CN103210185A - 能量转换器 - Google Patents

Abstract

一种适合于为例如交通工具提供动力的自给式能量转换器，其包括用于将液体燃料气化以产生可燃气体的组件。为了对用于加热来自水箱的水的热交换器进行加热以产生湿蒸汽，设置有多个燃烧器来燃烧所述可燃气体。设置有与所述热交换器连通的过热蒸汽发生器，并且所述过热蒸汽发生器包括多个加热组件，所述多个加热组件被布置成对圆筒形表面进行加热以将所述湿蒸汽转化为过热蒸汽。设置有喷嘴以将所述过热蒸汽引导至涡轮机从而产生机械运动。

Description

能量转换器

技术领域

本发明涉及一种能量转换器和一种用于转换能量的方法。本发明具体涉及但不仅仅涉及将热能转换为机械运动或电能。

背景技术

在本说明书中对任何现有技术的引用不能也不应该被视为是承认了或以任何形式建议了所引用的现有技术构成全球任何地方的公知常识的一部分。

人们已经知道如何制造出利用温差来产生机械运动的装置。一些这样的装置曾被称为“热机(heat engine)”或“热引擎(thermal engine)”。热机是将热能转换为机械输出的物理装置。机械输出被称作“功”，并且热能输入被称作“热”。热机通常以特定的热力学循环进行运转，这样，热机就通过利用热的“热源”与冷的“散热器(sink)”之间的温度梯度来进行热能到机械功的转换。

在过去的一百年中，内燃机(“ICE”或“IC机”)曾经是机动交通工具的主要动力源。典型的内燃机包括多个活塞气缸组件。在进气冲程循环内将空气-燃料的混合物压入到气缸中，压缩并随后点燃，产生了高压从而产生动能和余热。最近，在汽车行业中已经做出了安装有可供选择的例如电动机等动力源的尝试，其被称为混合动力汽车。这些类型的汽车将制动或减速过程中的被浪费的机械功转换成供后续驱动用的电力。

随着全世界化石燃料的枯竭，其他能源的利用已变得至关重要。化石燃料一般是指诸如燃油、天然石油和煤炭等燃料。这些材料来源于动植物的化石遗骸。随着岁月的流逝，这些燃料的来源已变得越来越少。化石燃料的问题是它们终将有一天会被用尽。这些能源在地壳内的发展演化需要很长时间。以目前的消耗速度，没有办法能够让这些燃料自然发展演化并且不被用尽。

人们正在提出并且试验对于这些类型的能源的更有效使用。人们正在制造具有更低油耗(better gas mileage)的汽车。使用电力以及汽油的混合动力汽车只是为了维持化石燃料的使用而被研发出的许多产品中的一种。但是这些燃料仍然正在被耗尽。使用化石燃料的另一个问题是：不论如何安全、有效地使用这些燃料，它们仍然会对环境造成影响。这些燃料的燃烧产生了对大气的污染物并且加剧了温室效应。化石燃料被认为是不可再生能源，并且除了需要关注对环境的影响外，还开始需要关注对它们进行回收和转换的成本。

这些在环境方面的担忧已促成了在引擎设计中昂贵、复杂的技术提案。例如，燃料电池技术提供了基于氢的清洁燃烧进行运行的优点。然而，燃料电池引擎的花费和尺寸，以及对于燃料品级的氢的制备、存储和运输的费用不相称地抵消了环境方面的优点。又例如，清洁运行的电动交通工具被限制于很短途的范围，并且必须利用从煤炭、柴油或核燃料发电厂产生的电力定期地进行再充电。而且，虽然燃气轮机是清洁的，但它们是以恒定速度运转的。建造、运行和检修小尺寸的燃气轮机是非常昂贵的。柴油及汽油内燃机的效率高、重量轻并且制造成本相对便宜，但是它们产生了大量的污染物，这些污染物对环境和大众健康是有危害的并且是燃料特有的。

先前已研发出的蒸汽机就受到了已导致蒸汽动力在商业环境中的终结的长期特有问题的影响；这些问题包括过度污染、维护成本、劳动密集型操作、低的功率/重量比、低的总热效率。这对于中、小规模的设施而言尤其如此，在这些中、小规模的设施中，目前已经普遍用内燃机或从国家电网(National Grid)得到的电力取代了蒸汽动力。

