專利名稱：將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的方法與裝置的制作方法
將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的方法與裝置 本發(fā)明涉及將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的方法和裝置。
已知的，有多種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功、以及，如果需要，將其轉(zhuǎn)換為電能 的循環(huán)過程和裝置。這些過程為例如蒸汽動(dòng)力過程、斯特林過程等等。禾,這 種方法的一種可能性是，通謝頓廢熱增加內(nèi)燃機(jī)效率。然而這里的問題是， 因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的^4曬路通常在大約滿。C、鵬下工作，可利用的t鵬級(jí)別十分 不利。當(dāng)將來自太陽能發(fā)電設(shè)備的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相似的問題。
文獻(xiàn)WO 03 / 081011A公開了用于這種熱動(dòng)力過程的一種特殊解決方案。 在該文獻(xiàn)中描述了一種方法，其中，通過在多個(gè)氣囊式蓄能裝置中加熱工作流 體而對液壓流體加壓，所述液壓流體在工作機(jī)中做功(work off)。雖然這種方 法是按原理工作，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它的效率是中等的，而且與所能產(chǎn)生的能量相比， 設(shè)備經(jīng)費(fèi)相當(dāng)高。
一種在中等效率下通過熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生功的非連續(xù)運(yùn)行方法進(jìn)一步被美國專利 號(hào)3,803,847A公開。
本發(fā)明的目的是提供一種如上所述的即使在不利的熱狀態(tài)下也能實(shí)現(xiàn)高效 率的方法，同時(shí)設(shè)備費(fèi)用盡可能的低。
根據(jù)本發(fā)明，這種方法由以下步驟組成，其以一種循環(huán)過程運(yùn)行
-從儲(chǔ)罐向工作槽供給液態(tài)工作流體；
-通過第一熱交換器加熱工作槽內(nèi)的工作流體；
—允許一部分工作流體從工作槽溢流到氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器中，這導(dǎo)致液壓流 體從氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器中被繊妾(J工作機(jī)中，用于將艦流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械 功；
—通過使液壓流體Ht盾環(huán)回到氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器中，將工作流體從氣動(dòng)-液壓 轉(zhuǎn)化器i^A儲(chǔ)罐。
在第一步驟中，將具有適當(dāng)蒸氣壓力曲線的工作流體(例如R134a、即 U,l,2-四氟乙烷)從儲(chǔ)罐中提取。儲(chǔ)罐中的工作流體處于液相和氣相的平衡狀 態(tài)。由此，壓力選擇為保持此平衡狀態(tài)。當(dāng)l頓R134a，而環(huán)境 鵬為20°C附
5近時(shí)，第一壓力為大約6巴。工作流體被傳送到工作槽，在該工作槽中，較佳
地為第二、較高的壓力占主導(dǎo)地位。第二壓力可以是例如40巴。如果以較佳的
方式，只有液態(tài)工作流體由泵傳送到工作槽中，則該傳送所消耗的能量可以最 小化。
在第二步驟中，工作流體在工作槽中被加熱。加熱導(dǎo)致壓力進(jìn)一步增加， 且工作流體部分蒸發(fā)。較佳地通過廢熱來進(jìn)行加熱，例如來自內(nèi)燃機(jī)的廢熱。
如果工作流體被加熱至100°C，廢熱可被最優(yōu)地利用。
第三步驟中，工作流體被允許溢流至氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器。這些可發(fā)生在第二 步馬fe后，那就是說，首先熱量被完全供給，之后在工作槽和氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器 之間建立連接。然而，這些步驟可以部分或完全地同時(shí)進(jìn)行,即，流體在工作槽 內(nèi)被加熱，同時(shí)流術(shù)荒入氣沐^E轉(zhuǎn)化器。這樣，因?yàn)楣ぷ髁黧w膨脹的^4卩效 應(yīng)被即時(shí)調(diào)節(jié)，效率被優(yōu)化。此外，循環(huán)時(shí)間被縮短。在可以實(shí)施為例如氣囊 式蓄能器的氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器中，流入的工作流體取代位于液壓室內(nèi)的液壓流體， 并在適合的工作機(jī)中做功，例如在液壓馬達(dá)中，用于產(chǎn)生機(jī)械功，機(jī)械功又能 用來轉(zhuǎn)化為電能。
