CN112789391A - 用于将余热转化为机械能的机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将热量转化为机械能的机器，该机器包括：膨胀阀(EXP)，其从流体的蒸气流产生机械能；蒸发器(EVAP)，其被热源(Sh)加热至高温(Th)并且配置为向膨胀阀供应蒸气；冷凝器(COND)，其被冷源(Sb)冷却至低温(Tb)并且配置为使由膨胀阀递送的蒸气冷凝；液体回路(VL)，其配置为将液相流体从冷凝器传递至蒸发器；蒸气回路(VV)，其配置为将蒸气相流体从蒸发器传递至冷凝器；以及阀，其配置为在第一所谓的活动时间中关闭液体和蒸气回路(VV，VL)，并且在第二所谓的不活动时间中打开液体和蒸气回路。

Description

用于将余热转化为机械能的机器

技术领域

本发明涉及用于将热量转化为机械能的循环，特别是使用有机朗肯循环(OrganicRankine Cycle)或ORC的机器。

背景技术

ORC循环通常使用在常压下沸点低于水的工作流体。所述流体通常是有机制冷剂，例如烃类气体(乙烷、丙烷、丁烷、丙烯等)。使用ORC循环的机器通常包括四个部件：

蒸发器或发生器，其被热源加热并且在高压下使液体蒸发；

膨胀装置，通常是涡轮，其由蒸发器产生的高压蒸气提供动力。这种膨胀装置产生可被转化为电能的机械能；

冷凝器，其被冷源冷却，收集由涡轮在低压下排出的蒸气，并且使该蒸气液化；

泵，其从冷凝器的低压液体向蒸发器输送高压液体。

无论使用何种制冷剂，蒸发器处的热源的温度实际上很少低于100℃，因为否则机器将在经济上不可行。这排除了许多通常温度低于100℃的废热回收应用。

美国专利5,685,152公开了一种基于ORC循环的机器，该机器不使用可允许更好地利用废热源的泵。该泵由通过相应的阀连接在冷凝器和蒸发器之间的转运储罐代替。该储罐以四个步骤运行。在第一步骤中，储罐朝向冷凝器打开，以通过重力接收低压的液态流体。在第二步骤中，储罐被关闭并且被热源加热。储罐中的液体至少部分地蒸发，并且储罐的压力增加。在第三步骤中，当储罐中的压力接近蒸发器的压力时，储罐朝向蒸发器打开。储罐和蒸发器中的压力平衡，同时储罐中剩余的液体通过重力转移到蒸发器。在第四步骤中，储罐关闭并且被冷源冷却。储罐中的蒸气液化，并且压力下降。

原则上，这种机器可以相对连续地向涡轮提供蒸气，但很难以足够快的速度交替加热和冷却转运储罐以获得可用的流量。

发明内容

总体上，提供了一种用于将热量转化为机械能的机器，该机器包括：从流体的蒸气流产生机械能的膨胀装置；由热源加热至高温(高的温度)并被配置为向膨胀装置供应蒸气的蒸发器；由冷源(吸热部件，散热器)冷却至低温(低的温度)并被配置为使从膨胀装置排出的蒸气冷凝的冷凝器；使冷凝器的液相与蒸发器的液相相连的液体回路；使蒸发器的气相与冷凝器的气相相连的蒸气回路；以及阀，所述阀被配置为在第一主动(活动的，起作用的)冲程期间关闭液体和蒸气回路，并在第二非主动(不活动的)冲程期间打开液体和蒸气回路。

该机器还可包括缓冲蒸气罐，该缓冲罐由冷源冷却至具有相应饱和蒸气/蒸汽压力的低温；以及被配置为在主动冲程期间使缓冲罐与冷凝器相连并且在非主动冲程期间关闭缓冲罐的阀。

液体和蒸气回路可被配置成分别通过蒸气回路中的压力平衡和液体回路中的重力被动地执行传递(转移)。

液体回路可被配置成通过液位平衡来执行传递。

该机器还可以包括：第一传递级，该第一传递级插入在液体和蒸气回路中，并且由热源加热至介于高温和低温之间的第一中间温度；低压侧阀，该低压侧阀位于第一传递级和冷凝器之间的液体和蒸气回路上，并且被配置为在主动冲程期间关闭，在非主动冲程期间打开；以及高压侧阀，该高压侧阀位于第一传递级和蒸发器之间的液体和蒸气回路上，并且被配置为在主动冲程期间打开，在非主动冲程期间关闭。

该机器还可包括：第二传递级，该第二传递级插入在蒸发器和第一传递级的高压侧阀之间，并由热源加热到介于高温和第一中间温度之间的第二中间温度；以及高压侧阀，该高压侧阀位于第二传递级和蒸发器之间的液体和蒸气回路上，并且被配置为在主动冲程期间关闭，在非主动冲程期间打开。

所述膨胀装置可以是容积式装置，其包括：气缸；活塞，该活塞在所述气缸中滑动并且在该气缸中限定两个可变容积，这两个可变容积中的第一个连接到蒸发器；排放阀，该排放阀被配置为在主动冲程期间使所述两个可变容积中的第二个与冷凝器相连；止回阀，该止回阀被配置为在非主动冲程期间使第二个可变容积与蒸发器相连。

该机器可以包括处于膨胀装置和冷凝器之间的阀，所述阀被配置为在主动冲程期间打开，在非主动冲程期间关闭。

附图说明

下面参考附图进行的描述将公开多个实施例，这些描述仅用于示例目的，在附图中：

·图1A、1B、2A和2B示意性地表示在不同运行阶段的、不带泵的热量-机械能转化机器的第一实施例。

·图3A和3B示出在两个运行阶段中的、在前面的图中的机器中使用活塞膨胀器的示例。

·图4A、4B、5A和5B示意性地表示在不同运行阶段的、不带泵的热量-机械能转化机器的第二实施例。

·图6示意性地示出不带泵的热量-机械能转化机器的第三实施例。

·图7A和7B示意性地示出在不同运行阶段的、不带泵的热量-机械能转化机器的第四实施例。

·图8示意性地示出不带泵的热量-机械能转化机器的第五实施例。

具体实施方式

在下面的公开中，提供了一种由ORC启发的用于将废热转化为机械能的机器，但该机器在没有泵的情况下以往复方式运行。更具体地，该机器按照由阀确定的两冲程循环运行：

在第一、主动或驱动冲程中，当蒸发器使膨胀装置运动时，冷凝器和蒸发器之间的流体连通被切断；

在第二、非主动或再生冲程中，冷凝器和蒸发器之间通过隔开的液体和蒸气回路以被动方式进行压力和液位平衡。

由于第二冲程的执行，蒸发器和冷凝器均在饱和蒸气压下以两相的流体持续地运行。

图1A和1B示意性地示出在第一、驱动冲程开始时和其期间，根据该原理运行的机器的第一实施例。

该机器包括蒸发器EVAP，该蒸发器的形式为储罐，该储罐中含有以气相和液相两相存在的工作流体。液相由热源Sh使用换热器—示出为浸入液相中的线圈10的形式—加热至高温Th。管道将蒸发器的上部部分(气相)连接到膨胀装置EXP的入口。

高温Th与高饱和压力Ph相对应，其取决于所用流体。因此，在稳定状态下，蒸发器中的液相和气相都处于饱和状态(Ph，Th)。

冷凝器COND也被提供为包含以气相和液相存在的流体的储罐的形式。冷凝器的液相通过冷源Sb在换热器—示为浸入液相中的线圈12的形式—的辅助下冷却至低温Tb。

低温Tb对应于低饱和压力Pb，其取决于所用流体。因此，在稳定状态下，冷凝器中的液相和气相都处于饱和状态(Pb，Tb)。

液体回路—包括带有阀VL的管线—连接蒸发器和冷凝器的液相。此外，蒸气回路—包括带有阀VV的管线—连接蒸发器和冷凝器的气相。

膨胀装置EXP通过管线13向冷凝器的下部部分中排放。由此，来自膨胀装置的膨胀的且部分冷却的蒸气进入冷凝器的冷液相，在那里蒸气继续冷凝并且可以通过鼓泡器14被促进。

