CN1179812A

CN1179812A - 按斯特林循环原理工作的热机

Info

Publication number: CN1179812A
Application number: CN 96192812
Authority: CN
Inventors: 京特·珀施尔
Original assignee: PPV Verwaltungs AG
Current assignee: PPV Verwaltungs AG
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 1998-04-22

Abstract

一种按斯特林循环原理工作的热机(10),包括循环气体回路(12)和热交换剂回路(14),在循环气体回路(12)中,第一热交换器对循环气体进行充分地加热,使之成为驱动流体去完成工作,在热交换回路(14)中,第二热交换器使完成了工作之后的循环气体冷却,其中的第一和第二热交换器为沸石式贮热器(16,18),循环气体膨胀机构(11)可交替地向两个贮热器(16,18)输送循环气体,该两个贮热器(16,18)也可以交替地向循环气体膨胀机构(11)输送循环气体,这都是在换向控制器(67)的作用下完成的。另外,在换向控制器(67)的作用下,沸石式贮热器(16,18)可与热交换剂回路(14)相连通。热机(10)在热平衡方面比传统的斯特林热机有了极大的改善,过去认为是废热的热量在热机(10)中已不再是废热。在一个沸石式贮热器的对循环气体的吸收过程中,热交换剂被加热,在另一个沸石式贮热器的对循环气体的解吸过程中,传递给热交换剂的热量再次被利用。热机(10)尤其可用于组合式热电厂中。

Description

按斯特林循环原理工作的热机

技术背景

本发明涉及一种热机，这种热机在权利要求1的前叙部分进行了说明。

现行技术

斯特林热机是熟知的，例如在一部字典和一家公司的技术说明书中都提到了这种热机，该字典为迈耶尔(Meyer)所著的《技术和自然科学字典》，在该字典的第589页上了提到了斯特林热机，该字典的全称、出版商及出版日期如下：

Meyer’s Dictionary of Technologyand the Exact Natural Sciences

Bibliographic Institute，Mannheim/Wien/Z ürich，1970所述的公司为位于辛德尔芬根的(Sindelfingen)的索罗小型动力有限公司(SOLO Kleinmotoren GmbH)，其技术说明书的题目是“斯特林热机的开发工作”。该技术说明书在一个革新市场上进行了分发，该市场举办的时间为1995年3月9日至11日，举办地点在施瓦本兰德哈尔(Schwabenlandhalle)的费尔巴赫(Fellbach-这个地方。

这个热机的结构使得这种熟知的斯特林热机要在高温和高压下驱动循环气体，在通常情况下，温度要高达1000℃，压力要高达300巴。另外，还常用氦作为循环气体。高温和高压需要复杂和庞大的结构，这种结构既要耐高温又要耐高压。氦的使用带来了很大的密封问题，这是因为氦的扩散性是极强的。必要的高温的要求需要第一热交换器，它实际上是一个加热器，该加热器使得驱动气得以被充分地加热，这使得排出的废气也有很高的温度。另外，这种熟知的斯特林热机还需要第二热交换器，它实际上是一个散热器，以使驱动气体的温度再度冷却下来。该散热器发出的热量不能再进入斯特林热机的热循环。所有这些都使这种熟知的斯特林热机的热平衡效果不佳。这种熟知的斯特林热机所需的高压不仅需要复杂和庞大的热机结构，而且使得热机的寿命也较短。

