CN101883958B - 用于借助于机械能将低温的热能转换为较高温的热能以及进行反向转换的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于利用流经封闭的热力的循环过程的工作介质借助于机械能将低温的热能转换为较高温度的热能以及进行反向转换的方法，其中所述循环过程具有以下工作步骤：对工作介质进行可逆的绝热的压缩；从工作介质上等压地散热；对工作介质进行可逆的绝热的减压；向工作介质等压地供热；并且其中在压缩或减压过程中通过作用于所述工作介质的离心力的提高或者降低来提高或降低工作介质的压力，从而在压缩或减压过程中基本上保持所述工作介质的流动能量。

Description

用于借助于机械能将低温的热能转换为较高温的热能以及进行反向转换的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于利用流经封闭的热力的循环过程的工作介质借助于机械能将低温的热能转换为较高温的热能以及进行反向转换也就是说在输出机械能的情况下将高温的热能转换为低温的热能的方法，其中所述循环过程具有以下工作步骤： 

-对工作介质进行可逆的绝热的压缩； 

-从工作介质上等压地散热； 

-对工作介质进行可逆的绝热的减压； 

-向工作介质等压地供热。 

此外，本发明涉及一种用于实施按本发明的方法的装置，该装置具有压缩机、减压单元以及分别用于供热或散热的换热器。 

背景技术

从现有技术中已知不同的装置所谓的热力泵，对于所述热力泵来说通常借助于电动机通过压力提升将低温的工作介质加热到较高的温度。对于已知的热力泵来说，在热力的循环过程中导送工作介质，其中这种热力的循环过程包括在工作介质的节流阀上进行的汽化、压缩、液化和膨胀；也就是说通常工作介质的聚集态会变化。 

对于已知的热力泵来说通常使用冷冻剂R134a或者一种其中由R134a制成的混合物，所述冷冻剂虽然不具有破坏臭氧的作用，但是具有比等量的CO₂高1300倍的形成温室的效应。这样的基本上根据卡诺(Carnot)-过程来实施的方法具有大约5.5的理论上的功率因数或者COP(Coefficient of Performance)也就是说释放的热量与所使用的热能之间的比例(在将工作介质从0“喘振”到35℃时)。但是实际上以往在最佳情况下实现4.9的功率因数；通常今天很好的热力泵达到大约4.7的功率因数。 

从WO 1998/30846A1中公开了一种装置，该装置可以用作冷冻机或者用作马达，其中这里将空气用作工作介质并且该工作介质从周围环境中吸入并且在压缩或者减压之后又排放给周围环境。对于这样公开的系统来说，不利的是，在工作介质进入机器中时形成旋转脉冲并且在工作介质从机器中排出时减少旋转脉冲，从而出现巨大的摩擦损失。 

从DE 27 29 134 A1中公开了一种具有一个构造为空心结构的转子的装置，其中这里设置了导向通道或导向叶片，所述导向通道布置在旋转体的外面的圆周上并且因此在导向通道与工作介质之间出现很高的相对速度。通过这样的导向叶片同样出现很高的流动能量损失，这导致功率因数比较低。 

从FR 2 749 070 A1中仅仅公开了一种其它类型的热力泵，该热力泵具有一台传统的涡轮压缩机或者具有一个锯齿形的压出器。 

此外，从GB 1 217 882 A中公开了一种热力的装置，该装置虽然原则上利用离心力，但是其中这里也设置了一个节流位置，因而出现巨大的摩擦损失。 

另一方面在现有技术中也已知大量的方法，在这些方法中将来自地热的液体和地热的蒸汽的热量转换为电能。在所谓的卡林那(KALINA)过程中，热量从水释放给氨水混合物，从而在温度低得多时就已经产生蒸汽，该蒸汽用于驱动涡轮机。这样的卡林那(KALINA)过程比如在US 4 489 563中得到说明。 

对于极为不同的换热方法来说，在理论上可以得到很高的功率因数，但是在传统的压缩机和减压单元中工作介质在气态的范围中被压缩或者得说减压，通常这样的压缩机和减压单元的效率比较差。 