显然，如果能设计出有助于至少改善上述缺点中的某个(某些)缺点的发明，将会是非常有利的。尤其令人期望的是能够设计出一种符合成本效益并且降低了化石燃料的消耗的用于转换能量的装置或方法。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种用于将热能转换成机械运动的装置，该装置包括用于产生湿蒸汽的热交换器且包括过热蒸汽发生器。所述热交换器包括：可燃流体贮存器和可燃流体泵，所述可燃流体泵使可燃流体从所述可燃流体贮存器流通至气体发生器；第一加热装置，其加热所述气体发生器中的所述可燃流体以使所述可燃流体气化；点火源和燃烧器，它们用于使可燃气体燃烧；贮水器和水泵，所述水泵使供水从所述贮水器流通至所述热交换器；以及第二加热装置，其加热蒸汽发生器中的水。所述过热蒸汽发生器包括：至少一个蒸汽分离器，其用于将水滴从所述热交换器中产生的湿蒸汽中分离出来；以及所述过热蒸汽发生器内的圆筒形表面，所述过热蒸汽发生器的所述圆筒形表面被至少一个加热元件加热，使得当蒸汽接触所述圆筒形表面时会产生具有较高温度且无水的过热蒸汽。在上述装置中，来自所述气体发生器的气体被点燃以提供用来加热所述热交换器中的水的热源，其中所述热交换器为所述过热蒸汽发生器提供湿蒸汽来源，并且所述过热蒸汽发生器提供被引导至涡轮机以产生机械运动的过热蒸汽。

本发明并不会受到如下特有问题的影响：该特有问题迄今为止已经导致了在商业环境中蒸汽动力的终结。由于水的回收利用因而污染很少或没有污染，并且少量的移动部件意味着维护成本显著降低。由于本发明的适应性及相对小的尺寸，这意味着所述能量转换器可以用作例如电动汽车等混合动力可再生能源交通工具的一部分。这意味着，由于蒸汽能量转换器的如下适用性因而能够减少必须对电动汽车定期充电的缺点：在汽车仍处于使用状态的同时能够使用所述蒸汽能量转换器为电池再充电，从而延长了电池的各次充电之间的时间。

本发明的在混合动力可再生能源交通工具方面的上述应用只不过是本发明的一种可能用途，并且上述应用将被用于本发明的整个说明书。然而，本发明的用于混合动力交通工具的用途不应该仅限于此用途，并且能够预料到本领域技术人员会将本发明应用于许多可能的用途。

优选地，上述用于将热能转换成机械运动的装置还可以包括冷凝器，所述冷凝器被设置在所述涡轮机和水箱之间以将蒸汽冷凝成液态并提供闭合环路系统。上述装置可以包括首尾相连布置的三个过热蒸汽发生器，并且各过热蒸汽发生器包括三个加热元件以产生用于驱动所述涡轮机的干过热蒸汽。各所述过热蒸汽发生器可以包括：分离器容器，其呈现出大致圆筒形内表面；入口，其用于把进入的含有蒸汽和水的混合物的湿蒸汽以引起所述圆筒形内表面周围的所述湿蒸汽的旋涡运动的方式引导到所述分离器容器中；蒸汽室，其位于所述分离器容器的上部中，并用于容纳分离出来的上升到水的上方的干蒸汽；基本呈圆筒形的隔板，其安装在蒸汽室内的与所述分离器容器的所述圆筒形内表面间隔开的位置处以形成分隔物，所述分隔物提供了被所述三个加热元件加热以产生过热蒸汽的表面；以及蒸汽出口导管，其从所述蒸汽室延伸以用于排出所述过热蒸汽。

优选地，第一个过热蒸汽发生器的出口可以连接至第二个过热蒸汽发生器的入口，第二个过热蒸汽发生器的出口可以连接至第三个过热蒸汽发生器的入口，并且第三个过热蒸汽发生器的出口向所述涡轮机提供具有较高温度且无水的所述过热蒸汽从而产生机械运动。

优选地，所述隔板和所述分离器容器的所述圆筒形内表面可以是由铜构成的。

优选地，所述可燃流体可以包含由乙醇、甲基化酒精或液化石油气(LP gas)组成的群组中的任一者。

优选地，上述装置还可以包括用于向所述加热装置、所述加热元件和所述点火源提供电力的电源。由所述能量转换器产生的机械运动可以被用作由发电机、房屋、汽车、船、泵或任何被蒸汽驱动的交通工具组成的群组中的任一者的动力源。

优选地，所述饱和蒸汽可以被喷嘴引导至所述涡轮机的转子上从而使所述转子转动并产生机械运动。

优选地，所述热交换器、所述气体发生器、至少一个所述过热蒸汽发生器和所述涡轮机还可以都包括减压阀以控制或限制在上述装置的各级处的压力。所述气体发生器还可以包括气体调节阀以自动控制处于预定压力下的气体的流动。

优选地，上述装置还可以包括位于上述装置的各级之间的单向阀，所述单向阀使得液体或气体仅能够在一个方向上流过该单向阀。

根据另一方面，本发明提供了一种用于将热能转换成机械运动的方法，该方法包括：加热可燃流体以产生可燃气体；点燃所述可燃流体以加热热交换器中的水，从而产生湿蒸汽；使用蒸汽分离器将水滴从所述热交换器产生的所述湿蒸汽中分离出来；在过热蒸汽发生器中加热分离后的干蒸汽从而产生过热蒸汽；以及利用所述过热蒸汽使涡轮机转动以产生机械运动。

