CN101918679B - 热力发动机 - Google Patents

Abstract

热力发动机(1)，包括：至少两个气缸活塞装置(2-5)，所述气缸活塞装置分别含有处于预压压力(p_v)下的膨胀流体(8)，所述膨胀流体在温度变化时改变其容积并由此使活塞(7)移动；能单独控制的供热装置(16-20)，用于向每个气缸活塞装置(2-5)的膨胀流体(8)供热；和控制所述供热装置(16-20)的控制装置(21)，以便可以交替地加热和冷却每一膨胀流体(8)并从而使活塞(7)移动；其中所有的气缸活塞装置(2-5)的活塞(7)由一共同的预压流体(9)加载，以便对膨胀流体(8)施加一个共同的预压压力(p_v)，控制装置(21)配备有用于预压压力(p_v)的压力计(22)，并且控制装置(21)根据测量的预压压力(p_v)控制供热装置(16-20)的加热阶段和冷却阶段，以便将预压压力保持在一个预定的范围内。

Description

热力发动机

技术领域

本发明涉及一种热力发动机，特别是用于利用太阳热、来自生物的或工业的过程等的余热来进行低温运行，包括：

至少两个气缸活塞装置，其分别包括处于预压压力下的膨胀流体，所述膨胀流体在温度变化时改变其容积并由此使活塞移动，

能单独控制的供热装置，用于向每个气缸活塞装置的膨胀流体供热，和

控制供热装置的控制装置，以便可以交替地加热和冷却每一膨胀流体并从而使活塞移动。

背景技术

这样的热力发动机由US 5 916 140是已知的。有效的膨胀流体经常需要一个确定的预压压力，以便在要求的运行温度范围内显示出相当大的膨胀系数。对此的实例是液态的二氧化碳，其在约60-70bar的压力下在从20℃加热到30℃时使其容积改变约2.2倍。

US 5 916 140公开各种不同的方案，以便将膨胀流体在气缸活塞装置中置于要求的预压压力下。一方面建议金属弹簧或气体弹簧，以便朝膨胀流体的方向偏压活塞。但利用这样的与位移有关的弹簧力不能达到与活塞运动无关的预压压力。另一方面描述两个气缸活塞装置经由曲轴或通过对置气缸设置的机械连接，由此相应伸出的活塞保持对缩回的活塞的膨胀流体的预压压力。但这样的刚性的连接的前提是，加热和冷却阶段大致是相同长时间的，因为否则过慢缩回的活塞妨碍伸出的活塞，这导致效率的损失，或者为了确保运行，过慢伸出的活塞产生过小的预压压力。

在US 5 916 140中作为最后所述问题的解决方案建议：通过尽可能快的散热加速冷却阶段，从而它总是短于加热阶段。但实际上几乎不能实现这一点，因为正好在利用太阳热时必须考虑到极其不同的供热。这样可以例如为了将液态的二氧化碳从20℃在中午时加热到30℃，提供70℃的供热温度并从而40℃-50℃的温度差，反之为了从30℃冷却到20℃(即使在用5℃冷水的强制冷却的情况下)，也只存在15-25℃的温度差，因此预计冷却阶段比加热阶段约长两倍时间，另一方面在早晨时刻和晚上时间，太阳能装置的温度水平例如也只可以为30℃-40℃，因此甚至必须考虑到比冷却阶段更长时间的加热阶段。

发明内容

因此本发明的目的在于，提供一种开头所述类型的热力发动机，其即使在强烈波动的供热的情况下也始终达到很好的效率。该目的按照本发明这样地达到，即：

全部的气缸活塞装置的活塞由共同的预压流体加载，以便对膨胀流体施加一个共同的预压压力，

控制装置配备有用于预压压力的压力计，和

控制装置根据测量的预压压力控制供热装置的加热阶段和冷却阶段，以便将预压压力保持在一个预定的范围内。

按这种方式实现各气缸活塞装置的可变的动态的连接。活塞运动与预压压力有关的控制一方面避免机器的由不必要高的预压压力引起的效率变差，而另一方面确保对于膨胀流体总是需要的预压压力。结果是即使在变化的环境条件下也达到总是最好的运行。

