CN107636261A - 包括等温膨胀的超临界循环方法及包括用于该循环方法的液压式能量提取的自由活塞热机 - Google Patents

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Abstract

可以使热能几乎全部转化为机械能的超临界循环方法以及用于实现这一方法的往复活塞装置。气态工质的等温膨胀通过经由气缸壁和具有涡流狭槽的振荡活塞输送热量实现,振荡活塞在膨胀的工作区中线性振荡。外部热量几乎全部在低行程频率情况下于等温膨胀期间输入,而其它所有步骤(等容压力形成、等压膨胀和等压再液化)几乎完全借助内部回热器实现。工作活塞被设计为低温端具有密封圈的空心自由活塞,并像振荡活塞驱动机构一样,跟随控制活塞的行程路线,控制活塞由外部的主驱动装置驱动。所有外部活塞驱动机构以基本与力无关的方式借助液压压力平衡工作,上述方法的实现仅需提供很少机械能。因为采用了伸展式设计结构,相关装置在液压压力室和/或冷极方向上具有高热阻,并且该方法需要较少的外部冷却。

Description

包括等温膨胀的超临界循环方法及包括用于该循环方法的液 压式能量提取的自由活塞热机
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于具有外部输入热量的热机的循环方法,以及一种根据本发明 所述循环方法工作的、具有外部输入热量的热机。具体地,本发明涉及超临界循环方法以及 在有或没有相变情况下实现等温膨胀的热机。
背景技术
[0002]目前在低功率范围(不超过150kW)内使用的热机,主要利用无相变的高温气体方 法,热量通过内部或外部提供,其中最高工作压力通常低于150巴。作为含相变高压法的克 劳修斯-朗肯方法,目前仅用于高功率范围内的大型多级水蒸汽涡轮机或0RC-蒸汽涡轮机。 [0003]目前常用的所有系统都根据理想气体或蒸发-循环方法进行了优化,其中包括等 温部分的卡诺循环方法被视为不能达到的极限。但是这些系统具有以下特性,这些特性从 总体上降低了有用功和使用寿命。由此产生的效率大概可以接受。
[0004]内部燃烧式高温气体方法:高转速时热量输入极好,压缩功大,无热回收能力,冷 却损失大,压差和温度差大,磨损和腐蚀十分严重(比如内燃机)。
[0005] 外部燃烧式高温气体方法:热量输入差,所以在高转速时(300至3500转/分钟)加 热器温度高,压缩功很小或无压缩功,热回收能力强,冷却损失小,压力和温度差中等,磨损 和腐蚀轻,存在工质密封问题(比如斯特林发动机,燃气涡轮机)。
[0006] 克劳修斯-朗肯方法(水蒸汽涡轮机或0RC-蒸汽涡轮机):热量输入良好,液相中无 压缩功,热回收能力极差,仅在过热时(节能器)可回收热量,在温度水平很低时冷却损失 大,压差和温度差大,尽可能高的转速(所以具有多级结构的涡轮机成本非常高),磨损和腐 蚀十分严重(蒸汽涡轮机,蒸汽发动机)。
[0007] 今天所有的现代系统均致力于工作温度、工作压力和转速的最大化,以便在“传统 意义上”提高效率和降低质量/单位功率重量。例外情况仅存在于其它的极低功率范围(比 如太阳能的利用)。等温膨胀或等温压缩虽然可以实现尽可能高的效率,但因力求缩短循环 时间而与目前的系统存在冲突。相对于传统循环方法及其执行方式的以下改善措施,已经 在相关文件中提出或已经实现。
[0008] 专利US 3 237 403A描述了一种包括相变的超临界循环方法。其中建议将C02用于 等熵膨胀式涡轮机并借助逆流热交换器进行废热回收。通过等熵膨胀后工质的内部冷却, 只有一部分输入的热能得到回收。工质回输和压力形成是通过冷凝器和锅炉给水泵时的能 量损耗实现的。总体来说,上述方案在膨胀率和能效方面仅略有改善。
[0009] 专利DE 10 2〇〇6 02 85 61 B3建议:为了接近等温式热量输入,将一种高温液体 喷入工作气体中然后再用栗抽掉。相关发动机是一种大体积斯特林-低速发动机,具有振荡 式液压能量输出系统。
[0010] 在专利DE 10 2008 04 28 28 B4中,液体活塞被用于传统的斯特林-循环方法。通 过交替浸入结构化的热交换器中,在压缩和膨胀时以及在微小死区的等温热传递得到了改 善。热量回收在气体范围通过逆流热交换器完成。但是流体密封和能量转换需要能够耐受 极高气体温度的流体以及相应的流体阀门。
[0011]专利申请文件DE 10 2009 05 72 10 A1描述了一种传统结构形式的多缸斯特林 发动机,其中利用包括准等熵膨胀的超临界相变提高效率。等温热量输入问题、气体死区大 的问题以及工作区对外密封问题在这里仍然没有得到解决。
[0012]专利申请文件DE 34 27 219 A1涉及一种蒸汽机-超临界循环方法,其中一种作为 工作材料的、在超临界温度范围和压力范围直接从液相获取的、在恒定超临界压力进一步 加热的高温或低温气体被输送至燃气轮机,这些气体在接近工作材料临界点之前在燃气轮 机中以绝热或者多变形式膨胀,气体借助热泵和/或膨胀室冷却至完全液化。
[0013] 专利申请文件US 2013/0 152 576 A1涉及一种通过闭式循环利用废热的系统,它 包括:一个从外部热源将热量输送至工质的热交换器;一个与热交换器出口端流体连通的 膨胀机,用于工质的膨胀和机械能的产生;一个与膨胀机出口端流体连通的回热器,用于从 工质中转移热量;一个与回热器出口端流体连通的冷凝装置,用于工质的冷凝;一个与冷凝 装置出口端流体连通的泵,用于将冷凝后工质回输至回热器,其中回热器与热交换器流体 连通,从而使工质沿着封闭路径循环。
[0014] 专利申请文件US 2011/0 271 676 A1涉及一种方法,采用这种方法时工作流体直 接喷入气缸内,并从流体超临界状态分两级等熵膨胀至湿蒸汽状态。然后在一个热交换器 中借助于已经重组压缩的工作流体进行冷凝。
[0015] 专利US 8 783 034 B2涉及一种用于炎热季节的热力学循环方法,其中一个泵使 工质穿过热交换器,工质在这里被加热并通过一个涡轮机卸压。然后工质被冷却至环境温 度并通过一个具有中间冷却装置的多级压缩机液化。
[0016] 专利US 8 006 496 B2涉及一种工作流体在闭式循环回路中流动的发动机,它具 有至少一个泵,用于在流体中的压力形成以及回热式吸热期间的其它压力形成方法,此外 该发动机还包括一个加热装置,以便将流体加热至临界温度之上直至最大工作温度。出口 端设置了一个用于机械能转换的膨胀机构,它具有通向回热式热交换器的回流通路。
[0017] 专利US 4 077 214 A涉及一种将可冷凝湿蒸汽作为工质的热机,由气缸和活塞组 成。在上部死区,热量输入根据规定的、尽可能小的死区容积进行匹配调整。
发明内容 [0018] 目的
[0019]本发明的目的是通过循环方法提高热力学效率、避免本文一开始所述方法的主要 缺点并充分利用其某些优点。此外还要实现提高使用寿命、降低生产成本和保证热源方面 柔性的目标。高压缩比斯特林发动机的主要问题也是工质的对外密封和后续的能量输出。
[0020] 主要用途:与以往中央热电站不同的分散式发电设施或者中央热电站的废气二次 发电设施、以及生物质利用和地热利用领域。
[0021] 解决方案
[0022] 根据本发明,以上目的通过根据权利要求的方法和装置完成。
[0023]本发明提出了一种包括相变的超临界循环方法,它用于从外部向工作区提供热量 的热机,其中借助于将热量从外部输入到工作区,工质于工作区中以预定的最高工作温度 进行等温超临界膨胀,然后在预定的最低工作压力下等压超临界液化至预定的最低工作温 度,其中预定的最低工作温度低于该工质的临界温度,在该过程中释放出的热能被临时存 储在临时蓄热装置中,通过来自临时蓄热装置的热量输入,在液相中实现等容压力形成过 程,借助于临时蓄热装置的热量输入,工质在预定的最高工作压力和预定的最高工作温度 下继续等压超临界膨胀,其中,所述循环方法始终在工质的湿蒸汽曲线的临界压力之上运 行。
