的高压储罐12、11而膨胀。工作介质的压力的大小约200巴；它还可达到300巴或更高。
第一和第二高压储罐11、12通过具有阀门61、62、63、64的高压管线与第三高压储罐13和第四高压储罐14相连接。第三高压储罐13包括第三热交换器23和第七热交换器27，而第四高压储罐14包括第四热交换器24和第八热交换器28。第三、第四、第七和第八热交换器23、24、27、28通过阀门65、66与压缩机32相连接，该压缩机由工作机械31驱动。
几个高压缓冲储存单元41通过阀门61、62、63、64与高压储罐11、12、13、14相连接且还与第七和第八热交换器27、28偶合。此外，高压循环与第七和第八热交换器57、28相连接，具有另一工作机械33，它在下游侧通过阀门67、68与第三和第四热交换器23、24相连接。
以下对根据本发明该装置的操作性能进一步详细解释：
高压储罐11、12最初充有相同压力例如200巴的工作介质。工作介质可为空气，但也可考虑其它适合的气体。现假设通过暴晒或第一环境热交换器1通过其它加热方式，所述环境热交换器1内的温度升高，而环境热交换器2中的温度是低的，因为它位于阴凉处，例如在建筑物内或在土壤中。在第一工作循环中，阀门56和59打开且阀门57和58关闭。这就是第一高压储罐11通过第一热交换器21被加热，而第二高压储罐12通过第六热交换器26被冷却的原因。通过温度的增加已经增加的第一高压储罐11中的压力经过工作机械31，且工作介质供应到第二高压储罐12。工作机械31与压缩机32机械偶合，压缩机将工作介质压缩到高压并首先引导它通过第七和/或第八热交换器27、28，在该处压缩热量传递到第三和/或第四高压储罐13、14。工作介质以高压储存在高压缓冲储存单元41中。
第一和第二高压储罐11、2之间加热的变化在以上已经详细解释。在几个循环之后，第三和/或第四高压储罐13、14中的温度以及因此的压力已经升高到工作介质可被膨胀和通过另一工作机械31的程度。膨胀和冷却了的工作介质被引导通过第三和/或第四热交换器23、24并冷却相应的高压储罐13、14。在相应的控制情况下有可能产生能用于冷却建筑物或装置的制冷。
本发明允许高效率地将热能转化成机械能并具有最大量的适应性。

Claims (32)

1.一种热力发动机，具有用于以第一温度水平与周围环境进行热交换的第一环境热交换器(1)、用于以第二温度水平与周围环境进行热交换的第二热交换器(2)、用于接收高压工作介质的第一高压储罐(11)、用于接收高压工作介质的第二高压储罐(12)、用于从来自高压储罐(11、12)的工作介质的膨胀获得机械能的工作机械(31)、和用于控制该过程的控制设备(42)，其特征在于，所述第一高压储罐(11)包括第一热交换器(21)，所述第一热交换器(21)与所述环境热交换器(1、2)空间上隔开并可与所述第一环境热交换器(1)相连接，所述第二高压储罐(12)包括第二热交换器(22)，所述第二热交换器与所述环境热交换器(1、2)空间上隔开并可与所述第二热交换器(2)相连接，以及设有与所述工作机械(31)机械偶合的压缩机(32)。
2.如权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，所述工作机械(32)设置为涡轮机。
3.如权利要求1或2所述的热力发动机，其特征在于，所述压缩机(32)设置为高压压缩机。
4.如权利要求1至3任一项所述的热力发动机，其特征在于，所述第一环境热交换器(1)与所述第一热交换器(21)和/或所述第二热交换器(22)连接在封闭的热载体循环中。
5.如权利要求1至4任一项所述的热力发动机，其特征在于，所述第二环境热交换器(2)与所述第一热交换器(21)和/或所述第二热交换器(22)连接在封闭的热载体循环中。
6.如权利要求1至5任一项所述的热力发动机，其特征在于，所述工作机械(31)是可逆的。
7.如权利要求1至6任一项所述的热力发动机，其特征在于，所述第一高压储罐(11)除了所述第一热交换器(21)还包括第五热交换器(25)，以及所述第二高压储罐(12)除了所述第二热交换器(22)还包括第六热交换器(26)。
8.如权利要求7所述的热力发动机，其特征在于，所述第一环境热交换器(1)可选择地与所述第五和第六热交换器(25、26)相连接，以及所述第二环境热交换器(2)可选择地与所述第一和第二热交换器(21、22)相连接。
9.如权利要求8所述的热力发动机，其特征在于，所述第一环境热交换器(1)与所述第五和第六热交换器(25、26)一起设置在封闭的热载体循环中，以及所述第二环境热交换器(2)与所述第一和第二热交换器(21、22)一起设置在另一封闭的热载体循环中。
10.如权利要求1至9任一项所述的热力发动机，其特征在于，所述第一环境热交换器(1)或所述第二环境热交换器(2)设置为太阳能集热器。
11.如权利要求1至10任一项所述的热力发动机，其特征在于，所述第一环境热交换器(1)或所述第二环境热交换器(2)设置为地-空气交换器。
