CN1293284C - 运行一种蒸汽－热机的方法及实施此方法的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运行热机的方法，其中，作为工质的热蒸汽借助膨胀装置(1)转换成动能，此工质在蒸发罐(6)内加热到低的温度，优选在低压时的沸点，来自蒸发罐(6)的蒸汽输入压力容器(7、8)，蒸汽在那里加热到高的温度；来自蒸发罐(6)的液态工质(或冷凝水)喷入压力容器(7、8)，因此工质瞬间蒸发，使压力容器(7、8)内的压力急剧增加，以及将热蒸汽从压力容器(7、8)输入膨胀装置(1)。

Description

运行一种蒸汽-热机的方法及实施此方法的设备
技术领域
本发明涉及一种运行蒸汽-热机的方法和为此所需的设备。本发明尤其涉及一种蒸汽机，它可用废热尤其来自燃烧器或内燃机的废热工作。
背景技术
DE 19610382A1公开了一种蒸汽发动机，它的工质在废气换热器内转换成过热蒸汽。废气换热器由一台与此蒸汽发动机连接的内燃机的损耗能或废热获得其能量。为此，此废气换热器一方面流过内燃机的冷却剂，另一方面流过内燃机的废气。
因此在此设备中试图利用内燃机的损耗热，以便提高设备的总效率。对于内燃机在最佳工作状态适用下列经验式，即，以燃料的形式输入的能量有三分之一转换为机械能，剩下的三分之二中，三分之一通过冷却水排出，而另外三分之一通过热废气排出。
为了利用内燃机的废热需要高的技术性费用，其原因是基于下列事实：存在两种介质作为内燃机损耗能的载体，亦即冷却水和废气。在这两种介质内存在的能量只能不利地输入唯一的一个系统用于能量回收或能量转换，因为它们各自的热力学参数不同。例如，冷却水的温度水平约为100℃，而废气的温度水平则不同，从内燃机低负载的工作点时约为300℃到内燃机高负载的工作点时达900℃。
若例如在热力发动机的循环内将水用作介质，则在压力1bar时沸点定为100℃。但为了实现期望的压力水平100bar，要求温度为180℃。因此，内燃机的冷却水不能作为供能者，因为，为了保证通过换热器进行所要求的能量传输，冷却水的温度必须最低处于约200℃。
另一个问题在于，整个设备务必结构简单，使之重量轻，以便允许在汽车领域中使用。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种热机，尤其是作为车辆驱动机组的蒸汽-热机，它能快速和高效地将储存在介质内的具有不同热力学参数的热能转换为机械能。
为此，本发明提出一种运行一种蒸汽-热机的方法，其中在一个用作蒸发罐的第一换热器内，通过利用能量较低的外来废热，将一种液态的工质在低压下加热到一个低的温度，并接着将在蒸发罐内所形成的湿蒸汽供入一个设计成由能量较高的外来废热加热的压力容器的第二换热器，以加热到较高的温度，以及再将来自蒸发罐的沸点较低的液态工质喷入到压力容器的以此方式已加热的蒸汽环境内，通过喷入的约为沸点的工质瞬间蒸发，在压力急剧增加的情况下，产生在热机的一膨胀装置内作功的热蒸汽，热蒸汽在作功后作为冷凝水返回蒸发罐内。
相应地，本发明提供一种用于实施上述方法的设备包括一个蒸发罐、一个压力容器和一个膨胀装置，它们之间经由输送蒸汽或液态工质的导管相连接，并设置有气门，用以进行进、排气；其中，所述蒸发罐作为第一换热器，利用能量较低的外来废热将一种液态工质在低压下加热到一个低的温度，以形成湿蒸汽；所述压力容器作为第二换热器，利用能量较高的外来废热将来自蒸发罐的湿蒸汽加热到较高的温度，并使由蒸发罐喷入的液态工质瞬间蒸发而产生热蒸汽，同时压力急剧增加；在所述膨胀装置内，利用来自压力容器的热蒸汽作功；并且，所述膨胀装置与所述蒸发罐相连接，使热蒸汽在作功后作为冷凝水返回蒸发罐。