发明的概述

本发明的目的是提供一种热机，这种类型的热机在权利要求1的前叙部分进行了说明，它极大地改善了热平衡，而且其循环气体可以在较低的温度和压力下进行工作。

该目的由权利要求1所述的特征而得以实现。

在本发明的热机中，加热器和散热器都换成了沸石贮热器，原来的加热器是用于产生高温的，而原来的散热器仅仅是用来排出废热的。沸石的优点是，循环气体途径沸石时，该沸石可吸收循环气体，而本发明的热机的循环气体膨胀机构为该循环气体的散热机构。沸石使循环气体渗入至沸石的分子晶格之间，在渗入的过程中伴随着强烈的沸石的放热反应，从而，加热了途径沸石的循环气体。换句话说，即使循环气体已受到加热，在其途径沸石的过程中也象是很冷的状态一样被继续加热。另外，沸石贮热器中的压力下降很多。根据至今为止对该过程中放热反应的了解，途径沸石的循环气体在贮热器中被极大量地吸收，吸收量大约为贮热器容积的十倍。这种吸收过程在两个沸石贮热器中是交替进行的。当第二个沸石贮热器也充满了正在被沸石吸收的循环气体时，另一个事先已充满循环气体的沸石贮热器正在发生解吸作用，向热机供热，使循环气体成为驱动流体。发生的解吸作用就是为了向热机提供热量。为了达到这个目的，热交换剂回路中的热交换剂途径的贮热器中的循环气体将被排出贮热器。热交换剂在循环气体膨胀机构已经吸取了热量和/或热交换剂在另一个吸收了循环气体的贮热器中已经吸取了热量，当该热交换剂途径了一个沸石贮热器时，吸热反应继续进行，循环气体随后从沸石中被排出。在这个过程中，循环气体被充分地加热，从而可以在循环气体膨胀机构中作为驱动流体。吸热反应从热交换剂中吸取热量。因此，根据本发明，来自循环气体膨胀机构的热量完全用于使贮存的循环气体继续工作。因此，本发明的热机可以在热能平衡的情况下运行，在热能平衡方面本发明比斯特林热机有了较大的改进，在熟知的斯特林循环热机中散热过程由散热器完成。本发明的热机的两个沸石式贮热器交替地工作；当一个贮热器对循环气体加热使之成为循环气体膨胀机构的驱动流体时，另一个贮热器正在贮存循环气体并使之冷却，反之亦然。循环气体膨胀机构产生的废热由热交换剂吸收去驱动再次出自贮热器的循环气体，循环气体在贮热器的贮存循环气体的过程中已经事先吸收过热量。在这种程度上实现了热平衡的完美循环，而根据斯特林循环原理工作的热机不能达到这样的热平衡循环。

本发明的有利实施例在各条从属权利要求中都做了说明。

循环气体最好采用低沸点的气体。其优点是驱动流体在工作状态下的温度较低。根据本发明，低沸点的气体适合于在热机中使用，在至今所熟知的各种循环气体中，CO2被证明是非常适宜的。在吸收循环气体的沸石式贮热器中，CO2可产生极强烈的放热反应，从而使循环气体得到极好地冷却。总体来说，热机的冷热温度差大是有优点的。在CO2作为循环气体的情况下，这种优点特别突出。该优点就是沸石的贮存循环气体的能力有可能形成所谓的“热洞”。这种特性使得沸石可吸收比自身体积要大得多的循环气体。沸石可减弱的循环气体的布朗(Braun)分子运动(如在压缩或继续冷却过程中)，原因是循环气体与沸石的分子晶格相溶合，这使得贮热器有可能吸收比下述情况多得多的循环气体，该情况就是在没有沸石的情况下处于常压和常温状态。

在本发明的另一个实施例中，如果热机还由燃烧器提供热量，就可以很好地在组合式热电厂中采用，所述燃烧器可以是燃烧放热器和/或太阳能装置。在这种情况下，优点是还可以向热交换剂回路中的热交换剂提供热量。在这种情况下，不仅来自热机的废气可以被运用，而且来自燃烧器的废热也可以运用，或者由太阳能装置产生的热量也可以运用。附图的简要说明

下面结合附图对本发明的典型实施例进行详细说明，附图包括：

图1是根据本发明的热机的原理图；和

图2是组合式热电厂的原理图，该种热电厂装备了本发明的热机。

实现本发明的最佳方案

如图1所示，按斯特林循环原理工作的热机10具有循环气体回路12和热交换剂回路14，这两个回路均与循环气体膨胀机构11相通。循环气体回路12包括两个热交换器，即沸石贮热器16和18。热交换剂回路14包括两个平行的支管20和22，支管20和22分别穿过沸石贮热器16和18，在这些贮热器的上游和下游，支管20和22分别与公用管24和26相通。公用管24使循环气体膨胀机构11的热交换剂出口28与贮热器16和18相通，而公用管26与循环气体膨胀机构11的热交换剂入口30相通。另外，在公用管26上还设置了第三热交换器32以及泵34，泵34用于在热交换剂回路14中使热交换剂反复循环。在该实施例中，所述的热交换剂为水。电磁阀36和38可以用于截止相应管路中热交换剂的流动，所术电磁阀36和38在支管20和22中分别设置在相应的贮热器的上游，支管20和22分别从贮热器16和18中穿过。支管20的20a段从贮热器16的下部穿入该贮热器16，该20a段与贮热器16中的管状的热交换器相通，如图1所示，贮热器16的出口与支管20的20b段相通。对于贮热器18也有同样的结构。贮热器16和18的内腔17和19没有被热交换剂回路14的管状热交换器占据，所述内腔17和19中填满了沸石。

循环气体回路12使循环气体膨胀机构11的出口42与贮热器16和18的输入管44和46相通，而输入管44和46又进一步与公用输出管48相通，该输出管48又经由缓冲腔50进一步与管52相通，而管52与循环气体膨胀机构11的入口54相通。在输出管48中还没有泵56。在循环气体回路12的通向输入管44和48的管路中分别设置了电磁阀58和60。在输入管44和46至公用管48的管路中分别设置了电磁阀62和64。最后，从缓冲腔50引出的管52中还设置了电磁阀66。上述的电磁阀58至66也可以用作截止阀，它们可以使得循环气体向路12与输入管44或46先连通再断开，或先断开再连通。当缓冲腔50中产生了足够高的压力时，电磁阀66就使缓冲腔50的出口封闭。

循环气体膨胀机构11用于上述热机中，该热机可以是传统的斯特林循环热机，这在本说明书的开头所提到的现行技术中是熟知的，但本发明特别重要的不同点是，为了改善这种斯特林循环热机的热能平衡，在现行技术中常见的两种热交换器，即加热器和散热器，被改用了沸石贮热器，沸石贮热器与热交换剂回路相接触，可以最大程度地减少所有的热损失，尤其是可以做到不产生任何废热。

热机10的工作过程如下：

在通常情况下，循环气体膨胀机构11是一种周期性动作的往复式机构，其中的循环气体在极高温度和较低温度之间交替变化，以驱动循环气体流动并把热能转换为机械能，从而驱动发电机68运转，在本实施例中，循环气体尤其是CO₂，气流在两个活塞(没有示出)的作用下往返流动，图1中表示出了发电机68。在现行技术中，任何燃料都要在循环气体膨胀机构11的气缸(没有示出)之外的燃烧室内进行燃烧，而进入气缸内的循环气体中的热量是由另外的加热器产生的，而在这里所述的本发明中，进入气缸中的所需的热量是热机中的潜热，该潜热用于使热机启动。发电机68使热机启动并驱动着循环气体膨胀机构11，这里循环气体膨胀机构11作为一种热泵把CO₂输送给贮热器16或18。在一种放热反应中，CO₂被存贮在贮热器中，吸入在上述的沸石内。一旦两个贮热器都满负荷了，就可以开始所谓的斯特林循环过程了。热机的不可避免的热损失在斯特林循环过程中由来自周围环境的潜热进行补偿。例如，发电机68会带走热量，因而需要附加的热能，可通过热交换器32向热机补充热量，举例来说被补充的热量可来自周围的空气，补充的方法可以是太阳辐射、燃烧器加热等。在现行技术中，热交换剂必须被加热至高达1000℃，与此相反，这里所描述的热机在循环气体膨胀机构11的入口30和贮热器的输入管(管44或46)之间的温度差在ΔP(压差)的情况下大约为60℃，而缓冲腔50中的压力仅为10巴。这一点下文将做进一步的说明。

在循环气体膨胀机构11启动及贮热器16和18中贮满循环气体之后，就可以开始斯特林循环过程。在循环气体存放在一个贮热器的过程中，会出现压力下降的现象，这是由于部分循环气体被吸收掉的缘故，这一点在本说明书的开头部分已有所说明。由于放热反应的作用，压力能将热量瞬时地传递给热交换剂，在斯特林循环过程中热交换剂得以大幅度地加热。假设循环气体存贮在贮热器16中，那么，电磁阀36关闭，电磁阀58打开，电磁阀62关闭，电磁阀38打开。如果贮热器18的沸石瞬时地吸收了循环气体，电磁阀60就关闭而电磁阀64就打开。贮热器18的解吸过程开始之后，除了电磁阀38处于打开状态之外，在一个确定的时间以后电磁阀36也将处于打状态，从而，在贮热器16的吸收过程中被加热的热交换剂此时又途径了贮热器18，从而提供出此处的解吸过程所需的热量。如果需要的话，可以打开泵56，以对循环气体膨胀机构11提供循环气体。在所述的解吸过程中，贮热器18中的循环气体被充分地加热，从而可以作为循环气体膨胀机构11中的驱动流体。当热交换剂流经贮热器18时，循环气体的量在沸石的解吸作用下趋于排出，这样在一个预定的时间以后，热交换剂也会至少是暂时地流经另一个贮热器16，这是因为在贮热器18中还需要热量去继续解吸过程。贮热器16中的解吸过程开始时不需另外的热量供应，这是因为贮热器18中的沸石还有足够的热量储备。如果在一个预定的时间以后，该热量储备减少了，解吸过程就不能再继续下去了，电磁阀36就打开了，从而贮热器16中的被加热了的热交换剂就可以流径贮热器18。

然而，如果在贮热器16和18内的沸石中所储备的热能足够多，可维持各自的解吸过程继续进行，就没有必要从其他的贮热器中吸取热交换剂。在这种情况下，贮热器16和18以交替的方式与热交换剂回路相通，这是在换向控制器的作用下实现的。

对上述各电磁阀的控制由换向控制器67进行。这种控制也可以手工完成，即由操作员来控制。然而，换向控制器67最好是一种可自由编程的计算机控制器，它根据测得的数据对热机进行控制。在所测得的数据中尤其包括各种温度和压力，这些数据由温度传感器及压力传感器测得，这些传感器图中没有示出。控制上述各电磁阀的换向控制器在图中用虚线表示。

图2示出了在组合式热电厂中采用上述热机10的情况。在图2中，与图1中相同的部件用同样的代码表示，不需再进行说明。需要说明的仅仅是附加的部件。如图2所示，由燃烧器74和/或太阳能装置76向热机10提供附加的热量，燃烧器74燃烧燃料73，燃料73可以是油或天然气。如果要把多余的电能输入电网，发电机68可以通过电网连接装置70与公用电网N相连。燃烧器74可以是油燃烧器或天然气燃烧器。其废气的温度不应超过200℃，否则在这里所述的热机中所产生的压力就会过高，这对贮热器16和18中的沸石来说是危险的。

燃烧器74偶而可向热水回路75提供热量，该组合式热电厂可向建筑物内供热。供热回路在图中用代码15表示，其中的热量来自热交换剂回路14。循环回路12中的循环气体为CO₂。

Claims

1、一种按斯特林循环原理工作的热机(10)，包括循环气体回路(12)和热交换剂回路(14)，在循环气体回路(12)中，第一热交换器对循环气体进行充分地加热，使之成为驱动流体去完成工作，在热交换剂回路(14)中，第二热交换器使循环气体在完成了工作之后被冷却，其特征在于，所述第一和第二热交换器为沸石式贮热器(16，18)，来自循环气体膨胀机构(11)的循环气体可交替地向两个贮热器输送，这两个贮热器也可以交替地向循环气体膨胀机构(11)输送循环气体，这都是在换向控制器(67)的作用下完成的，沸石式贮热器(16，18)可以在换向控制器(67)的作用下与热交换剂回路(14)作热交换连接。

2、如权利要求1所述的热机，其特征在于，循环气体为低沸点的气体。

3、如权利要求2所述的热机，其特征在于，循环气体为CO₂。

4、如权利要求1至3中的任何一条所述的热机，其特征在于，由燃烧器(74)和/或太阳能装置(76)提供附加的热量。