CN1060842C - 蒸汽驱动发动机 - Google Patents

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Abstract

一种多级的蒸汽驱动活塞发动机，该多级发动机可以作成一个单一的机组和装置。每一级具有其自身的单独的蒸汽动力源，而且在每一级中的流体是不同的，具有不同的热/温度特性，使得第一发动机的余热可以用来驱动下一个发动机。

Description

蒸汽驱动发动机
本发明涉及蒸汽驱动发动机，该发动机包括：至少两个蒸汽驱动活塞型发动机，每个上述发动机具有蒸汽流体入口和流体出口；构成蒸发器的热交换器或锅炉，连接在上述蒸汽驱动活塞型发动机中第一个发动机的蒸汽入口和出口，用于接收来自上述第一蒸汽驱动活塞型发动机的上述流体出口的流体；外部热源，选择性地连接到上述热交换器或锅炉上，以便蒸发其中的流体，并向上述第一蒸汽驱动活塞型发动机提供动力；彼此连接的蒸汽驱动活塞型发动机，使得前一个蒸汽驱动活塞型发动机的流体或者成为后一个蒸汽驱动活塞型发动机的流体，或者通过中间的热交换器加热后一个蒸汽驱动活塞型发动机的不同的流体。
常规的蒸汽驱动活塞装置包括可蒸发的流体、蒸发该流体的蒸发器、蒸汽活塞机和封闭回路，蒸发器和蒸汽活塞机配置在回路中，用于传输流体。这种类型的常规蒸汽驱动装置可以是用水作流体的蒸汽动力装置。蒸发器是蒸汽发生器，而蒸汽机是具有活塞的蒸汽发动机或驱动电流发生器的蒸汽涡轮机。
但是在大气压下水在100℃蒸发．为了获得较高的效率，需要在更高温度下的过热蒸汽或超热蒸汽．这意味着为了在蒸汽发生器中进行蒸发，需要大量的高质量燃料。这还意味着该装置仅用温度相当低的热量不能工作，即使这种热量可以被大量地应用。因此所提供的能量是相当昂贵的。
授予D．R．Sawle的美国专利No．3218802中，二元热电装置包括硫循环系统，该系统由加热和蒸发硫的热源10、将蒸汽中的热量转换为动能的第一级硫的热发动机12和热交换器14构成，该热交换器接收部分冷却的硫并除去剩下的热量。热交换器14加热导管37、41和43的流体，从而将蒸汽传送到第二级热发动机16。类似的系统已应用于使用环氧乙烷反应器的石油化学装置。该反应器由高温低压流体(联二苯)冷却。该流体被送到热交换器产生超热蒸汽。该蒸汽用在蒸汽涡轮机中以压缩乙烯气体。该系统因为使用硫化物而具有很难克服的问题，因为钢是渗透氢的，所以必须排除硫、磷以至钠，上述材料中的氢将引起严重的问题。这是一种高温装置，饱和硫蒸汽温度在682℃(1260°F)。
在授予Doerner等的美国专利No．4070862中，发电厂用的涡轮机具有两种不同的流体，例如水和H2。一个问题是从一个涡轮机座到另一个涡轮机座的渗漏。该发明选择两种液体，其中第二液体的沸点比第一液体低，并使蒸汽凝聚液(连接)返回到锅炉。与其温度相比，这两种液体压力低，在800℃时为234kPa(34磅／英寸2)，在450℃时为352kPa(51磅／英寸2)。虽然在该专利中没有效率数据，但是采用高温和低压必定对涡轮机总的效率产生有害的影响。
在授予Krieger等的美国专利No．4700543中，提出许多独立的封闭的兰金循环动力装置，每个装置具有蒸发器，通过将一种介质或低温源流体顺序加在动力装置的用于产生热量消耗源流体的蒸发器上而进行操作。热量消耗源流体平行加在所有预热器上。该动力装置是涡轮机。
因此在这种技术中，急需一种效率高而且在相当低的温度下工作的蒸汽驱动活塞型发动机。
FR—A—903 448公开了一种在上面第一节中所述的蒸汽驱动发动机。它包括两个活塞型发动机．该活塞型发动机没有进一步详细说明，而且在作为举例的发动机中，该活塞型发动机用涡轮机代替。
发明概要
本发明的目的在于克服这些缺点并提供一种高效率的蒸汽驱动活塞型装置，该装置的操作成本相当低，按照特殊的实施例，该装置可以实际应用温度相当低的温度源，因此可以使用廉价的燃料。
采用本发明可以达到此目的，因为每个蒸汽驱动活塞型发动机包括：
输出轴；
连接到上述输出轴的蒸汽驱动活塞；
上述蒸汽流体入口，该入口从外部热源，或从前一个蒸汽驱动活塞型发动机，或从连接到该前一个蒸汽驱动活塞型发动机的热交换器接收第一蒸发流体，从而驱动上述蒸汽活塞，并转动上述输出轴；
第一蒸汽／流体管路，用于从上述活塞接收上述第一蒸发流体；
在上述第一蒸汽／流体管路上的内部泵，用于使上述蒸汽／流体流回上述外部热源，以便进行再加热；
在上述第一蒸汽／流体管路上的内部热交换器，位于上述外部热源之前；
第二封闭流体／蒸汽管路，其中具有第二流体／蒸汽，上述第二流体／蒸汽的蒸发温度低于上述第一流体／蒸汽温度，上述第二封闭流体／蒸汽管路穿过上述内部热交换器而使其中流体蒸发；
在上述第二流体／蒸汽管路上的内部压缩机，由上述输出轴驱动，用于压缩上述第二流体／蒸汽并使其升温，以便输送到上述热交换器；
在上述第二封闭流体／蒸汽管路上的涡轮机，连接在上述轴上，接受上述第二流体／蒸汽，并向上述输出轴提供动力。
