CN103228899A

CN103228899A - 用于将热能转换为机械能的设备和方法

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Publication number: CN103228899A
Application number: CN2011800575465A
Authority: CN
Inventors: O·哈尔
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: RU2013129756A; JP2013545023A; US9341087B2; KR20130121911A; SE535318C2; WO2012074456A1; EP2646672A1; KR101785015B1; RU2539908C1; EP2646672B1; EP2646672A4; US20130263594A1; CN103228899B; JP5523634B2; SE1051270A1; BR112013012577A2

Abstract

本发明涉及一种用于将热能转换成机械能的设备和方法。该设备包括管线回路（3）；循环装置（4），其用于在管线回路（3）中循环非共沸制冷剂混合物；蒸发器（6），制冷剂混合物适于在该蒸发器中通过热源（7）气化；涡轮（9），其设置成由气化的制冷剂混合物驱动；和凝结器（12），制冷剂混合物适于在该凝结器中被冷却以使得其凝结。该装置包括控制装置，该控制装置设置成判定制冷剂混合物是否在蒸发器（6）中没有彻底气化，当制冷剂混合物在蒸发器（6）中没有彻底气化时，该控制装置设置成引导未完全气化的制冷剂混合物离开蒸发器到达分离装置（14），在该分离装置中，制冷剂混合物中的液态部分从制冷剂混合物中的气态部分分离出来，随后仅制冷剂混合物中的气态部分在管线回路（3）中朝着涡轮前进。

Description

用于将热能转换为机械能的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1和11前序部分的用于将热能转换为机械能的设备和方法。

背景技术

当燃料在车辆内燃机中燃烧时，化学能转换为机械能以推进车辆。然而，化学能中的相当一部分转换为热能，该热能以多种方式释放到周围环境中。其示例为排放到周围环境中的排出气体中的热能。另一示例是存在于车辆中的多种热介质中的热能，该热介质在多种冷却装置中被主动冷却。这种热介质的示例为冷却系统中的冷却剂，该冷却系统冷却车辆的发动机和可能的其它部件。热的冷却剂通常在车辆前部通过周围环境空气在散热器中冷却。许多内燃机是需要供应压缩空气的增压式内燃机。增压空气在导入发动机之前，在至少一个增压空气冷却器中冷却。为降低氮氧化物排放，排出气体的一部分可以再循环。再循环的排出气体在与增压气体混合并且导入发动机等之前，在至少一个EGR冷却器中被冷却。

WHR（废热回收）系统用于将热能转换为机械能。WHR系统包括具有泵的回路，该泵在管线回路中循环媒介。管线回路包括蒸发器和涡轮，媒介在该蒸发器中通过来自热源的热而气化，该涡轮由被气化的媒介驱动。当媒介膨胀遍及涡轮时，媒介热能的一部分转换为机械能。该机械能可以用于各种运行目的或被转换为电能。WHR系统的尺寸如此设定以使得在特定负载处效率高。在使用具有不同温度的热源的情况下，负载不是总在WHR系统处于最高效率的范围内。因此当从具有不同温度的热源获取热能时，传统的WHR系统并不特别有效率。

JP08144850提到一种用于从排出气体中回收热能的系统。该系统包括管线回路，该管线回路具有循环的水氨混合物。该系统包括高压涡轮和低压涡轮，以从处于各种运行状态的排出气体中提取机械能，排出气体在各种运行状态中处于不同温度。对于制造而言，这种系统是复杂并且昂贵的。