为提高系统的效率，如下文所示，可设置冷蒸气缓冲罐16，其通过安装有阀VB的管线连接至冷凝器的顶部部分。缓冲罐16由冷源Sb使用换热器—示为与线圈12串联的线圈18—冷却。缓冲罐16中的蒸气基本上恒定地保持在冷凝器的饱和状态(Pb，Tb)。

在图1A中，在驱动冲程开始时，所有阀刚刚被切换，即，阀VB刚刚打开，阀VV和VL刚刚关闭。冷凝器的液相处于低温Tb，而冷凝器的气相瞬时处于高温Th和高压Ph，这是在上一冲程结束时达到的状态。因此，冷凝器的液相也瞬时处于压力Ph下。

蒸发器中的液相和气相处于饱和状态(Ph，Th)，该状态在整个循环中保持相当稳定。

冷凝器和蒸发器中的液位在上一冲程时已达到平衡。

一旦阀VB打开，缓冲罐16就会迅速将其状态(Pb，Tb)施加到冷凝器的气相。缓冲罐的最佳容积取决于许多参数，包括工作流体的类型以及冷凝器和蒸发器的运行状态。可以注意到，与没有缓冲罐的替代方案相比，简单地添加非零容积的缓冲罐显著地提高了机器的效率，由此缓冲罐不需要特别大即可实现比传统ORC循环具有更好性能的机器。此外，冷凝器可设计成使其蒸气体积在该阶段趋于零。甚至可以接受在驱动冲程结束时液位上升至缓冲罐16中。

图1B显示了在驱动冲程期间达到稳定状态的机器。由于缓冲罐16，冷凝器中的压力迅速趋向于低压Pb，并在膨胀装置EXP的排放管线中产生真空。排放管线中的负压由蒸发器中在几乎恒定的状态下(Ph，Th)产生的蒸气进行补偿，其通过产生机械能Pm来激活膨胀装置。

在膨胀装置的排放区域内，压力趋向于冷凝器的压力Pb，而温度趋向于Th和Tb之间的值Tx—其取决于流速和流体，这可以启动排放管线13中的蒸气的冷凝。

如图所示，蒸气的产生降低了蒸发器中的液位，蒸气的冷凝提高了冷凝器中的液位。

此外，蒸发器中蒸气的产生通过换热器10吸收热源Sh处的热量+Q，而冷凝器中蒸气的冷凝通过换热器12在冷源Sb处产生热量-Q。

图2A和2B示意性地示出在第二再生冲程开始和期间的图1A和1B的机器。

在图2A中，在再生冲程开始时，所有阀刚刚从图1B的状态被切换，即，阀VB刚刚关闭，阀VV和VL刚刚打开。冷凝器和蒸发器中的流体分别处于饱和状态(Pb，Tb)和(Ph，Th)。

阀VV和VL打开蒸发器和冷凝器之间的蒸气回路和液体回路，这趋向于使压力和液位平衡。因此，冷凝器中多余的液体通过液体回路流向蒸发器。由于该液体是冷的(Tb)，它被蒸发器中的液体和换热器10加热，从热源Sh获得热量+Q。为了促进换热，如图所示，液体管线尽可能靠近液位连接到冷凝器并连接到蒸发器的底部。

蒸气回路连接不同的饱和状态下的两个气相。蒸发器的蒸气部分(处在压力Ph下)会膨胀到冷凝器的处在低压(Pb)下的蒸气部分。根据饱和状态下流体的莫利尔(Mollier)曲线图，发生的不是膨胀本身(压降)，而是恒压Ph下蒸气比例的增加，这是通过增加流体的焓—即通过从热源Sh获取热量+Q—来实现的。