在第四步驟中，氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器 ;小泵再次裝滿;艦流體，工作流體被 取代并再循環(huán)iax儲(chǔ)罐。在適當(dāng)?shù)牡胤?，工作流體被弓l導(dǎo)通過第二熱交換器，
這使得可能將勢，適應(yīng)到環(huán)衞M。
第四步3粒后，循環(huán)過程繼續(xù)進(jìn)行第一步驟。
如果相應(yīng)地利用可能的相變，該系統(tǒng)的效率和性能可以被優(yōu)化。更具體地， 在第一步驟中，工作流體應(yīng)當(dāng)僅僅以液態(tài)進(jìn)入，而在第三步驟中，僅僅有氣相 被傳送至氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器。
優(yōu)選的，工作流體從氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器再循環(huán)至儲(chǔ)罐期間，工作槽和氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器之間的連接斷開。這使得溢流損失最小化。
如果在將工作流體從儲(chǔ)罐供應(yīng)至工作槽的同時(shí)冷卻工作流體，效率可以被 優(yōu)化。冷卻可通過環(huán)境熱交換器產(chǎn)生，即通過流動(dòng)冷卻器，但是，若冷量不用 作其他目的，例如空調(diào)系統(tǒng)或冷卻裝置，則也可以使用由第二熱交換器產(chǎn)生的
如果液壓流體的溫度保持為相當(dāng)于氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器中的工作流體的平均溫 度，可以實(shí)現(xiàn)特別的有益效果。這樣，可以避免不需要的溫度補(bǔ)償效應(yīng)。如上解釋，有可能將工作流體從氣動(dòng)-^E轉(zhuǎn)化器弓l導(dǎo)通過第二熱交換器。
取決于執(zhí)行方法的方式，可在第二熱交換器中產(chǎn)生由工作流體膨脹而產(chǎn)生的低溫。這對氏溫可以用于冷卻，以節(jié)省此處的能量需求。
對低溫的生i^f作的另一個(gè)艦^M^棘自氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器的工作流體膨脹到一膨脹壓力，該膨脹壓力低于儲(chǔ)罐的第一壓力，并接下來被壓縮至第一壓力。
本發(fā)明還涉及一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的裝置，所述裝置具有儲(chǔ)罐、工作槽禾鵬于將液壓功轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的工作機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明，將所述的工作槽設(shè)置成連接到用于加熱該工作流體的第一熱
交換器，戶;Mx作槽進(jìn)一錢接至愾動(dòng)-艦轉(zhuǎn)化器，氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器將工作流
體的壓力傳遞給，ffi流體，而且設(shè)置有##環(huán)管道用于將工作流體從氣動(dòng)-液壓
轉(zhuǎn)化 |盾環(huán)至儲(chǔ)罐。
在特別雌設(shè)t變型中，將多個(gè)工作槽和氣動(dòng)-ffi轉(zhuǎn)化器并聯(lián)。在實(shí)用的設(shè)備中，五個(gè)該裝置在附

圖1中被顯示為以并排的關(guān)系并聯(lián)設(shè)置，
且以時(shí)間交錯(cuò)的方式運(yùn)行，這是五缸內(nèi)燃機(jī)的中的情況。這可以實(shí)現(xiàn)無顯著周
斯性波動(dòng)的連續(xù)作業(yè)。
下面將結(jié)合附圖1的流路圖更詳細(xì)地介紹本發(fā)明的方法和裝置，附圖1示
出了本系統(tǒng)的主要部件。附圖2則示出了工作流體的典型蒸氣壓力曲線。
儲(chǔ)罐1容納工作流體，例如可以使用如R134a的制冷劑。在環(huán)境溫度和大約6巴壓力下，儲(chǔ)罐l中的工作流體處于相平衡狀態(tài)。儲(chǔ)罐1通皿給泵2連接到工作槽3 ，該連接可通過閥門4切換。工作槽3內(nèi)配置有第一熱交換器5，其用于加熱工作槽3中的工作流體。通過增壓泵6將來自此處未示出的內(nèi)燃機(jī)的廢熱供應(yīng)至U熱交換器5，例如將100。C的水弓I導(dǎo)通過第一熱交換器5。艦溢流管線7，工作槽5與氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器8的第一工作腔8a連接，氣動(dòng)-Mffi轉(zhuǎn)化器8被構(gòu)造成為氣囊式蓄能器。第一工作腔8a 113 性膜8c與第二工作腔8b分離，柔性膜8c在分隔兩個(gè)工作腔8a、 8b的同時(shí)允許兩個(gè)工作腔壓力補(bǔ)償。氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器8的第二工作腔8b與液壓回路連接，該液壓回路包括帶有用法蘭連接的發(fā)生器10的工作機(jī)9、油箱20、循環(huán)泵17和第三熱交換器11。第三熱交換器11通過泵12供給。另一條工作管線19將氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器8的第一工作腔8a連接到第二熱交換器16，第二熱交換器16通過增壓泵14與儲(chǔ)罐1 。至于其他部分，管線7、 19可以通過閥門7a、 19a有選^i也關(guān)閉。下面詳細(xì)描述本發(fā)明裝置的運(yùn)行方式。
