CN106062320B

CN106062320B - 具有热回收的热功率设备

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Publication number: CN106062320B
Application number: CN201480069832.7A
Authority: CN
Inventors: J·梅克勒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2018-08-03
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: CN106062320A; KR20160101008A; JP2017501343A; AU2014365181B2; EP3092376A1; CH709010A1; AU2014365181A1; JP6293920B2; US20170002691A1; KR102238005B1; EP3092376B1; US10125637B2; WO2015091135A1

Abstract

本发明公开了使用工作介质将热量转换成机械能或电能的能量转换方法和热功率设备，其中在蒸汽发生器中在第一压力下产生所述工作介质的蒸汽状态。在蒸汽膨胀装置中使汽化的工作介质膨胀到较低的第二压力。排出通过膨胀过程所获得的能量。使用工作介质的饱和线来执行蒸汽状态的膨胀。由此在分离装置中将工作介质分离成未冷凝部分和冷凝部分。随后在压缩机中将所述未冷凝部分压缩成压缩的未冷凝部分。使所述压缩的未冷凝部分冷却并冷凝成压缩的冷凝部分。随后对所述压缩的冷凝部分和初始的冷凝部分进行加热，并且使这两个部分一起返回到蒸汽发生器。

Description

具有热回收的热功率设备

技术领域

本发明涉及用于从热量生成机械能或电能的功率设备的领域，并且具体地涉及具有热回收的热功率设备，尤其是热机、活塞式蒸汽机或蒸汽涡轮机的热功率设备（thermalpower plant）的领域。

背景技术

从现有技术状态已知各种蒸汽循环过程具有这些过程中所产生的能量的回收。通常，借助于蒸汽功率设备所产生的电能是基于克劳修斯-朗肯循环过程。这种方法具有两个缺点。一方面，蒸汽在蒸汽涡轮机中膨胀之后必须冷凝，这发生在冷却塔中或借助于河水冷却发生。从而损失了非常大量的热量，约60%。除了热量损失之外，环境也因此受到废热的影响，这同样是不希望的。另一方面，低压部件与环境温度相关。为了实现足够程度的效率，在高压侧上必须使用约600至800℃的高温。然而，这意味着仅高温处的热量能够被转换成电能。利用朗肯循环过程无法以经济的方式将地热、太阳热或呈热回收形式的热量转换成电能。

从DE 3427219已知的是例如用于气体涡轮机或活塞式蒸汽机的蒸汽机循环，其在工作材料的超临界范围下工作。在超临界温度范围和直接来自液相的压力范围下获得工作材料的热气体或冷气体，并且进一步在恒定的超临界压力下对所述热气体或冷气体进行加热并将其馈送到气体涡轮机。在气体涡轮机中，气体在绝热或多变的条件下进行膨胀，直到接近工作介质的临界点。借助于热泵和/或膨胀室使气体进一步冷却到其完全液化状态。所述进一步冷却在临界温度处或以下、但仍然高于临界压力的情况下发生。由超临界蒸汽机循环从外部吸收的所有热量，即液化热量和过热热量以及在利用冷蒸汽进行操作的情况下在膨胀期间经由涡轮机壁所吸收的热量，均能够转换为功。

WO 2012/049259 A1示出了用于利用克劳修斯-朗肯循环过程来转换具有相对较低温度的外部热源的方法和设施。在所述方法中，使用外部功率源来对处于液相的介质进行压缩以获得流体介质。通过至少部分地来自外部热源的热量来对压缩的流体介质进行加热。所述介质由此膨胀并且达到超临界相。随后，将受热介质的压力降到预定的值，并且确切而言，通过消耗功来产生电能。将能量的频率转换到期望的输出频率，并且降低介质的温度和体积，以便使介质达到液相并且将其引回到所述循环中。多个热交换器设置在液体介质和膨胀的蒸汽之间。由于所需要的温度范围，这种方法不适合于地热和太阳热的使用。

发明内容

根据本发明的目的是热功率设备，具体地热机，以避免热量损失的来源，降低所使用的循环过程所需要的温度，并且改进功率设备的效率水平，具体地增加转换至电能的程度。

此目的通过根据权利要求1所述的热功率设备和根据权利要求10所述的能量产生方法来实现。从属权利要求中描述了多个有利的实施例和另一实施例的示例。

根据本发明的用于借助于工作介质将热量转换成机械能或电能的能量转换方法具有以下步骤。在蒸汽发生器中使工作介质在第一压力下产生蒸气状态。在蒸汽膨胀装置中使蒸发的工作介质膨胀到较低的第二压力。将通过膨胀过程所获得的能量排出（例如）到发生器。用于传动的是例如液压传动装置的传动装置。根据本发明，使用工作介质的饱和线来执行蒸汽状态的膨胀。由此在分离装置中使工作介质分离成未冷凝部分和冷凝部分。随后在压缩机中将未冷凝部分压缩成压缩的未冷凝部分。使压缩的未冷凝部分冷却并冷凝成压缩的冷凝部分。随后对压缩的冷凝部分和初始的冷凝部分进行加热，并且使这些部分一起返回到蒸汽发生器。

用于通过借助于执行根据本发明的方法的工作介质来转换能量的热功率设备具有用于使工作介质在第一压力下汽化的蒸汽发生器、用于使存在于汽化状态中的工作介质膨胀到较低的第二压力下的蒸汽膨胀装置、冷凝器以及冷凝泵。来自燃烧的热量、地热能、太阳能系统的热量、来自冷却系统和/或来自热回收的废热可用作用于工作介质的热源。冷凝器使从蒸汽膨胀装置所排出的工作介质冷却并液化。蒸汽膨胀装置设置成如下方式，使得通过蒸汽膨胀装置膨胀的工作介质具有冷凝部分和未冷凝部分。根据本发明，膨胀基本上通过工作介质的多变曲线进行，优选地通过饱和线，特别地通过其临界点。此外，提供用于分离冷凝部分和未冷凝部分的分离装置和用于对工作介质的未冷凝部分进行压缩的压缩机。由此至少部分地借助于冷凝器中的冷凝部分来冷凝膨胀的工作介质的未冷凝部分。