FR—A—2．265．206公开一种蒸汽驱动发动机，它包括蒸发器和驱动发动机的涡轮机，其中蒸发器的外部热源是燃烧器。该蒸汽驱动发动机只包括一个封闭管路，在封闭管路中装有涡轮机、蒸发器和冷凝器。
附图的简要说明
结合下面的附图的详细说明可以更加明白本发明的这些和其它目的。
图1是已知的蒸汽驱动装置的方块图；
图2是该装置另一个实施例的类似于图1的方块图，其中热源是一个爆燃式的发动机，该发动机与蒸汽机装在同一机壳中；
图3是又一个实施例的类似于图1和2的方块图，其中，蒸发和驱动蒸汽驱动活塞型发动机的流体是爆燃式发动机的冷却流体，该爆燃式发动机与蒸汽驱动活塞型发动机装在一个共同的机壳内；
图4是本发明一个实施例的方块图，在该实施例中，对许多串联的蒸汽型发动机提供热源的流体流过所有串联的发动机，该流体以足以蒸发其中流体的一个温度进入每个发动机，在一个可以蒸发第二发动机中第二流体的温度下流出第一发动机，在一个足以蒸发第三蒸汽型发动机中第三流体的更低的温度下流出第二发动机，然后返回到加热器，使该流体再蒸发和循环；
图5是本发明再一个实施例的方块图，该实施例中，每个蒸发器有其自己的封闭流体回路，一个发动机的输出流体的温度足可以蒸发下一个发动机中的流体，所有发动机均连接到一个公共轴上以提供输出；
图6是一个蒸汽驱动活塞型发动机的示意图，该发动机具有两个封闭的流体回路并提供很高的效率；
图7A和7B是一个说明性的图示方块图，该图中除示出均连接在公共输出轴上的每个蒸汽发动机和蒸汽驱动活塞型发动机的细节以外，使用了类似于图5所示的蒸汽驱动活塞型发动机；
图8、9、10和11分别与图7有关，用于解释图7的压力和温度控制。
附图的详细说明
图1所示的已知蒸汽驱动装置包括可蒸发的流体1、蒸发该流体的蒸发器2、具有由该蒸汽驱动的活塞的蒸汽驱动机3和封闭的流体管路4，蒸发器2和蒸汽机3装在该管路中，用于传送流体1。在封闭的流体管路4中，在蒸发器2的上游安装泵5。蒸发器2事实上可以是一个常规爆燃式发动机6例如汽车发动机的散热器，在此发动机中，在封闭管路7中的流体例如水流过热交换器或散热器2并由泵8泵回到爆燃式发动机6，以连续地冷却该发动机。封闭回路7中的流体当其从爆燃式发动机6流出到达蒸发器2时，其温度约为240℃。在蒸汽驱动活塞型发动机3中的流体是这样一种流体，即在低于240℃的温度下蒸发，因而它将由爆燃式发动机6的封闭管路7中的流体的热量蒸发。因此该装置的特征在于，流体1不是水，而是一种容易蒸发的介质，其常压蒸发温度或沸点温度低于240℃，在如下面所述的情况下最好低于30℃，它的蒸发特性是使得即使在低温下也能获得高压蒸汽．所谓“低温”，应理解为该温度低于240℃，例如分别低于240℃、180℃、120℃或60℃，而所谓“高压”是指大于或等于10巴的压力，例如在120℃时高于20巴，这里1巴等于一个大气压。
满足这些条件和适合于用在这种设备中的流体是用在冷却装置中的那些流体，例如氟烃化合物。适合的流体是例如以下系列的氟烃化合物：三氯氟甲烷、二氯二氟甲烷、一氯二氟甲烷、1，1—二氯2，2，2—三氟乙烷、1，1—二氯—1—氟乙烯、1—氯—1，1—二氟乙烯、1，1，1，2—四氟乙烯和二氟甲烷。另外，替用品例如二氯三氟甲烷(如皇家化学工业公司ICI的KLEAR F123)和四氟乙烯(如皇家化学工业公司ICI的KLEAR—134a)也是令人感兴趣的。上述第一种物质的常压沸点温度为27℃，在36巴压力下的临界温度为183℃，而上述最后一种物质的沸点在常压时为—26℃，但在26．3巴压力下在80℃蒸发，即使在39．7巴压力时也在100℃蒸发。该物质在40．5巴的压力下其临界温度为101℃。
蒸汽以类似于水蒸汽的方式输送到蒸汽机并驱动活塞。在蒸汽机3中有压力降。在此低压下的流体变为液体，如前所述，然后由泵5再泵到蒸发器2。当蒸发器2中的温度在给定气压下高于蒸汽机流体的蒸发温度时，便可获得超热蒸汽，在蒸发器中最好产生稍微超热的蒸汽，以避免在蒸汽机3中凝聚。由于特别选择的流体，已在相当低的温度下得到这种饱和的超热蒸汽，因而大量现存的不能以有效方式利用的低温热源可以得到有效的利用。因此图1的爆燃式发动机6的热量可以得到充分利用，否则这些热量将大量地耗散到大气中。
如前所述，在图1的蒸汽驱动装置中，蒸发器2是爆燃式发动机6的热交换器或散热器，该散热器可以是例如汽车或其它车辆的散热器，该散热器可以采用在封闭管路4中循环的蒸汽驱动发动机流体进行冷却而不用空气冷却。由泵8使其流过发动机6的冷却管路7的流体其温度约为80℃，构成初级流体。由泵5使其流过封闭管路4的流体构成次级流体，它被加热到基本上达到上述温度并蒸发。在蒸发器2的下游装一个膨胀桶9，该桶中汇集蒸发的次级流体和非蒸发的流体。在桶的下游在管路4中装有压力调节阀10。在蒸发器2中获得了高压的饱和蒸汽或最好是超热的蒸汽。如上所述，当四氟乙烯被用作封闭回路4中的流体1时，在80℃的蒸发器2的输出端可以获得26巴的压力。蒸汽机3的入口压力可以作为例如爆燃式发动机6的汽缸压力的函数，由压力调节阀107设定。这样，爆燃式发动机6和蒸汽驱动活塞型发动机3可以结合成同一个发动机组，甚至可以具有一个与某个被驱动单元20联接的公共轴18，图1中单元20用虚线表示。
