CN103270247A - 在工作介质回路中使用的膨胀装置和用于运行膨胀装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在工作介质回路中使用的膨胀装置（1），其中，在该工作介质回路中可实施一处理流程，该处理流程对应于克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环的处理流程。根据本发明，该膨胀装置（1）构造为涡旋式工作装置，在工作介质回路（AK）中循环的工作介质（AM）可沿膨胀方向流动穿过该涡旋式工作装置，其中，该涡旋式工作装置的膨胀比和/或工作介质（AM）向该涡旋式工作装置的输送是可改变的。此外，本发明涉及一种用于运行所述膨胀装置（1）的方法。

Description

在工作介质回路中使用的膨胀装置和用于运行膨胀装置的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分特征的在工作介质回路中使用的膨胀装置。此外，本发明涉及一种根据权利要求10前序部分特征的用于运行膨胀装置的方法。
背景技术
迄今内燃机的效率最多为40%。损失主要是制冷剂的热量及废气余热。
在现有技术中存在多种不同的方法和装置，借助于它们从废气余热和/或制冷剂热量中获得电能/或机械能。
在此，借助克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环将热能转换为机械能。在这样的克劳修斯-朗肯循环中通常设置有被构造为轴向活塞装置或活塞式膨胀机的膨胀装置。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种应用于工作介质回路中的得到改进的、尤其是更加节能的膨胀装置以及得到改进的、使膨胀装置运行的方法。
关于该装置，该目的根据本发明通过具有权利要求1特征的在工作介质回路中使用的膨胀装置实现。关于该方法，该目的根据本发明通过具有权利要求10特征的用于运行膨胀装置的方法实现。
本发明的优选实施例及改进在从属权利要求中体现。
在工作介质回路中使用的膨胀装置，其中，在工作介质回路内可以实施对应于克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环的流程，根据本发明该膨胀装置构造为在工作介质回路中循环的工作介质可以沿膨胀方向穿流其中的涡旋式工作装置，其中，该涡旋式工作装置的膨胀比和/或对该涡卷工作装置的工作介质的输入是可改变的。
特别有利的是，借助本发明的膨胀装置，可直接产生例如用于驱动发电机的旋转运动。
这种旋转运动使得膨胀装置运行的振动少，尤其是与常规的活塞式膨胀机的交替运动相比，在该活塞式膨胀机中交替运动此外还必须借助于摩擦式变速器转换为旋转运动。
在一个可能的实施形式中，膨胀装置的特征在于设有一固定的涡卷元件、一可动的涡卷元件和一偏心传动机构，其中，固定的涡卷元件具有固定的涡卷基板和由固定的涡卷基板延伸出的固定涡卷螺旋壁，其中该可动的涡卷元件具有可动的涡卷基板和从可动的涡卷螺旋基板延伸出的可动的涡卷螺旋壁，其中，可动的涡卷螺旋壁和固定的涡卷螺旋壁彼此形成配合，使得它们在可动的涡卷元件与固定的涡卷元件之间构成至少一个膨胀区域，其中，可动的涡卷元件可相对于固定的涡卷元件借助于偏心传动机构做圆周运动并且膨胀区域的大小在该圆周运动期间沿着膨胀路径是可改变的。在这样的膨胀装置内部，与例如被构造为轴向活塞装置或活塞式膨胀机的常规膨胀装置相比，有利地显著减少了部件数量。特别是减少了可动部件的数量。