利用根据本发明的方法，还能够以良好的效率水平将较低温度的热量（例如来自木材燃烧、地热资源、热回收的热量）转换成电能。

在蒸汽发生器中汽化的工作介质的膨胀优选通过湿蒸汽膨胀发生，并且压缩的未冷凝部分的冷凝优选地借助于冷凝部分发生。用于膨胀相的第二压力有利地利用工作介质在临界点处的压缩因子Z所确定。在所述方法的情况下，未冷凝部分能够总计达到汽化的工作介质的50%至60%。因此，初始的冷凝部分是40%至50%。

在根据本发明的热功率设备的实施例中，分离装置能够包括壳体，由此压缩机设在壳体的上部区域中，蒸汽膨胀装置在壳体的下部区域中，并且用于将一个冷凝部分泵送出去的泵设在下部区域下方的底部区域中。

例如根据涡轮机中的离心机原理能够发生相分离。涡轮机的叶片的形状有利地适于此目的，使得汽化的工作介质分离并且这些部分能够通过冷凝物连接和残余蒸汽吸入管路排放出涡轮机。

在根据本发明的热功率设备的实施例中，蒸汽膨胀装置能够包括具有用于接纳汽化的工作介质的入口阀的工作汽缸，以及紧接着工作汽缸的活塞。优选地，两个工作汽缸各自相对地设置在分离装置上。这意味着工作汽缸是以相对的方式对称地设置并且连接到同一个活塞。

热功率设备优选具有包括至少一个摆臂的摆臂机构。摆臂机构联接到压缩机以便对工作介质的未冷凝部分进行压缩并且联接到泵以便将冷凝部分从分离装置排放出去。优选地，摆臂机构能够容纳在分离装置的壳体中。摆臂机构能够驱动摆臂机构的工作汽缸和活塞。摆臂能够联接到蒸汽膨胀装置的活塞和残余蒸汽压缩机的活塞并且以围绕杠杆轴旋转的方式设置。摆臂优选地还联接到曲柄机构并且将工作介质的膨胀功从工作汽缸传输到曲柄机构。曲柄机构能够将所述功进一步传递到发动机（发电机，generator）。

在根据本发明的热功率设备的优选实施例中，活塞具有出口阀，所述出口阀内置至活塞中并且可由切换销控制。切换销（例如）借助于用于活塞的引导件和至摆臂机构的联轴器进行引导。在工作介质膨胀时，一侧上的出口阀能够闭合，而另一侧上的出口阀是打开的并且能够排出膨胀的蒸汽。

此外，在根据本发明的热功率设备的实施例中，压缩机能够包括压缩机入口阀和压缩机活塞。压缩机入口阀由此设置在压缩机活塞中并且可借助于活塞杆进行控制。活塞杆优选地联接到摆臂机构。未冷凝部分的压缩由此连接到气化的工作介质的膨胀。

膨胀过程

根据现有技术状态，假设热机是根据包括两个绝热曲线和两个等温曲线的理想气体定律的卡诺循环过程。然而，根据本发明的方法和热功率设备包括上述内容以及除此之外的分子的分子间吸引力，如下文将解释的，由此能够实现功率设备的改进的效率水平。

利用根据本发明的这种方法，消除了常规功率设备的相当大的损失因素。冷却塔被取代，并且所述方法由此变得更经济。效率得到显著改进，并且环境受废热的影响减小。其不再依赖于环境温度，并且降低了处理温度。所述方法和所述功率设备还适合于较低温度的热量，诸如地热、来自木材燃烧的热量、来自热回收的热量，并且以良好的效率水平分别发生至机械能、电能的能量转换。

在热功率设备的情况下，实现了改进，并且准确而言：

-在效率水平方面，即相对于引入机器中的热能由功率设备所递送的机械能或电能；

-在同样在热源的低绝对温度下，例如在太阳热、地热能、木材燃烧、热回收等情况下热功率设备的应用可能性方面；以及

-在对环境的影响方面，因为不产生释放到环境中的大量废热，所以不需要冷却塔等等。

实现以上改进的原因在于，在热功率设备中，在对常规的朗肯循环过程做出修改的情况下，利用根据本发明的方法，工作介质初始通过从外部供应的热量而达到超临界状态。超临界的工作介质随后通过工作介质的临界点膨胀，同时做机械功。随后，所产生的气/液相混合物，即未冷凝部分和冷凝部分（残余蒸汽/冷凝物）被分离。残余蒸汽部分首先被压缩并且由此受热，并且然后与不受热部分进行热交换，并且因此冷却冷凝物部分，从而使得残余蒸汽部分随后液化。