如图2所示，爆燃式发动机6和蒸汽驱动活塞型发动机3可以形成在一个公用的机壳17中。设备的操作类似于图1，其中，在封闭管路7中的爆燃式发动机6的冷却水流过蒸发器2，然后冷凝并通过泵8泵回爆燃式发动机6。在蒸发器2中放出的热量被加在流体1上，因而该流体在管路4中蒸发并驱动蒸汽驱动活塞型发动机3。在蒸汽驱动机3输出口的冷凝流体由泵5泵回蒸发器2，然后重复这一过程。另外，膨胀桶9可放置在管路中。
在图3的实施例中，蒸发器2不是爆燃式发动机6的散热器，而是发动机6本身，这意味着爆燃式发动机6装在封闭的流体管路4中，而流体1构成爆燃式发动机6的冷却剂。因此，当封闭管路4中的流体由泵5泵过爆燃式发动机6时，它便冷却爆燃式发动机6并在这一过程中被蒸发，然后经过膨胀桶9到压力阀10，进入蒸汽型发动机3，驱动轴18。爆燃式发动机6和蒸汽驱动活塞型发动机3二者可以连接在公共轴18上，以驱动该轴18。旁通供液回路11以及泵12和冷却器16连接在爆燃发动机6上，以便在出现故障时冷却封闭管路4中的流体1。
图4示出本发明新型蒸汽驱动发动机的一个实施例。蒸发器2的热量可以由一个爆燃发动机、爆燃发动机的散热器，或构成蒸发器2的发动机本身提供，或者由一个热源例如燃烧器13提供，该热源利用蒸发器2中的流体14直接地或间接地加热流体管路4中的工作流体，如图4所示。在后一种情况下，蒸发器2与充满流体14的锅炉构成热交换器，该流体14形成初级流体，管道或流体导管15穿过锅炉，该导管15是流体管路4的一部分，作为次级流体的工作流体穿过该导管。在这种情况下，封闭管路4中的流体在例如180℃的温度下进入第一蒸汽驱动活塞型发动机20，该流体驱动活塞机20并蒸发例如图1和2所公开的在蒸汽驱动活塞型发动机20的第一封闭系统中的第一流体。在封闭的流体管路4中的流出蒸汽驱动活塞型发动机20的初级流体其温度约为120℃，然后使该流体连接到与其形成热传递关系的第二蒸汽驱动活塞型发动机22。第二流体流过第二蒸汽驱动活塞型发动机22中的封闭的流体管路，该第二流体在低于120℃的温度下蒸发，并驱动第二蒸发器活塞机22。在封闭的流体管路4中的初级流体在例如约60℃的温度流出发动机22，并通向第三蒸汽驱动活塞型发动机24，与第三流体形成热传递关系，该第三流体在封闭的内部流体管路中流动，它在低于60℃的温度下蒸发，从而驱动蒸汽驱动活塞型发动机24。所有三个发动机20、22和24均连接在公共输出轴18上。在封闭的流体管路4中的流体作为液体流出第三蒸汽驱动活塞型发动机24，该流体然后由泵5泵回到蒸发器2，在蒸发器2中，该液体又重新蒸发，该系统本身又重复操作。
图5与图4相似，但第一封闭的流体回路4使蒸发的流体仅仅流向第一蒸汽驱动活塞型发动机20并在约120℃温度时流出由虚线表示的热交换器37。该流体基本上将其所有热量都给予了第二发动机22中的第二流体。然后第一流体再作为液体流出热交换器37，并由泵5泵回到蒸发器2，在那里重复自身的过程。
在第二蒸汽驱动活塞型发动机22中的第二流体从第一级接收绝大部分120℃温度的热量，该热量足以蒸发第二流体并驱动第二发动机。但是在消耗该能量驱动第二发动机22以后，流向第二热交换器36的流体温度变为约60℃。该热量又传递到在第三蒸汽驱动活塞型发动机24中的第三流体，这样，第三流体蒸发并驱动第三发动机24。从蒸发器36输出的第二流体冷凝为液体，并由泵28通过封闭的流体管路26泵回到蒸发器37，在那里又重复自身的过程。同样，在第三蒸汽驱动活塞型发动机24中的第三流体在约15℃温度时作为流体通过流体管路30流出发动机，然后由泵32泵回到热交换器36，在那里，又重复自身的过程。三个蒸汽驱动活塞型发动机20、22和24被结合装在单一的一个机壳100中并连接到同一驱动轴18上，以驱动某个装置38，例如发电机。
当然应当理解，图4和5中的热源13可以是太阳能、灼热气体或其它任何类型的希望的能量。
三个单独流体回路中的流体适合于要求的温度。作为第一流体，可以应用上述氟烃化合物F123，该流体在热交换器中可以加热到180℃。在第一蒸汽机20中，该流体驱动活塞后冷却到约120℃。在第二发动机20中的第二流体是上述的碳氢化合物F134a，它可以被加热到120℃，由此蒸发并用于驱动第二蒸汽驱动活塞型发动机22。它在驱动第二蒸汽驱动活塞型发动机22的同时冷却到约60℃。该热量可以传递到第三蒸汽机24，该热量传递到第三氟烃化合物或已知为R11的工作流体。该流体在或低于60℃的温度下蒸发并驱动第三发动机24，并在温度约15℃时流出第三发动机24。在图4中，流出第三发动机24的流体又返回到蒸发器2，在那里又被再加热到180℃并重复循环。但是在图5中，在第二和第三发动机22和24中的每个分开的流体通过散热器或热交换器36和37被再加热。
如果作为第一流体的流体是一种可以加热到约240℃的而在驱动蒸汽驱动活塞型发动机之后冷却到约180℃的流体，则这种蒸汽活塞机可以放在蒸发器2和图4、5所示的第一蒸汽活塞发动机20之间，由此可以获得具有四温度水平的机组，该机组当然可以更有效地利用热量。这样的实施例可以简单的方式增加爆燃发动机或其它热源的输出。
图1～5所述蒸汽驱动活塞型发动机的高效发动机示意示于图6。这种发动机是公知的，并在法国获得专利，它的公开号为FR2588645—A1，国家登记编号为85 15545(该专利于1985年10月14日在法国提出并于1987年4月17日公开)。该发动机是一种厌氧外燃机，该外燃机采用联合循环，可以合理地利用任一种热源例如太阳能、煤、燃气等来共生热涌(冷、热)和电能或可以用于任何目的的机械能，热源的热首先转换为热驱动动力，然后再转换为生产性能量。这种发动机安静、清洁，并可以用任何燃料在一个封闭循环系统中操作，不用阀门或点燃系统。因此这种发动机可以利用现有发动机不能利用的当地的燃料来满足新市场的最严格的要求，这些新市场要求同时利用一种以上形式的能量例如热能和电能。
对于发展中国家这种发动机是一种很有吸引力的选择方案，在这些国家，它可以同蒸汽涡轮机和燃料电池竞争；对于要占领新市场的很多工业化国家，它也是一种可能的选择。其部件的互换性使这种简单的耐久的发动机可以构成一门应用技术，这种技术适合于满足像分散发电和水面或水下推进等不同的技术要求。
在该系统中，使活塞运动的方法和常规发动机不同，不是利用空气／燃料混合物的内部燃烧推动活塞，而是利用两种活动流体即工作流体和复能流体执行的连续的顺序作用推动活塞。这两种流体在由两相绝热热交换器分开的两个不同温度热源之间的封闭系统中反向流动。该系统从外界或外部热源接收热量，产生可以以机械能、电能或热能形式利用的动力，然后将其剩余热量排到其冷源。
该系统由两个分开的单元组成，即将所用的能量转换成热能的能量转换单元和将热能转换成机械能或电能的不透流体的冷凝液驱动动力单元。热能转换室适合于使用例如太阳能、燃油、废物、燃气等能源。因为活塞的运动与燃烧气体的注入和排出无联系，所以可以连续地利用该能源，这显著减少了由常规发动机排放到大气中的大量有害气体，例如氮的氧化物、一氧化碳等。冷凝室包括发动机组和被驱动系统，被驱动系统包括压缩机、泵、交流发电机、不透流体的封闭的流体／蒸汽循环系统和热复能管路。发动机组由许多相邻接的汽缸例如三个汽缸组成，每个汽缸包括将机械动力传送到驱动轴上的活塞。压缩组件由许多径向配置的汽缸例如三个汽缸组成，每个汽缸包括一个活塞，该活塞与绝热热交换器在热力学上配合，并与复能热线圈形成一体。这便保证了发动机—压缩机组件和适于负载的恒定转矩的操作之间的最佳配合。涡轮泵的工作是保证工作流体的恒定流速循环和其再结合。
现在参考图6，在高压蒸发器41中的流体，在其接收的热的作用下蒸发，因而其压力增加，然后以周知的方式用蒸发的流体周期性地驱动活塞42。外部热源40可以向容器或高压蒸发器41提供热量。流出活塞42的蒸发的流体或气体被排到轴向泵49和热交换器39，在该交换器中，它将其封闭循环的一部分热量输送到流体管路44中的复能流体上。热交换器39和46被整体成形为一个单元。流出活塞42的气体沿一个方向流过一个交换器39，而沿另一个方向流过另一个交换器46。而后该气体被排到冷源43，在该冷源中它冷凝，然后穿过涡轮泵51流到热交换器46(与热交换器39方向相反)，最后回到出发点，流入封闭容器41，进行新的循环。应当明白，热交换器39和46是整体单元的部分，从活塞42流出的气体沿第一方向流过热交换单元，然后作为流体返回并沿相反方向流过同一热交换单元。因此在高压桶41中的流体在相同质量的条件下，在其蒸汽相时占据的体积比液态相时大。这种体积的差别被转换成可以由驱动轴48利用的动力，它的潜热至少可以由热复能流体回路44部分利用。流出热交换器39以后，在流体管路44中的热复能流体连接到一系列压缩机45上，由此温度增加，然后再流到热交换器46。
从发动机组汽缸42排出降压的工作流体(降压是不中断的，但流体被降压到平衡)和使在热交换器部分46的流体受迫增压是由与涡轮机50形成整体的轴向泵49完成的，复能流体低压回路44穿过该热交换器46。机械上与驱动轴48连接的涡轮机50部分地由在46压缩的复能流体的降压来驱动，这补偿了相当大一部分在周期性复合热能时所消耗的动力。根据应用的类型或加热发动机工作流体的燃烧室的类型，热复能回路或者将系统内部的工作流体的热量传递到外部，或者进行相反的传递。
流体的选择决定发动机的设计工艺，总计有如下参数：温度、压力、热交换表面、在发动机输入端特别是在热回路中不要求过热而需要的急剧降压。理论上，在热驱动回路中的含氟有机流体例如fluorinet FC75可以与复能回路中的氟里昂R11很好地结合。
前述的如图6所示的发动机在多级蒸汽动力发动机中的应用示于图7A和7B。发动机52包括三级54、56和58，每一级由这种发动机组成。应当意识到，图7A和7B中的每个发动机可以是图6所示的那种发动机，为了示出这种发动机的活塞机与其余部分之间的连接，在图7A和7B中活塞机是与这种发动机分开的。在第一级中、发动机54和活塞机53在同一机壳中，该机壳如围绕活塞机53和从发动机伸出的短画线51所示。同样，活塞机55是发动机56的整体部分，如由围绕活塞机55的短画线61所示。在第三级中的活塞机57与发动机58在同一个机壳内，如由围绕这两个部件的短画线63所示。
驱动该发动机作业的热量来自热源例如锅炉60，该锅炉具有提供热量的燃烧器系统62。燃料例如管道65中的燃气通过控制阀66连接在燃烧系统62上。在锅炉60中的管道64中的锅炉输送流体由燃烧器系统62加热和蒸发。泵68将液态液体送入锅炉60中的管线64。液体控制阀70与泵68并联，使得如下面将要说明的，如果阀70打开，则泵68基本上不能如需要的那样停止泵送流体。
液位传感器72检测膨胀桶73和锅炉60中液体的高度。蒸发的液体连接到管道75，在该管道上，压力传感器74和温度传感器76给出管道75中蒸汽压力和温度的恒定指示。因此如图8所示，可以根据传感器72、74和76所示的液位、压力和温度用计算机来控制各种阀和泵的操作。在图8中，计算机流体高度指示控制器82接收传感器72的液位示数，并将该信号与由压力指示控制器84接收的来自压力传感器74的压力信号在相加器88相加。用在相加器88得到的和来控制如前所述的傍通流体泵68的液位控制阀70。因此如果液位太高和／或压力超过预定限制，则液位控制阀70启开适当程度，因而控制泵68连续输送到锅炉60的流体量。同样，温度指示器或控制器86接收由温度传感器76产生的温度信号，然后通过自动选择器85结合压力指示控制器84的压力示数由计算机控制压力控制阀66，该阀调节输送到燃烧器组件62的管道65中的燃气。因此如果压力和／或温度太高，则部分关闭控制阀66便可减少输送到锅炉的产生该温度的燃气流量。所有这些计算机控制在这种技术中都是众所周知的已有技术，基于温度和压力信号操作和控制这些阀本身并不是新的。
在管道75中蒸发的流体连接到手动调节阀78上，该阀类似于汽化器上的针形阀，以便可以控制发动机的最小速度。速度控制阀80用手动控制，例如用手动节气门或脚踏板控制，当然也可以用计算机控制，以提供必需的蒸汽量来驱动。蒸汽开始驱动第一发动机54的活塞机53，从而开始使都连接到所有各级上的轴102转动。从活塞机53输出的在管道89上的输出蒸汽前面已在图6中说明，在此不再重复。从发动机54输出的在管线90中的蒸汽连接在预热器92上，该预热器是一个热交换器，该交换器还接收来自第二发动机56的在作为冷却流体进入活塞机53之前的在管道94中的流体。另外，穿过预热器92的管路90中的蒸汽也穿过冷却器96，将其剩余热量传给来自第三级发动机58的流体98。因此，在管道90中的流体将其热量传送给管道89中的流体，并使自身冷却为管道67中的液体，在管道67中的液体流向泵68，然后重复自身的循环。如图9所示，手动控制器104(或计算机控制信号)控制速度控制阀80，使或多或少的蒸汽通向活塞机53，从而调整发动机速度。
进入活塞机53的管线75中的压力和温度分别由传感器108和110测量。另外，旁通阀112在启开时可使蒸汽通过导管113到冷却器96，随后返回到泵68。参考图9，当由传感器108和110指示的压力和／或温度太高或位于正常范围以外时，如图9所示，计算机通过压力和温度指示器控制器114和116，利用指示不正常压力和温度的传感器信号来驱动控制器118，从而控制阀106和112。如果阀106启开，则蒸汽可以旁通活塞机53，以较高的温度直接进入其余的发动机54。如果压力和温度高到必须降低，则阀112启开，旁通整组发动机54，56，58，并将预定量的蒸汽返回到冷却器96，在冷却器96中，它被冷凝为液体，进入管道67并返回泵68。因此不仅控制了流向发动机54的活塞机53的蒸汽的压力和温度，而且还整个旁通活塞机53，或者可使一部分蒸汽返回冷却器96，使其预热在导管94和98中的第二和第三级的流体。
另外，预热器92的温度由传感器120监测，而冷却器96(或冷却器)的温度则由温度传感器122监测。如果预热器92的温度低于由传感器120确定的预定温度，则再参考图9，计算机利用通过温度指示器控制器124的传感器信号和自动选择器128来控制压力控制阀106，使蒸发的流体旁通活塞机53，并直接流到发动机54，从而增加其输出管道90的温度。同样，如果冷却器96的温度低于由传感器122确定的预定的温度，则再参照图9，则计算机通过温度指示器控制器126，利用该信息操作自动选择器128和控制旁通阀112，从而使蒸发的流体直接流向冷却器96，完全旁通发动机54的活塞机53，如下面要说明的那样，将更多的热量输送到第三级发动机58。
在第二级发动机56的流体返回管道94上具有用于将流体泵回第一级活塞机53的泵136。活塞机53对第二级发动机56的流体起着热源的作用。如果在活塞机53中积存流体，则活塞机53上的液位传感器130给出指示。如果积存流体，则再参考图9，计算机利用液位传感器30产生的信号通过液位指示器控制器132控制旁通泵136的阀134，从而控制通过管道94泵回热源或活塞机53的流体的量。