发明内容

因此，本发明的任务是，在借助于机械能将低温的热能转换为较高温的热能或者反向转换时提高效率或功率因数。 

按本发明这通过以下方式来实现，即在压缩或减压过程中工作介质的压力提高或压力降低通过作用于所述工作介质的离心力的提高或降低来进行，从而在压缩或减压过程中基本上保持所述工作介质的流动能量。通过工作介质的离心加速的利用及其流动能量的保持，相对于传统的压缩机获得明显更高的效率，在传统的压缩机上将工作介质的很高的速度在压缩机的圆周上转换为压力并且就这样获得很差的效率。同样在减压过程中通过离心力的降低来降低工作介质的压力时也在减压方面提高了效率。由此大大提高整个方法的功率因数或效 率。 

此外为提高效率，有利的是，工作介质在整个循环过程中为气态，因为在气态的工作介质膨胀时可以回收在能量方面有意义的功，这种功对于液态的介质来说在能量方面不重要。此外，对效率的影响在气态的范围中大于在2相范围中。 

关于借助于离心加速进行很高程度的压缩方面，有利的是，使用在压力恒定(cp)时具有很低的比热容或具有很高的密度的气体。因此，优选作为工作介质使用惰性气体、尤其氪气、氙气、氩气或者氡气或者这些气体的混合物。此外事实表明，有利的是，封闭的循环过程中的压力至少超过50bar尤其超过70bar优选为基本100bar，也就是说在整个方法过程中压力比较高。由于比较的压力，可以将换热器中的压力损失保持在微小的程度上，因为传热效率在流动速度比较低时是比较高的。 

如果在气态的工作介质的临界点的附近实施所述循环过程，那就进一步改进整体效率或提高功率因数，其中在压力或温度不同时所述临界点就依赖于所使用的工作介质而存在。使总体功率因数或者或整体效率最大化，方法是在熵范围内实施减压，该熵范围尽可能与相应的临界点的熵相同。此外，有利的是，下减压温度尽可能勉强高于所述临界点。所述临界点可以通过气体混合物与所期望的过程温度相匹配。 

在此以在结构上简单且有效的方式对工作介质进行冷却或加热，如果为了进行散热并且进行供热而使用具有等熵指数Kappa～1的换热介质，也就是说使用这样的介质尤其一种液态的换热介质，对于这些介质来说在提高压力时温度基本上保持恒定。 

对于用于实施所述按本发明的方法的装置来说，压缩机或减压单元没有导轮并且如此构成，从而通过作用于工作介质的离心力的提高或降低来提高或降低工作介质的压力。由此如前面结合所述按本发明的方法已经说明的一样，在工作介质的压缩和减压方面明显地提高效率并且由此相对于已知的装置明显地提高所述按本发明的装置的功率因数或效率。 

关于所述换热器的一种结构上简单的设计方案，有利的是，所述换热器相应地具有至少一个被液态的传热介质从中流过的管子。 

关于从压缩机到减压单元的尽可能无摩擦的过渡也就是说为了保持工作介质的流动能量，有利的是，所述减压单元通过换热器直接连接到压缩机上。关于所述装置的在结构上简单的设计方案，有利的是，所述压缩机和减压单元的工作轮支承在一个共同的旋转轴上。 

可以以结构上简单的方式通过离心加速来提高工作介质的压力，如果设置了与所述压缩机和减压单元的工作轮一同旋转的外壳。 

为了有效地对被压缩的工作介质进行冷却，有利的是，在所述外壳中容纳了一同旋转的换热器。有利的是，所述一同旋转的换热器在圆周侧上布置在外面。 

但是同样可以取代与工作轮一同旋转的外壳来设想，所述工作轮被静止的外壳所包围。由此可以减少结构上的开销。但是为了在所述换热器的与所述静止的外壳相连接的管子上避免工作介质的摩擦损失，有利的是，在所述外壳中部分地容纳着所述换热器的管子，其中所述静止的外壳的表面构造为尽可能光滑的结构，所述工作介质与所述静止的外壳的表面相接触。 

