包括等温膨胀的超临界循环方法及包括用于该循环方法的液压式能量提取的自由活塞热机技术

可以使热能几乎全部转化为机械能的超临界循环方法以及用于实现这一方法的往复活塞装置。气态工质的等温膨胀通过经由气缸壁和具有涡流狭槽的振荡活塞输送热量实现，振荡活塞在膨胀的工作区中线性振荡。外部热量几乎全部在低行程频率情况下于等温膨胀期间输入，而其它所有步骤(等容压力形成、等压膨胀和等压再液化)几乎完全借助内部回热器实现。工作活塞被设计为低温端具有密封圈的空心自由活塞，并像振荡活塞驱动机构一样，跟随控制活塞的行程路线，控制活塞由外部的主驱动装置驱动。所有外部活塞驱动机构以基本与力无关的方式借助液压压力平衡工作，上述方法的实现仅需提供很少机械能。因为采用了伸展式设计结构，相关装置在液压压力室和/或冷极方向上具有高热阻，并且该方法需要较少的外部冷却。

A supercritical cycle method including isothermal expansion and a free piston heat engine including hydraulic energy extraction for this cycle method

A super critical cycle method that can almost completely convert heat to mechanical energy and a reciprocating piston device used to achieve this method. Isothermal gaseous refrigerant expansion through the cylinder wall and piston oscillation with vortex slot heat transport, linear oscillating piston in the expansion work area oscillation. Almost all of the external heat input during isothermal expansion at low travel frequency, while all other steps (equal volume pressure formation, isobaric expansion and isobaric reliquefaction) are almost entirely realized by internal regenerator. The working piston is designed as a hollow free piston with a sealing ring at the cryogenic end, and controls the piston's travel path like the oscillating piston drive mechanism, and controls the piston to be driven by the external main drive device. All external piston actuation mechanisms are balanced by hydraulic pressure in a basic force independent manner. The implementation of the above method requires only a few mechanical energy. Because the extensional design structure is adopted, the related device has high thermal resistance in the hydraulic pressure chamber and / or cold pole direction, and the method needs less external cooling.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括等温膨胀的超临界循环方法及包括用于该循环方法的液压式能量提取的自由活塞热机
本专利技术涉及一种用于具有外部输入热量的热机的循环方法，以及一种根据本专利技术所述循环方法工作的、具有外部输入热量的热机。具体地，本专利技术涉及超临界循环方法以及在有或没有相变情况下实现等温膨胀的热机。
技术介绍
目前在低功率范围(不超过150kW)内使用的热机，主要利用无相变的高温气体方法，热量通过内部或外部提供，其中最高工作压力通常低于150巴。作为含相变高压法的克劳修斯-朗肯方法，目前仅用于高功率范围内的大型多级水蒸汽涡轮机或ORC-蒸汽涡轮机。目前常用的所有系统都根据理想气体或蒸发-循环方法进行了优化，其中包括等温部分的卡诺循环方法被视为不能达到的极限。但是这些系统具有以下特性，这些特性从总体上降低了有用功和使用寿命。由此产生的效率大概可以接受。内部燃烧式高温气体方法：高转速时热量输入极好，压缩功大，无热回收能力，冷却损失大，压差和温度差大，磨损和腐蚀十分严重(比如内燃机)。外部燃烧式高温气体方法：热量输入差，所以在高转速时(300至3500转/分钟)加热器温度高，压缩功很小或无压缩功，热回收能力强，冷却损失小，压力和温度差中等，磨损和腐蚀轻，存在工质密封问题(比如斯特林发动机，燃气涡轮机)。