本发明的热力发动机的特别有利的实施形式具有至少三个气缸活塞装置，并且其特征在于，在预压压力低于预定的范围的下限时，控制装置使在某一时刻处于加热阶段的气缸活塞装置的数目与在同一时刻处于冷却阶段的气缸活塞装置的数目相比增多，而在预压压力超过预定的范围的上限时，所述控制装置使在某一时刻处于加热阶段的气缸活塞装置的数目与在同一时刻处于冷却阶段的气缸活塞装置的数目相比减少。由此可以使运转适应于特别强的变化的环境条件。例如在太阳能装置的温度低的早晨时间或晚上时间，大致同样多的气缸活塞装置在加热阶段和冷却阶段中运行，相反在中午高温时少数的迅速加热的气缸活塞装置与多个的缓慢冷却的气缸活塞装置对立。

按照本发明的另一特征，为了精调，控制装置也可以缩短或延长每一单独的加热阶段和/或冷却阶段，以便将预压压力保持在预定的范围内。

作为膨胀流体基本上可以采用任何在技术中已知的具有相应显著的热膨胀系数的流体。特别有利的是，如本来由US 5 9 16 140已知的，膨胀流体包含液态的二氧化碳并且在工作温度时预压压力大于或等于二氧化碳的液化压力。液态的二氧化碳由于其在室温时高的热膨胀系数特别适用于热力发动机在低温范围内的运行，以便充分利用太阳热、来自生物的或工业的过程等的余热。此外为此可以将由燃烧过程附带产生的二氧化碳供给有益的二次利用，其中不引起有害于环境的温室效应。因此本发明的热力发动机在“二氧化碳的捕获和封存”方法(CSS)的方面上也对保护环境的CO₂隔离作出贡献。

预压流体本身也可以是任何类型，例如压缩空气。但特别优选预压流体是液压液，这产生力锁合的和可靠的压力连接。优选对此预压流体的液压回路配备有弹性的中间储存器，以便可以暂时地吸收在转换过程中或在控制需要地单独地缩短或延长加热阶段或冷却阶段时的短时的压力变化。

可以很不同的方式实现用预压流体加载活塞，例如通过单独的液压的预压缸在各气缸活塞装置上的机械接合。优选各气缸活塞装置同样构成为双作用的活塞，膨胀流体作用在活塞的一侧面上，而预压流体作用在活塞的另一侧面上，这产生特别简单的结构。

由各气缸活塞装置做出的功的分开也可以按在技术中已知的任何任意的方式来实现，其考虑到各个活塞的往复运动的通常非正弦形的曲线和不同的相位，例如借助于飞轮轮毂、行星齿轮传动、棘轮/棘爪机构等。特别有利的是运动功的液压的分开，即：通过每一气缸活塞装置驱动一个工作活塞并且全部工作活塞作用到一个液压负载的共同的工作流体上。

本发明的一种优选的实施形式的特征在于，用于每一气缸活塞装置的供热装置具有一个由载热介质流过的热交换器，其设有由控制装置控制的截止阀。通过简单地打开和关闭截止阀，可以预先设定各加热阶段的时刻和持续时间，在各加热阶段之间则产生冷却阶段。

如果供热装置优选也包括用于在冷却阶段强制冷却膨胀流体的装置，则可以加速冷却阶段。为此特别有利的是，载热介质在加热阶段处于压力下并且强制冷却装置具有用于每个热交换器的可控的卸压装置。由此载热介质可以同时用作为冷却剂，即通过其通过卸压导致冷却。

优选卸压装置包括真空中间储存器，其经由可控的开关阀可连接在热交换器上，借此可以达到突然的卸压并从而实现特别快的冷却。

附图说明

以下借助附图中所示的各实施例更详细地说明本发明。其中：

图1本发明的具有四个气缸活塞装置的热力发动机的原理性线路图；

图2a至2c供热装置的控制的时间图和由此产生的图1的机械的活塞运动；以及

图3按照本发明的热力发动机具有两个示例性的气缸活塞装置的实际的实施形式的线路图。

具体实施方式

图1示出一个热力发动机1，该热力发动机包括四个气缸活塞装置2-5。每个气缸活塞装置2-5具有一个气缸6，在所述气缸中，一个活塞7可以在缩回位置(在“2”处所示)与伸出位置(在“5”处所示)之间移动。