热功率设备包括蒸汽发生器、如以上指出的用于使工作介质膨胀的蒸汽膨胀装置（例如，以工作汽缸的形式）或涡轮机等，在所述蒸汽发生器中，根据这个步骤，使工作介质通过热量的添加而达到超临界状态。在蒸汽膨胀装置中，超临界工作介质在膨胀期间做功。此外，提供了用于残余蒸汽的压缩机和分离装置，所述分离装置与蒸汽膨胀装置和残余蒸汽压缩机流体连接。分离装置具有上部区域、下部区域和底部区域，由此冷凝物部分收集在底部区域中并且未冷凝的残余蒸汽部分收集在下部区域至上部区域中。分离装置的下部区域能够与蒸汽膨胀装置进行流体连接，并且上部区域能够与残余蒸汽压缩机进行流体连接。在蒸汽膨胀装置中的超临界的工作介质的膨胀之后，此介质离开蒸汽膨胀装置并且到达分离装置中，在所述分离装置中，冷凝物部分收集在底部区域中并且残余蒸汽部分收集在其上方。相分离器的底部区域与泵流体连接，以便将冷凝物部分泵送回到蒸汽发生器。在残余蒸汽压缩机中，残余蒸汽部分被压缩并且由此受热。压缩且受热的残余蒸汽（a）在热交换器/冷凝器中与冷凝物进行热交换，或者特别地（b）分别与冷凝物混合，其中残余蒸汽由此同样冷凝。

如上所述，蒸汽膨胀装置具有例如至少一个汽缸/活塞单元，特别地呈水平对置或水平相对的构型，并且能够联接到发电机。由超临界的工作介质在蒸汽膨胀装置处所做的机械功的第一部分由此被传送到发电机以便产生电能。蒸汽膨胀装置和残余蒸汽压缩机同样彼此联接，例如经由具有如上所述的相对应的杆布置的摆臂机构。由超临界的工作介质在蒸汽膨胀装置处所做的机械功的第二部分由此使用在残余蒸汽压缩机处，以便压缩和加热残余蒸汽部分。

不同于热电联产的情况，其中化学能主要被转换成电能和热能，同时以针对性的方式利用废热，在本发明的情况下，来自热源（例如，太阳热、地热能等）的能量能够以此方式使用，使得最终主要产生机械能或电能而实际上不产生热能（即，没有大量的废热）。

就工作介质而言，除空气之外，其它物质也是可能的，例如水、碳氟化合物、氯化烃类、烷烃类等，具体地还有氮或混合物。由于氮、氧和氩的低临界点（即低临界温度和临界压力）以及它们作为空气混合物的价格最低，空气优选用作工作介质。在实际上完全转换成机械能或电能的情况下，也能够由此利用具有相对低的绝对温度的热源，诸如太阳热、地热能等。

附图说明

以下参照附图呈现本方法工作的方式以及根据本发明的一个实施例，附图仅用作说明性目的并且不应以限制性方式进行解释。本发明根据附图所公开的特征应当被认为单独地且以任何组合的方式归属于本发明的公开内容。在附图中示出：

图1：根据本发明的用于具有热回收的热功率设备的循环过程；

图2：根据图1的循环过程在临界点处的麦斯威尔分布；

图3：根据图1的循环过程在最终状态下的麦斯威尔分布；

图4：根据图1的循环过程的比容积的函数的饱和状态下的空气的压缩因子Z；

图5：绝热状态变化相对于根据图1的循环过程的湿蒸汽膨胀的比较；

图6：根据本发明的利用湿蒸汽膨胀的循环过程；

图7：根据图6的循环过程在运动壁上的动量矢量；

图8：根据本发明的冷凝器的热值设计；

图9：根据本发明的利用冷凝马达的热功率设备；

图10：穿过根据图9的冷凝马达的截面；

图11：穿过根据图9的冷凝马达的工作汽缸的截面；

图12：具有根据图9的冷凝马达的出口阀的活塞；

图13：根据图12的出口阀；

图14：根据图9的热功率设备的阀控件；

图15：根据图9的热功率设备的残余蒸汽压缩机；

图16：根据图9的热功率设备的残余蒸汽压缩机的活塞；

图17：根据离心机原理的用于相分离的蒸汽涡轮机。

具体实施方式

图1至图8中所描述的是根据本发明的用于在热功率设备中借助于工作介质进行能量转换的方法所基于的循环过程。图9至图16中呈现的是根据本发明的热功率设备，该热功率设备根据依据本发明的能量转换方法进行工作。

在假设热机能够配备有热回收装置的情况下，呈现如图1所示的新方法。这种方法主要特征在于蒸汽膨胀通过多变曲线，优选地通过饱和线，并且尤其优选地通过临界点2。在这种膨胀1的情况下，产生了包括未冷凝部分（即蒸汽3）和冷凝部分（冷凝物4）的混合相。等熵地看来，出现膨胀1通过临界点，例如空气，其中具有约48%的蒸汽相和52%的冷凝物。

使用根据本发明的方法，随着蒸汽相中的膨胀，工作介质能够冷凝。这通过由蒸汽分子的偶极性的冷凝所引起，所述偶极性是松散的桥结合的基础，工作介质的液相是基于该桥结合。在相碰撞的两个蒸汽分子的内能小于偶极的结合能时发生桥结合。在临界点处，蒸汽相和液相存在于热平衡中。因此，在临界点处，其内能高于偶极的结合能的分子与其内能小于偶极的结合能的蒸汽分子的内能总和处于相平衡。

图2中所示的是对于临界点的分子的麦斯威尔分布11。因为内能是分子速度的二次函数，所以将结合能指示在均方值12处。曲线下方的面积对应于分子的处于相应分子速度的部分。在均方值12的一侧上的面积13近似对应于在均方值12的另一侧上的面积14。在这种状态下，不会出现持久的桥结合，因为这种桥结合被较快的分子反复破坏。

作为比较，图3示出了针对工作介质的结束状态的麦斯威尔分布。膨胀之后的温度低于开始时的温度，由此在假设结合能12恒定时，根据麦斯威尔15的分布函数发生移动。其中内能小于桥结合能量的分子数量显著更大。其中内能大于桥结合能量的分子数量显著更小。它们不能够再破坏所有的桥结合，使得发生冷凝。冷凝分子的数量由面积16与17之间的差值产生。由此可以确认在等熵膨胀的情况下通过临界点发生冷凝的上述假设。根据本发明的热功率设备因此表示一种类型的冷凝马达。

然而，还必须考虑损失，诸如摩擦、泄漏和绝缘损失。摩擦转变成热量，并且这将引起冷凝物的汽化。泄漏损失将增加残余气体压缩的吸入体积。由此引起增加的熵。在20%的损失的情况下，将实现约40%的冷凝物和60%的蒸汽的相混合物。

冷凝物的热量在工作介质的三相点T处具有其最大值。冷凝物的热量值然后随着温度增加而减小，并且在临界点处达到零值。因此，根据本发明的借助于内部冷凝实现热回收的原理在于，通过压缩以此方式来对蒸汽部分进行加热，使得所述蒸汽部分能够借助于冷的冷凝物部分而液化。

根据本发明使用的是利用工作介质的循环过程，如图1所示，其包括以下步骤：

-使蒸汽膨胀1通过临界点2，

-使未冷凝部分（即蒸汽部分3）与冷凝部分（即冷凝物部分4）在分离装置中分离，

-在冷凝器中压缩5未冷凝的蒸汽部分3，

-重新冷却6压缩的未冷凝蒸汽部分3，

-借助于冷凝器中的冷的冷凝物将到目前为止未冷凝的蒸汽部分冷凝7成压缩部分3'，

-加热8压缩的冷凝部分3'，

-加热9和（如果有必要）泵送初始已冷凝的部分，以及

-使整个冷凝物汽化10，该冷凝物包括压缩的冷凝蒸汽部分3'和初始冷凝的冷凝物部分4。

本发明利用湿蒸汽膨胀的作用。如果根据气体定律从所使用工作介质的临界密度和临界温度来确定临界点处的压力，则对于空气获得131巴的压力。现在，在空气的情况下临界压力有效地为37.2巴。通过分子间吸引力的作用来解释此减小的压力，并且利用如（例如）在VDI热图集（VDI Heat Atlas，1984年版，图表Da 13）中所定义的压缩因子Z来确定此减小的压力。

图4所示的是水饱和状态18下的空气的比体积v变化的压缩因子Z，其基于表17，饱和状态下的空气的物质值（Material Values of Air in the Saturation State，VDI热图集，图表DB 11）。当密度较高且分子间间隔较小时，分子间吸引力具有非常强的作用。在紧接着临界点之后，分子间吸引力极大地减小。这能够引起分子间吸引力的减小大于利用膨胀实现的体积增加。在这个范围内，压力能够保持恒定或甚至能够随着膨胀而增加，这在热功率设备的构造中应考虑在内。随着体积的增加，蒸汽转变成气相。

图5在压力-体积图中示出这种关系。考虑到压缩因子Z，膨胀1在紧接着临界点2之后爬升，或者相应地压力增加，但随后接近绝热曲线19，其假设131巴的压力。根据通用的气体定律，131巴的压力由工作介质的临界温度和临界密度产生。这意味着比体积越大，分子间间隔也将越大，并且蒸汽转变成气相。从临界点开始，根据通用的气体定律所确定的纯气体膨胀的绝热曲线将根据线20延伸。状态函数下方的面积对应于所做的功。因此，从图5能够看出，在根据绝热曲线19的湿蒸汽膨胀情况下做功多于在从临界点开始的根据线20的纯气体膨胀情况下。

图6中所示出的压力-体积图是根据本发明的热功率设备或相应地冷凝马达的循环过程。湿蒸汽膨胀的进程同样由附图标记1指示。在对残余蒸汽进行压缩的情况下，体积小于60%，并且由于分子间吸引力所引起的状态变化更平坦。这意味着，由于分子间吸引力，压缩功小于根据通用气体定律的压缩功。因此，无法使用根据通用气体定律的绝热函数来确定湿蒸汽膨胀1情况下所做的功。因为没有显函数可用于压缩因子Z，所以应在截面上计算冲程。

冲程的计算越准确，则与其相连的过程的确定也更准确。在根据本发明的方法的情况下，对于热量转换成功而言，假设与根据热质理论可能的情况相比，根据热动力学理论可以更好地解释且更准确地确定这个过程。

在气体动力学理论中，在蒸汽压力情况下能够产生的力的作用归因于分子碰撞。由此对于原子核中的大多数部分定位原子的质量，其中原子核是非常小的。原子核近似对应于原子直径的千分之一百。在此原子核周围存在主要为正的力场，其由阳电子所产生。在两个原子碰撞时，两个同极的力场相撞。这同样适用于分子，因为这些分子是由原子构成的。因此将分子碰撞视为弹性的。此处假设在热功率设备的运动的活塞壁上的分子碰撞对应于弹性碰撞的特殊情况，即运动壁上的碰撞。碰撞分子的速度变化因此是壁速度、相应地活塞速度的两倍。

图7中所解释的是分子间的碰撞过程。该碰撞过程包括两个相，即压缩相和膨胀相。压缩相是其中力场彼此撞击的相。由此将动能转换成势能。膨胀相是其中分子再次互相排斥的相；势能再次转换成动能。碰撞过程的转折点位于压缩相与膨胀相之间。它由此改变速度矢量的方向和绝对值，如图7所示。速度和动量是矢量，因此必须以矢量方式处理每次碰撞的能量平衡。在碰撞之前，分子以平均分子速度22撞击运动的活塞壁21。在碰撞之后，分子具有平均速度23。分子的速度及相应地其法向分量的速度变化了活塞速度（2vK）的两倍，由此产生内能变化和温度降低，这是由于温度随内能变化。

