CN109983216A - 高动态密度范围的热循环发动机 - Google Patents

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Abstract

一种利用多个封闭环路热交换器的发动机。该发动机利用专用于活塞组件的给定室的第一交换器。该交换器构造成为该室提供加热和冷却，以在该活塞的冲程运动中改变其容积。第二交换器类似地构造成在该活塞的相对侧向另一室提供加热和冷却，以在该活塞进行冲程运动时相应地促进其容积变化。这种独特的构造允许这些室中的工作物质(通常是操作流体CO2)在热循环的大致持续时间内有效地保持在超临界状态。

Description

高动态密度范围的热循环发动机
背景技术
多年来，已经努力通过由不同热力学原理驱动的发动机获得了功或动力。例如，已经开发出依赖于“斯特林”或“有机朗肯”循环(ORC)的设备生成电力的技术。遗憾的是，这些技术在不要求极大升高温度的情况下通常无效以及效率低。例如，较低的热源，比如低于水的沸点的热源，基本上是无效的。
举例来说，ORC发动机制造商经常提供一种允许在输入热温低至170°F的情况下操作的系统。因此，例如，可以利用可能更容易地从液体状态变化到气体状态的制冷剂，其中涡轮机或类涡轮机技术对气体的气动力进行转换以生成生产性功。然而，通常也会获得显著降低的输出，从而使得该工作显著地降低了经济性。在某种程度上，这是由于ORC使用的工作流体的特性以及从工作流体机械获取功的范围和效率能力。
用于将低等级热转换成可用功的替代技术通常也是低效或无效的。如本文所用，术语“低等级热”是低于海水平面处水的沸点的热。无论如何，大多数这些技术还基于有机朗肯热力循环，有机朗肯热力循环也涉及在每次循环中将液体转换成气体以及再将气体转换回液体的两次相变。这些被认为是“热气动热力发动机”。
上面提到的ORC发动机将具有低沸点温度的液体转换成其气体状态，并且使气体或气体和液体混合物通过涡轮状装置以产生旋转运动。除了上述低效率之外，这种发动机以接近5,000rpm或更高的旋转速度操作。然后将气体混合物冷却回液体状态，在再次使用之前再次相变。即使不考虑低效率，这种速度和突然的相变也会产生与喷气式发动机相同的显著的噪音。
已经尝试过被称为“热液动热力发动机”的另一技术。该技术涉及使用施加至液体的热，该液体可以具有相对高的膨胀系数。然而，实际上，大多数液体在加热时膨胀很少，而且在冷却时收缩很少。因此，在实际操作中，这种发动机主要由于难以在液体中获得足够的膨胀和足够快的膨胀和收缩而未能取得成功的商业化。这限制了这种发动机的经济可行性。另外，即使在使用时，这种发动机也仅用于范围很窄的一组特定情况。这是因为对于不同用途的可行的修改而言，通常缺乏灵活性。实际上，即使在可以有效利用发动机的情况下，通常也需要大量的试验和错误。这部分地归因于与主要依赖于液体通过引入和移除热而膨胀和收缩的固有局限性。
发明内容
一种通过控制流向容积变化的室的工作物质(通常是超临界流体)流来从发动机获得功的方法。该方法包括用与该室液压连通的热交换器加热工作物质以使该室的容积增大。该热交换器也用于冷却该工作物质以减小该室的容积。
附图说明
图1是用于提供功的高动态密度范围的热循环发动机的实施方式的俯视图。
图2A是图1的热循环发动机的侧视图。
图2B是图1和图2的热循环发动机的相对侧的侧视图。
图3是图1的热循环发动机的发动机布局的示意图。
图4A是图1的发动机的相对的活塞组件的实施方式的示意图。
图4B是描绘提供基于图4A的活塞组件的膨胀和压缩轮廓的功输出的热循环的实施方式的曲线图。
图5A是图1的发动机的管板式热交换器的实施方式的一部分的透视图。
图5B是图5A的管板式热交换器的六边形构造的主视图。
图6A-6E是图4A的相对的活塞组件在操作期间随时间变化的移动顺序的示意图。