现在说明第二级，由泵136(图7B)从第二级发动机56抽出的流体通过预热器92(图7A)，如上所述，在该预热器中，它接收从第一级发动机54输出的在管道90中的流体的剩余热量，因而被预热。然后它流入第一级活塞机53，在该活塞机53中，它对第一级起冷却剂的作用，在这个过程中，它被蒸发，并沿导管138从活塞机53输送到图7B中的第二级活塞机55。另外，在导管138中蒸汽的温度和压力由传感器140和142检测。如果压力和／或温度超过预定的范围，则如图10所示，计算机通过压力和温度指示器控制器146和148，利用传感器140和142的温度和压力示数来控制调节压力控制阀144的自动选择器150。压力控制阀用于控制压力，它使流体旁通活塞机55并直接流入第二级发动机56。因而使加在活塞机55上的流体的压力和温度受到控制。沿导管152从活塞机55输出的蒸汽流入发动机56，该发动机具有参照图6所述的作用。沿管道154从发动机56输出的流体流入预热器156和冷却器(或预热器)158，在该冷却器中，流体冷凝，沿导管160流出并返回泵136，从而按如上所述方式再循环通过第二级。另外，在预热器156和冷却器158上分别装有温度传感器162和164。如果这些温度被显示出是不正确的，则计算机利用图10中的温度指示器和控制器166和118以及自动选择器170控制旁通压力控制阀144，从而使蒸汽旁通活塞机55，直接输送到第二级发动机56。因而沿管道154从第二级发动机56输出的流体温度升高，以便输送到预热器156和冷却器158。
应当注意到，第三级发动机58中示出了其细节和与活塞机63的连接，其连接方式与图6相同。如上所述，每个发动机54和56也是同样构造的。还应当注意到，在第三级发动机58中的内部泵172由轴102驱动。同样，在第一级中的泵68和第二级中的泵136分别是发动机54和56的一部分，和在第三级发动机58中示出的方式一样。但是为便于说明，泵68和136画在发动机54和56的外面。泵172将流体从发动机58沿管道176抽到在第二级中的冷却器158，在冷却器中它吸取一定热量，有助第二级输出蒸汽的冷凝。然后继续流向第一级的冷却器96，在该冷却器96中，它也起着同样的作用并吸收另外一些热量。随后它沿导管180返回第二级的预热器156，在该预热器中，它从导管154中的第二级输出蒸汽吸取更多的热量，然后被作为冷却剂送入活塞机55。当它冷却活塞机55时，它吸收热量、蒸发并沿导管182流出活塞机55，随后回到发动机(马达)58的活塞机63的输入端。因而它按照如上所述方式驱动活塞，穿过发动机58，随后再重复这一过程。
应当注意到，在发动机58中，液位控制阀174旁通泵172。液位传感器指示器184与第二级活塞机55结合，当在活塞机55中达到预定液位时提供指示。参考图10，液位传感器指示器184输出的信号可由计算机和液位指示控制器190利用来控制液位控制阀174，使该阀174打开，从而减少由泵172输送的流体量。
还应当注意到，在第二级活塞机55的出口处有压力传感器186和温度传感器188。现参考图11，压力指示控制器190由计算机控制来操作自动选择控制器194，从而控制第二级活塞机55输入口的压力控制阀144，使得在需要时旁通活塞机55，由此增加与来自第三级的在预热器156和冷却器158中流体形成热传递关系的流体的温度。另外，液位控制传感器196可以装在第三级活塞机63上，参考图11，液位指示控制器198在计算机控制下可以操作发动机58中的液位控制阀174，使其旁通泵172，因而在第三级活塞机68中保持正确的液位。
应当注意到，齿轮箱200和202与三级的轴102相互连接。齿轮箱200使第一级和第二级的轴102连接，而齿轮箱202使第二级和第三级的轴102连接。齿轮箱是公知的，具有互相啮合的内外齿轮和相应的轴部分。这可使三级作用在轴上的力达到平衡，即使三个单元的速度是不同的。当计算机控制三级使其达到基本上相同的速度时，内外齿轮将简单地在一起转动。
现在说明图7A和7B所示多级蒸汽动力机52的操作。在起动期间，锅炉60和燃烧器62由一个信号起动，该信号起动以下程序：首先液体输送泵68起动，并如前所示，根据液位传感器72的输出信号控制锅炉60中的液位。同时，燃烧系统72的指示灯以周知的方式打开安全阀，并使管道65中的燃料流过压力控制阀66并由燃烧器62点燃。燃烧器62开到最小的流速，它加热系统并使它达到要求的压力。为开始操作，起动马达204连接在轴102上并转动该轴，由此可以利用第一级中的泵68、第二级中的泵136和第三级中的泵172使流体开始循环至不同的级。如前所述，在第一和第二级中的泵68和136分别是发动机54或56的一部分，如在第三级发动机58中泵172那样。当第一级活塞机53的导管75上的压力指示器74和温度指示器76指示系统的入口达到要求的压力和温度时，计算机按如上所述控制燃气阀66，使其保持要求的压力。因为锅炉的容积很小，所以这种操作只需几秒钟。
如前所述，调节针形控制阀可使发动机52操作在最小速度，操作手动控制阀80可以控制驱动第一级的需要的速度。为使系统很快达到平衡，可以调节第一级的旁通阀106和第二级的旁通阀144，使预定量的蒸发的流体直接传递到第二级和第三级，从而使第二级和第三级很快地被起动。旁通阀106和144由计算机通过图9的压力控制器114和图10的压力控制器146进行控制。它们也可以根据分别在第一级和第二级冷却器96和158出口的第一级中的温度传感器122和第二级中的温度传感器158由图10中的温度控制器166和图11中的温度控制器192控制。