随着分子在壁上碰撞，分子的速度（例如平均分子速度）下降到壁速度。通过这种减速，分子将质量力作用于壁上。由于在运动壁上的冲击，此质量力随着壁的移动而做功。在膨胀相中，分子再次被推动，即加速。此处通过加速也产生了质量力，在该质量力的情况下，分子作用于壁上，并且此处随着壁的移动也做功。根据能量守恒原理，由分子所做的功对应于其动能的变化。每个冲程所传输到壁的功是在所有分子撞击数量上每次分子碰撞所做的功的总和。能够借助于牛顿第二定律根据压力来计算壁上的分子撞击数量。检查这种计算方法，从而确定气体压缩机的功率输出。由此产生良好的一致性。

根据本发明，在热功率设备中利用通过膨胀实现的工作介质冷凝。冷凝是从气相到液相的转变。在气相中，分子能够自由运动；它们具有动能、振荡能和旋转能。分子连续地彼此碰撞并且根据布朗分子运动交换其脉冲。动能、振荡能和旋转能的部分由自由运动的程度引起。

液相是基于分子间的松散的偶极结合。在这种松散的偶极结合中，分子仍然能够摆动并且旋转；它们不再具有动能。当碰撞分子的内能小于桥的结合能时，能够出现桥结合。因此当分子的内能小于桥的结合能时，分子在冲击时冷凝。为了使蒸汽冷凝，必须从分子提取内能。当撞击运动壁时，分子减速了壁速度的两倍。这意味着在这种冲击动能的情况下，相应地内能被传递到活塞，或者换言之，在膨胀期间内能从分子抽离，使得蒸汽能够冷凝。

根据本发明的方法，相混合物的分离在冷凝部分和未冷凝部分中发生。此分离能够借助于重力或离心力原理发生。在重力原理的情况下，冷凝物作为冷凝部分收集在底部处并且能够从此处被泵送。呈残余蒸汽形式的未冷凝部分能够在分离装置（例如，相分离器）的顶部处被吸出。

图8中所示出的是冷凝器的热值布局：蒸汽部分的重新冷却6、蒸汽部分在冷凝器的初级侧上的冷凝7以及逆流形式的冷的冷凝物部分在次级侧上的加热9。60%的蒸汽部分和40%的冷凝物部分的重新冷却是可能的，因为冷凝物的比热高达蒸汽的比热的约两倍。

热功率设备的效率程度可解释如下。由功率设备递送的最终输出对应于由膨胀所获得的功与残余蒸汽部分的压缩以及冷凝物部分的加热和泵送所需的能量之间的差。例如，能够在从100到0.1巴的情况下发生膨胀，能够在从约1至30巴的情况下发生残余蒸汽部分的压缩；残余蒸汽部分的质量处于膨胀蒸汽的50-60%之间。因此，由膨胀所产生的功的约30%传递到残余蒸汽压缩中。冷凝物部分的泵送和加热所必需的功率输出对应于由膨胀所获得的功的约2%。

在根据本发明的方法的情况下，优选空气作为工作介质，一方面因为空气是对环境安全的，而且还因为空气是具有良好记录的介质。然而，原则上，也可使用其它工作介质，例如氨、二氧化碳或卤化氢。空气的临界点位于–141℃处，即在低温范围内，其中空气还以蒸汽和液体的形式出现。

图9示意性地示出根据本发明的具有利用热回收的冷凝马达的热功率设备。该热功率设备具有包括内置的热量输入装置26的蒸汽发生器25。蒸汽发生器25由热源27供应。热源27能够是：来自燃烧的热量、地热能、太阳能系统、冷却系统、来自功率设备的热回收等。利用此热量，在功率设备中产生高压蒸汽并且将其供应到冷凝马达的工作汽缸43。根据本发明，机器壳体44用作蒸汽的冷凝部分和未冷凝部分的分离装置，由此机器壳体44表示相分离器。通过管路29，高压蒸汽被引入具有汽缸盖41和活塞45的工作汽缸43的压力室中。冷凝马达的构造对应于所谓的水平对置原则，其中两个汽缸43各自以相对的方式设置在机器壳体44中。用于允许蒸汽进入的入口阀57也内置至汽缸盖41中。

利用活塞杆，例如通过在引导件47中进行引导的十字头46，活塞45连接到具有摆臂48的机构，活塞45的冲程被传输到该摆臂48。摆臂48位于摆臂轴49上，利用该摆臂轴49，将摆动运动向外传输到曲柄机构50。以传动装置来驱动曲柄机构50，优选无级变速液压传动装置，利用所述传动随后可驱动发生器。将摆臂机构联接到残余蒸汽压缩机51。利用摆臂48，通过十字头46，驱动残余蒸汽压缩机51的汽缸中的活塞52。残余蒸汽压缩机51连接到预冷却器35和冷凝器36。压力管路53从残余蒸汽压缩机51的汽缸通向预冷却器并且进一步通向冷凝器36。压力管路53连接在初级侧上。管路从冷凝器36通向冷凝泵并且从其回到蒸汽发生器25中。

活塞泵54位于摆臂机构的机器壳体44的底部处，利用该活塞泵54且通过管路37将冷的冷凝物引导到冷凝器36的次级侧。管路从冷凝器36回到蒸汽发生器25。活塞泵54由摆臂机构通过泵杠杆55进行驱动，该泵杠杆55在轴承56中摆动。

在启动的情况下，电机用作马达进行操作，其驱动压缩机51，对功率设备进行加压，使工作汽缸42中的蒸汽膨胀并且由此使功率设备冷却下来，并且因此使其达到操作温度。

图10示出穿过冷凝马达的摆臂机构的截面，该冷凝马达包括机器壳体44、工作汽缸43以及冷凝马达的膨胀部分的活塞45。利用联接到摆臂轴49的摆臂48，将工作介质的膨胀功传输到曲柄机构50。残余蒸汽压缩机51位于呈机器壳体44的形式的相分离器的顶部处。活塞泵54位于相分离器的底部处，该活塞泵54利用泵杠杆55进行驱动，该泵杠杆55在轴承56周围摆动并且将来自摆臂48的必要的功率输出传输到活塞泵54的活塞52。

图11示出穿过工作汽缸43的截面，该工作汽缸43具有汽缸盖41、汽缸盖垫圈42、其中储存高压蒸汽的高压室、入口阀57、入口阀57拧入其中的阀桥（valve bridge）58、阀杆60、具有环形凹槽62的阻尼器盘61、排放孔63和切换弹簧64。

图12示出穿过膨胀活塞45的截面，其中包括带有阀锥的内置出口阀70和定心环65，其中带有活塞管66、排出端口67、环形活塞68、十字头46和切换销69。十字头46侧向地设有滚子，利用该滚子在引导件47中引导该十字头46。定心环65包含具有良好的干运转性质的材料，例如PCTFE，从而使得摩擦损失能够保持最小。利用切换销69，能够以此方式来切换出口阀70，使得在工作介质膨胀期间所述出口阀70在一侧上是闭合的，而在另一侧上是打开的并且能够排出膨胀的蒸汽。

图13示出内置至膨胀活塞45中的出口阀70，该阀包括阀锥、阀杆71、滑块72和切换销69。

图14示意性地示出入口阀57和出口阀70的控件。在输出冲程即将结束时，活塞45的切换销69在切换弹簧64上行进并且由此闭合出口阀70。同时，环形活塞68运动到阻尼器盘61的环形凹槽63（原文如此，62）中并且压缩所封闭的蒸汽。在已达到必要的压力之后，推动阻尼器盘61抵靠汽缸凸缘并且由此打开入口阀57。排放孔62（原文如此，63）以此方式设定尺寸，使得所封闭的蒸汽在填充过程结束时流走并且环形活塞68以紧贴的方式搁置在环形凹槽63（原文如此，62）的底部上。由此在入口阀57与活塞45之间产生限定的间距以及由此产生限定的填充体积。

图15示出穿过具有活塞52的残余蒸汽压缩机51的截面。入口阀73内置至活塞52中，并且相对地，出口阀74内置至汽缸盖中。蒸汽出口75也设在汽缸盖的凸缘中。入口阀73在例如活塞星状件76的引导件中被引导，该活塞星状件76在两侧上设有斜面肩部77。斜面肩部77一方面适于入口阀73的锥体的肩部并且另一方面适于阻尼套筒78。

图16示出具有打开的入口阀73的残余蒸汽压缩机51的活塞52。入口阀73的锥体内置至活塞52中，该锥体附接在活塞杆79的末端处。活塞杆79利用活塞星状件76进行引导，并且在两侧上分别具有一个斜面肩部77。阻尼套筒78安装在活塞杆79上，该阻尼套筒78在阀73的闭合期间减缓冲击。阀锥的肩部同样运动到相对的斜面肩部中，并且由此在入口阀73的打开期间减缓冲击。

根据本发明的热功率设备的操作在低温范围内运行。因此，在对部件材料进行选择时，应特别注意防止机械零件中的滑动问题。此外，良好的热绝缘性也是有益的。

在下文中，将考虑根据本发明的热功率设备和能量转换方法的操作模式。

在根据本发明的具有冷凝马达的热功率设备中，如图9所示，在蒸汽发生器25中产生高压蒸汽。对于工作介质空气而言，其是在132-160 K之间的温度和37-100巴的压力下。在具有蒸汽发生器25的热量输入装置26的情况下，利用合适的载热体从热源27供应必要的热能。通过管路29将所产生的高压蒸汽引入汽缸盖41的高压室中，在该高压室中，借助于入口阀57将高压蒸汽馈送到冲程室中。冲程通过活塞杆从活塞45传输到十字头46，其将力传递到摆臂机构的摆臂48。十字头46在引导件47中进行引导，从而使得没有径向力作用于活塞上。十字头46在滚子上被引导，使得摩擦能够保持为小的。在摆臂轴49上摆动的摆臂机构将功传输到曲柄机构50，利用该曲柄机构50通过另外的机构来驱动发生器。合适的传动优选是无级变速液压传动装置。还利用摆臂48来驱动残余蒸汽压缩机51。同样利用摆臂48通过泵杠杆55来驱动活塞泵54，该泵杠杆55在轴承56周围摆动。

通过工作介质的膨胀，产生了冷凝部分（即冷凝物）和未冷凝部分（即蒸汽部分）的相混合物。机器壳体44充当相分离器，原因在于，例如借助于重力原理将冷凝部分和未冷凝部分分离。在机器壳体44的顶部上方通过残余蒸汽压缩机51来吸取并压缩蒸汽部分。由此将观察到的是，仅60%的膨胀蒸汽必须再次经受压缩并且如先前所解释的，分子间吸引力有利于压缩。这意味着将利用压缩因子Z来确定这种影响。过热以及因此过程的能量平衡取决于此。

通过阀杆60的阻尼器盘61来控制入口阀57，如图11所示。当推动阻尼器盘61抵靠汽缸凸缘时，此运动经由阀杆60传输到阀桥58，并且由此打开拧至阀桥58的入口阀57。入口阀57具有圆筒状设计，并且如活塞一样运动到汽缸孔中几毫米。由此通过闭合弹簧59限制压力，并且由此能够吸收压力峰值，该压力峰值能够出现在冲程开始时。入口阀57再次借助于闭合弹簧59闭合。

图12示出具有内置的出口阀70的活塞45。由于操作处于低温范围内，润滑是困难的。因此，为冷凝马达提供非接触式活塞45。这需要活塞45相对精确地配合在汽缸孔中。在汽缸孔与活塞之间具有10 µm间隙宽度的情况下，必须预期到1%的最大泄漏率，并且在20 µm间隙宽度的情况下，预期到6%的最大泄漏率。因此，可以预见的是，将十字头46支撑在滚子上，使得没有径向力作用于活塞45上。提供由具有良好的干运转特性的材料制成的定心环65，使得活塞45实际上以不接触的方式运动。活塞45的正面设计成阀座，出口阀70的阀锥安装在该阀座上。阀锥经由活塞杆71连接到滑块72，切换销内置至该滑块72中。利用切换销69，出口阀70能够前后运动。此外，滑块72具有减缓出口阀70的冲击的功能。出口阀70以此方式加工制造，使得它在一个活塞的膨胀冲程时闭合，并且同时在相对的活塞处打开以用于排放。蒸汽能够通过活塞管66流走并且随后通过排出端口67进入机器壳体44中（相应地，相分离器）。在膨胀冲程即将结束时，切换销69运动抵靠切换弹簧64，由此切换出口阀70。

图14示出在入口阀57打开时的入口阀57和出口阀70的控件。在排放冲程即将结束时，切换销69撞击切换弹簧64并且由此闭合出口阀70。然后，环形活塞68驱动到阻尼器盘61的环形凹槽63（原文如此，62）中并且压缩所封闭的蒸汽，由此减缓冲击。在20-30巴的压力下，克服了入口阀57处的闭合力并且由此打开该阀。当环形活塞与阻尼器盘的通道之间的环形间隙非常小时，流出阻力变得非常大并且因此能够在短时间内产生高压。在填充过程期间，封闭在环形凹槽63（原文如此，62）中的空气经由排放孔62（原文如此，63）流走，使得环形活塞68以紧贴的方式搁置在环形凹槽63（原文如此，62）的底部上，并且在入口阀57与活塞52之间产生限定的间距以及因此产生限定的填充量。

图17示出如能够用于例如冷凝部分和未冷凝部分的相分离的蒸汽涡轮机的简单示意图。图17a示出四个蒸汽喷嘴38的顶视图，通过这四个蒸汽喷嘴38能够引入气化的工作介质。通过涡轮机中的离心力使这两个部分分离。冷凝部分存在于冷凝物出口39处。图17b示出穿过蒸汽涡轮机和蒸汽喷嘴38的纵向截面。在涡轮机中，工作介质在平面40周围被分流。残余蒸汽经由残余蒸汽吸入管路33排放。

对于具有工作流体空气的热功率设备的设计，产生以下数据：以此方式调节压缩机容量使得机器壳体44（即相分离器）中的压力总计达约1巴的方式，其对应于70 K的温度。在残余蒸汽压缩机51中，残余蒸汽压缩到33巴，这引起130 K的冷凝温度。这种受热的残余蒸汽被引入至冷凝器36的初级侧中，在该初级侧中它液化成冷的冷凝物，并且该冷的冷凝物通过冷凝器36的次级侧递送。在130 K下，针对0.62 kg蒸汽产生40.56 kJ的冷凝热量。如果将0.38 kg的冷凝物从70 K加热到129 K，则能够排放出44.84 kJ的热量。60%的蒸汽和40%的冷凝物的重新冷却是可能的，因为冷凝物的比热高达过热蒸汽的比热的约两倍。因此，蒸汽部分能够在内部冷凝。

所产生的冷凝物随后借助于活塞泵54引向蒸汽发生器25中，因此存在热回收。

电机能够充当用于启动的马达。残余蒸汽压缩机由此充当气体压缩机并且对工作流体加压。由此通过以下方式控制设备，使得在机器壳体44（即相分离器）中，存在约1巴的压力并且在过压侧上存在至少40巴的压力。这引起1:40的压降，并且以绝热方式来看，引起从293 K到73 K的冷却。由此能够使冷凝马达冷却下来并使其达到操作温度。当达到操作温度时，冷凝操作开始并且电机改变至发电机操作。开始时，能够利用预冷却器将压缩气体预冷却到293 K。