对于冷凝器的蒸气部分而言，由于与缓冲罐16的连通被阀VB切断，因此它的比例很小，它被蒸发器的更高压力压缩，从而使其至少部分地冷凝。这种冷凝和与来自蒸发器的热蒸气的接触加热了表面的液体。表面处较热的液体不会与换热器12接触，而是通过液体回路被输送到蒸发器。

(应当指出，用于表示热量的字母Q纯粹是指示性的，并不代表数值。实际的理论值可以从流体的莫利尔曲线中找到。)

图2B示出了在再生冲程期间系统的状态。蒸发器和冷凝器中的液位和压力(Ph)已平衡。冷凝器中的气相的温度为Th，而液相的温度通过冷源Sb保持在Tb。冷凝器中的蒸气和液体部分瞬时不再处于饱和状态。事实上，冷凝器和蒸发器之间连通的蒸气部分处于蒸发器的饱和状态，这是由于热源Sh提供的热量造成的状态。

膨胀装置EXP不再受到压力差的影响，并通过惯性继续其运动。

然后根据图1A和1B开始新的驱动冲程。

应当指出，液体回路中的阀VL可以是简单的止回阀，其允许液体从冷凝器流向蒸发器。在这种情况下，只有当冷凝器和蒸发器之间的压力平衡时该阀才会打开，从而防止在压力尚未平衡时，在再生冲程开始时液体从蒸发器瞬时排放到冷凝器。这种优势可能会被止回阀比控制阀带来更高的压降这一事实所抵消。为了结合这两种可选方案的优点，阀VL可以是与压力传感器相关联的控制阀，使得其仅在检测到冷凝器和蒸发器中的压力相等时打开。

如果膨胀装置EXP被设计成接受蒸气的连续流动—如涡轮或旋转容积式电机的情况那样，则该循环的两个冲程可以具有不同的持续时间。特别地，驱动冲程可以比再生冲程长，后者被减少到通过液体和蒸气回路完成压力和液位平衡所需的时间。

冷蒸气缓冲罐16的一个作用是允许冷凝器在驱动冲程期间快速恢复到其标称饱和状态(Pb，Tb)，以便可以在膨胀装置EXP的入口和出口之间尽快建立驱动压力差。机器的效率会随着延迟而降低。

然而，该机器也可以在没有缓冲罐16的情况下运行，但由于在冷凝器中建立足够低的压力所需的时间，膨胀装置随后会以一定的延迟被启动。换热器12也可以设计成冷却冷凝器的蒸气部分，但机器的效率仍然会降低。

由于该机器具有“脉冲式”操作，即，膨胀装置以交替的方式被供能，因此可能不适合将传统涡轮用作膨胀阀。这是因为涡轮通常设计为在蒸气连续流动的情况下运行。因此，优选使用容积式马达作为膨胀装置，例如活塞马达。

图3A和3B分别显示了在驱动冲程和再生冲程期间作为膨胀装置的活塞马达30的示例性实施。马达30具有配置成在气缸34中往复运动的活塞32。气缸34在活塞头上装有两个阀，即，通向冷凝器COND的管线上的阀VE和返回蒸发器出口的管线上的阀VEb。蒸发器的出口连接到活塞背部的封闭室。活塞的往复运动可通过位于活塞后部的连杆和曲轴系统36转变为旋转。

在图3A中，在驱动冲程期间，阀VE打开，阀VEb关闭。活塞32的后部被蒸发器所产生的蒸气推动，而气缸34中的蒸气通过阀VE排放到冷凝器。

在图3B中，在再生冲程期间，阀VE关闭，阀VEb打开。连接冷凝器的管线因此关闭，但阀VEb的打开连接了活塞两侧的容积，因此活塞通过惯性自由返回到起点以用于下一个循环。

原则上，在驱动冲程开始时(在再生冲程结束时)，活塞处于其低死点，即，其中气缸34中的容积最大的位置。在驱动冲程结束时(在再生冲程开始时)，活塞到达其高死点，即，其中气缸34中的容积最小的位置。因此，阀优选与活塞的运动同步，以便在每个活塞死点处切换。

此外，由于活塞在再生冲程期间通过惯性返回到低死点，因此所述循环的两个冲程被限制为具有相同的持续时间。

在至此为止描述的机器中，在从驱动冲程到再生冲程的过渡过程中，高压室(蒸发器)和低压室(冷凝器)通过阀VV和VL突然地连接。如果压差Ph-Pb很大，则这可能会导致有害的冲击。例如，使用丙烯(R1270)作为工作流体，温度Tb＝30℃以及Th＝80℃产生饱和压力Pb＝13bar(巴)以及Ph＝37bar，即，压差为24bar。

图4A和4B示意性地示出热量转化机器的第二实施例，其设计用于限制在驱动冲程开始时和在驱动冲程期间的压力冲击。与前面的图中的机器相比，在蒸发器EVAP和冷凝器COND之间的液体回路和蒸气回路中插入了传递级TRF。该传递级的形式是包含工作流体的储罐，该工作流体同时以气相和液相存在。液相由热源Sh的旁路使用换热器—示为浸入液相的线圈40—加热。由三通阀示出的旁路被设计用于使流体达到温度T1，该温度T1介于温度Tb和Th之间。相应的饱和压力为P1。

该传递级的气相通过装有阀VV和VV2的相应管线连接到冷凝器和蒸发器的气相。该传递级的液相通过装有阀VL和VL2的相应管线连接到冷凝器和蒸发器的液相。阀VV2和VL2被以与阀VV和VL相位相反的方式控制。

在图4A中，阀VV和VL刚刚关闭，阀VB打开—如同图1A中的机器那样。此外，阀VV2和VL2刚刚打开。冷凝器和传递级中的液位已经平衡。

冷凝器的气相瞬时处于状态(P1，T1)而不是图1A中的状态(Ph，Th)。由于P1、T1的值更接近Pb、Tb，因此这些状态通过缓冲罐16快速返回至(Pb，Tb)—比图1A中的快。由于瞬态压力P1已经低于Ph，膨胀装置EXP立即启动。

传递级TRF的气相最初处于状态(P1，T1)下。传递级和蒸发器之间的阀VV2和VL2打开，因此压力和液位将在其中平衡。平衡与图2A和2B中蒸发器和冷凝器之间的平衡相似地发生，即，蒸发器将其状态(Ph，Th)施加到传递级的蒸气部分。

图4B显示了在驱动冲程期间的机器。冷凝器的液相和气相处于饱和状态(Pb，Tb)，这是启动膨胀装置的最佳状态。传递级和蒸发器中的液位和压力(Ph)是平衡的。传递级的气相的温度为Th，而液相的温度通过换热器40维持在T1。在下一个循环之前，传递级的蒸气和液体部分不再瞬时处于饱和状态。

从膨胀装置排出的蒸气在冷凝器中液化，并增加冷凝器中的液位。这种冷凝产生热量-Q至冷源Sb。

蒸发器产生的蒸气既供应膨胀装置，又压缩传递级的气相。该蒸气的产生降低了蒸发器和传递级的液位，并从热源Sh吸收热量+Q。该热量+Q中的部分也用于加热来自传递级的温度T1下的液体。传递级中的处在状态(P1，T1)下的蒸气至少部分地冷凝。

图5A和5B示意性地示出在再生冲程开始时和在再生冲程期间的图4A和4B的机器。

在图5A中，在再生冲程开始时，所有阀刚刚从图4B的状态切换，即，阀VB、VV2和VL2刚刚关闭，阀VV和VL刚刚打开。

阀VV和VL打开了传递级和冷凝器之间的液体回路和蒸气回路，这趋向于导致压力和液位的平衡，如同图2A中的冷凝器和蒸发器之间的压力和液位平衡那样。

当阀VV2和VL2关闭时，传递级TRF的蒸气部分瞬间处于不再由蒸发器维持的状态(Ph，Th)。处于高于液体的饱和压力(P1)的压力下的该蒸气通过膨胀和向饱和状态(P1，T1)降低温度而趋于平衡。