为了避免外面的旋转的部件，有利的是，设置了将所述压缩机和减压单元包围的不可扭转地布置的外壳。 

为了有效地向工作介质供热，有利的是，这两个换热器被容纳在所述外壳中。 

如果设置了至少一个在回路中对工作介质进行导引的以能够旋转的方式得到支承的管道系统，那就获得一种具有较小的总重的装置，因为对所述工作介质进行导引的管子的壁厚可以构造得小于容纳着所述工作介质的外壳的壁厚。 

关于借助于离心力对管道系统中的工作介质进行压缩这个方面，有利的是，所述管道系统具有线性的沿径向方向延伸的压缩管。 

为了可靠地在管道系统中在回路中对工作介质进行导引，有利的是，所述管道系统具有逆着旋转轴的旋转方向弯曲的减压管。在此，所述减压管可以为了一种结构上简单的设计方案在横截面中圆弧状地弯曲。作为替代方案，也可以这样安排，即所述减压管在横截面中具有弯曲部，该弯曲部则具有朝旋转中心恒定地减小的半径。由此可以减少管道系统中可能的涡流。 

如果在所述管道系统中容纳着相对于该管道系统旋转的叶轮，那 么同样可靠地保证工作介质在管道系统中的流动。在这种情况下，所述构造为压缩机、减压涡轮机或者导轮的叶轮不可扭转地来布置，其中由于不可扭转的布置结构相对于旋转的管道系统产生相对运动。同样可以设想，比如为所述叶轮配设用于产生或者用于利用相对于管道系统的相对运动的电动机或发电机，该发电机通过所述叶轮的相对运动将所产生的轴端功率转换为电能。 

关于简单而有效的供热或散热，有利的是，所述管道系统的轴向伸展的区段被所述换热器的同轴布置的管子所包围。 

为了将来自压缩过程的必需的能量与来自减压过程的所回收的能量之间的能量差在作为热力泵运行时输送给所述装置，有利的是，电动机与所述旋转轴或者管道系统相连接。 

为了将从不同的温度水平中提取的机械能转换为电能，也就是说如果将所述装置用作热力机，那么有利的是，发电机与所述旋转轴相连接。 

附图说明

下面还要借助于在附图中示出的优选的实施例对本发明进行详细解释，但本发明不应该局限于所述实施例。当然也可以实现所示出的实施例的组合。详细附图如下： 

图1是在作为热力泵运行时所述按本发明的装置或者所述按本发明的方法的过程方框图的示意图； 

图2是具有一同旋转的外壳的按本发明的装置的剖视图； 

图3是具有静止的外壳的按本发明的装置的剖视图； 

图4是类似于图3的具有容纳在内部的电动机的剖视图； 

图5是一种另外的具有管道的实施例的剖视图，在所述管道中导送着工作介质； 

图6是按图5中的线条VI-VI的剖面； 

图7是按图5中的线条VII-VII的剖面； 

图8是一种另外的具有容纳着工作介质的管道系统的实施例的剖视图； 

图9是按图8的装置的透视图； 

图10是类似于图5的但是具有一台静止的涡轮机的装置的剖视图；并且 

图11是类似于图10的但是具有一台相对于管道系统旋转的涡轮机的剖视图。 

具体实施方式

图1示意地示出了一个如原则上从现有技术中已知的一样的热力的循环过程的过程方框图。在如示出的一样作为热力泵使用时，首先借助于压缩机1对气态的工作介质进行等熵的压缩。随后通过换热器2进行等压的散热，从而将具有很高的温度的热能通过回路(用水、水/防冻剂或者其它液态的传热介质)释放给加热回路。 

随后在构造为涡轮机的减压单元3中实施等熵的减压，由此回收机械能。随后通过一个另外的换热器4实施等压的供热，由此将低温的热能通过一条回路(用水、水/防冻剂、盐水或者其它液态的传热介质)输送给所述系统。在此通常供给来自井水来自所谓的深度探测器的热能，对于所述深度探测器来说处于深达200m地下的换热器抽走热量并且输送给热力泵，或者从勉强处于地下的大面积的换热器(管道)中或者从空气中提取热能。在等压的供热之后又如前面所说明的一样借助于压缩机1进行等熵的压缩。 

只要所述按本发明的装置或所述按本发明的方法用于将更高温的热能转换为低温的热能，那就以相反的顺序进行前面所说明的循环。在作为热力泵运行的情况下，设置了一台用于驱动旋转轴5’的电动机5；在作为热力机运行时，所述电动机由发电机5或电动机-发电机5所取代。 