克劳修斯-朗肯方法(水蒸汽涡轮机或ORC-蒸汽涡轮机)：热量输入良好，液相中无压缩功，热回收能力极差，仅在过热时(节能器)可回收热量，在温度水平很低时冷却损失大，压差和温度差大，尽可能高的转速(所以具有多级结构的涡轮机成本非常高)，磨损和腐蚀十分严重(蒸汽涡轮机，蒸汽发动机)。今天所有的现代系统均致力于工作温度、工作压力和转速的最大化，以便在“传统意义上”提高效率和降低质量/单位功率重量。例外情况仅存在于其它的极低功率范围(比如太阳能的利用)。等温膨胀或等温压缩虽然可以实现尽可能高的效率，但因力求缩短循环时间而与目前的系统存在冲突。相对于传统循环方法及其执行方式的以下改善措施，已经在相关文件中提出或已经实现。专利US3237403A描述了一种包括相变的超临界循环方法。其中建议将CO2用于等熵膨胀式涡轮机并借助逆流热交换器进行废热回收。通过等熵膨胀后工质的内部冷却，只有一部分输入的热能得到回收。工质回输和压力形成是通过冷凝器和锅炉给水泵时的能量损耗实现的。总体来说，上述方案在膨胀率和能效方面仅略有改善。专利DE102006028561B3建议：为了接近等温式热量输入，将一种高温液体喷入工作气体中然后再用泵抽掉。相关发动机是一种大体积斯特林-低速发动机，具有振荡式液压能量输出系统。在专利DE102008042828B4中，液体活塞被用于传统的斯特林-循环方法。通过交替浸入结构化的热交换器中，在压缩和膨胀时以及在微小死区的等温热传递得到了改善。热量回收在气体范围通过逆流热交换器完成。但是流体密封和能量转换需要能够耐受极高气体温度的流体以及相应的流体阀门。专利申请文件DE102009057210A1描述了一种传统结构形式的多缸斯特林发动机，其中利用包括准等熵膨胀的超临界相变提高效率。等温热量输入问题、气体死区大的问题以及工作区对外密封问题在这里仍然没有得到解决。专利申请文件DE3427219A1涉及一种蒸汽机-超临界循环方法，其中一种作为工作材料的、在超临界温度范围和压力范围直接从液相获取的、在恒定超临界压力进一步加热的高温或低温气体被输送至燃气轮机，这些气体在接近工作材料临界点之前在燃气轮机中以绝热或者多变形式膨胀，气体借助热泵和/或膨胀室冷却至完全液化。专利申请文件US2013/0152576A1涉及一种通过闭式循环利用废热的系统，它包括：一个从外部热源将热量输送至工质的热交换器；一个与热交换器出口端流体连通的膨胀机，用于工质的膨胀和机械能的产生；一个与膨胀机出口端流体连通的回热器，用于从工质中转移热量；一个与回热器出口端流体连通的冷凝装置，用于工质的冷凝；一个与冷凝装置出口端流体连通的泵，用于将冷凝后工质回输至回热器，其中回热器与热交换器流体连通，从而使工质沿着封闭路径循环。专利申请文件US2011/0271676A1涉及一种方法，采用这种方法时工作流体直接喷入气缸内，并从流体超临界状态分两级等熵膨胀至湿蒸汽状态。然后在一个热交换器中借助于已经重组压缩的工作流体进行冷凝。专利US8783034B2涉及一种用于炎热季节的热力学循环方法，其中一个泵使工质穿过热交换器，工质在这里被加热并通过一个涡轮机卸压。然后工质被冷却至环境温度并通过一个具有中间冷却装置的多级压缩机液化。专利US8006496B2涉及一种工作流体在闭式循环回路中流动的发动机，它具有至少一个泵，用于在流体中的压力形成以及回热式吸热期间的其它压力形成方法，此外该发动机还包括一个加热装置，以便将流体加热至临界温度之上直至最大工作温度。出口端设置了一个用于机械能转换的膨胀机构，它具有通向回热式热交换器的回流通路。专利US4077214A涉及一种将可冷凝湿蒸汽作为工质的热机，由气缸和活塞组成。在上部死区，热量输入根据规定的、尽可能小的死区容积进行匹配调整。
技术实现思路
目的本专利技术的目的是通过循环方法提高热力学效率、避免本文一开始所述方法的主要缺点并充分利用其某些优点。此外还要实现提高使用寿命、降低生产成本和保证热源方面柔性的目标。高压缩比斯特林发动机的主要问题也是工质的对外密封和后续的能量输出。主要用途：与以往中央热电站不同的分散式发电设施或者中央热电站的废气二次发电设施、以及生物质利用和地热利用领域。解决方案根据本专利技术，以上目的通过根据权利要求的方法和装置完成。本专利技术提出了一种包括相变的超临界循环方法，它用于从外部向工作区提供热量的热机，其中借助于将热量从外部输入到工作区，工质于工作区中以预定的最高工作温度进行等温超临界膨胀，然后在预定的最低工作压力下等压超临界液化至预定的最低工作温度，其中预定的最低工作温度低于该工质的临界温度，在该过程中释放出的热能被临时存储在临时蓄热装置中，通过来自临时蓄热装置的热量输入，在液相中实现等容压力形成过程，借助于临时蓄热装置的热量输入，工质在预定的最高工作压力和预定的最高工作温度下继续等压超临界膨胀，其中，所述循环方法始终在工质的湿蒸汽曲线的临界压力之上运行。较为有利的做法是：外部热量输入在等温膨胀期间进行，除等温膨胀之外的所有方法步骤均通过借助临时蓄热装置实现的热能回收来完成。更为有利的方案是：预定的最高工作温度和预定的最低工作温度之间的差值大于150开尔文、尤其是大于数百开尔文，最低工作压力至少高于工质的临界压力，最高工作压力和最低工作压力之差大于50巴，尤其是大于数百巴，其中膨胀率比液化后工作体积大七倍。一个更加有利的设计：通过在工作区外部吸热并借助通向热极的热桥来保持一个冷极。此外本专利技术还包括一种热机，它通过外部热量输入及解除液压能来执行热力学循环方法，并通过等温膨胀、等容压力形成、等压工作体积膨胀和工作体积收缩来实现符合本专利技术的循环方法。该热机包括：至少一个工作缸和一个收缩缸，其中工作缸中设置有一个可往复运动的工作活塞，并限定了一个工质可在其中周期性收缩和膨胀的工作区，收缩缸中设置有一个可往复运动的控制活塞以及一个临时蓄热装置，临本文档来自技高网...