通过这样的方法：热机的工质在蒸发罐(Siedebehlter)内加热到低的温度，优选在低压时的沸点；将蒸汽从蒸发罐供入压力容器(Druckkessel)，蒸汽在那里加热到高的温度；将液态工质(或冷凝水)从蒸发罐喷入压力容器，因此工质瞬间蒸发，使压力容器内的压力急剧增加；以及将热蒸汽从压力容器输入膨胀装置(Entspannungseinrichtung)，从而可将具有两种不同热力学参数的介质的热能有效地转换到热蒸汽中，热蒸汽再在膨胀装置内高效地转换为机械能。
通过将沸腾的工质喷入例如用热废气加热的其中已存在一定量热蒸汽的压力容器内，可以自发和非常急剧地提高压力容器内的压力，这种压力增高可传入膨胀装置。
以此方式可特别有利地用内燃机的冷却水加热蒸发罐以及用内燃机的废气流加热压力容器，在这种情况下可以在热机的循环内产生高的压力水平。或者，蒸发罐用已通过膨胀装置膨胀的蒸汽加热，而压力容器借助燃烧器加热。
在一种特别有利的实施例中，来自蒸发罐的蒸汽预压缩，然后输入压力容器，其中，在液态工质喷入压力容器前，在压力容器内不仅蒸汽压力而且蒸汽温度均得到提高。以此方式在压力容器内温度增加的同时附加地提高压力水平。
按一项特别有利的设计，不仅蒸发罐通过内燃机的热冷却剂和/或通过已在膨胀装置内膨胀的蒸汽加热以及压力容器通过内燃机的废气加热，而且废气在加热压力容器后还利用来加热在较低的温度水平工作的蒸发罐。由此，来自内燃机的废热可以更充分地利用于膨胀装置。
通过将其废热被膨胀装置回收的内燃机的轴与膨胀装置的轴经由离合器和/或经由减速器连接，可使膨胀装置和内燃机在相应地适应不同转速水平的情况下以简单的方式组合在一根轴上，或在需要时互相脱开。
按一项特别有利的设计，作为膨胀装置采用活塞式机械的至少两个各配设一个压力容器的气缸，其中，活塞式机械的一个往复运动可应用于预压缩来自蒸发罐的蒸汽，以及活塞随后的一个往复运动可应用于来自压力容器的高压蒸汽的膨胀。在这里可以在一个压力容器内完成蒸汽发生过程，以及蒸汽在其中一个膨胀装置内的膨胀可以这样的方式交替地例如在两个气缸单元之间进行，即，留有足够的时间用于在各压力容器内各自的蒸汽制备。
附图说明
下面借助附图进一步说明三种优选的实施例，其中：
图1按本发明第一种实施例的热机示意图；
图2表示图1所示的第一种实施例的热机工作循环示意图；
图3a通过按图1所示的实施例的压力容器剖视图；
图3b沿图3a中剖切线A-A通过压力容器的剖视图；
图4按本发明第二种实施例的热机示意图；以及
图5按本发明第三种实施例的热机示意图。
具体实施方式
借助图1至3说明热机第一种优选的实施形式的结构和工作方式。
按图1，热机有一个包括第一气缸2和第二气缸3的膨胀装置，在气缸内各设一个倒换运动的活塞4和5(示意表示在图2中)。在气缸1和2内，在蒸汽发生装置中产生的工质(在这里优选水)的过热蒸汽膨胀，以便通过往复运动的活塞4和5在轴(图中未表示)上输出机械能。
蒸汽发生装置有一个设计成换热器的蒸发罐6，工质在蒸发罐内优选地加热到沸点，优选在1至3bar时约80至130℃，以及有设计成换热器的第一压力容器7和第二压力容器8，在其中当压力为6至18bar时产生温度优选300℃至600℃的过热蒸汽，亦即工质的蒸汽相。为第一和第二压力容器7、8各配设第一气门组9和第二气门组10。每一个气门组9、10包括第一气门9a、10a，第二气门9b、10b，第三气门9c、10c和第四气门9d、10d。
压力容器7、8用来自燃烧器11的热废气加热。燃烧器11一方面通过空气导管12和鼓风机13供环境空气或氧气，另一方面通过燃料导管14和泵15供应燃料(汽油、柴油、煤气等)。在来自燃烧器的废气将其大部分热量输入压力容器用于蒸汽发生后，废气通过压力容器7、8经导管16到蒸发罐6内，以便加热在那里处于液态和部分蒸汽状态的水，在此过程中废气的余热得到进一步利用。膨胀后的蒸汽通过阀门组17输入冷凝器18，蒸汽在那里重新液化。冷凝水借助泵19供入蒸发罐6。阀门组17可设计为使来自膨胀装置1经膨胀的蒸汽通过节流器20绕过冷凝器18直接引入蒸发罐6。阀门组17根据蒸发罐6内的温度和/或液位来控制膨胀后蒸汽的进一步导引，或引入冷凝器18或引入蒸发罐6。
来自蒸发罐6的沸腾的工质通过导管21和高压泵22以及喷嘴23喷入压力容器7、8。
第一气门组9和第二气门组10优选设计为组合在各配属的第一和第二气缸2、3的气缸盖(图中未表示)中。一个气门组9、10的四个气门9a至9d、10a至10d优选地是传统的菌形气门，如也可看到它们在四气门内燃机中使用。但作为气门9a至9d、10a至10d也可以采用任何类型的通道开闭装置，例如旋转滑阀组或纵向滑阀组。气门控制机械地例如通过凸轮轴进行，或电动地通过受控制的电磁铁进行，或气动或液压地通过相应的促动器或通过其他适用的操纵装置进行。
每一个气门组9、10的第一气门9a、10a通过导管24与蒸发罐6连接。每一个气门组9、10的第二气门9b、10b通过导管25与阀门组17亦即与冷凝器18和/或蒸发罐6连接。第一气门组9的第三气门9c通过导管26与第二压力容器8连接。第一气门组9的第四气门9d通过导管27与第一压力容器7连接。第二气门组10的第三气门10c通过导管28与第一压力容器7连接。第二气门组10的第四气门10d通过导管29与第二压力容器8连接。
下面借助图2进一步说明包括其两个气缸2、3及其分别配设的压力容器7、8的热机工作方式。
首先说明第一气缸2的工作顺序：
行程1：通过第一气缸2从上死点起向下移动的活塞4，从蒸发罐6经第一气门组9的第一气门9a吸入蒸汽。在此实施例中所使用的水蒸气典型的热力学参数为t＝100℃，p＝2bar。在这里第一气门9a在曲轴角约180°期间打开。
行程2：通过第一气缸2从下死点起向上移动的活塞4压缩水蒸汽，以及经压缩的蒸汽经第一气门组9的第四气门9d和导管27排入第一压力容器7。第一气门组9的第四气门在约180°曲轴角持续的压缩阶段期间打开。
在导管27关闭后，在第一压力容器7内喷入加热的液态工质(优选温度为t＝100℃)，工质由蒸发罐6经导管21、高压泵22和喷注阀23供入。此水可通过在压力容器7内存在的高温瞬间蒸发，由此急剧提高压力容器7内的压力，典型地达6-18bar。
行程3：第一气门组9的第三气门9c打开并将在第二压力容器8内已制备好经加热的典型地压力6-18bar的蒸汽引入第一气缸2，它的活塞4仍处于上死点，以便膨胀处于第二压力容器8内的热蒸汽。由此产生的机械功在曲轴(图中未表示)上输出。
行程4：若第一气缸2的活塞4到下死点，则第一气门组9的第四气门9b打开，以及膨胀后的蒸汽通过重新向上运动的活塞4经导管25、阀门组17、或通过冷凝器18及泵19或直接通过节流器20输入蒸发罐6。
在第二气缸3中的工作行程类似地进行，其中由第一气缸2预压缩的第一压力容器7通过第二气缸3膨胀。这两个气缸2和3在时间上按这样的方式错开工作，即，在相关的压力容器7、8内喷入沸水或工质后，最长的时间提供用于准备压力。
也就是说，当第一气缸2吸入来自蒸发罐的蒸汽和以预压缩的形式输入第二压力容器8的期间，第二气缸3膨胀来自第一压力容器7加热的蒸汽并产生机械功，或反之，从而形成蒸汽在压力容器7、8内为180°曲轴角的停留时间，这一停留时间可利用来蒸发从蒸发罐6喷入压力容器7、8内的液态工质。
按图3a和3b详细表示了压力容器7，它有一些排列成一内环31的管30和另一些围绕内环31排列成一外环33的管32。管30的内环31在一个端侧34通过溢流室35与管32的外环33连接。在压力容器7端侧34中央，设一喷入装置36用于喷入液态工质，液态工质喷入被内环31围绕的腔37内。在另一个端侧38是一个朝内环31的管30方向张开的废气进口44。在此同一个端侧38设一围绕外环33的管32端面的汇流室39，它设有废气出口40。整个装置用一耐压外套41包围，外套上设蒸汽进口42和蒸汽出口43。
热燃气通过废气进口44流入内环31的管30内，并在相对的端侧34通过溢流35溢流入外环33的管32内，穿过外环33的管32并经汇流室39和废气出口40重新从压力容器7、8排出。在蒸汽进口42优选供入经预压缩的蒸汽。通过喷嘴23喷入液态的但沸腾的工质，例如水。喷入的工质由于压力容器7、8内的高温瞬间蒸发并与预压缩的蒸汽混合。经过预先规定的、保证形成足够量具有期望温度和期望压力的蒸汽所需的持续停留时间后，蒸汽通过蒸汽出口43输入膨胀装置1。
图4表示第二种实施例，它与图1至3所示的第一种实施例的区别仅在于，取代燃烧器11设一内燃机45，它与膨胀装置1直接或经离合器(未表示)和/或减速器(未表示)连接。内燃机45的冷却水输入蒸发罐6，与此同时内燃机45的热废气输入压力容器7、8，以便将压力容器加热到期望的高温。
图5表示第三实施例，它是图1至3所示的第一种实施例与图4所示的第二种实施例的组合。换句话说，按第三种实施例的热机既有燃烧器11也有内燃机45。燃烧器11在需要时接通，具体而言在内燃机45暖机期间或当最大功率时便要求这样做。
在第二种实施例(图4)和第三种实施例(图5)中，在低负荷或此热机在汽车中应用时，可以关闭内燃机45的往复运行，在这种情况下，储存在压力容器7、8内的热能也可以应用于运行膨胀装置1。
上述实施例可进行下列变更。
不仅膨胀装置1而且内燃机45也可取代设计为活塞式机械，将它们设计为按汪克尔原理(Wankelprinzip)的旋转活塞机械或设计为涡轮机。
作为工质可以采用水或其他任何适用的工质，例如碳氢化合物，它们在标准压力为1bar时汽化温度在70°与110℃之间以及冰点低于-40℃。
在蒸汽-热机与液冷式内燃机连接时，在热量从内燃机冷却剂传入蒸发罐的情况下有利的是，将内燃机设计为具有特性曲线冷却装置(Kennfeldkühlung)。
对于作为第二换热器的处于较高温度水平的压力容器7、8，外来废热也可以或可以附加地从尤其SOFC-Typ的燃料电池获取。

Claims (14)

1.运行一种蒸汽-热机的方法，其中
-在一个用作蒸发罐(6)的第一换热器内，通过利用能量较低的外来废热，将一种液态的工质在低压下加热到一个低的温度，并接着
-将在蒸发罐(6)内所形成的湿蒸汽供入一个设计成由能量较高的外来废热加热的压力容器(7、8)的第二换热器，以加热到较高的温度，以及
-再将来自蒸发罐(6)的沸点较低的液态工质喷入到压力容器(7、8)的以此方式已加热的蒸汽环境内，
-通过喷入的约为沸点的工质瞬间蒸发，在压力急剧增加的情况下，产生在热机的一膨胀装置(1)内作功的热蒸汽，热蒸汽
-在作功后作为冷凝水返回蒸发罐(6)内。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：来自蒸发罐(6)的蒸汽预压缩，然后再输入压力容器(7、8)，其中，在液态工质喷入压力容器(7、8)前，在压力容器(7、8)内不仅蒸汽压力而且蒸汽温度均得到提高。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征为：在蒸发罐内工质的温度水平在压力为1bar至3bar时在80℃至130℃之间；来自蒸发罐(6)的蒸汽通过预压缩和进一步导入压力容器(7、8)内提高到3至9bar的压力，与此同时在压力容器(7、8)内温度上升；以及，在压力容器(7、8)内的压力通过喷入液态工质提高到6至18bar。
4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：蒸发罐(6)通过来自一内燃机(45)的热冷却剂加热；压力容器(7、8)用内燃机(45)的废气加热；以及，废气在加热压力容器(7、8)后用于加热蒸发罐(6)。
5.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：压力容器(7、8)用一燃烧器(11)的热燃气加热；以及，热燃气在加热压力容器(7、8)后用于加热蒸发罐(6)。
6.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：在膨胀装置(1)内膨胀后的蒸汽余热用于加热蒸发罐(6)。
7.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：一内燃机(45)的轴与膨胀装置(1)的一个轴直接、通过一离合器和/或通过一减速器连接。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征为：膨胀装置(1)有一活塞式机械，活塞式机械有至少一个第一气缸(2)和一个第二气缸(3)，其中，为第一气缸(2)配设一第一压力容器(7)和一包括四个气门(9a-9d)的第一气门组(9)，以及，为第二气缸(3)配设一第二压力容器(8)和一包括四个气门(10a-10d)的第二气门组(10)。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征为：在第一气缸(2)的第一行程中，蒸汽从蒸发罐(6)经一导管和第一气门组(9)的一第一气门(9a)吸入，在第二行程中，处于第一气缸(2)内的蒸汽被压缩并通过第一气门组(9)的一第四气门(9d)及一导管(27)输入第一压力容器(7)，在第一压力容器(7)内喷入来自蒸发罐(6)的液态工质后，新产生的蒸汽经一导管(28)和第二气门组(10)的一第三气门(10c)输入第二气缸(3)进行膨胀，膨胀后的蒸汽从第二气缸(3)经第二气门组(10)的一第二气门(10b)输入一冷凝器(18)，以及，冷凝水借助一泵(19)从冷凝器(18)输送给蒸发罐(6)。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征为：这两个气缸(2、3)在时间上错开工作，以使得在各压力容器(7、8)中喷入沸腾的工质后有时间在此压力容器(7、8)内建立压力。
11.实施按照前列诸权利要求1至10之一所述方法的设备，包括一个蒸发罐(6)、一个压力容器(7、8)和一个膨胀装置(1)，它们之间经由输送蒸汽或液态工质的导管相连接，并设置有气门(9、10)，用以进行进、排气；其中，所述蒸发罐作为第一换热器，利用能量较低的外来废热将一种液态工质在低压下加热到一个低的温度，以形成湿蒸汽；所述压力容器作为第二换热器，利用能量较高的外来废热将来自蒸发罐的湿蒸汽加热到较高的温度，并使由蒸发罐喷入的液态工质瞬间蒸发而产生热蒸汽，同时压力急剧增加；在所述膨胀装置内，利用来自压力容器的热蒸汽作功；并且，所述膨胀装置与所述蒸发罐相连接，使热蒸汽在作功后作为冷凝水返回蒸发罐。
12.按照权利要求11所述的设备，其特征为：压力容器(7、8)是一个换热器，在其中来自一燃烧器(11)或一内燃机(45)的废气产生用于膨胀装置(1)的蒸汽。
13.按照权利要求12所述的设备，其特征为：压力容器(7、8)和燃烧器构成一个部件。
14.按照权利要求12或13所述的设备，其特征为：膨胀装置(1)和内燃机(45)分别为活塞式机械或旋转活塞机械或涡轮机。
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