图2示出了一个按本发明的装置，在该装置中借助于电动机5通过旋转轴5’来驱动具有一同旋转的外壳6的压缩机1。此外，用所述由电动机5驱动的旋转轴5’来驱动所述压缩机1的工作轮1’，从而由于一同旋转的外壳6中的离心加速对容纳在封闭的静止的外壳8中的惰性气体优选氪气或者氙气进行压缩。 

在所述一同旋转的外壳6中容纳着所述换热器2的一个螺旋状的管道9，在所述换热器2中容纳着换热介质比如水。比较冷的水通过入口10沿流动方向10’加入到所述螺旋状的管道9中并且在圆周外侧布置在所述一同旋转的外壳6中，用于在工作介质的压力尽可能高时获得工作介质的等压的散热，从而可以在出口11上提取比较热的水。 

所述工作介质而后在没有明显的流动损失的情况下流往所述减 压单元3的工作轮3’，通过所述减压单元3来回收机械能。随后在工作介质又通过所述压缩机1的工作轮1’经受绝热的等熵的压缩之前通过静止的外壳8中的另外的换热器4的螺旋状的管道12进行等压的供热。 

但是重要的仅仅是，容纳在所述形成一个封闭的系统的装置中的工作介质的能量在压缩机1中进行压缩时并且/或者在减压单元3中进行减压时保持其流动能量并且仅仅通过工作介质的气体分子离心加速来提高或降低工作介质的压力。由此可以在借助于电能或机械能将低温的热能转换为较高温度的热能时并且在相反转换时大大提高效率或功率因数。 

图3示出了一种另外的实施例，其中这里设置了一个静止的内部外壳6’。由此简化设计上的开销。为了将气态的工作介质的流动损失保持在微小的程度上或尽可能保持工作介质的涡旋，静止的表面构造为尽可能光滑的结构，所述工作介质与所述静止的表面相接触，并且没有设置任何横向于流动方向放置的会进一步提高压力损失的导热管。因此所述换热器2的螺旋状的管道9不是自由放置的，而是容纳在具有光滑的表面2’的静止的外壳6’中。为了提高整个装置的功率因数或效率，在所述静止的外壳6’中容纳着绝热件13。 

图4示出了一种另外的实施例，该实施例基本上相当于图3的实施例，并且仅仅电动机5的布置是不同的；在该实施例中也就是说电动机5容纳在所述固定的外壳6的内部。 

为了向电动机5供电而设置了导线14，所述导线14通过静态密闭的电流套管15以及静止的电动机轴16来敷设。所述电动机5在此与压缩机1或减压单元3相连接，使得压缩机1或减压单元3一同旋转。由此可以有利地省去动态的密封件(气体密封件或液体密封件，并且由此减少保养作业。 

图5到7示出了所述按本发明的装置的一种另外的实施例，其中这里所有处于工作介质的压力之下的部件构造为管子或管道系统17，由此减少所述装置的总重并且管子17的壁厚可以构造得小于在图2到4中示出的外壳6、6’和8的壁厚。 

在此，工作介质由于离心加速首先在所述压缩机单元1的管道系统17的径向伸展的压缩管18中被压缩。所述换热器2在此具有关于 管子17的处于外面的沿轴向方向伸展的区段同轴布置的管子19，所述管子19将相应的管子17包围，从而将被压缩的工作介质的热量在逆流中释放给换热器2的液态的换热介质。 

随后工作介质在(减压单元3的)减压管20中减压。所述减压管20在此逆着所述装置的旋转方向21弯曲，其中由于向后的管子弯曲部(参照图7)可靠地获得工作介质的循环。 

如尤其可以在图7中看出的一样，所述减压管20弯曲成半圆形，从而可以以设计上简单的方式来制造这些减压管20。随后工作介质沿轴向方向在管道系统17中流动，其中这里低压换热器4又具有一个同轴布置的管子19，从而可以将热量从液态的换热介质释放给冷的减压的工作介质。 

如尤其可以在图7中看出的一样，由此获得2个封闭的在俯视图中基本上为8字蝴蝶结形的用于工作介质的管道系统17，所述管道系统以彼此错移90°的方式来布置。当然所述管道系统17也可以具有更大数目的管道20，仅仅所述装置的旋转对称由于更为简单的平衡而应该得到保持。 

所述换热器2和4的关于管子17的轴向伸展的区段同轴布置的管子19通过管路22、23、24、25彼此在导送液体的情况下相连接，其中所述管道系统22到25固定地与其余的装置相连接，使得所述管路22到25构造为一同旋转的结构。所述液态的传热介质通过静态的分配器26的入口26’输送给管道系统17；然后通过一个一同旋转的分配器27将换热介质通过管路22输送给换热器2，在该换热器2中换热介质经过加热后通过管路23导回到所述一同旋转的分配器27中。然后通过静态的分配器26或一个出口26”将经过加热的传热介质输送给加热回路。 

所述换热器4的冷的换热介质通过静态的分配器28的入口28’来导送，用一个另外的一同旋转的分配器29输送到这条一同旋转的通往低压换热器4的管路25中，在所述低压换热器4中将热量释放给气态的工作介质。随后换热介质通过所述一同旋转的管路25输送给一同旋转的分配器29而后输送给静态的分配器28，并且最后通过出口28”离开所述装置。 

为驱动压缩机1、换热器2、4以及减压单元3，又设置了一台电 动机5。 

图8和9示出了一种与图5到7的实施例相类似的实施例，但是其中这里减压管20在横截面中不是构造为圆弧形，而是具有朝旋转轴线中心30连续变小的半径。由此获得工作介质的单调下降地减速的运动，由此可以减少可能的涡流。此外在图8和9所示出的实施例中示出了两个彼此偏置60°布置的独立的管道系统17，其中每管道系统17进行三次压缩、减压等。 

图10示出了一种另外的实施例，该实施例大部分相当于图5到7的实施例，但是工作介质的循环不是由于逆着旋转方向弯曲的管子20来获得，而是借助于作为压缩机或作为涡轮机起作用的叶轮31来获得。所述叶轮31静止地布置，其中由于相对于将叶轮31包围的管子17的相对的旋转运动引起工作介质在管子17中的流动。 

在此工作介质在减压单元的管子17中得到减压并且输送给叶轮31，其中所述叶轮31容纳在叶轮外壳32中，该叶轮外壳32被盖板33所封闭。叶轮31通过轴承34以能够旋转的方式得到支承，但是具有永久磁体35，所述永久磁体35与不可扭转地布置在叶轮外壳32外部的永久磁体36共同作用，使得所述叶轮31不可扭转地得到布置。磁体36在此静止地保持在一个静止的轴37上。 

图11示出了一个与在图10中示出的实施例非常类似地构成的装置，但是其中这里借助于电动机38相对于所述压缩机和减压单元1和3的管子17产生叶轮31的相对的旋转运动。所述电动机38不可扭转地与所述一同旋转的分配器27相连接。在此通过容纳在轴40中的导线39来供电。为传输电流所述轴40具有接点41。电动机5在该实施方式中仅仅具有用于克服旋转的系统的空气阻力的功率。该电动机5因此可以通过涡轮机在液态的换热介质的回路中的使用来取消，所述涡轮机从这条回路中抽走所述功率。为克服空气阻力所需要的功率而后额外地由泵来完成，所述泵驱动着所述液态的传热介质的循环。 

Claims (28)

1.用于借助于机械能将低温的热能转换为较高温度的热能以及进行反向转换的方法，所述方法利用流经封闭的热力的循环过程的工作介质借助于机械能将低温的热能转换为较高温度的热能以及进行反向转换，其中所述封闭的循环过程具有以下工作步骤：

-对工作介质进行绝热的压缩；

-借助于换热介质从工作介质上等压地散热；

-对工作介质进行绝热的减压；

-借助于换热介质向工作介质等压地供热；

其中为在压缩或减压过程中提高或降低工作介质的压力而关于旋转轴线基本上沿径向向外或向里地来导送所述工作介质，由此提高或降低作用于所述工作介质的离心力，其特征在于，在封闭的循环过程中将所述工作介质并且将用于供热和散热的换热介质围绕着所述旋转轴线来导送，从而在封闭的循环过程中基本上保持所述工作介质的流动能量。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作介质在整个封闭的循环过程中为气态。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为工作介质使用惰性气体。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封闭的循环过程中的压力至少超过50bar。

