CN101484683A - 将热能转化为机械功的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将热能转化为机械功的方法。所述方法包括以下步骤，所述步骤以循环方式运行：将液体工作介质从供应容器(1)供应到工作容器(3)中；工作容器(3)内的工作介质被第一热交换器(5)加热；一部分量的工作介质从工作容器(3)流入气动－液压转换器(8)，来自气动－液压转换器(8)的液压流体在工作机(9)中被压缩，以将液压流体的液压功转化为机械功；来自气动－液压转换器(8)的工作介质被输送回供应容器(1)，液压介质返回至气动－液压转换器(8)。本发明还涉及一种实施该方法的装置。

Description

将热能转化为机械功的方法与装置
本发明涉及将热能转化为机械功的方法和装置。
已知的，有多种将热能转化为机械功、以及，如果需要，将其转换为电能的循环过程和装置。这些过程为例如蒸汽动力过程、斯特林过程等等。利用这种方法的一种可能性是，通过使用废热增加内燃机效率。然而这里的问题是，因为内燃机的冷却回路通常在大约100℃温度下工作，可利用的温度级别十分不利。当将来自太阳能发电设备的热量转化为机械功时，会产生相似的问题。
文献WO 03/081011A公开了用于这种热动力过程的一种特殊解决方案。在该文献中描述了一种方法，其中，通过在多个气囊式蓄能装置中加热工作流体而对液压流体加压，所述液压流体在工作机中做功(work off)。虽然这种方法是按原理工作，但已经发现它的效率是中等的，而且与所能产生的能量相比，设备经费相当高。
一种在中等效率下通过热转换产生功的非连续运行方法进一步被美国专利号3,803,847A公开。
本发明的目的是提供一种如上所述的即使在不利的热状态下也能实现高效率的方法，同时设备费用尽可能的低。
根据本发明，这种方法由以下步骤组成，其以一种循环过程运行：
--从储罐向工作槽供给液态工作流体；
--通过第一热交换器加热工作槽内的工作流体；
--允许一部分工作流体从工作槽溢流到气动-液压转化器中，这导致液压流体从气动-液压转化器中被推进到工作机中，用于将液压流体的动能转化为机械功；
--通过使液压流体再循环回到气动-液压转化器中，将工作流体从气动-液压转化器送入储罐。
在第一步骤中，将具有适当蒸气压力曲线的工作流体(例如R134a、即1，1，1，2-四氟乙烷)从储罐中提取。储罐中的工作流体处于液相和气相的平衡状态。由此，压力选择为保持此平衡状态。当使用R134a，而环境温度为20℃附近时，第一压力为大约6巴。工作流体被传送到工作槽，在该工作槽中，较佳地为第二、较高的压力占主导地位。第二压力可以是例如40巴。如果以较佳的方式，只有液态工作流体由泵传送到工作槽中，则该传送所消耗的能量可以最小化。
在第二步骤中，工作流体在工作槽中被加热。加热导致压力进一步增加，且工作流体部分蒸发。较佳地通过废热来进行加热，例如来自内燃机的废热。如果工作流体被加热至100℃，废热可被最优地利用。
第三步骤中，工作流体被允许溢流至气动-液压转化器。这些可发生在第二步骤之后，那就是说，首先热量被完全供给，之后在工作槽和气动-液压转化器之间建立连接。然而，这些步骤可以部分或完全地同时进行，即，流体在工作槽内被加热，同时流体流入气动-液压转化器。这样，因为工作流体膨胀的冷却效应被即时调节，效率被优化。此外，循环时间被缩短。在可以实施为例如气囊式蓄能器的气动-液压转化器中，流入的工作流体取代位于液压室内的液压流体，并在适合的工作机中做功，例如在液压马达中，用于产生机械功，机械功又能用来转化为电能。
在第四步骤中，气动-液压转化器通过小泵再次装满液压流体，工作流体被取代并再循环进入储罐。在适当的地方，工作流体被引导通过第二热交换器，这使得可能将其温度适应到环境温度。
第四步骤之后，循环过程继续进行第一步骤。
如果相应地利用可能的相变，该系统的效率和性能可以被优化。更具体地，在第一步骤中，工作流体应当仅仅以液态进入，而在第三步骤中，仅仅有气相被传送至气动-液压转化器。
优选的，工作流体从气动-液压转化器再循环至储罐期间，工作槽和气动-液压转化器之间的连接断开。这使得溢流损失最小化。