传递级TRF通过产生蒸气而将其状态(P1，T1)施加到冷凝器的蒸气部分。蒸气的产生通过换热器40吸收热量+Q。冷凝器中处于状态(Pb，Tb)的蒸气至少部分地冷凝。

即使传递级中的压力瞬时处于高压Ph，该压力也不会维持，并且几乎瞬间下降至传递级的标称压力P1，从而该系统实际上在阀VV和VL打开时经历压差P1-Pb而不是Ph-Pb。

可选择状态(P1，T1)，以使P1＝(Pb+Ph)/2，其一方面平衡在驱动冲程期间蒸发器和传递级之间的压差，另一方面平衡在再生冲程期间传递级和冷凝器之间的压差，并限制由于这些压差引起的冲击。在丙烯的示例中，(Pb，Tb)＝(13bar，30℃)且(Ph，Th)＝(37bar，80℃)，可以选择(P1，T1)＝(25bar，60℃)。

图5B示出再生冲程期间系统的状态。传递级和冷凝器中的液位和压力(P1)已平衡。冷凝器中的气相的温度为T1，而液相的温度通过冷源Sb保持在Tb。冷凝器中的蒸气部分和液体部分瞬时不再处于饱和状态，直到下一个循环。

在图4A至5B的实施例中，膨胀装置为连续流动型(涡轮或旋转容积式马达)。在驱动冲程期间，膨胀装置仍经受上述压差Ph-Pb。然而，在再生冲程期间，膨胀装置经受较低的压差Ph-P1，该压差仍将一定量的能量传递给膨胀装置。由于冷凝器中的液相保持在低的温度Tb，因此在良好的状态下仍然可以实现来自膨胀装置的蒸气的冷凝。

如图3A和3B所示，当使用活塞膨胀阀时，或者如果需要调整机器的运行状态，排放管线可安装有阀VE，该阀在再生冲程期间关闭。在这种情况下，蒸发器在再生冲程期间保持非主动。

为了使由膨胀装置接收到的流量均匀化，可以使用两个前述类型的机器，它们以相位相反的方式运行。

在图6中，没有使用两个完整的机器，而是使用共享同一个蒸发器的两个部分化机器，从而允许蒸发器在更好的状态下且更连续地运行。因此，该机器包括向膨胀装置EXP进给的单个蒸发器EVAP。膨胀装置向两个反相运行的通道中排放，所述通道分别与两个冷凝器CONDa和CONDb以及两个相应的传递级TRFa和TRFb相关联。所述两个传递级TRFa、TRFb与共用的蒸发器EVAP相连。

与这两个通道相关联的阀是以相反的相位被控制的。因此，单个蒸发器交替地供给其中一个通道(例如如图所示的TRFa)的传递级，然后是另一个通道的传递级，同时相对连续地供给膨胀装置。

每个循环的两个冲程可以具有不同的持续时间，例如，如上所述，驱动冲程比再生冲程长。在这种情况下，不将阀严格控制成相位相反，而是使每个通道的再生冲程发生在另一个通道的驱动冲程内。例如，一个通道的再生冲程可以位于另一个通道的驱动冲程中间。

图7A和7B分别示意性地示出了在循环的驱动冲程和再生冲程期间，热量转化机器的另一个实施例，该热量转化机器具有允许更连续地使用带有活塞膨胀装置的蒸发器的传递级。该实施例旨在在驱动冲程期间向膨胀装置供应蒸气，并在再生冲程期间向传递级供应蒸气。

与图4A和5A相比，该机器包括第二传递级TRF2，其与相应的阀VV3、VL3相关，且被插入在第一传递级TRF1的高压侧的阀VV2、VL2和蒸发器EVAP之间的液体和蒸气回路中。膨胀装置EXP类似于图3A和3B中的活塞马达。由于已经详细描述了这些部件的各个功能，因此将不再对它们进行描述。