在第一步，液態(tài)工作流體通皿給泵2從儲(chǔ)罐1流入工作槽3，同時(shí)壓力從6巴增加到40巴。
當(dāng)工作槽3被液體工作流體完全充滿之后，關(guān)閉閥門4，進(jìn)行M第一熱交換器5的加熱。加熱構(gòu)，二步驟。為此，可以使用另一個(gè)過程的廢熱。
通過將工作流體加熱至100°C，部分所述流體在工作槽3內(nèi)蒸發(fā)，這些蒸氣在第三步驟中M溢流管線7而被輸送，進(jìn)入氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器8的第一工作腔8a，此時(shí)閥門7a打開。通過第一熱交換器5的進(jìn)一步加熱，壓降得到補(bǔ)償。同時(shí)，氣動(dòng)々軀轉(zhuǎn)化器8的膜8c向第二工作腔8b移動(dòng)，此時(shí)液壓流體被MM過驅(qū)動(dòng)發(fā)生器10的工作機(jī)9。當(dāng)氣動(dòng)々ffi轉(zhuǎn)化器8的第二工作腔8b大半流空時(shí)，第三步驟結(jié)束。
在第四步驟中，液壓流體M泵17從油箱20幫盾環(huán)至氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器8的第二工作腔8b， /AM—工作腔8a弓l導(dǎo)工作流體M同時(shí)打開的管路19的閥門19a、通過第二熱交換器16，從而被膨脹。增壓泵14將工作流體再循環(huán)回到儲(chǔ)罐1。如箭頭21所指出的，工作流tt第二熱交換器16中吸收的熱量可被排出，以作為操作冷卻系統(tǒng)或空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力。通過熱交換器15的部分流可以同時(shí)用于在壓縮期間工作流體的^4卩。
附圖2說明了適用于，循環(huán)過程的一種工作流體的典型的蒸氣壓力曲線。戶;MX作流體是R134a，其為公知的制冷劑，即1,1,1,2-四氟乙烷。如可以看到的，在環(huán)境溫度和大約6巴壓力下，液相與氣相平衡。在100°C溫度下，液相與氣相平衡的壓力大約為40巴。
使用簡單的設(shè)備結(jié)構(gòu)，本發(fā)明允許實(shí)現(xiàn)對其他過程例如來自內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行的廢熱的最佳利用。
權(quán)利要求
1. 一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的方法，所述方法包括循環(huán)運(yùn)行的以下步驟從儲(chǔ)罐(1)向工作槽(3)提供液態(tài)工作流體；在工作槽(3)中通過第一熱交換器(5)加熱所述工作流體；允許一部分工作流體從工作槽(3)溢流至氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器(8)中，這導(dǎo)致液壓流體從氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器(8)被推進(jìn)到工作機(jī)(9)，用于將液壓流體的液壓功轉(zhuǎn)化為機(jī)械功；通過將液壓流體再循環(huán)至所述氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器(8)內(nèi)，使所述工作流體從所述氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器(8)返回至所述儲(chǔ)罐(1)。
2. 如權(quán)利要求i所述的方法，其特征在于戶;M工作流體從戶/M儲(chǔ)罐(i) 中的第一、較低壓力被壓縮到所m:作槽(3)內(nèi)的第二、較高壓力。
3. 如權(quán)利要求i或2任一項(xiàng)戶脫的方法，其特征在于將戶;Mi作流體以 液態(tài)從戶;M儲(chǔ)罐(i)傳送到工作槽(3 )。
4. 如權(quán)禾頓求i 一 3任一項(xiàng)戶腿的方法，其特征在于戶;f^x作流條所述工作槽(3)內(nèi)被加熱的同時(shí)部分蒸發(fā)，并以氣態(tài)從所述工作槽(3)被引 導(dǎo)SA戶誠氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器(8 )。
5. 如權(quán)利要求1一4任一項(xiàng)所述的方法，其牛寺征在于爿;f^工作流,戶， 工作槽(3)內(nèi)被等容加熱。
6. 如權(quán)利要求1 一 5任一項(xiàng)戶皿的方法，其特征在于當(dāng)所述工作流體從 戶;M氣沐液壓轉(zhuǎn)化器(8 )返回戶服《鱅(1 )時(shí)，戶脫工作槽(3 )和戶腿 氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器(8)之間的連接由閥門(7a)或類似的裝置斷開。
7. 如權(quán)禾腰求i 一 6任一項(xiàng)戶脫的方法，其特征在于當(dāng)戶;Mx作流體從所述儲(chǔ)罐(1 )被供應(yīng)到所述工作槽(3 )時(shí)，所述工作流體由熱交換器(1 5 )辨口。
8. 如權(quán)利要求i 一 7任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于戶;M液壓流體通過熱交換器保持在一 鵬下，該、鵬對應(yīng)于戶腿氣沐液壓轉(zhuǎn)化器(8)內(nèi)的戶腿 工作流體的平均^it。
9. 如權(quán)利要求1 — 8任一項(xiàng)戶，的方法，其特征在于戶jf^X作流體iA^述氣動(dòng)一軀轉(zhuǎn)化器(8 )被弓瞎M第二熱交換器(16)。
10. 如權(quán)禾腰求1一9任一項(xiàng)戶脫的方法，其特征在于來自戶腿氣動(dòng)々軀 轉(zhuǎn)化器(8)的所述工作流體膨脹至一膨脹壓力，該壓力低于所述儲(chǔ)罐(1 ) 內(nèi)的戶腿第一壓力，并隨后lffi縮到戶腿第一壓力。
11. 一種將熱能轉(zhuǎn)化機(jī)械功的裝置，所皿置具有儲(chǔ)罐(1 )、工作槽(3 ) 和用于將液壓功轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的工作機(jī)(9 )，其特征在于所述工作槽(3 )與第一熱交換器(5 )連通以加熱工作流體，工作槽(3 )皿接到氣動(dòng)一液 壓轉(zhuǎn)化器(8 )，戶，氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器(8 )將工作流體的壓力傳送給^ffi流體， 并且，設(shè)置有將所述工作流體從氣動(dòng)一液壓轉(zhuǎn)化器(8 )再循環(huán)至儲(chǔ)罐(1) 的再循環(huán)管線。
12. 如權(quán)利要求i i";m的裝置，其特征在于設(shè)置有進(jìn)給泵(2)，用于 將所述工作流體/A^M儲(chǔ)罐(i)泵入戶;M工作槽(3 )。
13. 如權(quán)禾腰求11 — 12任一項(xiàng)戶腿的裝置，其特征在于戶腿第一熱交換器(5)安M戶;M工作槽(3 )中。
14. 如權(quán)利要求11 — 13任一項(xiàng)0M的^g，其特征在于BW工作機(jī)(9 ) 被構(gòu)造成為液壓馬達(dá)。
15. 如權(quán)利要求11 — 14任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述氣動(dòng)-、TO轉(zhuǎn)化器(8 )被構(gòu)造成為氣囊式蓄能器。
16. 如權(quán)利要求l 1 一 1 5任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于第二熱交換器 (16)被插在戶皿氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)化器(8 )和所述儲(chǔ)罐(1 )之間。
17. 如權(quán)禾腰求16戶服的裝置，其特征在于戶腿第二熱交換器(1 6 )為 一冷凝器。
18. 如權(quán)利要求l 7 — 1 7任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于在戶;f^第二熱 交換器(16)的下游設(shè)置增壓泵。
19. 如權(quán)利要求11 — 18任一項(xiàng)戶腿的體，其特征在于戶;MI作槽(3) 被構(gòu)造成為蒸發(fā)器。
20. 如權(quán)利要求11一19任一項(xiàng)所述的，，其特征在于在所述液壓流體回 路中設(shè)置第三熱交換器(11)。
21. 如權(quán)禾腰求11—20任一項(xiàng)戶腿的裝置，其特征在于設(shè)置有內(nèi)燃機(jī)， 所述內(nèi)燃機(jī)具有與所述工作槽(3)連通的冷卻系統(tǒng)。
22.如權(quán)利要求11—21任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于多個(gè)工作槽(3 ) 和多^沐^E轉(zhuǎn)化器(8 )并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的方法。所述方法包括以下步驟，所述步驟以循環(huán)方式運(yùn)行將液體工作介質(zhì)從供應(yīng)容器(1)供應(yīng)到工作容器(3)中；工作容器(3)內(nèi)的工作介質(zhì)被第一熱交換器(5)加熱；一部分量的工作介質(zhì)從工作容器(3)流入氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)換器(8)，來自氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)換器(8)的液壓流體在工作機(jī)(9)中被壓縮，以將液壓流體的液壓功轉(zhuǎn)化為機(jī)械功；來自氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)換器(8)的工作介質(zhì)被輸送回供應(yīng)容器(1)，液壓介質(zhì)返回至氣動(dòng)-液壓轉(zhuǎn)換器(8)。本發(fā)明還涉及一種實(shí)施該方法的裝置。
文檔編號(hào)F02G5/02GK101484683SQ200780019288
公開日2009年7月15日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月1日
發(fā)明者B·P·普爾弗, F·P·杰格爾, M·梅耶, S·哈戈瑞伍斯 申請人:國際創(chuàng)新有限公司