图7是概述采用利用封闭环路专用热交换器的热循环发动机的实施方式的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多细节以提供对本公开的理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些特定细节的情况下实践所描述的实施方式。另外，可以采用许多变化或修改，这些变化或修改仍然如具体描述的实施方式所预期的那样。
本文详述的实施方式涉及一种控制封闭环路或容器内超临界流体形式的工作物质的膨胀和收缩的独特方式。具体地，工作物质的这种膨胀和收缩用于移动活塞以最终生成生产性功。当生成动力且马达附接至发电机时，发动机可以显示小于约50rpm的“低”转速。另外，本文详述的实施方式可以避免相变，并且因此本身具有更高的热力学效率，并且可以使用低于200°F的输入温度来有效地操作适当的操作流体。实际上，它们可以很容易地调整成在低于150°F的输入热量的情况下以较小的效率降低来操作。它还几乎无声地操作。然而，在其他实施方式中，可以使用替代的温度范围和不同的旋转速度，以及允许一定程度的流体相变。只要包含流体的室的加热和冷却由相同的热交换器控制，就可以实现明显的益处。
现在参考图1并额外参考图3，描绘了热循环发动机100的实施方式的俯视图。发动机100设置在滑道框架150上，其中发动机部件的主体以模块化方式牢固地保持。如上所述，提供仅与活塞组件105的一侧液压连通(也参见图2的活塞205)的专用热交换器110、120。也就是说，如图3的示意图所示，流体的封闭式储液器可以在热交换器110与活塞组件105的一侧处的室之间在专用线路309上循环。类似地，流体的另一封闭式储液器可以在其他热交换器120与活塞组件105的相对侧处的室之间在另一专用线路308上循环。
参考图1的俯视图，其他发动机部件是很明显的。例如，注意液压蓄能器180，该液压蓄能器180可以通过在岐管125处装设阀门而同步地工作，以周期性地向活塞冲程提供附加的力。液压储液器175也很明显。参考图3，该储液器175可以用作(或供应)热流体罐390或冷流体罐375。具体地，泵160可以用于使来自罐390和关联热源350的热水循环，以根据活塞组件105内的冲程运动的活塞的位置而在适当的时间加热适当的热交换器(110或120)。如上所述，在一种实施方式中，该水可以介于约150°F至约200°F之间。
出于同样的原因，可以使用另一泵(图1中不可见)在适当的时间将冷水从冷流体罐375和冷却源325循环到适当的热交换器(110或120)。在一种实施方式中，冷水是保持为约室温的水，可能来自邻近的水体。也就是说，不一定要求花费过度的能量来主动冷却该水。然而，在其他实施方式中，可以使用蒸发冷却器。
具体参考图3，并简要地附加参考图4A，值得注意的是，加热第一热交换器105的正时将与冷却第二热交换器120的正时一致，并且冷却第一热交换器105的正时将与加热第二热交换器120的正时一致。因此，当活塞组件105内的压力在第一室455处增加时，它在相对的第二室457内同时减小，从而增强活塞400的冲程运动(例如，如图4A所示的向下方向)。当然，在冲程的末端处，该过程随着第二热交换器120被加热、第一热交换器110被冷却、室455、457随着第二室457压力更高而在压差反转、以及活塞400沿相反方向行程(例如，如图4A所示向上)而被逆转。
回到图3，回想每个热交换器110、120配备有其自己的延伸至活塞组件105的专用线路307、308。具体地，参考图4A，从第一热交换器110延伸的专用线路307与组件105的第一室455流体连通。可替代地，来自第二热交换器120的专用线路308与第二室457流体连通。以这种方式，提供了两个单独的封闭环路液压系统，其中图4A的活塞400在连续的基础上在减小的容积和压力并且背离增大的容积和压力的方向上循环地冲程运动。然而，室与热交换器(例如455/110和457/120)之间的这些液压环路保持关闭。也就是说，从热水罐375或冷水罐390循环至热交换器110、120的流体不与所指出的封闭环路液压系统混合。作为代替，当经加热的水进入给定的交换器中时，适当选择的操作流体迅速从该交换器向外膨胀并且当经冷却的水进入时，操作流体迅速收缩回到该交换器中。还要注意，这种温度调节流体可以是水或在封闭环路系统内的不同类型的其他流体。相比之下，由于如下详述的独特膨胀特性，封闭环路系统可以利用超临界二氧化碳(CO2)作为操作流体。