因此，如有关的压力传感器所示的那样，加在第一级、第二级和第三级上的三个压力是基于每一级的输入输出的压力和温度。压力控制阀106、112和114由计算机控制，使系统很快达到平衡，一当各级达到平衡，这些阀或者关闭或者基于计算机控制而工作在低的位置。
三级单独地作为动力产生单元，要求加在轴上的力是平衡的。因此三个单元的速度可以是不同的，而且还可以在机械上由图7A和7B中齿轮箱200和202的内外齿轮进行改变。在机械上使齿轮以已知的方式彼此相对转动可以使加在轴102上的力达到平衡。如由压力传感器确定的那样在活塞和管道内的压力是每一级加在每个轴上的动力的度量值。计算机以已知的方式比较这些度量值，然后根据所示值由计算机改变从一级输送到另一级的热通量，从而调节这三级的轴的转动速度。
如上所述，因为每个发动机54、56、58利用沸点温度低于前一级输出温度的不同流体，所以第二级接收第一级的剩余能量，第三级接收第二级的剩余能量。在第二级或第三级需要能量来平衡动力时，第二级和第三级便能够通过第一级或第二级的旁通阀106和144接收附加的能量，因而可以控制在预热器92、156和冷却器96、158中的交换温度。计算机控制总的热量平衡，从而可以获得最佳工作条件和冷却器96和158的最佳冷却温度。第一级的冷却器96和第二级的冷却器158这样设计，使得在热量传递期间形成最大的热通量。冷却器当然可以作得很大，以避免在泵中形成气窝和确实冷却液体。
在图8、9、10和1所示系统中由编号82、84、86、104、114、116、124、126、132、146、148、166、168、190、191、192和198表示的所有控制器都是正比积分控制器，这些控制器在这种技术中是周知的，而且在发动机的操作偏离由测量信号所示的设定点时，这种积分作用便消除。但是只要需要，积分功能便可恢复操作，从而避免控制中的过调节，如先有技术中周知的那样。
为了增加或减少发动机的动力或速度，燃料的主输送阀66直接通向第一级和锅炉60。因为在锅炉的输出温度和压力总是保持常数，所以可以很快地加速或猛烈地调到低速，而不扰动燃烧。所以锅炉60中的压力和温度分开地受到三级发动机的每个活塞机53和55产生的压力和温度的控制。温度控制器处于自动选择操作，以便限制在冷却器和／或预热器中蒸汽的温度。
因此本发明涉及具有多级但可以构成一个单一机组的蒸汽机。每级有其自己的单独的蒸汽动力源，每一级中的流体是不同的，具有不同的热／温度特性。在操作中，穿过第一级本身的第一流体由锅炉加热到第一温度，然后穿过第一级发动机。第一流体由一个泵泵回锅炉。第一级驱动发动机轴。第一级的余温流体经过从第二级来的冷却流体。第二级的冷却流体是第二种不同的流体，这种流体在较低的第二温度下利用第一级的余热来驱动一个活塞机，该活塞机连接在与第一级连接的相同的轴上。第二级的第二流体穿过一个内部热交换器，然后泵回第一级以便进行再循环。第三级发动机具有第三种不同的流体，它经过第一级和第二级两级的热交换器，在该交换器中，它被加热到比第二级余热低的第三的温度，然后驱动公共轴，在此之后，第三流体被泵回第二级以便进行再循环。三级可以以串联形式前后安装，并形成一个单一的发动机组。在第三个管路中的流体是完全不同的，适合于在该特定级发动机要求的温度下蒸发。可以用氟烃化合物作流体。

Claims (5)

1．一种蒸汽驱动发动机，它包括：
至少两个蒸汽驱动活塞型发动机(20、22、24；54、56、58)，每个上述发动机具有蒸汽流体入口和流体出口；
一个构成蒸发器(2)的热交换器或锅炉(60)，连接在第一个(20、54)上述蒸汽驱动活塞型发动机(20、22、24；54、56、58)的蒸汽入口和出口上，从上述第一(20；54)蒸汽驱动活塞型发动机的上述流体出口接收流体；
一个外部热源(13，40)，选择性连接在上述热交换器或锅炉(60)上，使其蒸发其中的流体，从而向上述第一(20；54)蒸汽驱动活塞型发动机提供动力；
所述蒸汽驱动活塞型发动机(20、22、24；54、56、58)彼此连接，使得前面的蒸汽驱动活塞型发动机(20或22；54或56)的流体或者成为后面的蒸汽驱动活塞型发动机(22或24；56或58)的流体，或者通过中间的热交换器加热后面的蒸汽驱动活塞型发动机(22或24；56或58)的不同的流体，
其特征在于，每个蒸汽驱动活塞型发动机包括：
一个输出轴(48)；
连接在上述输出轴(48)上的蒸汽驱动活塞(42)；上述蒸汽流体入口从外部热源(40)、从前面的蒸汽驱动活塞型发动机(20或54)或从连接到该前面的蒸汽驱动活塞型发动机的热交换器(37；92)接收第一蒸发的流体，从而驱动上述活塞(42)和转动上述输出轴(48)；
第一蒸汽／流体管路，用于接收从上述活塞机(42)来的上述第一蒸发的流体；
一个在上述第一蒸汽／流体管路中的内部泵(49)，用于使上述蒸汽／流体回到上述外部热源(40)，使其重新被加热；
一个位于上述外部热源(40)之前的在上述第一蒸汽／流体管路上的内部热交换器(39，46)；其中具有第二流体／蒸汽的第二封闭的流体／蒸汽管道(44)，上述第二流体／蒸汽的蒸发温度低于上述第一流体／蒸汽的蒸发温度，上述第二封闭的流体／蒸汽管路(44)通过上述内部热交换器(39，46)而使其中流体被蒸发；
一个在上述第二流体／蒸汽管路(44)上的内部压缩机(45)，由上述输出轴(48)驱动，压缩上述第二流体／蒸汽并使其温度升高，以便输送到上述热交换器(39，46)；
一个在上述第二封闭的流体／蒸汽管路(44)上的涡轮机(50)，连接到上述输出轴，接收上述第二流体／蒸汽并向上述输出轴(48)提供动力。
2．如权利要求1所述的蒸汽驱动发动机，其特征在于，它至少包括三个彼此连接的蒸汽驱动活塞型发动机(20、22、24；54、56、58)，使得前面的蒸汽驱动活塞型发动机(20或22；54或56)的流体或者成为后面的蒸汽驱动活塞型发动机(22或24；56或58)的流体，或者通过中间的热交换器加热后面的蒸汽驱动活塞型发动机(22或24；56或58)的流体。
3．如权利要求1或2所述的蒸汽驱动发动机，其特征在于，它至少包括第二热交换器(37；92)，该交换器接收从上述第一蒸汽驱动活塞型发动机(20，54)输出的流体，使不同的流体蒸发，从而驱动下一个上述的蒸汽驱动活塞型发动机(20、22、24；54、56、58)，上述第二蒸汽驱动活塞型发动机(22；54)的蒸汽流体入口连接到上述第二热交换器(37；92)，因此在每个蒸汽驱动活塞型发动机(20、22、24；54、56、58)中的流体是不同的，在第二蒸汽驱动活塞型发动机(22；56)中的流体的蒸发温度低于在第一蒸汽驱动活塞型发动机(20；54)出口的该发动机的流体温度。
4．如权利要求2所述的蒸汽驱动发动机，其特征在于，它包括由权利要求1所述的那种蒸汽驱动活塞型发动机构成的三个发动机(54、56、58)，它包括：
第一封闭管路(67、75、89、90)，该管路包括蒸发的流体管道(75)、管道(90)和管道(67)，管道(75)将由外部热源(62)加热的蒸发器(60)连接在第一发动机(54)的活塞机(53)上，管道(90)将第一发动机(54)的蒸汽输出连接到至少一个热交换器(92，96)上，管道(67)将上述热交换器连接到蒸发器(60)上；
第二封闭管路(94、138、152、154、160)，该管包括流体返回管道(94、154)和管道(138)，该返回管道连接在第二发动机(56)的出口上，然后通过至少一个热交换器(156、158)、通过第一封闭管路(67、65、89、90)上的上述热交换器中的至少一个热交换器(92)，而后再通过第一发动机(54)的活塞机(53)的机壳，以便对它们进行冷却，管道(138)连接在上述机壳上和第二发动机(56)的活塞机(55)上；
最后的封闭管路(98、176、180、182)，该管路包括返回管道(176、98、180)和管道(182)，该返回管道穿过属于紧挨着的前面的发动机(56)的闭合管路(94、138、152、154、160)上的至少一个热交换器(158、156)，还穿过属于前面的倒数第二的发动机(54)的封闭管路(67、75、89、90)上的热交换器96和穿过前一个发动机(56)的活塞机(55)的机壳，以便冷却这些活塞，管道(182)使该机壳与最后的发动机(58)连接。
5．如权利要求3所述的蒸汽驱动发动机，其特征在于，它包括由权利要求1所述的那种蒸汽驱动活塞型发动机构成的三个发动机(54、56、58)，它包括：
第一封闭管路(67、75、89、90)，该管路包括蒸发的流体管道(75)、管道(90)和管道(67)，管道(75)将由外部热源(62)加热的蒸发器(60)连接在第一发动机(54)的活塞机(53)上，管道(90)将第一发动机(54)的蒸汽输出连接到至少一个热交换器(92，96)上，管道(67)将上述热交换器连接到蒸发器(60)上；
第二封闭管路(94、138、152、154、160)，该管包括流体返回管道(94、154)和管道(138)，该返回管道连接在第二发动机(56)的出口上，然后通过至少一个热交换器(156、158)、通过第一封闭管路(67、65、89、90)上的上述热交换器中的至少一个热交换器(92)，而后再通过第一发动机(54)的活塞机(53)的机壳，以便对它们进行冷却，管道(138)连接在上述机壳上和第二发动机(56)的活塞机(55)上；
最后的封闭管路(98、176、180、182)，该管路包括返回管道(176、98、180)和管道(182)，该返回管道穿过属于紧挨着的前面的发动机(56)的闭合管路(94、138、152、154、160)上的至少一个热交换器(158、156)，还穿过属于前面的倒数第二的发动机(54)的封闭管路(67、75、89、90)上的热交换器96和穿过前一个发动机(56)的活塞机(55)的机壳，以便冷却这些活塞，管道(182)使该机壳与最后的发动机(58)连接。
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