12.如权利要求1至11任一项所述的热力发动机，其特征在于，所述第一环境热交换器(1)或所述第二环境热交换器(2)设置为用于加热和/或冷却房间或设施的热交换器。
13.如权利要求1至12任一项所述的热力发动机，其特征在于，还设有第三高压储罐(13)和第四高压储罐(14)，它们可选择地与所述工作机械(31)相连接。
14.如权利要求13所述的热力发动机，其特征在于，所述第三和/或第四高压储罐(13、14)与周围环境隔离。
15.如权利要求13或14所述的热力发动机，其特征在于，所述第三高压储罐(13)包括第三热交换器(23)，以及所述第四高压储罐(14)包括第四热交换器(24)。
16.如权利要求15所述的热力发动机，其特征在于，所述第三热交换器(23)和所述第四热交换器(24)可选择地与所述压缩机(32)相连接。
17.如权利要求15或16所述的热力发动机，其特征在于，所述第三热交换器(23)和所述第四热交换器(24)可选择地与另一工作机械(33)相连接。
18.如权利要求13至17任一项所述的热力发动机，其特征在于，所述第三高压储罐(13)除了所述第三热交换器(23)还包括第七热交换器(27)，以及所述第四高压储罐(14)除了所述第四热交换器(24)还包括第八热交换器(28)。
19.如权利要求18所述的热力发动机，其特征在于，所述第七热交换器(27)和所述第八热交换器(28)可与所述压缩机(32)和与所述工作机械(31、33)连接在高压热载体循环中。
20.如权利要求1至19任一项所述的热力发动机，其特征在于，此外还设有高压缓冲储存单元(41)。
21.一种用于将热能转化为机械能的方法，其中以第一温度水平通过第一环境热交换器(1)从周围环境吸收热量，并传输到存在于高压储罐(11、12)中的高压工作介质，以及其中第二环境热交换器(1)以第二温度水平与周围环境进行热交换，高压工作介质在工作机械(31)中被膨胀，其特征在于，使得第一高压储罐(11)以交替方式与所述第一环境热交换器(1)和所述第二环境热交换器(2)热力连接，以及通过所述工作机械(31)驱动压缩机(32)，所述压缩机压缩所述工作介质或另一工作介质。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，使得第二高压储罐(12)以交替方式与所述第一环境热交换器(1)和所述第二环境热交换器(2)热力连接，因此所述第一高压储罐(11)与环境热交换器(1、2)热力连接且所述第二高压储罐(12)与另一环境热交换器(2、1)热力连接。
23.如权利要求21或22所述的方法，其特征在于，在所述第一高压储罐(11)中的工作介质通过第一热交换器(21)被加热和冷却，因此使得所述第一热交换器(21)以交替的方式与所述第一环境热交换器(1)和所述第二环境热交换器(2)相连接。
24.如权利要求21至23任一项所述的方法，其特征在于，工作介质在所述第一高压储罐(11)中通过第一热交换器(21)被加热和冷却，因此使得所述第一热交换器(21)以交替的方式与所述第一环境热交换器(1)和所述第二环境热交换器(2)相连接。
25.如权利要求21至24任一项所述的方法，其特征在于，在第一工作循环中，工作介质在所述第一高压储罐(11)中通过第一热交换器(21)以交替的方式被加热，因此使得所述第一热交换器(21)与所述第一环境热交换器(1)相连接，而同时所述第二高压储罐(12)通过第六热交换器(26)被冷却，因此使得所述第六热交换器(26)与所述第二环境热交换器(2)相连接，以及在第二工作循环中，所述第二高压储罐(12)中的工作介质通过第二热交换器(22)被加热，因此使得所述第二热交换器(22)与所述第一环境热交换器(1)相连接，而同时所述第一高压储罐(11)通过第五热交换器(25)被冷却，因此使得所述第五热交换器(25)与所述第二环境热交换器(2)相连接。
26.如权利要求1至25任一项所述的方法，其特征在于，所述压缩机(32)加热工作介质，该工作介质将热量以交替方式通过第三和第四热交换器(23、24)传输到存在于第三或第四高压储罐(13、14)中的工作介质。
27.如权利要求21至26任一项所述的方法，其特征在于，来自所述第一和第二高压储罐(11、12)和可选择地来自所述第三和第四高压储罐(13、14)的工作介质在另一工作机械中膨胀。
28.如权利要求21至27任一项所述的方法，其特征在于，高压工作介质储存在另一高压缓冲储存单元(41)中。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，使用压缩空气作为工作介质，它被用于驱动另一工作机械，例如泵、发电机、汽车等。
30.如权利要求21至29任一项所述的方法，其特征在于，所述热交换器(21、22)的交替传送通过反转传输泵(2)进行。
31.如权利要求21至30任一项所述的方法，其特征在于，在压缩过程中产生的热量用于加热建筑物或设施。
32.如权利要求21至31任一项所述的方法，其特征在于，在膨胀过程中产生的制冷作用用于冷却建筑物或设施。
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