优选地，所述方法可以包括根据第一方面的上述装置的任何特征。

根据另一方面，本发明提供了一种自给式(self contained)能量转换器，其包括气体发生器、热交换器以及过热蒸汽发生器。所述气体发生器被容纳于第一容器中并且包括：可燃流体贮存器和可燃流体泵，所述可燃流体泵使可燃流体从所述可燃流体贮存器流通至气体发生器；第一加热装置，其加热所述气体发生器中的所述可燃流体以使所述可燃流体气化；以及用于点燃和燃烧可燃气体的点火源。所述热交换器被容纳于第二容器中并包括：贮水器和水泵，所述水泵使供水从所述贮水器流通至所述热交换器；以及第二加热装置，其加热蒸汽发生器中的水以产生湿蒸汽。所述过热蒸汽发生器被容纳于第三容器中并且包括：至少一个蒸汽分离器，其用于将水滴从所述热交换器中产生的所述湿蒸汽中分离出来；以及所述至少一个蒸汽分离器内的圆筒形表面，所述至少一个蒸汽分离器内的所述圆筒形表面被至少一个加热元件加热，使得当蒸汽接触所述圆筒形表面时会产生具有较高温度且无水的过热蒸汽。在上述自给式能量转换器中，所述气体发生器提供气体，并且当所述气体被点燃时，所述气体发生器提供用于加热所述热交换器中的水的热源；所述热交换器为所述过热蒸汽发生器提供湿蒸汽来源；并且所述过热蒸汽发生器提供被引导至涡轮机以产生机械运动的过热蒸汽。

优选地，所述自给式能量转换器可以包括根据第一方面的上述装置的任何特征。

根据本发明的又一方面，提供了一种能量转换器，其包括：用于输送可燃气体的组件；至少一个燃烧器，用于燃烧所述可燃气体；热交换器，其与贮水器连通并用于产生湿蒸汽，所述热交换器位于被所述至少一个燃烧器加热的位置处；过热蒸汽发生器，其与所述热交换器连通。所述过热蒸汽发生器包括：至少一个加热组件，其被布置用来加热至少一个圆筒形表面，以用于将所述湿蒸汽转换为过热蒸汽；以及用于将所述过热蒸汽引导至涡轮机以产生机械运动的构件。

附图说明

从下文中给出的详细描述和本发明优选实施例的附图可以更充分地理解本发明，然而，它们不应被视为是对本发明的限制，其仅用于解释和理解。

图1是图示了本发明实施例的能量转换器的透视图；

图2是图示了本发明实施例的将可燃流体转换成热源的过程的线路图；

图3是图示了本发明实施例的热交换器和过热蒸汽发生器的线路图；

图4是图示了本发明实施例的过热蒸汽发生器的分解透视图；

图5是图示了本发明实施例的能量转换器的示例性使用。

具体实施方式

根据本发明的用于将热能转换成机械运动的装置和用于将热能转换成机械运动的方法可以以各种不同的形式表现出来。为了方便，在下文中参照附图详细说明了本发明的几个实施例。提供这一详细说明的目的是指导对本发明的主题感兴趣的人员如何让本发明发挥实际作用。然而，我们应清楚地认识到，这一详细说明的特定性并没有取代之前的宽泛说明的一般性。

在图1至图5中，附图标记10一般表示用于将热能转换成机械运动的装置的实施例。

装置10包括具有乙醇可燃流体21和加热元件28形式的可燃气体产生器和燃烧器系统20，加热元件28加热乙醇流体21以使乙醇流体21在气体发生器26中气化，从而为燃烧器31提供乙醇气体。然后该气体在燃烧器31中燃烧从而为蒸汽发生系统40产生热源。水41在热交换器47中被燃烧器31加热以产生湿蒸汽，该湿蒸汽随后在过热蒸汽系统50中被进一步加热从而在过热蒸汽系统50的出口处产生过热蒸汽。然后，利用该过热蒸汽驱动涡轮机系统60，在该涡轮机系统60中，过热蒸汽被喷嘴引导至涡轮机61的转子上，从而使该转子转动并产生被传递至驱动轴62的机械运动。

下面，将对能量转换器10的上述各系统进行更详细地说明。

可燃气体产生器和燃烧器系统20包括用来贮存可燃流体21的贮存箱22。可燃流体可以包括能够被点燃并燃烧的任何流体21。例如，可以使用乙醇、甲基化酒精(methylated spirits)或液化石油气。本发明特别但不仅仅涉及如下的能量转换器：其适合于产生并燃烧气态乙醇以用来对热交换器47中的水41进行加热。因此为了方便起见，在下文中参照该应用来说明本发明。然而，应当理解的是本发明能够有更广泛的应用。

乙醇21被存储在贮存箱22中，并且当需要为燃烧器31提供点火源时，乙醇21被泵24从贮存箱22中抽出并穿过单向阀25进入气体发生器26。通过填料点(filler point)23将乙醇21灌入贮存箱22中并且根据需要可以加满。单向阀或止回阀是一种允许流体(液体或气体)仅在一个方向上从该阀中流过的机械装置。在能量转换器10中使用了许多单向阀来防止气体或液体回流到先前的工序中。单向阀通常是两端口阀，这意味着它们在主体上具有两个开口，一个开口用于流体进入而另一个开口用于流体流出。