有利地，工作介质回路的工作介质可以在中心输入膨胀装置。
在本发明的一个构型中，在工作介质回路中循环的工作介质可以借助固定的涡卷基板中的中心入口输送至膨胀装置。
在另一个构型中，工作介质回路的工作介质可以借助于固定的涡卷基板中的另外的入口沿着膨胀路径输送至膨胀装置。
在一个有利的构型中，工作介质回路的工作介质可以借助于至少一个节拍阀以有控制和/或调节的方式输入膨胀装置。
在一个有利的构型中，为在固定的涡卷基板中的每个入口配置一个单独的节拍阀，所述节拍阀可以特别有利地单独控制和/或调节。
将工作介质可变地输入到膨胀装置中有利地实现了膨胀装置中的工作介质的可变化调节的压力水平及膨胀装置中的可变化调节的工作介质流量。
对工作介质流的该简单控制和/或调节有利于工作介质回路的系统设计。
膨胀装置内的膨胀压力梯度取决于涡卷螺旋壁的几何结构。因此，在构成膨胀装置时该几何结构可以有目的地与工作介质回路中的相应条件相适应。
涡卷螺旋壁被有利地成型为阿基米德螺旋面，所述面被沿顺时针方向相互扭转180°地设置。
由此，可借助非常简单的机构实现：与设置在工作介质回路中的输送单元的泵流量无关地改变工作介质回路中的和/或膨胀装置中的工作介质流。
特别有利地，工作介质回路的在高压区域与低压区域之间的压力差（下面也称为膨胀梯度），可借助于沿着膨胀路径设置的节拍阀的数量的增加来减小和/或匹配。
由这样的减小带来了众多优点，例如可通过同时增大工作介质回路中的工作介质流量避免工作介质的过热。
典型地，在发动机低负载区域中低的膨胀梯度是有利的，而在发动机高负载区域中高的膨胀梯度是值得期望的。借助于膨胀装置可实现工作介质的特定可变的膨胀，由此工作介质回路和/或膨胀装置可灵活地与变化着的热能输入相适应。
在用于运行工作介质回路中的膨胀装置的方法中，其中在工作介质回路内进行处理流程，所述处理流程对应于克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环的处理流程，根据本发明，可动的涡卷元件相对于固定的涡卷元件借助于偏心传动机构以圆周运动的方式运动并且在可动的涡卷元件与固定的涡卷元件之间形成的膨胀区域的大小在该圆周运动期间沿着膨胀路径变化。
输入到膨胀装置中的工作介质流有利地借助于单独或共同致动的节拍阀来调节和/或控制。
借助于该方法，能够特别有利地实现膨胀装置中工作介质的可变膨胀。
因此，在工作介质回路中以及在膨胀装置中可利用在内燃机运行期间出现的几乎全部的热耗散能量，其中，膨胀装置可与因运行状态而不同的热耗散能量的量相匹配。
由此，作为本发明的优点，实现了工作介质回路及膨胀装置的效率提高。通过使用内燃机的热耗散，还提高了内燃机的效率。
膨胀装置和用于运行膨胀装置的方法可特别有利地用于给定的按照克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环的原理运行的工作介质回路，以便实现内燃机的最有效废热利用。
附图说明
下面在附图中更详细解释本发明的示例实施例，附图中：
图1示意性地示出了具有膨胀装置的工作介质回路，
图2示意性地示出了膨胀装置的实施变型，
图3示意性地示出了膨胀装置的替换实施变型，及
图4示意性地示出了运行膨胀装置的方法流程图。
具体实施方式
彼此相应的部件在所有附图中具有相同的参考标记。
膨胀装置1是工作介质回路AK的一部分，在该工作介质回路中输送工作介质AM并且其中在工作介质回路AK中进行的处理流程对应于所谓的克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环的处理流程，如图1中所示。
该工作介质回路AK包括输送单元F、热交换器W、膨胀装置1和冷凝器K。
在克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环的处理流程中，液态工作介质AM由输送单元F以工作介质流的形式输送给热交换器W。在热交换器W中液态工作介质AM在恒定压力下利用内燃机的散热加热，使得工作介质被蒸发。
热交换器W在此例如作为废气余热交换器、废气回流热交换器和/或冷却介质热交换器使用废气余热和/或内燃机制冷介质的热量来加热和蒸发液态工作介质AM。
处于高压下的蒸汽形式的工作介质AM被输送给膨胀装置1并且在绝热或几乎绝热的膨胀中膨胀到正常压力的蒸汽形式的工作介质AM。在此，在膨胀装置1中蒸汽形式的工作介质AM的动能被转换为机械能。
如膨胀装置1与发电机（未详细示出）耦联，所产生的机械能例如转换为电能。这种电能例如可用于驱动一电动机（未详细示出），该电动机辅助内燃机地起作用。此外，借助于膨胀装置1产生的机械能可直接通过内燃机布置结构（未详细示出）而输入，以用于所述辅助目的。
在膨胀之后，蒸汽形式工作介质AM被输送给冷凝器K，在冷凝器中蒸汽态工作介质AM通过冷却而恒压地或几乎恒压地冷凝并由此转化到液态的聚集状态，使得液态工作介质AM可以在输入侧输送至输送单元F。
在图2中示意性地示出了根据本发明的膨胀装置1的实施变型。
膨胀装置1优选被构造为涡旋式工作装置，在工作介质回路AK中循环的工作介质AM可以在膨胀方向流动穿过该涡旋式工作装置。
为此，膨胀装置1包括一固定的涡卷元件2和一可动的涡卷元件3。固定的涡卷元件2具有圆形的或盘状的固定涡卷基板4和一固定的涡卷螺旋壁5，所述固定的涡卷螺旋壁从固定的涡卷基板4向着可动的涡卷元件3的方向延伸。入口6.1基本上在固定的涡卷基板4的中部（例如中心）形成，并且可用来自工作介质回路AK的工作介质AM加载。
可动的涡卷元件3具有圆形或盘状的可动的涡卷基板7和可动的涡卷螺旋壁8，所述可动的涡卷螺旋壁从可动的涡卷基板7向着固定的涡卷元件2的方向延伸。
涡卷螺旋壁5和8因此被成型为所谓的阿基米德螺旋面，所述螺旋面沿顺时针方向彼此扭转180°地设置。
膨胀装置1内的膨胀比取决于涡卷螺旋壁5和8的几何形状，所述膨胀比表示膨胀装置1的高压区域与低压区域之间的压力差。在构建膨胀装置1时所述几何形状因此可有意地与工作介质回路AK中的相应条件相适应。
固定的涡卷螺旋壁5与可动的涡卷螺旋壁8这样地形成配合，使得其在固定的涡卷元件2与可动的涡卷元件3之间形成至少一个膨胀区域9.1。
根据涡卷螺旋壁5和8的几何形状，可在固定的涡卷元件2与可动的涡卷元件3之间构成另外的膨胀区域9.2至9.5，如图1中所示。
这些膨胀区域9.1至9.5是大小可变的并且以待更详细说明的方式沿着在涡卷螺旋壁5和8之间的膨胀路径移动。
膨胀路径是每个膨胀区域9.1至9.5在可动的涡卷元件3相对固定的涡卷元件2圆周运动期间的路径。
在可动的涡卷基板7上设有一未示出的偏心传动机构，该偏心传动机构一方面能够实现可动的涡卷元件3相对固定的涡卷元件2的圆周运动，另一方面以未示出的与偏心传动机构相连的轴的旋转运动的形式输出机械能。
偏心传动机构有利地被如此构造，使得可动的涡卷元件3相对于固定的涡卷元件2以圆周运动运动，其中，可动的涡卷元件3并不绕着其本身的轴线进行任何旋转运动。
在工作介质回路AK中循环的工作介质AM借助入口6.1输送给膨胀装置1。未详细示出地，为该入口6.1配设常规的节拍阀，所述节拍阀能够实现对可输送给膨胀装置1的工作介质流的控制和/或调节。