在气缸6中的、活塞7的左侧的空间完全由膨胀流体8占据。膨胀流体8具有高的热膨胀系数并且在其加热时膨胀，而将活塞7从缩回位置移到伸出位置；或在其冷却时收缩，而使活塞7重新缩回。

在所示的实例中，膨胀流体8是液态的二氧化碳(CO₂)，其在室温时具有约65bar的液化压力。液态CO₂在20℃至30℃范围内具有约2.2倍的热膨胀。代替纯的液态二氧化碳也可以将液态二氧化碳与其他的物质的混合物用作为膨胀流体8。

为了使CO₂保持在其液体的状态作为膨胀流体8，以一个大于或等于液化压力的预压压力p_v朝膨胀流体的方向对活塞7加载或预加压。

由预压流体9施加预压压力p_v，它作用到每一活塞7的远离膨胀流体8的侧面上。预压流体9优选是液压液并且在全部气缸活塞装置2-5共同的一个液压回路10中循环。在活塞7伸出时(箭头11)排挤的预压流体9，由此将预压压力p_v保持到各缩回的活塞7(箭头12)的膨胀流体8上。由此在冷却阶段支持各活塞7的缩回运动并且防止在冷却阶段低于液化压力。

液压回路10配备有弹性的中间储存器13，例如储压器，其包括充气部14和/或一弹性的膜片15，以便减缓短时的压力波动。

在气缸活塞装置2-5中的膨胀流体8的加热借助于可控的供热装置16-20产生。供热装置16-19在所示实例中包括用于每一气缸活塞2-5的热交换器16，所述热交换器传热地接触膨胀流体8并且载热介质17在所述热交换器中循环。载热介质17由在载热回路19中的太阳能板18加热(为清晰起见图1中未示出回路管道)。

热交换器16可以是任何在技术中已知的型式；优选它配备有热管，用以促进热交换和用于快速而均匀地分布在膨胀流体8中的供给的热。

每一热交换器16设有可控的截止阀20。各截止阀20由一个中央的控制装置21交替地和间断地打开，以便交替地加热和冷却每个气缸活塞装置2-5，由此使膨胀流体8在气缸6中交替地膨胀和收缩，并从而最终使各活塞7往复运动，同时各活塞运动经由液压回路10的预压流体9同步。

控制装置21根据预压压力p_v的测量值操纵各截止阀20，所述控制装置由连接在液压回路10上的压力计22得到该测量值。控制装置21的调节目标是，将液压回路10中的预压压力p_v保持在一个预定的范围内。这主要通过相对于在某一时刻正好处于冷却阶段的另外的气缸活塞装置2-5的数目控制在该时刻正好处于加热阶段的气缸活塞装置2-5的数目而达到，如现在要借助图2更详细说明的。

在图2a-2c的上面的各时间图中分别绘出控制装置21用于打开截止阀20的控制信号e₂-e₅，并且在下面的各时间图中绘出由此引起的各气缸活塞装置2-5的活塞7在时间t内的运动或行程s₂-s₅。

图2a示出热力发动机1对于环境条件的第一工作状态，其中膨胀流体8的冷却阶段的时间是加热阶段的时间的三倍，例如因为载热介质17的温度是高的并且实现快速的加热。各截止阀20分别周期地打开约四分之一的冲程周期。如可看出的，在一个确定的时刻总是一个气缸活塞装置2-5处于加热阶段而其他的三个气缸活塞装置处于冷却阶段，亦即膨胀的气缸活塞装置2-5与收缩的气缸活塞装置2-5的比值在这里为1∶3。

图2b示出热力发动机1的第二工作状态，在第二工作状态中，各截止阀20分别周期地打开一半的冲程周期。处于加热阶段的气缸活塞装置2-5与处于冷却阶段的气缸活塞装置2-5的比值在这里为2∶2。这考虑为大致相同长时间的加热阶段和冷却阶段，例如由于减少的供热。