随后，乙醇21在气体发生器26中被加热元件28加热。加热元件28可以是80/20镍铬合金(80％镍，20％铬)丝、带或条。通过焦耳加热过程，加热元件将来自电池33的电力转换成热。流过该加热元件的电流遇到电阻，从而导致该元件的发热。乙醇流体21在气体发生器26中经历气化过程，在所述气体发生器26中，乙醇或含碳材料会经历数个不同的过程。

气化是这样的过程：在高温和受控量的氧气的条件下，该过程通过让原材料发生反应，将例如煤炭、石油或生物燃料(诸如乙醇等)之类的含碳材料转化成一氧化碳和氢气。最终生成的气体混合物被称为合成气体或合成气(syngas)。

当含碳颗粒加热时，乙醇会经历热解(pyrolysis)(或脱挥(devolatilization))过程。释放出挥发物并且产生了炭(char)，从而导致了含碳材料的多达70％的重量损失。这个过程依赖于含碳材料的特性并且决定了稍后将经历气化反应的炭的结构和组分。当挥发产物及一些炭与氧气反应从而形成二氧化碳和一氧化碳时就发生了燃烧过程，这为后续的气化反应提供了热量。最终，当炭与二氧化碳及蒸汽反应从而通过该反应产生一氧化碳和氢气时，就发生了气化反应。

本质上，将限定量的氧气或空气引入到反应器中以允许一些有机材料燃烧从而产生一氧化碳和能量，这驱动了二次反应，其将更多的有机材料转换成氢气和额外的二氧化碳。当源自有机材料的所形成的一氧化碳和残余水发生反应从而形成甲烷和过量的二氧化碳时，就发生了进一步的反应。这个三次反应在增大了反应气体与有机材料的驻留时间以及增大了热量和压力的反应器中更加充分地发生。在更高级的反应器中使用了催化剂以提高反应速率，从而促使系统在固定的驻留时间内更加接近反应平衡。

乙醇气体或者化合的二氧化碳、一氧化碳和甲烷气体被用于燃烧器31中。燃烧器31中的气体被点火器32点燃，该点火器32可以是电气或电子点火器或者压电点火器。当电子模块接收到来自开关或气体旋钮的信号时，电子点火起作用。于是，该模块发出一系列的用于点燃气体燃烧器的火花。当释放开关或气体旋钮时，点火停止。通过电池33或电源(未图示)给电子点火器供电。

压电点火装置是这样一种类型的点火装置：其用于便携式野营炉具、燃气烤架和一些打火机。该点火装置包括一个加载有弹簧的小锤，当按压按钮时，该锤就击打锆钛酸铅(PZT)晶体或石英晶体。锆钛酸铅，也被称为PZT，是一种呈现出显著压电效应的陶瓷钙钛矿材料。石英或PZT是压电的，这意味着当发生形变时它就会产生电压。这种突然的强烈的形变产生了高的电压和随之而来的放电，该放电将气体点燃。

减压阀27或安全阀(relief valve，RV)用于控制或限制气体发生器26中的压力。该压力可能因过程错乱、仪器或设备故障、或者着火而增大，而减压阀27用于限制在气体发生器26中可能会增大的压力的大小。从气体发生器26中流出的气体流过单向阀34，并且可以通过开启/关闭阀29而被切换为流通或关断。压力调节器30被用于在一定压力下自动切断气流。该气体在燃烧器31中被点燃，并且该热源被用于加热热交换器47中的水41以产生湿蒸汽，该湿蒸汽从热交换器47流入过热蒸汽系统50的第一个贮存箱51。

蒸汽发生系统40包括用来贮存水41的水箱42，可以经由填料点43将水41灌入水箱42中。减压阀44被用于限制且控制水箱42内的压力。利用泵45将水41从水箱42中抽出。泵45仅仅是这样一种装置：其用于通过物理或机械动作让容积发生位移来使诸如水41等流体移动。然后，水41经过单向阀46并且进入热交换器47，在热交换器47中水41被燃烧器31加热。

随着温度的升高并且水41接近它的沸腾状态，一些分子获得足够的动能从而达到如下速度：该速度允许这些分子能够瞬间从液体中逸出并在落回液体中之前进入水面上方的空间中。进一步的加热引起了更大的激励，并且具有足以离开液体的能量的分子数量增加。随着水41被燃烧器31加热至该水的沸点，在水41内形成了蒸汽的气泡并且这些气泡上升以冲破水面。考虑到液体和水汽的分子结构，合乎逻辑的是：由于蒸汽分子彼此分离地更远，因而蒸汽的密度要远小于水的密度。因此在直接位于水面上方的空间中充满了密度较小的蒸汽分子。当离开液面的分子数量大于重新进入液体中的分子数量时，水就自由蒸发了。在这时，因为水的热能是饱和的，所以水已经达到了沸点或其饱和温度。