各种元件的饱和状态如图7A所示。传递级TRF2的温度T2介于T1和Th之间并且通过换热器70被维持，该换热器由来自热源Sh的旁路供应。阀VV3和VL3被相对于阀VV2和VL2以相位相反的方式控制。

在示出驱动冲程的图7A中，阀VB、VV2、VL2和VE打开，而阀VV、VL、VV3、VL3和VE2关闭。蒸发器EVAP仅供应膨胀装置EXP，而传递级TRF2供应传递级TRF1。传递级TRF1和TRF2的蒸气部分被设置在状态(P2，T2)下，并使液位平衡。

在示出再生冲程的图7B中，阀反转，即，阀VB、VV2、VL2和VE关闭，而阀VV、VL、VV3、VL3和VE2打开。蒸发器EVAP仅供应传递级TRF2，而级TRF1供应冷凝器。级TRF2和蒸发器的蒸气部分被设置在状态(Ph，Th)下，并使液位平衡。同样，级TRF1和冷凝器的蒸气部分被设置在状态(P1，T1)下，并使液位平衡。

利用这种结构，在一个循环上，蒸发器交替地供应膨胀装置和传递级TRF2，从而确保一定的操作连续性。此外，这种结构还进一步降低了压力冲击的风险，因为压力P1可选择为甚至比具有单个传递级的机器更低。可以选择多个传递级的压力，例如，以便使得P1＝Pb+(Ph-Pb)/3b并且P2＝Pb+2(Ph-Pb)/3。

一般来说，通过将它们加热到Tb和Th之间的温度，可以使蒸气和液体回路中串联连接的多个传递级成倍增加，每个级与高压侧的两个阀相关联，所述两个阀相对相邻级的阀相位相反地运行。

由于所公开的热量转化机器的各种实施例涉及通过重力的液体转移，因此元件的相对高度是要考虑的参数。为了表达的清晰，假设液体在同一水平面上平衡，元件被表示在同一高度上。

实际上，在饱和状态下，液体的密度随温度的不同而不同。因此，在30℃下饱和的液态丙烯具有约490kg/m³的密度，而在80℃下它具有约375kg/m³的密度。这意味着液位在不同的高度上平衡，低密度的液位在较高的高度上平衡。因此，元件实际上不是布置在同一高度上，而是交错排列的，以使最热的元件较低。根据关系式h₁r₁＝h₂r₂大致确定液位，其中h₁和h₂是液体相对于其连通点的高度，r₁和r₂是液体的密度。因此，较热液体的液位也取决于较冷液体的入口管线高度。

图8示出了通过简单重力而不是通过平衡液位运行的机器的实施例。作为示例所示的机器基于图1和图2所示的机器，没有传递级。冷凝器COND不是布置在蒸发器EVAP的旁边，而是布置在蒸发器的上方。其他的结构元件也被保留下来，特别地，液体管线连接到冷凝器的上部部分和蒸发器的下部部分。液体管线阀被图示为止回阀。

在所示的再生冲程期间，蒸气回路中的阀VV打开，导致冷凝器和蒸发器中的压力平衡。由于驱动冲程期间所产生的蒸气的冷凝，冷凝器中的液位已达到最大液位。在压力平衡时，阀VL打开，并允许液体通过重力从冷凝器流向蒸发器。当冷凝器中的液位达到液体管线接头的高度时，液体传递结束。因此，可以通过选择液体管线接头的高度来调整再生冲程期间输送的最大液体量。

对于带有多个传递级的机器，可以在冷凝器和传递级之间、传递级和蒸发器之间以及两个传递级之间(如有必要)复制图8的结构。这里，图8的“竖直”结构甚至可以与其他实施例的“水平”结构相结合，例如，通过将冷凝器布置在传递级的上方以及将蒸发器布置在传递级的旁边。