如果在将工作流体从储罐供应至工作槽的同时冷却工作流体，效率可以被优化。冷却可通过环境热交换器产生，即通过流动冷却器，但是，若冷量不用作其他目的，例如空调系统或冷却装置，则也可以使用由第二热交换器产生的冷量。
如果液压流体的温度保持为相当于气动-液压转化器中的工作流体的平均温度，可以实现特别的有益效果。这样，可以避免不需要的温度补偿效应。
如上解释，有可能将工作流体从气动-液压转化器引导通过第二热交换器。取决于执行方法的方式，可在第二热交换器中产生由工作流体膨胀而产生的低温。这些低温可以用于冷却，以节省此处的能量需求。
对低温的生成所作的另一个改进是通过使来自气动-液压转化器的工作流体膨胀到一膨胀压力，该膨胀压力低于储罐的第一压力，并接下来被压缩至第一压力。
本发明还涉及一种将热能转化为机械功的装置，所述装置具有储罐、工作槽和用于将液压功转换为机械功的工作机。
根据本发明，将所述的工作槽设置成连接到用于加热该工作流体的第一热交换器，所述工作槽进一步连接到气动-液压转化器，气动-液压转化器将工作流体的压力传递给液压流体，而且设置有再循环管道用于将工作流体从气动-液压转化器再循环至储罐。
在特别优选设备变型中，将多个工作槽和气动-液压转化器并联。
在实用的设备中，五个该装置在附图1中被显示为以并排的关系并联设置，且以时间交错的方式运行，这是五缸内燃机的中的情况。这可以实现无显著周期性波动的连续作业。
下面将结合附图1的流路图更详细地介绍本发明的方法和装置，附图1示出了本系统的主要部件。附图2则示出了工作流体的典型蒸气压力曲线。
储罐1容纳工作流体，例如可以使用如R134a的制冷剂。在环境温度和大约6巴压力下，储罐1中的工作流体处于相平衡状态。储罐1通过进给泵2连接到工作槽3，该连接可通过阀门4切换。工作槽3内配置有第一热交换器5，其用于加热工作槽3中的工作流体。通过增压泵6将来自此处未示出的内燃机的废热供应到热交换器5，例如将100℃的水引导通过第一热交换器5。通过溢流管线7，工作槽5与气动-液压转化器8的第一工作腔8a连接，气动-液压转化器8被构造成为气囊式蓄能器。第一工作腔8a通过柔性膜8c与第二工作腔8b分离，柔性膜8c在分隔两个工作腔8a、8b的同时允许两个工作腔压力补偿。气动-液压转化器8的第二工作腔8b与液压回路连接，该液压回路包括带有用法兰连接的发生器10的工作机9、油箱20、循环泵17和第三热交换器11。第三热交换器11通过泵12供给。另一条工作管线19将气动-液压转化器8的第一工作腔8a连接到第二热交换器16，第二热交换器16通过增压泵14与储罐1连通。至于其他部分，管线7、19可以通过阀门7a、19a有选择地关闭。
下面详细描述本发明装置的运行方式。
在第一步，液态工作流体通过进给泵2从储罐1流入工作槽3，同时压力从6巴增加到40巴。
当工作槽3被液体工作流体完全充满之后，关闭阀门4，进行通过第一热交换器5的加热。加热构成第二步骤。为此，可以使用另一个过程的废热。
通过将工作流体加热至100℃，部分所述流体在工作槽3内蒸发，这些蒸气在第三步骤中通过溢流管线7而被输送，进入气动-液压转化器8的第一工作腔8a，此时阀门7a打开。通过第一热交换器5的进一步加热，压降得到补偿。同时，气动-液压转化器8的膜8c向第二工作腔8b移动，此时液压流体被推进通过驱动发生器10的工作机9。当气动-液压转化器8的第二工作腔8b大半流空时，第三步骤结束。
在第四步骤中，液压流体通过泵17从油箱20再循环至气动-液压转化器8的第二工作腔8b，从第一工作腔8a引导工作流体通过同时打开的管路19的阀门19a、通过第二热交换器16，从而被膨胀。增压泵14将工作流体再循环回到储罐1。如箭头21所指出的，工作流体在第二热交换器16中吸收的热量可被排出，以作为操作冷却系统或空调系统的制冷能力。通过热交换器15的部分流可以同时用于在压缩期间工作流体的冷却。
附图2说明了适用于上述循环过程的一种工作流体的典型的蒸气压力曲线。所述工作流体是R134a，其为公知的制冷剂，即1，1，1，2-四氟乙烷。如可以看到的，在环境温度和大约6巴压力下，液相与气相平衡。在100℃温度下，液相与气相平衡的压力大约为40巴。
使用简单的设备结构，本发明允许实现对其他过程例如来自内燃机运行的废热的最佳利用。

Claims (22)