最基本形式的热交换器47是为了从一种介质到另一种介质(在本例中是从液体到气体)的有效热传递而制造的装置。根据本发明的热交换器47可以表现为各种不同的形式。一种这样的形式是包括一系列管道的壳管式(shell and tube)热交换器47。一组这样的管道都容纳有必须被燃烧器31加热的流体。第二种流体在被加热或冷却的管道上流动，从而使得该流体能够按照需要提供热量或吸收热量。一组管道被称为管束(tube bundle)并且可以由如下数种类型的管组成：光管(plain)、纵向带翅片的管，等等。然而应该清楚理解的是，可以使用其他类型的热交换器47，例如，在不背离本发明范围的情况下，可能使用板式热交换器或绝热轮式(adiabatic wheel)热交换器。

热交换器47还包括减压阀48，其用于限制并且控制热交换器47内的压力。如果热交换器47内的压力保持不变，则增加更多热量并不会导致温度有任何的进一步上升，但会使水形成饱和蒸汽或湿蒸汽。同一系统内沸水和湿蒸汽的温度是相同的，但是在湿蒸汽中单位质量的热能则大得多。因此，离开热交换器47的蒸汽是包含处于悬浮状态的水滴的湿蒸汽。该湿蒸汽在过热蒸汽系统50中的进一步处理之前先流过单向阀49。

过热蒸汽系统50包括首尾相连布置的三个蒸汽发生器室51，这三个蒸汽发生器室51是分开的且通过三个单向阀53而被彼此隔离。每个蒸汽发生器室51包括三个加热元件54和一个减压阀52以控制和限制该发生器室51中的蒸汽。

过热蒸汽是温度高于水的沸点的蒸汽。如果在恒定压力下加热湿蒸汽或饱和蒸汽，该蒸汽的温度将会上升从而产生过热蒸汽。如果饱和蒸汽接触具有更高温度的表面，这种情况就会发生。那么，这样的蒸汽就被描述为过热了在饱和温度之上已被加热的度数，换句话说，高于饱和温度的温度被称为蒸汽的过热程度。

由于每个蒸汽发生器室51在结构上是完全相同的，因此我们将仅描述一个单元并且也描述各个单元如何相互作用以产生用于涡轮机系统60的过热蒸汽输出。蒸汽发生器的结构大致是圆筒形，其具有位于蒸汽发生器室51的任一端部处的端盖58、76。端盖58连接至入口77并且端盖76连接至出口78。进入到第一个蒸汽发生器室51内的入口77接收来自蒸汽发生系统40的湿蒸汽。各蒸汽发生器室51与另一个蒸汽发生器室51串联连接，即第一个蒸汽发生器室51的出口78被连接至第二个蒸汽发生器室51的入口77，接着第二个蒸汽发生器室51的出口78被连接至第三个蒸汽发生器室51的入口77，并且第三个蒸汽发生器室51的出口78被连接至涡轮机系统60的输入端。各蒸汽发生器室51都具有用于控制和限制各蒸汽发生器室51内的压力的减压阀52。在每一出口78与入口77之间布置有单向阀53以防止蒸汽回流到前一个蒸汽发生器室51中。

以这样的方式设计各蒸汽发生器室51，从而确保了水或湿蒸汽不会被传送至涡轮机系统60。另外，当蒸汽仍然在水的面前的时候就不会出现蒸汽过热，因为任何额外的热量仅会蒸发更多的水。饱和蒸汽必须流过热交换器或水分离器。在这种情况下，各蒸汽发生器室51被设计成具有圆筒形内表面。包含蒸汽和水的混合物的湿蒸汽通过入口77以引起上述圆筒形内表面周围的湿蒸汽的旋涡运动的方式进入蒸汽发生器室51。这确保了水或水滴被向外甩出，从而将水从蒸汽中分离出去。

在蒸汽发生器室51内的与该蒸汽发生器室51的圆筒形内表面间隔开的位置处安装有总体上开口的圆筒形隔板，从而形成这样的分隔物：该分隔物提供了被三个加热元件54加热以产生过热蒸汽的表面。

隔板55具有位于端盖58、76内的两个端部56、57。隔板55不是形成为一个完整的圆筒，因为其表面上存在有一个开口槽，该开口槽允许任意更多的水分能够滴落至蒸汽发生器室51的底部。蒸汽出口导管78从蒸汽发生器室51延伸以用于排出过热蒸汽。蒸汽发生器室在蒸汽发生器室51上部中具有单独的蒸汽室以用于容纳分离出来的上升到水的上方的干蒸汽并且该干蒸汽具有干气体的特性。

如上所述，第一个过热蒸汽发生器室51的出口被连接至第二个过热蒸汽发生器室51的入口，第二个过热蒸汽发生器室51的出口被连接至第三个过热蒸汽发生器室51的入口，并且第三个过热蒸汽发生器室51的出口向涡轮机系统60提供具有较高温度且无水的过热蒸汽从而产生机械运动。使过热蒸汽从一个蒸汽发生器室51进入下一个蒸汽发生器室51的处理在最后的蒸汽发生器室51的出口处提供了过热蒸汽，该过热蒸汽更有效并且因为分子具有更多动能而具有更多能量。考虑到在蒸汽发生器室51中过热蒸汽没有吸收更多的水分，而是吸收来自各加热元件54的更多热能，该过热蒸汽被认为是“干”蒸汽。