所描述的热力循环可能是唯一有效的、高效地利用低于200°F的输入温度。实际上，可以调节循环以在低于150°F下操作而不会显著降低效率。因此，发动机100可以灵活利用许多可用的热源。例如，最终可以从低等级热源获得有用功，该热源诸如地热、太阳能热或来自其他不相关系统操作的废热。这允许有效且经济地利用先前被认为太冷并且没有实际经济价值的大量热源。
如下面详细描述的那样，在封闭环路中操作流体是CO2的情况下，将其保持在超临界或过热气体状态可能并不困难。因此，加热的应用增大了容积并实现了显著的膨胀，以便如上所述的那样增加压力并驱动活塞运动。另外，冷却该操作流体的应用促使其采用较小的容积，因此还促进了施加于与加热的室相对的室的活塞运动。如下面详细描述的，在操作流体能够在循环的基本持续时间内避免相变的情况下，该热循环特别有效。
现在参考图2A，示出了图1的热循环发动机100的侧视图。在该视图中，一些附加发动机部件是可见的。例如，框架容纳最初描绘的活塞组件105以及另一活塞组件205，以如下面所述的那样有效地使输出加倍。因此，例如，热交换器110可以控制包括有一个组件105的室455以及另一组件205的另一室的封闭环路(再次参见图4A)。沿着这些线路，如果需要，可以将许多附加活塞组件添加至发动机。无论如何，也如下面所讨论的，在所示的实施方式中，活塞组件105、205可以(可能在装设阀门的额外辅助下)同步循环。
除了如上文描述的液压储液器175、蓄能器180和岐管125，液压马达200在图2A中也是很明显的。具体地，来自热循环发动机100的功最终传递至马达200，在该马达200处该功最终可以用于生成和传输动力。
继续参考图2A，还示出了用于使热水和冷水循环进出热交换器110(和图1中的120)的各种液压力线路。更具体地，提供冷水供应线路280和回流线路220以及热水供应线路260和回流线路240。因此，实现适当的温度的水类型可以如上所述的在适当的时间循环到适当的热交换器110和120或从适当的热交换器110和120循环(参见图1)。
现在参考图2B，与图2A相比，从相反侧示出了发动机100。在该视图中，相同的水循环线220、240、260、280以及另一个热交换器120是很明显的。活塞组件105、205与蓄能器180也很明显。另外，示出了如上所述的用于使热水在适当的时间循环至适当的热交换器(110或120)的热泵160，以及用于使冷水在适当的时间循环至适当的热交换器(110或120)的冷泵260。
现在参考图3，示出了图1、图2A和图2B的热循环发动机100的发动机布局的示意图。如上所述，该发动机100最终以独特有效的方式促进来自马达200的功输出。这包括利用热交换器110、120的独特系统，其中每个交换器110、120独立地专用于泵组件105的一侧。这意味着每个交换器110、120限定并控制封闭液压环路，其中高温循环和低温循环都通过用于组件105的给定侧的相同的交换器110、120来管理。因此，经加热的输入(例如，从热源350和热水罐390)依次交替地施加至每个交换器110、120。同时，冷输入也(例如，从冷源325和冷水罐375)依次交替地施加至相对的交换器110、120。
继续参考图3，组件105内的往复活塞400使液压油循环通过岐管125，岐管125容纳定时地确保活塞400适当往复运动和正时的各种止回阀(见图4A)。实际上，岐管125也与指示的蓄能器180液压连通，该蓄能器180可以通过歧管125在活塞400不移动时周期性地充入或供应工作流体流或供应额外的压力返回，以促进活塞往复运动(例如，在活塞冲程的末端处)。另外，即使马达200本身也可能在活塞往复运动的正时中发挥作用。例如，马达200可以构造成以基本恒定的固定速度(可能低于约50rpm)来操作。除了有效且接近静音之外，这种类型的恒定固定移位可以通过岐管125液压连结返回，以进一步有助于调节活塞往复运动的速率。最终，可以实现非常受控且可靠同步的往复运动和输出的方式。
现在参考图4A，示出了图1的发动机100的相对的活塞组件105的实施方式的示意图。该图示揭示了组件105内的活塞400，该活塞400在室455、457之间往复运动，该室455、457本身是循环操作流体的独立封闭环路系统的一部分。在所示的实施方式中，操作流体是通常处于超临界状态的CO2，如下文所述。另外，当活塞400往复运动时，由中间封头440限定的中间室487用于使不可压缩的工作流体(诸如液压油)朝向一系列阀475并最终朝向如上所述的马达200循环。马达200可以是液压马达或甚至是曲轴，并且阀475可以模块化地并入岐管125中，如上文所描述的(参见图3)。以这种方式，循环的液压油可以提供可转移通过马达200的功。然后马达可以用于通过发电机产生电力。然而，泵、动力装置或压缩机也可以由马达驱动，或者液压动力甚至可以直接使用而不需要与马达进行任何连接。
在所示的实施方式中，中间室487由隔室480、485界定。这些隔室可以是充气隔室480、485，这些充气隔室用作工作流体室455、457与中间室487的液压油之间的密封缓冲区。阀475打开和关闭的时刻以及马达200的转速也有助于使该循环和活塞往复运动同步。例如，阀475可以在每次活塞接近每个冲程的末端时暂时关闭，以便驱使压力上升并帮助启动在相反方向上的冲程运动。这种正时可以由电子控制器调节。
现在参照图4B，示出了描绘提供功输出的热循环的实施方式的曲线图，该功输出基于图4A的活塞组件的膨胀和压缩轮廓。这种类型的曲线图可以称为P-v图。具体地，该曲线图显示了通过加热而增压的室(例如455)。这可以从(1)到(2)的移动看出，随着温度从大约100°F升高至略高于150°F，压力从约1,200psi上升至可能1,500psi以上。因此，室455中的压力作用于活塞头450并且随着活塞400沿向下方向移动而实现容积增大。注意到图4B中从(2)到(3)的移动反映了容积增大。注意到此时温度也开始略微下降。然而，从(3)到(4)的显著得多的下降是通过热交换技术由定制的引入冷却来实现的。具体地，在(4)处，温度已经从(3)处的略低于150°F变为低于约100°F。注意，这仍然高于88°F(该温度确保了CO2保持超临界状态)。因此，此时将促进活塞朝向该室455的移动，特别是按照依据上述描述的技术加热的另一室457的情况下。实际上，注意到随着从(4)回到(1)的移动，这个室455中的相应的容积减少。
在图4B的实施方式中，参考图4A，室455内的压力和温度组合维持在操作流体——在本示例中是CO2——保持在超临界状态的水平。这对于有效的操作不是必需的。然而，在热循环的基本持续时间内操作流体保持在超临界或过热气体状态的情况下，将获得更高的效率。更具体地，避免操作流体进入和离开液体或“致密”状态的过度相变可以提高效率。另外，利用这里详述的技术和设备设置，可以容易地基本在整个“相变圆顶”之外操作。
值得注意的是，对于替代的操作流体，可以采用许多不同的压力和温度范围来将流体维持在超临界或过热气体状态下达到该循环的基本持续时间。在所示的实施方式中，考虑到CO2允许相对低的热量和可控制的压力从而快速且容易地显示这些特性而使用CO2。但是，可以对其他流体类型进行建模和离散化。另外，根据本文描述的技术，可以在运行热循环中使用各种活塞尺寸和用于评估替代公差的其他变量。
现在参考图5A，示出了图1的发动机100的管板式热交换器110的实施方式的透视图。交换器110具有稳健的构造，该构造被定制成控制在如上文所述并如下文进一步描述的热循环期间放置在交换器上的快速加热应力源和快速冷却应力源。因此，所示的交换器110的部分可以容纳在厚壳体或双壁壳体中，该壳体能够承受连续且快速的加热和冷却的应力。在这方面，可以采用选择不锈钢或其他稳健的材料。
由于热交换器决定了热循环过程中能量增加和减少的量，所以图1的整个发动机100的尺寸设定首先从交换器110、120的尺寸设定开始。在图5A的实施方式中，管板式交换器110包括由对齐板525、575保持就位的多个微管500。与常规的交换器相反，所描绘的管板式交换器110没有操作流体通过。相反，交换器用作保持操作流体的储液器。因此，在施加如上所述的热时，流体快速膨胀，大部分离开交换器110，或者在施加冷却时，流体迅速收缩进入交换器110的较小容积(例如，如上文描述的)。流体类型不仅影响该过程的速率，而且交换器110的管状的性质也有效地显著增加了作用于操作流体的交换器110的表面区域。
特别参考图5B，图5A的管板式热交换器的六边形构造的主视图以六边形形式示出。管500的间隔可以由基于诸如管壁厚度之类的各种其他变量设定的预定间距(P)和直径(D)来限定。因此，例如，考虑到鉴于该热交换器110可能暴露于重复和快速温度变化中的持续性质，该特定值可能是重要的。
现在参考图6A-6E，示出了图4A的相对的活塞组件105在操作期间随时间变化的移动顺序的示意图。实际上，图6A类似于具有操作流体，即超临界CO2的图4A，在第一室455内已经获得足够的压力从而沿所示方向(见600)驱动活塞400进行一完整冲程。最终，这意味着功可以指向马达200。对于本文的实施方式，可以通过装设阀门(例如参见阀475)来提供额外的正时和引导。
在完成初始冲程的情况下，第二室457可以在第一室455被冷却的同时而被加热(参见图6B)。因此，活塞400可以保持就位，从而使其产生更大的压力或允许反向过程，沿相反方向(参见箭头600)进行冲程运动。最终，活塞400也将到达该冲程的末端(参见图6C)。注意，在所述冲程运动中，中间室487继续使用马达200对液压油进行循环，以有效地允许从系统获得功。
如图6D所示，在活塞400朝向第一室455完成其冲程的情况下，该室可以再次被加热，直到建立所需压力并且活塞沿第二室457的方向(见箭头600)驱动返回，该第二室457本身被冷却，以进一步促进该过程。最终，活塞400将再次到达该冲程的末端，如图6E所示，其中该活塞400返回到其在图6A中占据的位置。
现在参照图7，示出了一流程图，该流程图总结了采用利用封闭环路专用热交换器的热循环发动机的实施方式。即，如715处所示，加热带有活塞组件的室的封闭环路中的一个热交换器。同时，冷却带有组件的相对室的封闭环路中的第二热交换器(参见730)。以这种方式，组件的活塞沿第一方向移动，如745处所示。通过如760处所示的那样冷却该第一热交换器并且如第775所示的那样加热该第二热交换器，使该过程然后反向。因此，活塞现在沿相反方向移动(见785)。
已经参考目前的优选实施方式提出了前面的描述。这些实施方式所属领域的技术人员将理解，在不有意地脱离这些实施方式的原理和范围的情况下，可以实施所述结构和操作方法的改变和变化。此外，前面的描述不应该被理解为仅涉及随附附图中描述和示出的精确结构，而是应该被理解为与所附权利要求一致并且由所附权利要求支持，这些权利要求将具有其最充分的和最公平的范围。

Claims (20)

1.一种热循环发动机，包括：
具有第一室的封闭液压环路中的第一热交换器，所述第一热交换器用于调节所述第一室的容积；以及
具有第二室的封闭液压环路中的第二热交换器，所述第二热交换器用于调节所述第二室的容积，每个室的容积取决于另一个室的容积。
2.根据权利要求1所述的热循环发动机，其中，所述热交换器是管板式构造，用于增加与占据所述封闭环路的工作物质相互作用的表面。
3.根据权利要求1所述的热循环发动机，还包括对置式活塞组件，所述组件包括具有第一头和第二头的活塞，所述第一头限定所述第一室，所述第二头限定所述第二室。
4.根据权利要求3所述的热循环发动机，其中，所述活塞还包括在所述头之间的至少一个中间室，用以在所述第一室的容积和所述第二室的容积改变时对不可压缩的工作流体加压并将所述工作流体循环至工作输出。
5.根据权利要求3所述的热循环发动机，还包括由所述活塞组件液压地驱动的马达。
6.根据权利要求5所述的热循环发动机，还包括泵、压缩机、电力发电机和由所述马达驱动的动力装置中的一种。
7.根据权利要求5所述的热循环发动机，还包括被液压地连结在所述马达与所述活塞组件之间以协调所述马达与所述活塞组件之间的正时的岐管。
8.根据权利要求7所述的热循环发动机，还包括蓄能器，所述蓄能器被液压地耦接至所述歧管，以在所述活塞不移动时向马达提供工作流体流，以及提供压力以补充地增强所述活塞的冲程运动。
9.根据权利要求3所述的热循环发动机，其中，所述对置式活塞组件是第一对置式活塞组件，所述发动机还包括第二活塞组件，所述第二活塞组件具有位于所述第一热交换器和所述第二热交换器中的一个热交换器的封闭环路中的另一室。
10.根据权利要求1所述的热循环发动机，还包括热流体罐，所述热流体罐用于向所述第一交换器和所述第二交换器中的一个交换器供应热以使所述第一室和所述第二室中的一个室的容积增大。
11.根据权利要求10所述的热循环发动机，其中，所述罐的流体是介于约150热循至200热循之间的水，因此能够从废热、地热和太阳热中的一者获得热。
12.根据权利要求1所述的热循环发动机，还包括冷流体罐，所述冷流体罐用于冷却所述第一交换器和所述第二交换器中的一个交换器以使所述第一室和所述第二室中的一个室的容积减小。
13.根据权利要求12所述的热循环发动机，其中，所述罐的流体是室温水和经蒸发冷却的水中的一者。
14.一种从发动机获取功的方法，所述方法包括以下步骤：
对具有第一室的封闭环路中的第一热交换器进行加热，以使所述第一室的容积增大；以及
对具有第二室的封闭环路中的第二热交换器进行冷却，以使所述第二室的容积减小，在所述加热步骤期间发生所述冷却步骤，并且各个室的容积取决于另一个室的容积。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：在所述加热步骤和所述冷却步骤期间，使限定所述室的活塞组件内的活塞背离所述第一室且朝向所述第二室移动。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：
对所述第一热交换器进行冷却以使所述第一室中的压力减小；
在对所述第一热交换器进行冷却期间对所述第二热交换器进行加热以使所述第二室中的压力增加；以及
在对所述第一室进行冷却且对所述第二室进行加热期间，使所述活塞朝向所述第一室且背离所述第二室移动。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：利用所述活塞的移动来为马达提供动力。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述室的容积被超临界流体占据达所述加热步骤和所述冷却步骤中的每个步骤的大致持续时间。
19.一种从发动机获得动力的方法，所述方法包括以下步骤：
使所述发动机的至少一个活塞在第一室与第二室之间进行往复运动，所述室中容纳有经热力学调节的工作物质；
对所述第一室中的所述经热力学调节的工作物质进行加热，以使所述活塞背离所述第一室且朝向所述第二室移动；
在对所述第一室进行加热期间对所述第二室中的所述经热力学调节的工作物质进行冷却，以促使所述活塞背离所述第一室移动；以及
将作为超临界流体和过热气体中的一者的所述经热力学调节的工作物质保持在每个室内达所述加热步骤和所述冷却步骤的大致持续时间。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括采用蓄能器和岐管中的一者来在所述活塞不移动时向马达提供工作流体流，以及提供压力以补充地增强所述活塞的冲程运动。
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