[0024]较为有利的做法是:外部热量输入在等温膨胀期间进行,除等温膨胀之外的所有 方法步骤均通过借助临时蓄热装置实现的热能回收来完成。
[0025]更为有利的方案是:预定的最高工作温度和预定的最低工作温度之间的差值大于 150开尔文、尤其是大于数百开尔文,最低工作压力至少高于工质的临界压力,最高工作压 力和最低工作压力之差大于50巴,尤其是大于数百巴,其中膨胀率比液化后工作体积大七 倍。
[0026] —个更加有利的设计:通过在工作区外部吸热并借助通向热极的热桥来保持一个 冷极。
[0027]此外本发明还包括一种热机,它通过外部热量输入及解除液压能来执行热力学循 环方法,并通过等温膨胀、等容压力形成、等压工作体积膨胀和工作体积收缩来实现符合本 发明的循环方法。
[0028]该热机包括:至少一个工作缸和一个收缩缸,其中工作缸中设置有一个可往复运 动的工作活塞,并限定了一个工质可在其中周期性收缩和膨胀的工作区,收缩缸中设置有 一个可往复运动的控制活塞以及一个临时蓄热装置,临时蓄热装置在工作体积收缩期间储 存热能,并为接下来的等容压力形成和后续等压膨胀提供所储存的热能,工作缸上安装有 一个用于从外部向工作区供应热量的加热装置,工质可借助该加热装置在工作缸中进行等 温加热,工作缸中还设置有一个可传热的振荡活塞,该振荡活塞可在工作缸的膨胀工作区 中往复运动,并且被设计为用于通过气缸壁将热量从外部传递至工质中,其中,振荡活塞在 轴向上具有贯通孔,所述贯通孔具有如下尺寸,以使得工质以涡流形式挤压穿过该贯通孔, 并且在离开振荡活塞后以旋涡状进入工作缸。
[0029]较为有利的做法是:设置有液压区,其与工作区中的工质的压力相同,用于将工质 的体积变化传递至工作区之外,并确保工作区的额外密封。
[0030]该热机可以包括:凸轮盘或线性致动器形式的、用于操作控制活塞的主驱动机构, 和线性传动装置或线性致动器形式的从驱动机构,所述从驱动机构与所述主驱动机构同步 并轴向连接至振荡活塞,所述主驱动机构和所述从驱动机构全部或部分位于液压区内以平 衡压力差。
[0031]热机还可以具有:一个从外部驱动至压力室的、与振荡活塞磁性耦合并可从外部 移动的磁性耦合器,以及一个从外部驱动至压力室的、与控制活塞磁性耦合并可从外部移 动的磁性耦合器。
[0032]此外热机还可以包括一静态蓄热器和一散热器或一连接至控制活塞的可移动的 蓄热器。
[0033]收缩缸尺寸可以按照以下原则设计:能够容纳收缩后的全部工质,并且收缩缸上 设置有冷却装置。
[0034]工作活塞可以设计为工作区与液压区之间的延伸自由活塞和介质隔离活塞,该液 压区在高温工作区之外的冷极侧具有活塞密封装置,其中冷极配置有冷却装置。
[0035]控制活塞可被设计为位于工作区的低温区和液压区之间的具有活塞密封的介质 隔离活塞,或被设计为位于工作区的低温区内的不带密封的柱塞。
[0036]加热装置可被设计为具有换热器片的燃烧头、或者充满载热介质的绝热式加热 套。
[0037]整个机器可被设计为最高工作压力大且膨胀率高的低速发动机。
[0038]总之,本发明涉及一种可使热能几乎完全转化为机械能的循环方法、和一种用于 实现这一过程的往复活塞装置。尽管存在相变,这一包括等温膨胀的完全超临界循环方法 可以实现极高的热回收率,因为工质在最高和最低等压区的各种能量变化,都与差不多相 同水平的非潜在温度变化相关。此外等温膨胀还可以使工质在该循环方法中达到尽可能大 的膨胀比。相对于纯粹的外部加热式高温气体发动机(膨胀比最大为1:3),上述膨胀比高出 许多倍。因为压力形成(参见图1中的第3点和第4点),不再考虑机械预压缩功。流体工质中 将达到数百巴的极高压力,该压力通过发电机负荷借助过压阀确定。为了能够在行程频率 较低时根据发电机原理实现上述压力、并达到尽可能好的工作区密封,本发明所述装置配 置有液压式能量转换系统。气态工质的等温膨胀(1-2),通过借助气缸壁和带涡流狭槽的振 荡活塞输送热量实现,振荡活塞在变大的工作区中做线性振荡。外部热量几乎全部在低行 程频率情况下于等温膨胀(1-2)期间输入,而其它所有步骤(等容压力形成(3-4)、等压膨胀 (4-1)和等压再液化(2-3))几乎完全借助内部回热器实现。工作活塞被设计为低温端具有 密封圈的空心自由活塞,并像振荡活塞驱动机构一样,跟随控制活塞的行程路线,控制活塞 由外部的主驱动装置驱动。