具有干过热蒸汽是很重要的，因为湿蒸汽会降低能量转换器的热效率。具有干过热蒸汽是很重要的，还因为被提供至蒸汽涡轮机系统60中的喷嘴(或叶片)的高速蒸汽中的水滴会撞击并侵蚀诸如涡轮机桨片等涡轮机内部构件。

蒸汽发生器室51中的隔板55和圆柱形加热器54是由铜构成的，但是也可以由能够使热从加热元件54传递至隔板55的任何其它材料构成。

蒸汽现在处于干过热蒸汽的形式，其被引导到涡轮机系统60。在过热蒸汽系统50的最后一级与涡轮机系统60之间是防止干过热蒸汽回流至过热蒸汽系统50的最后一级的单向阀。涡轮机系统60包括具有驱动轴62和减压阀63的涡轮机61。涡轮机61是例如通过喷嘴将过热蒸汽引导至转子上的涡轮机61。这导致转子转动。用于使转子转动的能量只可能来自于蒸汽，因此在逻辑上而言，该蒸汽在经过涡轮机转子后具有更少的能量。涡轮机通常有若干级；来自第一个转子的废蒸汽将会被引导到同一驱动轴62上的第二个转子。这意味着由于过热蒸汽经过了连续的各级，当该过热蒸汽到达涡轮机61的出口的时候，该过热蒸汽应当已稍微冷凝并且可能已返回为饱和蒸汽或湿蒸汽。

如果蒸汽不处于过热阶段或者仅是湿蒸汽，其不仅会引起水锤(water hammer)，而且水粒(water particle)会导致涡轮机61内的严重侵蚀。水锤是当运动的流体(通常是液体，但有时也可以是气体)被迫停止或突然改变方向时所造成的压力浪涌或波浪。本申请人所认同的技术方案是在入口处向涡轮机提供过热蒸汽，并且利用过热部中的能量来驱动转子直到温度/压力状态接近饱和；然后排出蒸汽。在涡轮机系统60的出口处是防止涡轮机出口处的蒸汽回流至涡轮机系统60中的单向阀64。

为了使蒸汽返回至所述系统并且能够再利用所述蒸汽的大部分，让该蒸汽通过冷凝器70并且经由单向阀71返回到水箱42中以供再利用。能量转换器10大体上被形成为闭合环路系统，使得在蒸汽发生系统40中被用来转换成蒸汽并且随后在过热蒸汽系统50中被转换成过热蒸汽的水被送回到水箱42中。冷凝器70是一种用于通常通过冷却物质来将物质从气态冷凝至液态的设备或单元。在此期间，物质的潜热失去，并且该潜热传递至冷凝器冷却剂。

在图5所示的例子中，能量转换器10可以被存放在三个分离的容器中并且被安装在机动交通工具90中。在这个例子中，机动交通工具90具有涡轮机系统60，其被连接成把来源于能量转换器10的机械运动传递至机动交通工具90的前轮92。或者，能量转换器10可用于为电动机(未图示)中的一组蓄电池91充电，以使交通工具90作为结合了能量转换器10与电动机的混合动力交通工具而运行。在交通工具依靠电动机(未图示)行驶的同时，能量转换器10可以用来为电池91充电。显然，这只不过是能够使用能量转换器10的许多用途中的一种可能用途。例如，所述能量转换器可以被用来驱动通常是由马达或电力驱动的机械。

如上所述，能量转换器10被方便地存放在三个分离的容器中。可燃气体产生器和燃烧器系统20被存放在底部容器或第一容器中，蒸汽发生系统40被存放在第二容器或中间容器中，并且最后，过热蒸汽发生器50被存放在顶部容器中。可燃流体箱22和水箱42被方便地放置在上述各容器的后面使得能够容易地将贮存箱22、42用它们相应的流体再填充。涡轮机系统60和涡轮机61位于上述三个容器的后面且位于一侧，并且被方便地安装以驱动交通工具90的轮92。

本发明也可以用作例如船、摩托车或滑行车(scooter)等设备的动力源。本发明的尺寸取决于向各个设备提供动力所需的机械能的量。例如，滑行车的能量转换器小很多并且其大小被设置成能够方便地配置在滑行车的框架内，然而船的能量转换器要显著较大，这是由于需要额外的动力来驱动船。船可以是直接被驱动的，或者可以配置成使得能量转换器连接到直接传动器或者轴驱动马达。本发明也可以用于为房子提供动力，在该房子中能量转换器可以向交流发电机或逆变器设备(该交流发电机或逆变器设备利用来自能量转换器的机械运动)提供动力以驱动该交流发电机或逆变器从而产生向房子等提供动力所需的电能。所述能量转换器的另一个用途可以是：利用由所述能量转换器产生的机械运动来驱动泵或者马达以用于多种用途。例如，所述能量转换器可以驱动水泵以用于将水从水箱中泵出或者用于灌溉或任何其它类似的用途。本发明并不仅限于以上用途，并且本领域技术人员能够容易地设计出本发明的能量转换器的很多其它合适的用途。