【技术保护点】
包括相变的超临界循环方法，其用于将热量从外部输入到工作区的热机，其中，借助于将热量从外部输入到工作区，工质于工作区中以预定的最高工作温度(To)进行等温超临界膨胀(1‑2)，然后在预定的最低工作压力(pu)下等压、超临界液化至预定的最低工作温度(Tu)，其中预定的最低工作温度(Tu)低于该工质的临界温度，在该过程中释放出的热能被临时存储在临时蓄热装置(7,1.c)中(2‑3)，通过来自临时蓄热装置(7,1.c)的热量输入，在液相中实现等容压力形成过程(3‑4)，借助于临时蓄热装置的热量输入，工质在预定的最高工作压力(po)和预定的最高工作温度(To)下继续等压超临界膨胀(4‑1)，其中，所述循环方法始终在工质的湿蒸汽曲线的临界压力之上运行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.17 DE 102015105878.21.包括相变的超临界循环方法，其用于将热量从外部输入到工作区的热机，其中，借助于将热量从外部输入到工作区，工质于工作区中以预定的最高工作温度(To)进行等温超临界膨胀(1-2)，然后在预定的最低工作压力(pu)下等压、超临界液化至预定的最低工作温度(Tu)，其中预定的最低工作温度(Tu)低于该工质的临界温度，在该过程中释放出的热能被临时存储在临时蓄热装置(7,1.c)中(2-3)，通过来自临时蓄热装置(7,1.c)的热量输入，在液相中实现等容压力形成过程(3-4)，借助于临时蓄热装置的热量输入，工质在预定的最高工作压力(po)和预定的最高工作温度(To)下继续等压超临界膨胀(4-1)，其中，所述循环方法始终在工质的湿蒸汽曲线的临界压力之上运行。2.根据权利要求1所述的循环方法，其中，外部热量输入在等温膨胀(1-2)期间进行，除等温膨胀(1-2)之外的所有方法步骤均通过借助临时蓄热装置(7)实现的热能回收来完成。3.根据权利要求1或2所述的循环方法，其中，预定的最高工作温度(To)和预定的最低工作温度(Tu)之间的差值大于150开尔文、尤其是大于数百开尔文，并且其中最低工作压力高于工质的临界压力，最高工作压力(po)和最低工作压力(pu)之差大于50巴，尤其是大于数百巴，并且其中膨胀率比液化后的工作体积大七倍。4.根据上述权利要求之一所述的循环方法，其中，通过在工作区外部吸热并借助通向热极的热桥来保持冷极。5.热机，它通过外部热量输入及解除液压能来执行热力学循环方法，并通过等温膨胀、等容压力形成、等压工作体积膨胀和工作体积收缩来实现根据上述权利要求之一所述的循环方法，所述热机包括：至少一个工作缸(4)和一个收缩缸(2)，其中工作缸(4)中设置有一个可往复运动的工作活塞(3)，并限定了一个工质可在其中周期性收缩和膨胀的工作区(AR)，收缩缸(2)中设置有一个可往复运动的控制活塞(1)以及一个临时蓄热装置(7,1.c)，临时蓄热装置(7,1.c)在工作体积收缩期间储存热能，并为接下来的等容压力形成和后续等压膨胀提供所储存的热能，工作缸(4)上安装有一个用于从外部向工作区供应热量的加热装置，工质可借助该加热装置在工作缸(4)中进行等温加热，工作缸(4)中还设置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：扬·奇琼卡，
申请(专利权)人：奈克瑟斯有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE