CN1768199A - 将热能转化为机械能的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过改变工作介质的容积、压力和温度而将热能转化为机械能的方法，其中在第一级(1)容积增大时将工作介质吸入第一级(1)，然后，在第一级(1)容积缩小时随着第二级(2)的容积增大工作介质转移到第二级，然后，在第二级(2)容积缩小时工作介质经过第三级(3)并且同时被加热，而且随着第四级(4)的容积增大而转移到第四级(4)，然后，在第四级(4)容积缩小时工作介质转移到第五级(5)，在第五级(5)中，工作介质随着该级的容积增大而膨胀。本发明的方法公开了一种包括五冲程的热动力循环过程。本发明还涉及一种实施该方法的装置。

Description

将热能转化为机械能的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种通过多级地改变工作介质，尤其是气体的容积、压力和温度，将热能转化为机械能的方法，以及实施该方法的装置。

背景技术

有多种公知的将热能转化为机械能的方法，其中工作介质的压力和温度在容积变化的工作腔室中发生变化。容积缩小时压力和温度提高，不仅在被引领的容积变化之后是这样，在容积缩小的最后阶段和容积重新增大的最初阶段尤其是这样，这是由于从外部，或者通过工作腔室内部的介质提供热生成(例如通过燃烧)而补充提供了热能。在容积重新增大时，容积缩小时在封闭的工作腔室中形成的压力扣除损失后，提供用于接下来容积缩小所需的功，而因补充提供热能所产生的并扣除损失后的压力提供了所产生的机械功。在一个常闭的工作腔室中，随着热能的补充提供，在容积增大的终点和接下来的容积缩小的起点，温度应该总是高于先前的容积增大过程的起点的温度。因此，在从外部提供热量的情况下，如果介质的温度达到从外部送入热量时的温度，并且温差为零，则在不计入损失的情况下，输入的热量也为零。通过介质的反映来在封闭的工作腔室中供热也会由于氧量的原因而停止。因此，工作腔室必须在一定的时间间隔内开启，以排出用过的介质，送入新鲜的介质，不仅在容积缩小过程开始时或者此前开启，在容积增大过程终了时或其后也开启。在容积缩小和容积增大过程中通过压力和温度的变化做功发生在两个冲程中。如果除了这两个冲程之外再附加两个冲程，即，用于引入所用介质的容积增大和用于排出所用介质的容积缩小，则涉及到将热能向机械能转换的四冲程过程。如果介质的引入和排出发生在一个冲程的开始或第二冲程的终点，则称之为两冲程过程。按照现有技术，所有的过程发生在一个工作腔室中，在某些情况下，该腔室分为两部分。

发明内容

按照本发明通过改变工作介质的容积、压力和温度而将热能转化为机械能的方法，工作介质在第一级的容积增大的条件下将工作介质吸入第一级，然后，随着第一级的容积缩小，在第二级容积增大的情况下工作介质转移到第二级中，接着，随着第二级的容积缩小，工作介质在被加热的条件下穿过第三级，并且在第四级容积增大的情况下进入第四级，然后又在第四级容积缩小的情况下工作介质从第四级进入第五级，在第五级中，在第五级容积增大的情况下工作介质膨胀。更优选的是，工作介质在第二级容积缩小的情况下经第三级并在同时加热的情况下直接转移到第五级。更优选的是，在从第一级向第二级转移时对工作介质进行冷却。更优选的是，在第五级容积缩小、对第一级进行冷却并且在第一级容积增大的情况下工作介质从第五级转移到第一级。更优选的是，工作介质在第五级容积缩小的情况下从第五级转移到第三级，用于加热过程。更优选的是，工作介质在第五级容积缩小和/或同时冷却以及第二级容积增大的情况下从第五级直接转移到第二级。在这种以多级方式通过改变容积、压力和温度而将热能转化为机械能的装置中，按照本发明，第三级构成一容积不变的工作腔室，而其它级则构成容积可变的工作腔室，尤其是构成旋转活塞装置，并且按照工作介质的流程逐个地设置，一部分位于第三级之前，一部分位于第三级之后。更优选的是，第一级的最大容积大于第二级的最大容积，第五级的最大容积大于第四级的最大容积，第五级的最大容积大于第一级的最大容积或者等于第一级的最大容积。更优选的是，将第五级与第一级合并。更优选的是，第三级为燃烧室和/或热交换室。更优选的是，第五级配有吸气阀。更优选的是，在第一级与第二级之间以及第五级与第一级之间设置冷却器，在合并级与第二级之间设置冷却器。

附图说明

图1示出了本发明的基本实施例。

图2示出了对图1所示的基本实施例的改进，在第一级与第二级之间以及第五级与第一级之间设置了冷却器。

图3示出了第一级与第五级合并而且在第五级与第二级之间设置冷却器的实施例。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明。按照图1，在第一级1容积增大的情况下，工作介质引入第一级1，然后，在第一级容积缩小时通过第二级容积增大转移到第二级2中。当第二级2的容积缩小时，工作介质转移到第三级3。在经过第三级3时，通过工作介质中燃料的燃烧从内部对工作介质供热，或者通过诸如外燃烧过程等对工作介质供热。从第三级3出来后，工作介质进入第四级4，其容积同时增大，当第四级容积缩小时，工作介质从第四级4转移到第五级5。工作介质在第五级5中膨胀，同时伴随着第五级的容积增大。膨胀之后，在第五级容积缩小时，工作介质或者被引向外部，或者返回到第一级。如果使用气体作为工作介质，并以外燃的形式为第三级供热，则利用外燃过程中膨胀的热空气是有利的。按照本发明的方法表现出五冲程的热动力学循环过程。在某些情况下有利的是，去除第四级，将介质直接引入第五级，使其在那里膨胀。从图2可以清楚地看出，最好在工作介质从第一级1向第二级2转移时，在级间设置的冷却器6内被冷却。在一个封闭的循环过程中，工作介质从第五级5返回到第一级1中，有利的是，在第五级与第一级之间再设置冷却器7。在某些情况下有利的是，按照本发明的另一实施例，将第五级与第一级合并成一个共同级51，工作介质在该合并的级51容积增大时膨胀后，在该合并级的容积重新缩小并且第二级的容积增大的同时进入第二级，必要时也由一个级间设置的冷却器76冷却。在这种情况下，一个五冲程的热动力学循环改进为一个三冲程循环。

实施本发明的将热能转化为机械能的方法的装置是这样构成的，第三级3至少构成一个容积不可变的工作腔室，而其它级1、2、4、5、51构成容积可变的工作腔室。有利的是，除了第三级以外，所有级都是旋转活塞机，在旋转活塞旋转时，通过其侧棱连成的表面使由该表面和活塞在其内旋转的汽缸的相对内壁限定的空间周期性地增大和减小。第一级1的最大容积大于第二级2的最大容积，第五级5的最大容积大于第四级4的最大容积，第五级5的最大容积大于第一级1的最大容积或者等于第一级1的最大容积。合并级51的最大容积大于第四级4的最大容积并且大于第二级2的最大容积。第三级3用作燃烧室和/或热交换器。工作介质首先进入(例如通过抽吸)第一级1的增大着的容积中。在达到最大之后，该级的容积开始减小，工作介质被挤到增大着的第二级2的容积中。因为第二级2的最大容积比第一级1的最大容积小许多，所以，工作介质的状态有了如下的转化，从第一级1转移到第二级2中之后其压力增大了，温度提高了。如果不希望出现太高的温度，可在两级之间设置一个冷却器6，如图2所示。当第二级2的容积重新缩小时，该级中的工作介质经第三级3进入第四级4，后者的容积正在增大。在第三级中通过外部的加热过程或者通过内部燃烧(第三级类似于透平机的燃烧室)对工作介质加热，，这样的话，此级用作一个热交换器，，但压力却要高得多。由于第四级4的最大容积通常等于第二级2的最大容积，所以，经过第三级3加热后，工作介质在第四级4的最终状态是压力和温度都高于在第二级中时的最初状态。然后，工作介质膨胀，从容积缩小着的第四级4中进入容积增大着的第五级5，这样就完成了一次做功。当然还可以这样来改进本发明的装置，使第四级4的最大容积大于第二级2的最大容积，在两级之间达到一种局部的等压直到等温的膨胀，于是，按照本发明的方法类似于卡诺(Carnotshen)循环。在极端的情况下，可以将第四级完全去除，工作介质可以从第二级2经第三级3中加热后直接进入第五级5膨胀。第三级的容积不为零，所以，如果没有热量输入，在开始经第三级提供工作介质以进行一次局部膨胀时，在第四级，压力和温度都低于在第二级中的压力和温度。由于压力较小，第四级从第三级获得的工作介质按重量计算的量会成比例地少于从第二级到第三级转移的量。其余的量用来构成或者说提高第三级中的残余压力。根据第三级的大小，同样在不提供热的情况下，第三级中的压力迅速提高，使得在工作介质从第二级转移到第四级(经过第三级)时没有再发生膨胀，而且在压力(以工作介质从第一级进入第二级时的压缩为条件)作用下可以输送热。在此，第三级选定尺寸时不仅要考虑作为具有较小外表面(防止热损失)的燃烧室，而且要考虑作为具有较大面积的热交换器(以便将尽可能多的热量传递)。为了在第三级尽可能多地传递热量，并将在循环的压缩相所消耗的功尽可能减少，如果可能，必须把从第一相到第二相转移时的温度降下来。按照本发明，这样来实现这一目的，在第一级1与第二级2之间设置冷却器6。在工作介质从第五级5返回第一级1的封闭循环中，在该两级之间再设置冷却器7是有利的。按照本发明的装置选择膨胀比的大小时可以不考虑压缩比。因此，可以将经过压缩和加热的工作介质膨胀到周围环境的压力，所以循环效率很高。在规定了膨胀率的情况下，膨胀终结时的压力对应于起始时的压力，因此，当热量提供得较小时，膨胀终结时的压力下降到低于周围的压力。如果不希望出现这样的压力降，可以采用本发明的再一特征，即，在膨胀终结时，用抽吸阀8抽吸工作介质。因此，按照本发明的方法和装置所实现的做功过程是一个五冲程循环过程。如果在第五级5中的膨胀率(即，第五级与第四级之间的最大容积的比)一定，在譬如能够长终结时，不仅压力下降，而且温度也下降一个值，该值几乎许多等于周围的值。按照本发明的另外特征，在封闭循环并且在第三级3中对工作介质外加热的情况下，第五级与第一级可以合并，当工作介质在合并级51中膨胀之后经级间设置的冷却器76引入第二级，并同时受到压缩。在这种情况下，同样有利的是，在合并级51中设置抽吸阀8。在本发明的框架内，也可以在一些情况下将五冲程循环过程改进为三冲程循环过程。

本发明不仅如这些实施例所展示的，而且包括了权利要求书中所得出的全部实施例，与现有技术中热机(尤其是四冲程循环过程)相比的优点在于，比涡轮发动机的工作压力和工作温度高，与迄今公知的活塞式发电机相比，对压缩后的工作介质加热的时间长，在膨胀终结时压力和温度较低。这些结果的前提都是，循环功率高、噪音小、在内燃或外燃加热工作介质时碳和氮氧化合物排放量小。本发明还可以用于将太阳能转化为机械能。

Claims (12)

1.一种通过改变工作介质，特别是气体的容积、压力和温度而多级地将热能转化为机械能的方法，其特征在于：在第一级容积增大时将工作介质吸入第一级，然后在第一级容积缩小、第二级容积增大时将工作介质转移到第二级，然后，在第二级容积缩小时，使工作介质经过第三级并同时对其加热，并且在第四级容积增大时工作介质转移到第四级，然后，在第四级容积缩小和第五级容积增大时工作介质转移到第五级，在第五级中在第五级容积增大时工作介质膨胀。

2.如权利要求1所述的多级地将热能转化为机械能的方法，其特征在于：所述工作介质在第二级容积缩小时经过第三级并同时被加热后直接转移到第五级。

3.如权利要求1或2所述的多级地将热能转化为机械能的方法，其特征在于：在从第一级转移到第二级时对工作介质进行冷却。

4.如权利要求1至3中任一项所述的多级地将热能转化为机械能的方法，其特征在于：在第五级容积缩小并同时冷却、而且第一级容积增大时将工作介质从第五级转移到第一级。

5.如权利要求1至3中任一项所述的多级地将热能转化为机械能的方法，其特征在于：在第五级容积缩小时，工作介质从第五级转移到第三级，用于加热过程。

6.如权利要求1所述的多级地将热能转化为机械能的方法，其特征在于：工作介质在第五级容积缩小和/或同时冷却的情况下从第五级直接转移到容积增大着的第二级中。

7.如权利要求1至6中任一项所述的通过改变工作介质的容积、压力、温度而将热能转化为机械能的装置，其特征在于：第三级(3)为至少一个容积不变的工作腔室，而其它级为容积可变的上作腔室，特别是旋转活塞装置，并且根据工作介质的流程，一部分设置在第三级(3)之前，一部分设置在该第三级(3)之后。

8.如权利要求7所述的多级地将热能转化为机械能的装置，其特征在于：第一级(1)的最大容积大于第二级(2)的最大容积，第五级(5)的最大容积大于第四级(4)的最大容积，第五级(5)的最大容积大于第一级(1)的最大容积或者等于第一级(1)的最大容积。

9.如权利要求7或8所述的将热能转化为机械能的装置，其特征在于：第五级(5)与第一级(1)合并。

10.如权利要求7至9中任一项所述的将热能转化为机械能的装置，其特征在于：第三级(3)为燃烧室和/或热交换室。

11.如权利要求至10中任一项所述的将热能转化为机械能的装置，其特征在于：第五级(5)配有抽吸阀(8)。

12.如权利要求7至11中任一项所述的将热能转化为机械能的装置，其特征在于：在第一级(1)与第二级(2)之间以及第五级(5)与第一级(1)之间设置冷却器(6、7)，在合并级(51)与第二级(2)之间设置冷却器(76)。

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