如果例如载热介质17的温度仍继续下降并且由此加热阶段仍继续延长，则控制装置21转入图2c的第三工作状态，在第三工作状态中，处于加热阶段的气缸活塞装置2-5与处于冷却阶段的气缸活塞装置2-5的比值为3∶1。

图2a、图2b或图2c的相应的工作状态由控制装置21根据预压压力p_v来设定：如果在当前的工作温度时预压压力p_v低于预定的下限p_min，特别是低于膨胀流体8的液化压力，则逐渐增大处于加热阶段的气缸活塞装置2-5与处于冷却阶段的气缸活塞装置2-5的比值，例如1∶3→2∶2→3∶1；如果预压压力p_v超过预定的上限p_max，例如超过液化压力加一滞后界限，则逐渐减小该比值，例如3∶1→2∶2→1∶3。

当然，可以将所提及的控制扩大到任何数目的气缸活塞装置2-5，例如扩大到3个、5个、6个、7个、8个、12个、24个等气缸活塞装置。提供的气缸活塞装置越多，控制可以越细地分级实现。

为了精调，控制装置21可以附加缩短或延长每一单独的加热阶段或冷却阶段，例如通过错开加热阶段的开始t₁和/或冷却阶段的开始t₂或改变持续时间t₂-t₁。如果在此不同的气缸活塞装置2-5的加热阶段或冷却阶段短时间地以一个比借助于主要控制选择的比值(1∶3，2∶2，3∶1)更大的或更小的比值来重叠，则可以借助于液压回路10中的中间储存器13暂时吸收预压压力p_v的相应的短时的压力波动。

在这方面应该提到，在热力发动机1的大大简化的实施形式中，其仅仅包括两个气缸活塞装置并从而只允许唯一的比值1∶1，控制装置21也能够通过关于可利用的工作条件的相应的限制仅仅实施最后所述的精调。

图3示出图1的热力发动机1的具体的实现和进一步开发，其中为了清晰起见只代表性示出两个气缸活塞装置2、3并且未示出控制装置21及其测量管线和控制管线。但显然，可以将图3中所示的实施形式扩大到任何数目的气缸活塞装置。

按照图3，泵23从储备容器24经由管道25向太阳能板18输送载热介质17，例如Hoechst公司的制冷剂R123，从太阳能板经由管道19和截止阀20输送至各热交换器16，并从各热交换器经由开关阀26和一回路管道27返回至储备容器24。在图3所示的工作状态中，正好右边的截止阀20是打开的，而左边的截止阀20是关闭的，从而右边的气缸活塞装置3处于加热和膨胀阶段，而左边的气缸活塞装置2处于冷却和收缩阶段。

为了加速冷却阶段，在这里供热装置16-20还包括用于膨胀流体8的强制冷却装置。强制冷却装置可以例如是用于未加热的载体介质17的任选的输送线路，以便将其经由构成为多通阀的各截止阀20在冷却阶段输入到各热交换器16中。或者，可以采用单独的热交换器，用于单独的冷却介质(未示出)。

优选强制冷却装置如所示的包括可控的卸压装置，其在截止阀20关闭以后使在热交换器16中仍处于泵23的输送压力下的载热介质17经由开关阀26向一真空中间储存器29卸压。经由一文丘里喷射器31的抽吸管道30建立真空中间储存器29的真空，经由管道32连续地由泵23给文丘里喷射器供应回路中的载热介质17。在打开开关阀26以后由于载热介质17的突然膨胀，载热介质17蒸发并由此经由热交换器16冷却膨胀流体8。

液压回路10的弹性的中间储存器13在图3的实施例中经由自身的开关阀33可选择地可连接在液压回路10上。气缸活塞装置2、3的功经由活塞杆34机械地传到工作活塞35上，所述工作活塞作用到一共同的工作流体36、例如液压油上，它在液压的负载回路37中经由各止回阀38循环。

各工作活塞35可以集成在气缸活塞装置2、3的气缸6中，从而气缸活塞装置具有三个作用区域：一个反应区域39，膨胀流体8在该反应区域中工作；一个预压区域40，在该预压区域中它经由预压流体9连接；和一个工作区域41，在该工作区域中经由工作流体36实现运动的分离。工作流体36的工作压力基本上等于膨胀流体8的热膨胀引起的反应压力减去预压流体9的预压压力p_v。