[0039]所有外部活塞驱动机构以基本与力无关的方式借助液压压力平衡工作,为实现过 程仅需提供很少的机械能。因为采用了伸展式设计结构,相关装置在液压压力室或冷极方 向上存在高热阻,出于过程原因需要的外部冷却较少。
[0040] 本发明具有以下重点和优点:
[0041] 选择载热体时的柔性以及高效率。
[0042] 两个要求可以通过外部燃烧以及回热式燃烧器空气预热完美实现。
[0043] 因为低功率范围内的涡轮机成本太高、效率太低,到目前为止仅高温气体发动机 或斯特林发动机投入使用。但是许多问题妨碍了这些发动机的大面积推广,这些问题包括: 密封性问题,等温热量输入性能差,死区损失,繁琐,太复杂,成本太高。在采用内部燃烧方 式的内燃机中,通常不能对吸入的空气进行预热,因为这样会导致充气系数按比例下降。燃 料选择同样很受限制。
[0044]尽可能等温的热量输入
[0045]这一点需要时间、尽可能大的热交换器面积以及工质的高导热系数。但是关于转 速尽可能高、死区损失尽可能小的要求与之存在冲突。所以常用的斯特林发动机和燃气涡 轮机在这些方面总是米取安协。
[0046] 压缩功很小或无压缩功
[0047]这一点只能在循环工作式活塞发动机中实现,其中某一工作体积出现与力无关或 与压差无关的移动时,热量通过外部热源等容输入。
[0048]因为超临界循环方法,根据本发明特征的发动机(根据图3)使用最高工作压力为 数百巴、比密度高因而导热系数高的工质。由于上述循环方法始终在湿蒸汽曲线的临界压 力之上运行,所有热交换过程均为非潜在式,即与温度梯度相关。这一现象通常可以使热量 回收在等压膨胀或收缩范围内于逆流热交换器或回热器中实现,并已经在高温气体方法中 得以充分利用。但超临界循环方法的特别之处在于:只要最低过程温度Tu低于工质临界温 度,就会同时产生相变。该特点导致气相中出现高膨胀率且液相中无压缩功(等容供热时)。 因为所需外部热量的提供几乎只在等温条件下进行,理论上能量几乎能够完全转化。系统 用途通过选择工质确定,上述系统还可以用于二次发电、地热和太阳能等领域。工质的临界 温度始终略微高于冷极,并尽可能多地低于最高工作温度To。最大工作压力po只通过发电 机的反作用力矩确定,但最好位于液压设备压力范围内。
[0049] 通过各个部分的相互配合,当行程频率大约为1/s时,能够达到与同排量氦气-斯 特林发动机在100巴压力和15〇0转/分钟转速条件下相同的功率。部分为液体的、超临界工 质的高导热系数,较小的行程频率,以及作为活跃载热体的振荡活塞协同作用,是本发明所 述的、关于膨胀期间接近等温式热量输入的基础。因为活塞速度很低、工质干净、采用液压 式能量提取方式和并实施润滑,上述系统与目前常用的高温气体发动机相比,具有显著更 高的使用寿命和更小的磨损。
[0050]液压油在两侧介质隔离活塞后面始终处于与工质压力平衡的状态,在活塞密封装 置之外确保实现对外密封。所以要使用基本不溶于矿物油的极性工质(比如双极水不溶于 “双极溶剂”油)。
[0051]为了实现尽可能均匀的液压式能量提取,可以选择相位错开180°的两缸变型。气 缸数量可以设计为一个至多个,其中应使用蓄压器和漏油回收栗,以便确保最低工作压力 pu。液压系统组件(包括液压马达、液压密封件、阀和软管)可以使用220至700巴的标准件。 [0052]系统的伸展尺寸很大,目的是尽可能增大气缸两端从工作区高温区到低温区的热 阻(类似于欧姆电阻),从而使冷却损失最小化。
附图说明
[0053]下面借助示例性实施方式和附图详细阐述本发明。下面是附图的简要介绍:
[0054]图1:以⑶2为工质的log-ph图表示例,展示了理想化的超临界(T-p-v-p)循环方 法,本发明所述热机根据该循环方法工作;
[0055] 图2:双缸结构发动机中用于能量输出的液压构造;
[0056] 图3:优选以相位错开180°并具有机械控制装置的两个工作缸;
[0057]图4:与图3所示的结构相同,具有通过内部压差补偿的线性致动器来实施控制的 装置;
[0058]图5:具有压差补偿装置磁性耦合式外部伺服驱动机构的变型例,并且控制活塞作 为无介质的柱塞;
[0059]图6:用于三个致动器的行程—时间曲线。
具体实施方式
[0060]图1展示了超临界等温(T-p-vp)循环方法的log-ph图表,该系统根据本发明的该 循环方法进行工作。在该以⑶2为工质的示例中,理想化循环过程向右运行通过角部的点1 至4。该过程完全位于临界压力之上,并且略低于工质的临界温度,以便实现从液态到超临 界气态的相变。因此热源的温度范围决定着工质的选择(比如C02、NH3、其它制冷剂、水等 等)。尽管过程压力很高,但通过相变和外部等温供热可以实现>10的膨胀比。在最大工作 压力为40至100巴的纯粹高温气体方法中(爱立信、斯特林等等),膨胀比通常位于2和3之 间。同时,由于等温膨胀(1-4),可在消耗最少量的冷却水的等压膨胀(4-1)或等压收缩(2-3)过程实现极高的热回收率。此外通过在液相中输入热量(3-4)而形成等容压力,可以在不 提供机械能的情况下实现极高工作压力P〇。从理论上来说,这一切能够使外部输入的热能 几乎全部转化为机械能。其中当工作温度To高于450°C时,实际效率(以C02作为工质)为 60%,远远高于无相变的纯粹高温气体方法、同时高于冷却损失较大的克劳修斯-朗肯蒸汽 方法或0RC方法。
[0061]从点1至点2产生理想化的等温膨胀(T),所有外部热量在此期间输入。基于工质, 输入的外部热量相当于x-轴上点2和点2*之间的热焓差(单位:kj/kg)。通过倾斜的等容线 可以看出,工质体积最大可膨胀至最下部等压线。因为在高温区内等温线几乎垂直,在x轴 上产生了一种可能性:等压膨胀结束之后能量几乎被完全回收。为了在冷却损失最小化的 情况下实现尽可能高的能量回收率,上部和下部等压线上的相应温度差和热焓差(从最高 温度处的点1和点2至最低温度处的流体点3)以及其温度水平都必须接近相同。热量在该工 作过程中向右侧流动,逐渐从下部等压线pu流至上部等压线po,其中每次能量变化(不同于 潜在沸腾过程)均与相应的温度变化相联系。
[0062]从点1至点2*的等熵膨胀中,可以看到体积膨胀率较小,而且膨胀结束后工质中保 持较小的温度差和热焓差(直至最低温度处的流体点),尽管根据点2至2*之间的热焓差输 入了相同的外部热量。这一情况对于循环方法的总效率存在直接的负面影响。目前的系统 (发动机,燃气涡轮机)主要利用(如前所述)等熵膨胀,通常不存在能量回收。
[0063]从点2至点3,通过将去除的热量临时存储在回热器中(或根据从点4至点1的过程 使用具有热量输入的逆流热交换器),产生等压超临界再液化。这里不需要额外的机械功(W =dp x dV),这是因为恒定最低反压力pu条件下工作活塞和控制活塞上的压力平衡实现了 体积变化。有害的残留气体死区最小化的情况下液化越彻底,膨胀比和效率就越高。
[0064]从点3至点4,后续膨胀借助等容压力形成(等容压力形成通过从回热器中输送热 量实现)启动,通过工作体积恒定条件下连续的压力平衡,不需要额外的机械功(W = dp x dV,dV=0)。这种连续式压力平衡可以通过本发明所述往复活塞系统的周期性工作流程实 现,而在(比如)非周期性涡轮机方法中无法做到。
[0065]从点4至点1,通过从回热器中继续输送热量(或在从点2至点3吸收热量时通过一 个逆流热交换器)产生等压膨胀。该方法中的恒定最高工作压力P〇与工质无关,仅通过发电 机-反作用力矩确定。最高工作压力和最低工作压力之差越大,功率转换率越高。
[0066]图2展示了一个线路图,用于以液压方式将直线运动转换为连续旋转运动,并表现 为发电机转速。发电机2〇通过一个离合器与液压马达22和飞轮21相连接。高压侧K)借助止 回阀25 _1通过工作缸的相应高压管路26.1交替加注液体。可能的压力峰值通过压力调节阀 24.1平息。低压侧ND可以使液压油通过止回阀25.2和工作缸的相应低压管路26.2,从液压 马达22回流至工作缸中。低压侧ND的压力水平通过压力调节阀24.2、蓄压器28和漏油回收 泵29保持。管路27是旁通管路,用于工作缸两个末端之间的压力平衡。
[0067]图3展示了相位错开180°的两缸设置的优选设计,其具有机械控制装置,该优选设 计可以在燃烧器温度不超过1200°C时用于权利要求1-4所述超临界循环方法(图1),也可以 在相同方法步骤中使用真实的高温气体(比如空气、氦气等等)。
[0068]在控制活塞1借助共同的盘形凸轮主驱动机构l.b-l.d外伸到最大程度后,上部气 缸随着工作活塞3的等温膨胀行程而开始工作循环。工作活塞3是一种差动式自由活塞,其 始终致力于两侧的压力平衡,并通过极小的压差产生运动。它被设计为隔热型空心活塞,在 HR1处接近冷极的位置具有内管和密封件。在膨胀期间,通过气缸壁4加热的气态工质在工 作区AR中借助于振荡活塞5被均匀地再加热。在膨胀期间,振荡活塞以不断增大的振幅在收 缩缸2和工作活塞3之间来回振荡。各振荡活塞借助于线性的从-伺服驱动机构5.b而运动, 该驱动机构与主驱动机构l.b-l.d同步。振荡活塞5在外周具有轴向的细小狭槽,工作气体 以涡流形式挤压通过这些狭槽,然后进入涡流运动状态。通过这一设计,能够确保在膨胀期 间,工作气体的每个分子都尽可能与高温振荡活塞5和气缸壁4反复接触,从而被再次加热。 在等温膨胀过程中,工作压力持续下降,而工作气体温度以及工作区AR周围部件的温度通 过外部供热而接近保持恒定。该措施能够预防在高负荷气缸区域4中产生交变应力裂纹和 温度波动。
[0069]工作区AR中的再收缩或再液化,在整个行程中持续不断地与控制活塞1的回程运 动同步进行。其中振荡活塞贴靠在工作活塞3上,并通过该工作活塞以被动形式一起运动。 再收缩或再液化在等压状态下进行,其中最低系统压力pu通过一个压力调节阀、一个漏油 回收栗和一个蓄压器保持稳定。几乎所有的吸热都可根据图1所示循环方法以非潜在形式 通过蓄热器7完成。与逆流热交换器相比,蓄热器具有以下优点:它由耐压的细钢丝制成,因 此即使在最高工作压力条件下也能实现尽可能大的表面并使工质产生涡流运动。不过该装 置需要恰当量的工质以周期性变化方式流过,所以尽管有优点,但不能用于(比如)涡轮机。 与逆流热交换器不同,在每个行程的蓄热量方面,蓄热器可以进行超尺寸设计,以确保实现 尽可能充分的热交换。
[0070]为了使工质可靠地收缩或液化,工质将被挤压通过散热器部件6的涡流狭槽(类似 于振荡活塞5的涡流狭槽)。散热器部件6、收缩缸2和液压区HR1通过一个冷却水套或风扇8 进行适当冷却。可选择冷却水套或风扇9同样防止沿HR2方向的加热。这里的散热主要与从 工作区至HR1和HR2的热桥的热阻相关,与(和往常一样)循环方法无关。上述散热过程同时 用于保持工作区中热极和HR1与HR2中冷极之间的温度差,需要的冷却水量较少。根据工质 也可以使用需要预热的新鲜水或供暖水进行冷却。
[0071]收缩缸2的容积(包括散热器部件6中的涡流狭槽)按照以下原则进行设计:在上止 点0T(=工作区-最小值)能够容纳所有收缩或液化后的工质。当控制活塞1到达上止点时, 工作活塞3也必然位于上止点,从而将有害的气相死区限制在蓄热器7的高温空腔和被夹紧 的振荡活塞5的涡流狭槽中。与传统的斯特林发动机和燃气涡轮机不同,通过以上措施可以 在大面积的热交换器和存在涡流运动的情况下同时实现有害气体-死区的最小化。
[0072]后续的等容压力形成借助回收式热量提供、通过控制活塞移出少量己收缩或液态 的工质快速实现。与此同时产生的逐渐式压力平衡,只能出现在循环工作过程中,而不能出 现在连续过程中(比如具有锅炉给水泵的涡轮机)。这种压力平衡减少了工质的工作压力提 高至动压所需的功。因为外部连杆传动装置l.a,这里存在控制活塞的差动活塞功(形成x连 杆横截面)。
[0073] 当达到最高工作压力po时,控制活塞1的进一步移出,导致后续工质借助事先储存 在蓄热器7中的热能和温度To产生等压膨胀或气化。与控制活塞1相关的工作活塞3行程,通 过取决于温度的工质比膨胀率以及最高工作压力P〇确定。整个等压膨胀期间,振荡活塞5不 随同运动,而是保持在左侧画虚线的位置。最高工作压力P〇通过工质和发电机的可调节负 荷力矩规定。在这些情况下只要控制活塞连续伸出,并且还有工质被推入高温工作区AR中, 最高工作压力就可以一直保持。如果控制活塞到达散热器部件6 (UT),则工作压力必然下 降。
[0074] 绝热燃烧室10的任务是:引导燃烧气体,使燃烧气体将热量完美传递至工作缸4的 筋肋。然后高温废气(略高于最高工作温度To)通过一个单独的逆流热交换器用于燃烧器空 气预热、或者加热供暖水或工业用水。
[0075] 图4展示了一个与图3中结构类似的、密封式的、带控制系统的变型。无论控制活塞 还是振荡活塞,均通过线性驱动机构或液压缸运动。它们在HR 1和HR 2中的液压系统液体 范围内处于完全的压差平衡状态。驱动马达可以设置在回转接头上方或压力室HR 1和HR 2 外部。尽管用于每个缸的伺服调节装置或比例调节装置成本较高,但机械结构比较简单并 且磨损很轻。因此这一版本适用于成本较高的、首先考虑使用寿命和可靠性的系统。
[0076] 图5展示了图3所示结构形式的一个变型,该变型主要适用于低温应用场合。整个 系统密封严密,致动器通过磁性耦合器和压差平衡装置运动。
[0077] 在这里控制活塞被设计为完全不带密封件的柱塞1,是配有磁环1.a和回热器l.c 的总成。控制活塞完全位于工质内,并通过磁环l.b运动。低温应用场合可能需要临界温度 低于环境温度的工质。其中柱塞1周围的液化温度必须至少比上述临界温度低10K。这一要 求可以(比如)通过设置一个小型的外部热泵实现。因为在这种低温状态下液压油变得粘稠 或温度低于液压油凝固点,同时密封件将变脆,所以这一版本配备了不带密封件的柱塞1。 与图3所示版本相比,这一变型的热阻较小,从而导致HR1范围内产生较大冷却损失。在这里 装有加热水或载热油的隔离式加热套4替代了筋肋缸。振荡活塞5借助空心磁性连杆5.a、通 过磁环5.b运动。HR2中的液压油可以环绕流经和穿过磁性连杆,从而保证完全的压力平衡 和流动阻力最小化。如果工质的工作温度不以不允许的幅度超过HR2室中液压油的极限温 度,这一侧的冷却可以不予考虑。
[0078] —般来说整个装置应尽可能绝热(10和11),因为HR1范围内的冷极可能低于环境 温度,而工作区AR中的热极可能高于环境温度,在两种情况下冷极和热极会受到不利影响。 [0079]图6展示了致动器(工作活塞,振荡活塞和控制活塞)的行程-时间控制图表。控制 点1至4参照图1中根据本发明的循环方法,但也可用于普通的高温气体方法,这里的工作压 力和膨胀率可能较小。

Claims (14)

1. 包括相变的超临界循环方法,其用于将热量从外部输入到工作区的热机,其中, 借助于将热量从外部输入到工作区,工质于工作区中以预定的最高工作温度(T〇)进行 等温超临界膨胀(1_2), 然后在预定的最低工作压力(pu)下等压、超临界液化至预定的最低工作温度(Tu),其 中预定的最低工作温度(Tu)低于该工质的临界温度,在该过程中释放出的热能被临时存储 在临时蓄热装置(7,1. c)中(2-3), 通过来自临时蓄热装置(7,1. c)的热量输入,在液相中实现等容压力形成过程(3-4), 借助于临时蓄热装置的热量输入,工质在预定的最高工作压力(po)和预定的最高工作 温度(To)下继续等压超临界膨胀(4-1), 其中,所述循环方法始终在工质的湿蒸汽曲线的临界压力之上运行。
2. 根据权利要求1所述的循环方法,其中,外部热量输入在等温膨胀(1-2)期间进行,除 等温膨胀(1-2)之外的所有方法步骤均通过借助临时蓄热装置(7)实现的热能回收来完成。
3. 根据权利要求1或2所述的循环方法,其中,预定的最高工作温度(To)和预定的最低 工作温度(Tu)之间的差值大于150开尔文、尤其是大于数百开尔文,并且其中最低工作压力 高于工质的临界压力,最高工作压力(po)和最低工作压力(pu)之差大于50巴,尤其是大于 数百巴,并且其中膨胀率比液化后的工作体积大七倍。
4.根据上述权利要求之一所述的循环方法,其中,通过在工作区外部吸热并借助通向 热极的热桥来保持冷极。
5. 热机,它通过外部热量输入及解除液压能来执行热力学循环方法,并通过等温膨胀、 等容压力形成、等压工作体积膨胀和工作体积收缩来实现根据上述权利要求之一所述的循 环方法,所述热机包括: 至少一个工作缸(4)和一个收缩缸(2),其中工作缸(4)中设置有一个可往复运动的工 作活塞(3),并限定了一个工质可在其中周期性收缩和膨胀的工作区(AR), 收缩缸⑵中设置有一个可往复运动的控制活塞(1)以及一个临时蓄热装置(7,1. c), 临时蓄热装置(7,1. c)在工作体积收缩期间储存热能,并为接下来的等容压力形成和 后续等压膨胀提供所储存的热能, 工作缸(4)上安装有一个用于从外部向工作区供应热量的加热装置,工质可借助该加 热装置在工作缸⑷中进行等温加热, 工作缸⑷中还设置有一个可传热的振荡活塞(5),该振荡活塞⑸在工作缸⑷的膨胀 工作区(AR)中往复运动,并且被设计为用于通过气缸壁将热量从外部传递至工质中, 其中,振荡活塞(5)在轴向上具有贯通孔,所述贯通孔具有如下尺寸,以使得工质以涡 流形式挤压穿过该贯通孔,并且在离开振荡活塞(5)后以旋涡状进入工作缸⑷。
6. 根据上述权利要求所述的热机,其中设置有液压区(HR1,HR2),其与工作区(AR)中的 工质的压力相同,用于将工质的体积变化传递至工作区(AR)之外,并确保工作区的额外密 封。
7. 根据权利要求5或6所述的热机,还包括:盘形凸轮(1. b,1. c,1. d)或线性致动器 (1 .a)形式的、用于操作控制活塞(1)的主驱动机构,和线性传动装置(5. b)或线性致动器 (5.a)形式的从驱动机构,所述从驱动机构与所述主驱动机构同步并轴向连接至振荡活塞 (5),所述主驱动机构和所述从驱动机构全部或部分位于液压区(HR1,HR2)内以平衡压差。
8. 根据权利要求5至7之一所述的热机,还包括一个从外部驱动至压力室的、与振荡活 塞(5.a)磁性耦合并可从外部移动的磁性耦合器(5 • b);以及一个从外部驱动至压力室的、 与控制活塞(1 .a)磁性耦合并可从外部移动的磁性耦合器(1 .b)。
9. 根据权利要求5至8之一所述的热机,其中临时蓄热装置(7, l.c)包括一静态蓄热器 (7)和一散热器⑹或一连接至控制活塞的可移动蓄热器(1. c)。
10. 根据权利要求5至9之一所述的热机,其中收缩缸(2)的尺寸设计为能够容纳收缩后 的全部工质,并且收缩缸(2)上设置有冷却装置(6,S)。
11. 根据权利要求5至10之一所述的热机,其中工作活塞(3)设计为延伸自由活塞和工 作区(AI?)与液压区(HR2)之间的介质隔离活塞,该液压E (HR2)在高温工作区(AR)之外的冷 极侧具有活塞密封装置,其中冷极配置有冷却装置⑼。
12. 根据权利要求5至11之一所述的热机,其中控制活塞(1)被设计为位于工作区(AR) 的低温区和液压区(H R1)之间的具有活塞密封的介质隔离活塞,或被设计为位于工作区 (AR)的低温区内的不带密封的柱塞。
13. 根据权利要求5至12之一所述的热机,其中加热装置(4)被设计为具有换热器片的 燃烧头、或充满载热介质的绝热式加热套。
14. 根据权利要求5至I3之一所述的热机,其中整个机器被设计为最高工作压力(po)大 且膨胀率高的低速热机。
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