本发明也涉及将热能转化成机械运动的方法。这种方法包括使用可燃气体产生器和燃烧器系统20加热可燃流体21以产生可燃气体。使用点火器32将可燃流体(在此情况下是乙醇21)点燃，并且气体在燃烧器31中燃烧并被用于加热热交换器47中的水41从而在蒸汽发生系统40中产生湿蒸汽。为了产生过热蒸汽，必须使用过热蒸汽系统50和蒸汽分离器将湿蒸汽中的水滴从该蒸汽中分离出来。一旦经过分离，湿蒸汽进一步被蒸汽发生器室51加热从而产生过热蒸汽，该过热蒸汽用于驱动涡轮机系统60中的涡轮机61从而产生机械运动或对驱动轴62进行驱动。

申请人发现，能量转换器10相对于现有技术的系统具有提高了的热效率。最好的现有技术热机的效率低；通常低于50％并且通常远低于此。因此热机中损失到环境中的能量是主要的能源浪费。本发明通过使用回收利用一部分蒸汽的闭合环路系统提高了热效率，所述一部分蒸汽被冷凝并且提供回蒸汽发生系统40中的过程的开始处。

本发明有利地允许能量转换器10能够被用于现代热电联产(cogeneration)、组合循环和能量回收方案，这些方案都利用热机提供了一种环境友好型的选择。通过利用被提供至涡轮机系统60的过热蒸汽，申请人避免了引起涡轮机61的叶片侵蚀。

本发明并不会受到如下特有问题的影响：该特有问题迄今为止已经导致了在商业环境中蒸汽动力的终结。由于水的循环再利用使得污染很少或没有污染，并且少量的移动部件意味着维护成本显著降低。由于本发明的适应性及相对小的尺寸，这意味着所述能量转换器可以用作例如电动汽车等混合动力可再生能源交通工具的一部分。这意味着，由于蒸汽能量转换器的如下适用性因而能够减少必须对电动汽车定期充电的缺点：在汽车仍在使用状态的同时能够使用所述蒸汽能量转换器为电池再充电，从而延长了电池的各次充电之间的时间。

在本说明书中，术语“包含”应被理解为具有类似于术语“包括”的广泛含义，并且将会被理解为暗示着囊括了所陈述的整体或步骤或者整体或步骤的群组，但并不排除其它任何整体或步骤或者整体或步骤的组。

这个定义同样适用于术语“包含”的变化形式，诸如“设置有”和“具有”等。

尽管本发明已已经对本发明的示例性实施例进行了图示和说明，但本领域技术人员应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行上述的以及各种其它的修改、省略和补充。因此，本发明不应被理解为仅限于上述的具体实施例，而是包括了在以随附权利要求中所述的特征圈定的范围或其等同物内能够实现的所有可能实施例。

Claims (18)

1.一种用于将热能转换成机械运动的装置，其包括：

热交换器，所述热交换器用于产生湿蒸汽，且所述热交换器包括：

可燃流体贮存器和可燃流体泵，所述可燃流体泵使可燃流体从所述可燃流体贮存器流通至气体发生器；

第一加热装置，所述第一加热装置加热所述气体发生器中的所述可燃流体以使所述可燃流体气化；

点火源和燃烧器，所述点火源和所述燃烧器使可燃气体燃烧；

贮水器和水泵，所述水泵使供水从所述贮水器流通至所述热交换器；以及

第二加热装置，所述第二加热装置加热蒸汽发生器中的水；过热蒸汽发生器，所述过热蒸汽发生器包括：

至少一个蒸汽分离器，所述蒸汽分离器用于从所述热交换器中产生的所述湿蒸汽中分离出水滴；以及

所述过热蒸汽发生器内的圆筒形表面，所述过热蒸汽发生器内的所述圆筒形表面被至少一个加热元件加热，使得当蒸汽接触所述圆筒形表面时产生具有较高温度且无水的过热蒸汽，

其中，来自所述气体发生器的气体被点燃以提供用于加热所述热交换器中的水的热源，所述热交换器为所述过热蒸汽发生器提供湿蒸汽来源，并且所述过热蒸汽发生器提供被引导至涡轮机以产生机械运动的过热蒸汽。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括冷凝器，所述冷凝器设置于所述涡轮机与水箱之间以将蒸汽冷凝成液态并且提供闭合环路系统。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述装置包括首尾相连布置的三个过热蒸汽发生器，并且各所述过热蒸汽发生器包括三个加热元件以产生用于驱动所述涡轮机的干过热蒸汽。

4.根据权利要求3所述的装置，各所述过热蒸汽发生器包括：

分离器容器，所述分离器容器呈现出大致圆筒形内表面；

入口，所述入口用于把进入的含有蒸汽和水的混合物的所述湿蒸汽以引起所述圆筒形内表面周围的所述湿蒸汽的旋涡运动的方式引导至所述分离器容器中；

蒸汽室，所述蒸汽室位于所述分离器容器的上部中，并用于接收分离出来的上升到水的上方的干蒸汽；

基本呈圆筒形的隔板，所述隔板安装在所述蒸汽室内的与所述分离器容器的所述圆筒形内表面间隔开的位置处以形成分隔物，所述分隔物提供了被所述三个加热元件加热以产生过热蒸汽的表面；以及

蒸汽出口导管，所述蒸汽出口导管从所述蒸汽室延伸以用于排出所述过热蒸汽。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，第一个所述过热蒸汽发生器的出口连接至第二个所述过热蒸汽发生器的入口，第二个所述过热蒸汽发生器的出口连接至第三个所述过热蒸汽发生器的入口，并且第三个所述过热蒸汽发生器的出口向所述涡轮机提供具有较高温度且无水的所述过热蒸汽从而产生机械运动。

6.根据权利要求3到5中任何一项所述的装置，其中，所述隔板和所述分离器容器的所述圆筒形内表面是由铜构成的。

7.根据前述权利要求中任何一项所述的装置，其中，所述可燃流体包含由乙醇、甲基化酒精或液化石油气组成的群组中的任一者。

8.根据前述权利要求中任何一项所述的装置，还包括向所述加热装置、所述加热元件和所述点火源提供电力的电源。

9.根据前述权利要求中任何一项所述的装置，其中，通过所述能量转换器产生的所述机械运动能够用作由发电机、房屋、汽车、船、泵或任何被蒸汽驱动的交通工具组成的群组中的任一者的动力源。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述饱和蒸汽被喷嘴引导至所述涡轮机的转子上从而使所述转子转动并产生机械运动。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热交换器、所述气体发生器、至少一个所述过热蒸汽发生器和所述涡轮机都还包括减压阀以控制或限制在所述装置的各级处的压力。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述气体发生器还包括气体调节阀以自动控制在预定压力下的气体的流动。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括位于所述装置的各级之间的单向阀，所述单向阀使得液体或气体仅能够在一个方向上流过该单向阀。

14.一种用于将热能转换成机械运动的方法，所述方法包括：

加热可燃流体以产生可燃气体；

点燃所述可燃流体以加热热交换器中的水，从而产生湿蒸汽；

使用蒸汽分离器从所述热交换器产生的所述湿蒸汽中分离出水滴；

在过热蒸汽发生器中加热分离后的干蒸汽从而产生过热蒸汽；以及

利用所述过热蒸汽使涡轮机转动以产生机械运动。

15.一种根据权利要求14所述的方法，所述方法是通过权利要求1所述的装置来进行的。

16.一种自给式能量转换器，其包括：

气体发生器，所述气体发生器被容纳于第一容器中并且包括：

可燃流体贮存器和可燃流体泵，所述可燃流体泵使可燃流体从所述可燃流体贮存器流通至所述气体发生器；

第一加热装置，所述第一加热装置加热所述气体发生器中的所述可燃流体以使所述可燃流体气化；以及

点火源，所述点火源用于点燃和燃烧可燃气体；热交换器，所述热交换器被容纳于第二容器中并且包括：

贮水器和水泵，所述水泵使供水从所述贮水器流通至所述热交换器；以及

第二加热装置，所述第二加热装置加热蒸汽发生器中的水以产生湿蒸汽；

过热蒸汽发生器，所述过热蒸汽发生器被容纳于第三容器中并且包括：

至少一个蒸汽分离器，所述蒸汽分离器用于从所述热交换器中产生的所述湿蒸汽中分离出水滴；以及

所述至少一个蒸汽分离器内的圆筒形表面，所述至少一个蒸汽分离器内的所述圆筒形表面被至少一个加热元件加热，使得当蒸汽接触所述圆筒形表面时产生具有较高温度且无水的过热蒸汽，

其中，所述气体发生器提供气体，并且当所述气体被点燃时，所述气体发生器提供用于加热所述热交换器中的水的热源，

所述热交换器为所述过热蒸汽发生器提供湿蒸汽来源，并且

所述过热蒸汽发生器提供被引导至涡轮机以产生机械运动的过热蒸汽。

17.一种根据权利要求16所述的自给式能量转换器，所述自给式能量转换器是利用权利要求1所述的装置来实现的。

18.一种能量转换器，其包括：

用于输送可燃气体的组件；

至少一个燃烧器，用于燃烧所述可燃气体；

热交换器，所述热交换器与贮水器连通并用于产生湿蒸汽，所述热交换器设置于被所述至少一个燃烧器加热的位置处；

过热蒸汽发生器，所述过热蒸汽发生器与所述热交换器连通并且包括至少一个加热组件，所述至少一个加热组件被布置成对至少一个圆筒形表面进行加热从而将所述湿蒸汽转换为过热蒸汽；以及

用于将所述过热蒸汽引导至涡轮机以产生机械运动的装置。

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