附图标记列表

1 湿蒸汽膨胀

2 临界点

3 未冷凝部分

4 冷凝部分

5 残余蒸汽压缩

6 再次冷却

7 残余蒸汽冷凝

8 冷凝的残余蒸汽的泵送和加热

9 冷的冷凝物部分的泵送和加热

10 汽化

11 临界点处的麦斯威尔分布

12 结合能

13 准冷凝分子

14 不可冷凝分子

15 根据麦斯威尔在最终状态时的分布曲线

16 最终状态中的可冷凝分子

17 最终状态中的不可冷凝分子

18 压缩因子Z

19 针对p_A= 131巴的绝热曲线

20 针对p_A= 37.2巴的绝热曲线

21 运动壁

22 撞击前的平均分子速度

23 撞击后的平均分子速度

24 双倍的活塞速度

25 蒸汽发生器

26 热量输入装置

27 热源

28 泵

29 高压管路

30

31

32 冷凝物连接

33 残余蒸汽吸入管路

34 压缩机

35 预冷却器

36 冷凝器

37 冷凝泵

38 蒸汽喷嘴

39 冷凝物出口

40 平面

41 汽缸盖

42 汽缸盖垫圈

43 工作汽缸

44 机器壳体/相分离器

45 活塞

46 十字头

47 引导件

48 摆臂

49 摆臂轴

50 曲柄机构

51 残余蒸汽压缩机

52 活塞

53 残余蒸汽压力管路

54 活塞泵

55 泵杠杆

56 泵杠杆轴承

57 入口阀

58 阀桥

59 闭合弹簧

60 阀杆

61 阻尼器盘

62 环形凹槽

63 排放孔

64 切换弹簧

65 定心环

66 活塞管

67 排出端口

68 环形活塞

69 切换销

70 出口阀

71 阀杆

72 滑块

73 入口阀

74 出口阀

75 残余蒸汽出口

76 活塞星状件

77 斜面肩部

78 阻尼套筒

79 活塞杆

Claims

1.一种用于借助于工作介质转换能量的热功率设备，其具有：

-蒸汽发生器（25），其用于使所述工作介质在第一压力下汽化，

-蒸汽膨胀装置，其用于使存在于蒸气状态下的所述工作介质膨胀达到较低的第二压力，

-冷凝器（36），其使离开所述蒸汽膨胀装置的所述工作介质冷却并液化，以及

-冷凝泵（37），其特征在于，

-所述蒸汽膨胀装置以此方式设计，使得通过所述蒸汽膨胀装置所膨胀的工作介质具有冷凝部分和未冷凝部分，

-设置用于使所述冷凝部分和所述未冷凝部分分离的分离装置和用于对所述工作介质的所述未冷凝部分进行压缩（5）的压缩机（51），

-由此膨胀的所述工作介质的所述未冷凝部分至少部分地通过所述冷凝器（36）中的所述冷凝部分而冷凝,

-所述蒸汽膨胀装置包括工作气缸（43）和活塞（45），所述工作气缸（43）具有用于接纳汽化的所述工作介质的入口阀（57）。

2.根据权利要求1所述的热功率设备，其特征在于，所述分离装置包括壳体（44），由此所述压缩机（51）设在所述壳体（44）的上部区域中，所述蒸汽膨胀装置设在所述壳体（44）的下部区域中，并且用于将一个冷凝部分泵送出去的泵（54）设在所述下部区域下方的底部区域中。

3.根据权利要求1或2所述的热功率设备，其特征在于，在所述蒸汽膨胀装置的所述分离装置中，两个工作气缸（43）各自相对地设置并且通过活塞（45）连接。

4.根据权利要求1-2中的一项所述的热功率设备，其特征在于，其设有具有至少一个摆臂（48）的摆臂机构，所述摆臂机构联接到用于对所述工作介质的所述未冷凝部分进行压缩（5）的所述压缩机（51）并且联接到用于从所述分离装置排放所述冷凝部分（4）的泵（54）。

5.根据权利要求4所述的热功率设备，其特征在于，所述工作气缸（43）和活塞（45）由所述摆臂机构驱动。

6.根据权利要求4所述的热功率设备，其特征在于，所述摆臂机构的摆臂（48）将所述工作介质的膨胀功从所述工作气缸传输到曲柄机构（50）。

7.根据权利要求1-2中的一项所述的热功率设备，其特征在于，将来自燃烧、地热能、太阳能系统的热量、来自冷却系统和/或来自热回收的废热用作热源（27）。

8.根据权利要求1-2中的一项所述的热功率设备，其特征在于，所述活塞（45）具有出口阀（70），所述出口阀（70）内置至所述活塞（45）中并且能够通过切换销（69）进行控制。

9.根据权利要求1-2中的一项所述的热功率设备，其特征在于，所述压缩机（51）包括压缩机入口阀（73）和压缩机活塞（52），由此压缩机入口阀（73）设置在所述压缩机活塞（52）中并且能够借助于活塞杆（79）进行控制。

10.一种用于借助于工作介质将热量转换成机械能或电能的能量转换方法，其具有以下步骤：

a）在蒸汽发生器中使所述工作介质在第一压力下产生蒸汽状态，

b）在蒸汽膨胀装置中使所述蒸汽状态在较低的第二压力下膨胀（1），

c）排放由膨胀所获得的能量，

其特征在于，

d）所述蒸汽状态的膨胀（1）行进通过所述工作介质的多变曲线，所述工作介质在分离装置（44）中分离成未冷凝部分（3）和冷凝部分（4），

e）使所述未冷凝部分（3）在压缩机（51）中压缩（5）成压缩的未冷凝部分（3），

f）使所述压缩的未冷凝部分（3）冷却（6）并冷凝（7）成压缩的冷凝部分（3'），

g）对所述压缩的冷凝部分（3'）和初始的冷凝部分（4）进行加热（8；9），并且使这些部分（3'、4）返回到所述蒸汽发生器。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述蒸汽状态的膨胀（1）行进通过所述工作介质的饱和线。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述蒸汽状态的膨胀（1）行进通过所述工作介质的临界点（2）。

13.根据权利要求10-12中的任一项所述的方法，其特征在于，所述膨胀（1）通过湿蒸汽膨胀发生。

14.根据方法权利要求10-12中的任一项所述的方法，其特征在于，所述压缩的未冷凝部分（3'）的冷却（6）和冷凝（7）借助于所述冷凝部分（4）实现。

15.根据方法权利要求10-12中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第二压力由所述工作介质在临界点处的压缩因子Z所确定。

16.根据方法权利要求10-12中的任一项所述的方法，其特征在于，所述未冷凝部分（3）总计达汽化的所述工作介质的50%至60%。

17.根据方法权利要求10-12中的任一项所述的方法，其特征在于，由所述工作介质在所述蒸汽膨胀装置中所做的功的第一部分被排出至发动机/发电机，并且由所述工作介质在所述蒸汽膨胀装置中所做的功的第二部分被排出至所述压缩机，以便对所述未冷凝部分进行压缩和加热。