借助于两个出口10.1和10.2，可将已膨胀的工作介质AM从膨胀装置1中导出。这些出口10.1和10.2可根据可动的涡卷元件3相对于固定的涡卷元件2的圆周运动周期性地在涡卷螺旋壁5和8的相应外端部11.1和11.2处形成。
在图3中示意性地示出了根据本发明的膨胀装置1的替换实施变型。
除了图1中说明的入口6.1之外，在固定的涡卷基板4中设有另外的入口6.2至6.5。这些入口6.2至6.5这样地沿着膨胀路径设置，使得膨胀区域9.1至9.5在其沿着膨胀路径运动期间可用来自入口6.2至6.4的工作介质AM加载。
未详细示出的是，为每个入口6.1至6.5配设一单独的节拍阀。借助于这些单独或共同致动的节拍阀，能够实现对可借助于入口6.1至6.5输送给膨胀装置1的工作介质流的单独控制和/或调节。
在图4中示意性地示出了膨胀装置1运行的方法流程图。
为了形象地说明膨胀装置1的运行方式，图4以循环工作图描绘了方法步骤S1至S4。
在方法步骤S1中，中心设置的膨胀区域9.1借助于入口6.1用来自工作介质回路AK的处于高压下的蒸汽状工作介质AM加载。出口10.1和10.2是闭合的。在涡卷螺旋壁5和8之间沿着膨胀路径形成另外的膨胀区域9.2至9.5。
通过由工作介质AM的膨胀产生的动能及由此引起的作用于涡卷螺旋壁5和8上的力，可动的涡卷螺旋壁8和由此可动的涡卷元件3被激励相对于固定的涡卷元件2进行圆周运动。
在方法步骤S2中，示出了在90°的运动幅度之后的该顺时针方向的圆周运动。膨胀区域9.1至9.3已增大了它们的容积。由此造成工作介质AM的压力和/或温度降低（下文描述为膨胀）。膨胀区域9.4和9.5已经达到了它们的最大容积膨胀并且出口10.1和10.2被打开。通过出口10.1和10.2，已膨胀的工作介质AM被输送给工作介质回路AK并且在冷凝器K中液化。
在方法步骤S3中，示出了可动的涡卷元件3在180°的运动幅度之后的圆周运动。膨胀区域9.1至9.3在其沿着膨胀路径的运动期间增大了容积。出口10.1和10.2达到它们的最大打开横截面并且因此有助于工作介质AM回流到工作介质回路AK中。
在方法步骤S4中，示出了可动的涡卷元件3在270°的运动幅度之后的圆周运动。通过可动的涡卷元件3相对于固定的涡卷元件2的圆周运动已产生了新的膨胀区域9.1’，而膨胀区域9.1至9.3被进一步增大并且它们继续沿着膨胀路径向着出口10.1和10.2的方向运动。出口10.1和10.2几乎被完全封闭并由此造成，膨胀区域9.4和9.5在可动的涡卷元件3的圆周运动的进一步变化过程中被消除。
在可动的涡卷元件3相对于固定的涡卷元件2的整个圆周运动结束之后，方法流程重新开始方法步骤S1。
借助于偏心传动机构用在工作介质AM膨胀时产生的力来驱动膨胀装置1的未示出的轴。由此例如可直接借助于膨胀装置1来驱动发电机。
由膨胀装置1的轴的该旋转运动有利地引起了膨胀装置1的振动少的运行。
可沿着膨胀路径在固定的涡卷基板4中设置另外的入口6.2至6.5（在图4中未详细示出）。借助于这些附加的入口6.2至6.5，膨胀区域9.1至9.5在其旋转期间用来自工作介质回路AK的处于高压下的蒸汽形式的工作介质AM加载。
工作介质AM到膨胀装置1中的该可变输入有利地产生了工作介质AM在膨胀装置1中的可变调节的压力水平和/或膨胀装置1的可变调节的工作介质流量。
对膨胀装置1中的工作介质流AM的该简单控制和/或调节有利地简化了工作介质回路AK的系统设计及工作介质回路AK的控制和/或调节。
附图标记列表
1膨胀装置
2固定的涡卷元件
3可动的涡卷元件
4固定的涡卷基板
5固定的涡卷螺旋壁
6.1至6.5入口
7可动的涡卷基板
8可动的涡卷螺旋壁
9.1至9.5膨胀区域
9.1’膨胀区域
10.1，10.2出口
11.1，11.2端部
AK工作介质回路
AM工作介质
F输送单元
K冷凝器
S1至S4方法步骤
W热交换器

Claims (10)

1.用于在工作介质回路（AK）中使用的膨胀装置（1），其中，在该工作介质回路中可以实施一处理流程，该处理流程对应于克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环的处理流程，
其特征在于，
所述膨胀装置（1）构造为涡旋式工作装置，在所述工作介质回路（AK）中循环的工作介质（AM）能够沿膨胀方向流动穿过所述涡旋式工作装置，其中，所述涡旋式工作装置的膨胀比和/或工作介质（AM）向所述涡旋式工作装置的输送是可变的。
2.根据权利要求1所述的膨胀装置（1），其特征在于，设有一固定的涡卷元件（2）、一可动的涡卷元件（3）和一偏心传动机构，其中，该固定的涡卷元件（2）具有一固定的涡卷基板（4）和一从该固定的涡卷基板（4）延伸出的固定的涡卷螺旋壁（5），其中，该可动的涡卷元件（3）具有一可动的涡卷基板（7）和一从该可动的涡卷基板（7）延伸出的可动的涡卷螺旋壁（8），其中，该可动的涡卷螺旋壁（8）和该固定的涡卷螺旋壁（5）彼此形成配合，使得它们在该可动的涡卷元件（3）与该固定的涡卷元件（2）之间形成至少一个膨胀区域（9.1至9.5），其中，该可动的涡卷元件（3）借助于所述偏心传动机构相对于该固定的涡卷元件（2）做圆周运动，并且所述膨胀区域（9.1至9.5）的大小在该圆周运动期间沿着膨胀路径是可改变的。
3.根据权利要求1或2所述的膨胀装置（1），其特征在于，所述工作介质回路（AK）的工作介质（AM）可在中心输入。
4.根据上述权利要求中任一项所述的膨胀装置（1），其特征在于，所述工作介质回路（AK）的工作介质（AM）可以借助于在所述固定的涡卷基板（4）中的一中心入口（6.1）输入。
5.根据上述权利要求中任一项所述的膨胀装置（1），其特征在于，所述工作介质回路（AK）的工作介质（AM）可借助于在所述固定的涡卷基板（4）中的另外的入口（6.2至6.5）沿着膨胀路径输入。
6.根据上述权利要求中任一项所述的膨胀装置（1），其特征在于，所述工作介质回路（AK）的工作介质（AM）可以借助于至少一个节拍阀有控制和/或调节地输入。
7.根据权利要求6所述的膨胀装置（1），其特征在于，为所述固定的涡卷基板（4）中的每个入口（6.1至6.5）配设一单独的节拍阀。
8.根据上述权利要求中任一项所述的膨胀装置（1），其特征在于，在所述膨胀装置（1）内的膨胀压力梯度取决于所述涡卷螺旋壁（5和8）的几何形状。
9.根据权利要求2或8所述的膨胀装置（1），其特征在于，所述涡卷螺旋壁（5和8）被成型为阿基米德螺旋面。
10.用于在工作介质回路（AK）中运行膨胀装置（1）的方法，其中，在所述工作介质回路（AK）中实施一处理流程，该处理流程对应于克劳修斯-朗肯循环或有机朗肯循环的处理流程，
其特征在于，
可动的涡卷元件（3）相对于固定的涡卷元件（2）借助于偏心传动机构以圆周运动的方式运动并且在该可动的涡卷元件（3）与该固定的涡卷元件（2）之间形成的膨胀区域（9.1至9.5）的大小在该圆周运动期间沿着膨胀路径改变。
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