本发明并不限于所示的各实施形式，而包括所有的变型方案和改型方案，它们落入所附的各权利要求的范围。这样例如更多数目的气缸活塞装置也可以以多个组成组地并行控制，以便减少开关和控制费用；在这种情况下，并行组的各气缸活塞装置的气缸6也可以分享一个共同的热交换器16和/或共同的膨胀流体8。

Claims (13)

1.热力发动机(1)，包括：

至少两个气缸活塞装置(2-5)，它们分别包括处于一个预压压力(p_v)下的膨胀流体(8)，所述膨胀流体在温度变化时改变其容积并由此使活塞(7)移动，

能单独控制的供热装置(16-19)，用于向每个气缸活塞装置(2-5)的膨胀流体(8)供热，和

控制供热装置(16-19)的控制装置(21)，以便可以交替地加热和冷却每一膨胀流体(8)并从而使活塞(7)移动；

其特征在于，

所有气缸活塞装置(2-5)的活塞(7)由共同的预压流体(9)加载，以便对膨胀流体(8)施加一个共同的预压压力(p_v)，

控制装置(21)配备有用于预压压力(p_v)的压力计(22)，和

控制装置(21)根据测量的预压压力(p_v)控制所述供热装置(16-20)的加热阶段和冷却阶段，以便将预压压力保持在一个预定的范围内(p_min，p_max)。

2.按照权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，包括至少三个气缸活塞装置，在预压压力(p_v)低于预定的范围(p_min，p_max)的下限时，控制装置(21)使在一时刻处于加热阶段的气缸活塞装置(2-5)的数目与在同一时刻处于冷却阶段的气缸活塞装置(2-5)的数目相比增多，而在预压压力(p_v)超过预定的范围(p_min，p_max)的上限时，所述控制装置使在一时刻处于加热阶段的气缸活塞装置(2-5)的数目与在同一时刻处于冷却阶段的气缸活塞装置(2-5)的数目相比减少。

3.按照权利要求1或2所述的热力发动机，其特征在于，控制装置(21)单独地缩短或延长加热阶段和/或冷却阶段，以便将预压压力(p_v)保持在预定的范围内。

4.按照权利要求1或2所述的热力发动机，其特征在于，膨胀流体(8)包括液态的二氧化碳，并且在工作温度时预压压力(p_v)大于或等于二氧化碳的液化压力。

5.按照权利要求1或2所述的热力发动机，其特征在于，预压流体(9)是液压液。

6.按照权利要求5所述的热力发动机，其特征在于，预压流体(9)的液压回路(10)配备有弹性的中间储存器(13)。

7.按照权利要求1或2所述的热力发动机，其特征在于，活塞(7)是双作用的活塞，膨胀流体(8)作用在活塞的一侧面上，并且预压流体(9)作用在活塞的另一侧面上。

8.按照权利要求1或2所述的热力发动机，其特征在于，每一气缸活塞装置(2-5)驱动一个工作活塞(35)，并且所有的工作活塞(35)作用到液压负载(27)的共同的工作流体(36)上。

9.按照权利要求1或2所述的热力发动机，其特征在于，用于每一气缸活塞装置(2-5)的供热装置(16-20)具有一个由载热介质(17)流过的热交换器(16)，所述热交换器设有由控制装置(21)控制的截止阀(20)。

10.按照权利要求9所述的热力发动机，所述供热装置(16-20)还包括用于在冷却阶段中使膨胀流体(8)强制冷却的装置(26，29-32；28)。

11.按照权利要求10所述的热力发动机，其特征在于，所述载热介质(17)在加热阶段处于压力下，并且对于每个热交换器(16)，强制冷却装置具有可控制的卸压装置(26，29-32)。

12.按照权利要求11所述的热力发动机，其特征在于，所述卸压装置(26，29-32)包括真空中间储存器(29)，所述真空中间储存器经由可控制的开关阀(26)能连接在热交换器(16)上。

13.按照权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，所述热力发动机用于利用太阳热、来自生物的或工业的过程的余热来进行低温运行。

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