发明内容

本发明的目的是提出一种设备，即使在热源处于低温时，该设备也能够以有效方式将来自热源的热能转换成机械能。

该目的通过引言中提及类型的设备实现，该设备的特征通过权利要求1特征部分中的特性而指出。根据本发明，非共沸制冷剂混合物在管线回路中循环。在热源处于低温时，制冷剂混合物在蒸发器中没有彻底气化。在这种情况下，制冷剂混合物被引导到分离装置，该分离装置将制冷剂混合物中的液态部分与制冷剂混合物中的气态部分分离。继而，制冷剂混合物中的气态部分被引导回到管线回路，用于继续循环，而制冷剂混合物中的液态部分留存在分离装置中。由于制冷剂混合物包括具有不同气化温度的两种制冷剂，因此具有较高气化温度的第一制冷剂将基本维持在液态，而具有较低气化温度的第二制冷剂在蒸发器中基本变为气态。这使得在管线回路中循环的制冷剂混合物中所包括的第二制冷剂的比例增加。只要制冷剂混合物在制冷剂混合物中没有彻底气化，其第一制冷剂含量就将减小。这导致制冷剂混合物以逐渐降低的温度气化，直到其在蒸发器中全部气化。这导致能够在涡轮中产生机械能的气态媒介的最佳量。这样，根据本发明，制冷剂混合物的成分改变，并且因此当热源处于低温时，该制冷剂混合物的气化温度自动下降到较低值。这使得即使在该热源处于低温时，机械能也可以通过有效方式从热源中提取。通过非共沸制冷剂混合物，质量流量不完全取决于可用温度，因为对于最佳涡轮效率而言，质量流量能够在某种程度上通过变更制冷剂混合物的成分而被控制。

根据本发明的优选实施例，所述控制装置包括设置成从至少一个传感器接收信息的控制单元，该传感器监视参数，控制单元依据该参数判定制冷剂混合物是否在蒸发器中彻底气化。控制单元可以是计算机单元，该计算机单元具有用于此目的的适当软件。所述传感器可以设置成在蒸发器中或在管线回路中基本紧邻蒸发器下游的位置处监视制冷剂的温度和/或压力。依据所知的制冷剂的压力和温度，控制单元能够判定全部制冷剂混合物是否在蒸发器中气化。该控制单元能够依据与所用制冷剂混合物有关的存储信息判定全部制冷剂混合物是否在蒸发器中气化。替代地，其可以从传感器接收信息，该传感器检测参数，通过该参数能够估算热能从热源到蒸发器的当前供应。

根据本发明的另一优选实施例，所述控制装置能够使设备处于高效状态，并且当该控制装置判定制冷剂混合物在蒸发器中没有彻底气化时使设备处于低效状态。在高效状态中，包括适当量的第一制冷剂和第二制冷剂的制冷剂混合物通过管线回路循环。在低效状态中，具有较高气化温度的第一制冷剂从制冷剂混合物中分离。这样，在管线回路中循环的制冷剂混合物呈现出不同成分和较低气化温度，从而使得即使当热源处于低温时，该制冷剂混合物也能够彻底气化。当热源温度再次升高时，该设备被置于高效状态中，被分离的第一制冷剂在该高效状态中被引导回到管线回路，以使得制冷剂混合物呈现出升高的气化温度。

根据本发明的另一实施例，所述控制装置设置成当设备处于高效状态时将制冷剂混合物从蒸发器引导通过管线回路的普通管线部，并且当设备处于低效状态时将制冷剂混合物引导通过包括分离装置的附加管线部。在这种情况下，当设备处于高效状态时，制冷剂混合物无须经过分离装置。所述控制装置可以包括阀设备，该阀设备引导制冷剂混合物通过普通管线部或附加管线部。这使得根据设备是处于高效还是低效状态而容易将制冷剂混合物引导通过两个所述管线部之一。

根据本发明的实施例，分离装置包括容器，在该容器中液态的制冷剂混合物从气态的制冷剂混合物分离出来。液体的密度基本一直高于气体的密度。在这种情况下，制冷剂混合物中液态部分将积累在容器中的底面上，而制冷剂混合物中气态部分将积累在容器中的液位上方。该设备可以包括第一管线部和第二管线部，该第一管线部设置成从蒸发器接收制冷剂混合物并且在最大液位上方的位置将该制冷剂混合物引导进容器，该第二管线部设置成在容器中最大液位上方的位置处接收气态的制冷剂混合物并且引导气态的制冷剂混合物从容器回到管线回路。这样，在这种情况下，液态媒介留存在容器下部，而气态媒介被引导回到管线回路，用以从容器上部继续循环。该设备有利地包括第三管线部和流量装置，该第三管线部在容器底面和管线回路之间延伸，通过该流量装置可以在适当时间将积累在容器中的液态的制冷剂混合物引导回到管线回路。当该设备处于高效状态时，适当的是将已积累在分离装置中的液态的制冷剂混合物引导回去。这可以以适当的量完成，以使得在管线回路中循环的制冷剂混合物将包括在整个管线回路中处于相同比例的两种制冷剂。

根据本发明的实施例，所述热源是通过内燃机提供动力的车辆中的暖媒介。在车辆中有多种介质可以用作前述设备的热源。发动机的排出气体就是这种热源。其它可能的热源包括在车辆的冷却系统中循环的冷却剂。另外可能的热源是增压空气和被引导到发动机的再循环排出气体。在发动机的不同运行状态中，这些介质的流量和温度有变化。以上所限定的设备使得即使当前述介质的流量和温度较低时，涡轮也可以实现基本最佳运行。

在引言中提到的目的还通过根据权利要求11的方法实现。该方法包括以下步骤：判定制冷剂混合物是否在蒸发器中没有彻底气化，以及当没有彻底气化时，引导不完全气化的制冷剂混合物离开蒸发器并引导到分离装置，制冷剂混合物中的液态部分在该分离装置中与制冷剂混合物中的气态部分分离，在此之后仅制冷剂混合物中的气态部分在管线回路中朝着涡轮前进。这样，在热源处于低温时，制冷剂混合物的构成和气化温度将被调节到较低值。这使得即使当热源处于低温时，机械也能能够以有效方式从该热源中提取。

附图说明

以下借助于示例并参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1描绘了用于将热能转换为机械能的设备；并且

图2是展示用于操作图1中设备的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性描绘了车辆1，该车辆配备有用于将排出气体中的热能转换为机械能的设备，该排出气体从内燃机2中排出。该设备包括具有泵4的管线回路3，该泵设置成在管线回路3中将非共沸制冷剂混合物加压并且循环。非共沸制冷剂混合物由第一制冷剂和第二制冷剂组成。在这种情况下，第一制冷剂在类似压力下的气化温度高于第二制冷剂。制冷剂可以是氟化制冷剂、乙醇、水或具有适当特征的一些其它制冷剂。非共沸制冷剂混合物的相变发生在一温度范围内，但是在恒定压力下发生。通过变更非共沸制冷剂混合物中制冷剂的比例，可以改变相变发生的温度范围和压力。管线回路3中的制冷剂混合物通过泵4被引导到热交换器5，该热交换器可以是所谓的同流换热器。制冷剂混合物从热交换器5被引导到蒸发器6。制冷剂混合物在蒸发器6中被经过发动机2的排出管线7的排出气体加热。排出管线7中的排出气体的温度和流量随着发动机2上的负载而变化。如果发动机2是柴油发动机，那么当发动机2上有重负载时，排出气体的温度可以高达大约600-700℃。制冷剂混合物适于在蒸发器6中被加热到其气化温度。离开蒸发器6的气态的制冷剂混合物被引导到辅助加热器8。在需要的情况下，制冷剂混合物可以在此经受进一步加热，以确保当到达涡轮9时其全部处于气态。继而，制冷剂混合物膨胀遍及涡轮9。制冷剂混合物中热能的一部分在此转换为机械能。在这种情况下，涡轮9驱动将机械能转换为电能的发电机10。电能存储在能量存储部11中。能量存储部11中存储的电能可以有利地用于推进车辆1或操作车辆1的部件。替代地，涡轮9可以连接到飞轮或类似的机械能存储单元，该飞轮或类似的机械能存储单元能够连接到车辆的动力总成。当飞轮连接到动力总成时，车辆1配置有额外的推进力。

当气态的制冷剂混合物已在涡轮9中膨胀后，其将处于较低压力和较低温度。继而，制冷剂混合物被引导通过热交换器5，该制冷剂混合物在该热交换器中通过来自泵4的制冷剂混合物被冷却。随后，气态的制冷剂混合物被引导到凝结器12，其在该凝结器中被冷却到其冷凝温度。在所描绘的示例中，制冷剂混合物在凝结器12中由处于周围环境温度的空气冷却。周围环境空气由空气扇13抽取通过凝结器12。这样，气态的制冷剂混合物在凝结器12中变成液体。所产生的液态的制冷剂混合物被从凝结器12抽取到泵4。这样，到达热交换器5的液态的制冷剂混合物的温度将低于已在凝结器12上游位置经过热交换器5的气态的制冷剂混合物的温度。这样，液态的制冷剂混合物在热交换器5中经受加热，然后到达蒸发器6。

当膨胀遍及涡轮9时，循环的制冷剂混合物经受压力下降。将制冷剂混合物循环通过管线回路3的泵4给予制冷剂混合物相应的压力上升。这样，对于管线回路3中的制冷剂混合物循环的方向而言，制冷剂在管线回路3从泵4延伸到涡轮9的部分中的压力将高于在管线回路3从涡轮9延伸到泵4的部分中的压力。这样，涡轮9使得来自排出管线7中排出气体的热能可以被利用并且转换为机械能。随后，机械能在发电机10中转换为电能。使用电能用于推进使得车辆1可以获得更多动力而无须向发动机2供应任何额外燃料。

除以上描述的部件外，该设备还包括用于将液体从气体分离出来的容器14。容器14具有最大液位14a。最大液位14a可以是等于第一制冷剂全部以液体形式积累在容器14中的情况的值。容器14位于管线回路3的附加管线部3b。附加管线部具有与管线回路3的普通管线部3a平行的区域。附加管线部3b包括在管线回路3中进口孔和容器14中出口孔之间延伸的第一管线15。第一管线15的进口孔基本位于紧邻蒸发器6下游。第一管线15的出口孔位于容器的最大液位14a上方。附加管线部3b包括在容器14中进口孔和管线回路3中出口孔之间延伸的第二管线16。第二管线16的进口孔位于容器的最大液位14a上方。第二管线16的出口孔位于辅助加热器8上游。第二管线16包括阀v₁，通过第二管线16的流量能够由该阀v₁停住。普通管线部3a具有在管线回路3中第一管线15的进口孔和管线回路3中第二管线的出口孔之间延伸的区域。普通管线部3a包括阀v₂，通过普通管线部3a的流量能够由该阀v₂停住。容器14连接到在容器14中进口孔和管线回路3中出口孔之间延伸的第三管线部17。第三管线部17的进口孔位于容器14底面并且出口孔处于管线回路3中涡轮9下游位置。第三管线部17包括阀v₃，处于打开状态的该阀v₃允许抽取积累在容器14中的液体。温度传感器19和压力传感器20配置在蒸发器6中。控制单元21设置成在发动机2运行期间从温度传感器19和压力传感器20接收信息。

发动机2的不同运行状态导致在排出管线7中的具有不同温度的不同排出气体流。发动机2上的重负载导致充足的高温排出气体流经排出管线7。在这种运行状态中，涡轮9能够从排出气体中回收相当大量的热能。发动机2上的低负载导致明显较少量的较低温排出气体流经排出管线7。在这种运行状态中，涡轮9能够从排出气体中回收明显较少的热能。然而，期望的是在所有运行状态中都能从排出气体中回收尽可能多的热能。为了该目的，排出管线7中的来自排出气体的热能必须能够加热制冷剂混合物，以使得即使当排出气体处于相对低温时，该制冷剂混合物也在蒸发器中彻底气化。根据本发明，控制单元21能够将设备置于高效状态H和低效状态L。在高效状态H中，控制单元21将阀v₁置于关闭状态并且将阀v₂置于打开状态。这意味着从蒸发器6中引导出的制冷剂混合物能够经由管线回路3的普通管线部3a直接引导到辅助加热器8和涡轮9。与此同时，控制单元21将阀v₃置于打开状态，以使得已积累在容器14中的任何液体能够在涡轮9下游位置引导回到管线回路3。在低效状态L中，控制单元21将阀v₁置于打开状态并且将阀v₂置于关闭状态。这意味着从蒸发器6中引导出的制冷剂混合物仅能够经由附加管线部3b引导到辅助加热器8和涡轮9，这样，该附加管线部包括第一管线15、容器14和第二管线16。

图2是展示在图1中的设备运行期间的方法的流程图。该方法在步骤22开始。与运行有关的是，控制单元21在步骤23从温度传感器19和压力传感器20接收关于制冷剂混合物的温度t和压力p的信息。控制单元21在步骤24将温度t和压力p与第一阈值t₁和p₁比较。在第一阈值t₁和p₁处，全部制冷剂混合物在蒸发器6中充裕地气化。如果接收的温度t和压力p的值大于或等于第一阈值t₁和p₁，那么控制单元21将发现不存在液态的制冷剂混合物可能离开蒸发器并且被引导到涡轮9的风险。在这种情况下，控制单元21将在步骤25把设备置于高效状态H。这意味着第一阀v₁置于关闭状态并且第二阀v₂置于打开状态，并且从蒸发器6中引导出的制冷剂混合物能够经由管线回路3的普通管线部3a引导到辅助加热器8和涡轮9。继而，该方法在步骤22再次开始。

如果接收的温度t和压力p的值在步骤24小于第一阈值t₁和p₁，那么控制单元21在步骤26将接收的温度t和压力p值与第二阈值t₂和p₂比较。第二阈值t₂和p₂用作全部制冷剂混合物在蒸发器中6经受彻底气化的下限值。如果接收的温度t和压力p的值大于或等于第二阈值t₂和p₂，那么控制单元21将发现也不存在离开蒸发器的制冷剂混合物可能包括液体的风险。为防止设备过于频繁地从高效状态H切换到低效状态L，控制单元21将不会在步骤27变更设备的设定。这样，如果设备一直处于高效状态H，那么其允许维持在该状态。如果设备处于低效状态L，那么其允许维持在该状态。继而，该方法在步骤22再次开始。

如果接收的温度t和压力p的值在步骤26小于第二阈值t₂和p₂，那么控制单元21将发现离开蒸发器6的制冷剂混合物包括液体。控制单元21在步骤28将把设备置于低效状态L，在该低效状态中，离开蒸发器的制冷剂混合物被引导到附加管线部3b。制冷剂混合物被引导通过第一管线15到达容器14。制冷剂混合物中的液态部分的密度将高于制冷剂混合物中的气态部分的密度。因此，制冷剂混合物中的液态部分将在容器14中通过重力向下移动并且积累在容器14底面上。制冷剂混合物中的气态部分将积累在容器14中液面上方。这样，通向第二管线16的进口孔将处于容器14中的最大液位14a上方。因此，液态的制冷剂混合物可能被引导到涡轮9的风险被消除。制冷剂混合物中的液态部分基本包括具有较高气化温度的第一制冷剂。因此，第二制冷剂中具有制冷剂混合物中较低气化温度的部分将增加，该制冷剂混合物在管线回路3中循环。两种制冷剂的互相改变的比例将使得制冷剂混合物气化的温度范围降低。将气化温度降低到足够低的水平将使得即使当排出管线7中的排出气体处于低温时，在管线回路中循环的制冷剂混合物也在蒸发器中6彻底气化。继而，该方法在步骤22再次开始。当排出管线7中的排出气体温度回升到高温时，控制单元21将接收温度t和压力p的值，该温度t和压力p的值在步骤24表示，设备已被置于高效状态H。当这种情况发生时，阀v₃将打开，以使得已积累在容器14中的液态的制冷剂混合物被引导回到管线回路3。这可以逐步发生，因为两种制冷剂在管线回路3中以基本均匀的方式混合。当循环的制冷剂混合物中的第一制冷剂的比例增加时，混合物的气化温度将再次上升。

本发明完全不被限制到附图提到的实施例，而是可以在权利要求范围内自由变化。在所描绘的实施例中，排出气体中的热量用作热源以气化制冷剂混合物并且驱动涡轮。然而，还能够使用任何期望的热源以气化蒸发器6中的制冷剂混合物。该设备有利地用于具有不同热能力并且需要冷却的热源。这种热源可以是车辆的冷却系统中的冷却剂、引导到增压式内燃机的增压空气和再循环的排出气体。