在各种实施例的描述中，没有考虑部件的尺寸。实际上，每个部件可被设计成使其在循环中的任何点时始终包含饱和状态下的流体的两相。因此，特别地，蒸发器设计成使液体在驱动冲程结束时永远不会完全蒸发，冷凝器设计成使蒸气在驱动冲程结束时永远不会完全冷凝。这些因素还取决于部件温度和期望的流量。对于高流量而言，蒸发器将产生更多的蒸气，因此更多的液体将被蒸发，从而需要较大的尺寸。多个传递级的主要作用是将液体从冷凝器传递到蒸发器，它们产生的蒸气比蒸发器少，因此它们使用的液体更少，并且可以比蒸发器小。

在没有热源的情况下，机器冷却到环境温度，并且假设机器是密封的，则各种部件中包含的流体保持在饱和状态。因此，对于丙烯和20℃的环境温度，机器中的一般状态设定为(10bar，20℃)。

要起动机器，将阀切换到非主动的冲程位置并且加热蒸发器就足够了。当蒸发器达到足以启动的压力时，阀切换到主动的冲程位置。当膨胀装置以活塞运行时，该活塞处于用于驱动冲程的起始位置。

Claims (8)

1.一种用于将热量转化为机械能的机器，包括：

·膨胀装置(EXP)，其从流体的蒸气流产生机械能；

·蒸发器(EVAP)，其被热源(Sh)加热至高温(Th)并且被配置为向膨胀装置供应蒸气；

·冷凝器(COND)，其被冷源(Sb)冷却至低温(Tb)并且被配置为使膨胀装置排出的蒸气冷凝；

·液体回路(VL)，其使冷凝器的液相连接至蒸发器的液相；

·蒸气回路(VV)，其使蒸发器的气相连接至冷凝器的气相；以及

·阀，其配置为

-在第一主动冲程期间，关闭液体和蒸气回路(VV，VL)，并且

-在第二非主动冲程期间，打开液体和蒸气回路。

2.根据权利要求1所述的机器，还包括：

·蒸气缓冲罐(16)，其被冷源(Sb)冷却至低温并具有相应的饱和蒸气压力；以及

·阀(VB)，其被配置为在主动冲程期间使缓冲罐连接至冷凝器，并在非主动冲程期间关闭缓冲罐。

3.根据权利要求1所述的机器，其中，液体和蒸气回路被配置为分别通过蒸气回路中的压力平衡和液体回路中的重力来执行被动的传递。

4.根据权利要求3所述的机器，其中，液体回路被配置为通过液位平衡来执行传递。

5.根据权利要求1所述的机器，还包括：

·插置在液体和蒸气回路中的第一传递级(TRF)，其由热源加热至介于所述高温(Th)和所述低温(Tb)之间的第一中间温度(T1)；

·在第一传递级和冷凝器之间在液体和蒸气回路上的低压侧阀(VV，VL)，其被配置为在主动冲程期间关闭，在非主动冲程期间打开；以及

·在第一传递级和蒸发器之间在液体和蒸气回路上的高压侧阀(VV2，VL2)，其被配置为在主动冲程期间打开，在非主动冲程期间关闭。

6.根据权利要求5所述的机器，还包括：

·在蒸发器(EVAP)和第一传递级(TRF1)的高压侧阀之间插置在液体和蒸气回路中的第二传递级(TRF2)，其由热源加热至介于所述高温(Th)和所述第一中间温度(T1)之间的第二中间温度(T2)；以及

·在第二传递级和蒸发器之间在液体和蒸气回路上的高压侧阀(VV3，VL3)，其被配置为在主动冲程期间关闭，在非主动冲程期间打开。

7.根据权利要求1所述的机器，其中，膨胀装置为容积式装置，并且包括：

·气缸(34)；

·活塞(32)，其在气缸中滑动并且在气缸中限定两个可变容积，所述两个可变容积中的第一个与蒸发器相连；

·排放阀(VE)，其被配置为在主动冲程期间使所述两个可变容积中的第二个连接至冷凝器；以及

·止回阀(VEb)，其被配置为在非主动冲程期间使第二可变容积连接至蒸发器。

8.根据权利要求1所述的机器，包括膨胀装置和冷凝器之间的阀(VE)，其被配置为在主动冲程期间打开，在非主动冲程期间关闭。

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