5.按权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述气态的工作介质的临界点的附近实施所述封闭的循环过程。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为了进行散热和供热而使用在提高压力时温度基本上保持恒定的换热介质。

7.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述惰性气体是氪气、氙气、氩气、氡气或这些气体的混合物。

8.按权利要求6所述的方法，其特征在于，所述换热介质是液态的换热介质。

9.按权利要求4所述的方法，其特征在于，所述封闭的循环过程中的压力超过70bar。

10.用于实施按权利要求1到9中任一项所述的方法的装置，具有压缩机(1)、减压单元(3)以及分别用于供热或散热的换热器(2、4)，其中所述压缩机(1)和减压单元(3)以能够围绕着旋转轴线旋转的方式得到支承，并且所述压缩机或减压单元(1、3)如此构成，从而将压缩机(1)中的工作介质关于所述旋转轴线基本上沿径向向外或沿径向向里地导送，从而通过作用于工作介质的离心力的提高或降低来提高或降低压力，其特征在于，将压缩机(1)、减压单元(3)以及换热器(2、4)构造为一同旋转的结构，从而在封闭的循环过程中基本上保持工作介质的流动能量，其中在封闭的循环过程中将所述工作介质在所述压缩机(1)和减压单元(3)中围绕着所述旋转轴线来导送。

11.按权利要求10所述的装置，其特征在于，所述换热器(2、4)分别具有至少一个被液态的传热介质从中流过的管子(9)。

12.按权利要求10所述的装置，其特征在于，所述减压单元(3)通过换热器(2、4)直接连接到所述压缩机(1)上。

13.按权利要求10所述的装置，其特征在于，所述压缩机和减压单元(1、3)的工作轮(1’、3’)支承在一个共同的旋转轴(5’)上。

14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，设置了与所述压缩机(1’、3’)和减压单元(3)的工作轮(1’)一同旋转的第一外壳(6)。

15.按权利要求14所述的装置，其特征在于，所述工作轮(1’、3’)被静止的第二外壳(6’)所包围。

16.按权利要求15所述的装置，其特征在于，在所述第二外壳(6’)中部分地容纳着所述换热器(2)的管子(9)。

17.按权利要求10所述的装置，其特征在于，设置了将所述压缩机(1)和减压单元(3)包围的不可扭转地布置的第三外壳(8)。

18.按权利要求17所述的装置，其特征在于，这两个换热器(2、4)被容纳在第三外壳(8)中。

19.按权利要求13所述的装置，其特征在于，设置了至少一个对回路中的工作介质进行导引的以能够旋转的方式得到支承的管道系统(17)。

20.按权利要求19所述的装置，其特征在于，所述管道系统(17)具有线性的沿径向方向伸展的压缩管(18)。

21.按权利要求19所述的装置，其特征在于，所述管道系统(17)具有逆着所述旋转轴(5’)的旋转方向弯曲的减压管(20)。

22.按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述减压管(20)的垂直于旋转轴(5’)的横截面圆弧状地弯曲。

23.按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述减压管(20)的垂直于旋转轴(5’)的横截面具有弯曲部，该弯曲部则具有朝旋转中心(30)恒定地减小的半径。

24.按权利要求19所述的装置，其特征在于，在所述管道系统(17)中容纳着相对于该管道系统(17)旋转的涡轮机(31)。

25.按权利要求24所述的装置，其特征在于，所述涡轮机(31)不可扭转地来布置。

26.按权利要求24所述的装置，其特征在于，为所述涡轮机(31)配设了用于产生相对于所述管道系统(17)的相对运动的电动机(38)。

27.按权利要求19所述的装置，其特征在于，所述管道系统(17)的轴向伸展的区段被所述换热器(2、4)的同轴布置的管子(19)所包围。

28.按权利要求21所述的装置，其特征在于，电动机或者发电机(5)与所述旋转轴(5’)或管道系统(17)相连接。

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