Claims

1.一种用于将热能转换为机械能的设备，所述设备包括管线回路（3）；循环装置（4），其用于在管线回路（3）中循环非共沸制冷剂混合物，所述非共沸制冷剂混合物包括第一制冷剂和第二制冷剂，所述第一制冷剂在类似压力下的气化温度高于第二制冷剂；蒸发器（6），制冷剂混合物适于在所述蒸发器中通过热源（7）气化；涡轮（9），其设置成由气化的制冷剂混合物驱动；和凝结器（12），制冷剂混合物适于在所述凝结器中被冷却以使得其凝结；其特征在于，所述设备包括控制装置，所述控制装置设置成判定制冷剂混合物在蒸发器（6）中是否没有彻底气化，并且在制冷剂混合物在蒸发器（6）中没有彻底气化的情况下，将不完全气化的制冷剂混合物引导离开蒸发器并引导到分离装置（14），在所述分离装置中制冷剂混合物中的液态部分从制冷剂混合物中的气态部分分离出来，之后仅制冷剂混合物中的气态部分在管线回路（3）中朝着涡轮前进。

2.根据权利要求所述的设备，其特征在于，所述控制装置包括控制单元（21），所述控制单元设置成从至少一个传感器（19，20）接收信息，所述传感器监视参数，控制单元（21）依据所述参数判定制冷剂混合物是否在蒸发器（6）中彻底气化。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述传感器（19，20）设置成在蒸发器（6）中或在管线回路（3）中基本紧邻蒸发器（6）下游的位置监视制冷剂的温度和/或压力。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制装置能够将所述设备置于高效状态（H）并且在所述控制装置判定制冷剂混合物在蒸发器（6）中没有彻底气化的情况下将所述设备置于低效状态（L）。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制装置设置成在设备处于高效状态（H）的情况下引导制冷剂混合物从蒸发器通过管线回路的普通管线部（3a），并且在设备处于低效状态（L）的情况下引导制冷剂混合物通过管线回路的附加管线部（3b），所述附加管线部包括分离装置。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述控制装置包括阀设备（v₁，v₂），所述阀设备引导制冷剂混合物通过普通管线部（3a）或附加管线部（3b）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述分离装置包括容器（14），液态的制冷剂混合物在所述容器中与气态的制冷剂混合物分离。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备包括第一管线（15）和第二管线，所述第一管线设置成从蒸发器（6）接收制冷剂混合物并且在最大液位上方位置（14a）将所述制冷剂混合物引导进容器（14）中，所述第二管线设置成接收气态制冷剂混合物在容器中最大液位上方位置（14a）并且引导气态的制冷剂混合物从容器（14）回到管线回路（3）。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备包括第三管线部（17）和流量装置，所述第三管线部在容器（14）底面和管线回路（3）之间延伸，通过所述流量装置可以在适当情况下引导已积累在容器（14）中的液态的制冷剂混合物回到管线回路（3）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述热源采用通过内燃机（2）提供动力的车辆中的暖媒介的形式。

11.一种借助于管线回路（3）将热能转换为机械能的方法，所述管线回路包括：循环装置（4），其用于在管线回路（3）中循环非共沸制冷剂混合物，所述非共沸制冷剂混合物包括第一制冷剂和第二制冷剂，所述第一制冷剂在类似压力下的气化温度高于第二制冷剂；蒸发器（6），制冷剂混合物适于在所述蒸发器中通过热源（7）气化，涡轮（9），其设置成由气化的制冷剂混合物驱动；和凝结器（12），制冷剂混合物适于在所述凝结器中被冷却以使得其凝结，其特征在于以下步骤：判定制冷剂混合物是否在蒸发器（6）中没有彻底气化，在制冷剂混合物在蒸发器（6）中没有彻底气化的情况下，引导不完全气化的制冷剂混合物离开蒸发器并引导到分离装置（14），制冷剂混合物中的液态部分在所述分离装置中与制冷剂混合物中的气态部分分离，之后仅制冷剂混合物中的气态部分在管线回路（3）中朝着涡轮前进。