1.一种将热能转化为机械功的方法，所述方法包括循环运行的以下步骤：
从储罐(1)向工作槽(3)提供液态工作流体；
在工作槽(3)中通过第一热交换器(5)加热所述工作流体；
允许一部分工作流体从工作槽(3)溢流至气动-液压转化器(8)中，这导致液压流体从气动-液压转化器(8)被推进到工作机(9)，用于将液压流体的液压功转化为机械功；
通过将液压流体再循环至所述气动-液压转化器(8)内，使所述工作流体从所述气动-液压转化器(8)返回至所述储罐(1)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工作流体从所述储罐(1)中的第一、较低压力被压缩到所述工作槽(3)内的第二、较高压力。
3.如权利要求1或2任一项所述的方法，其特征在于：将所述工作流体以液态从所述储罐(1)传送到工作槽(3)。
4.如权利要求1—3任一项所述的方法，其特征在于：所述工作流体在所述工作槽(3)内被加热的同时部分蒸发，并以气态从所述工作槽(3)被引导进入所述气动-液压转化器(8)。
5.如权利要求1—4任一项所述的方法，其特征在于：所述工作流体在所述工作槽(3)内被等容加热。
6.如权利要求1—5任一项所述的方法，其特征在于：当所述工作流体从所述气动-液压转化器(8)返回所述储罐(1)时，所述工作槽(3)和所述气动-液压转化器(8)之间的连接由阀门(7a)或类似的装置断开。
7.如权利要求1—6任一项所述的方法，其特征在于：当所述工作流体从所述储罐(1)被供应到所述工作槽(3)时，所述工作流体由热交换器(15)冷却。
8.如权利要求1—7任一项所述的方法，其特征在于：所述液压流体通过热交换器保持在一温度下，该温度对应于所述气动-液压转化器(8)内的所述工作流体的平均温度。
9.如权利要求1—8任一项所述的方法，其特征在于：所述工作流体从所述气动-液压转化器(8)被引导通过第二热交换器(16)。
10.如权利要求1—9任一项所述的方法，其特征在于：来自所述气动-液压转化器(8)的所述工作流体膨胀至一膨胀压力，该压力低于所述储罐(1)内的所述第一压力，并随后被压缩到所述第一压力。
11.一种将热能转化机械功的装置，所述装置具有储罐(1)、工作槽(3)和用于将液压功转化为机械功的工作机(9)，其特征在于：所述工作槽(3)与第一热交换器(5)连通以加热工作流体，工作槽(3)还连接到气动—液压转化器(8)，所述气动-液压转化器(8)将工作流体的压力传送给液压流体，并且，设置有将所述工作流体从气动—液压转化器(8)再循环至储罐(1)的再循环管线。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于：设置有进给泵(2)，用于将所述工作流体从所述储罐(1)泵入所述工作槽(3)。
13.如权利要求11—12任一项所述的装置，其特征在于：所述第一热交换器(5)安装在所述工作槽(3)中。
14.如权利要求11—13任一项所述的装置，其特征在于：所述工作机(9)被构造成为液压马达。
15.如权利要求11—14任一项所述的装置，其特征在于：所述气动-液压转化器(8)被构造成为气囊式蓄能器。
16.如权利要求11—15任一项所述的装置，其特征在于：第二热交换器(16)被插在所述气动-液压转化器(8)和所述储罐(1)之间。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于：所述第二热交换器(16)为一冷凝器。
18.如权利要求17—17任一项所述的装置，其特征在于：在所述第二热交换器(16)的下游设置增压泵。
19.如权利要求11—18任一项所述的装置，其特征在于：所述工作槽(3)被构造成为蒸发器。
20.如权利要求11—19任一项所述的装置，其特征在于：在所述液压流体回路中设置第三热交换器(11)。
21.如权利要求11—20任一项所述的装置，其特征在于：设置有内燃机，所述内燃机具有与所述工作槽(3)连通的冷却系统。
22.如权利要求11—21任一项所述的装置，其特征在于：多个工作槽(3)和多个气动-液压转化器(8)并联。
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