实现热循环的热机以及通过该热机实现热循环的方法技术

用于实现热循环的热机(121)，其以热流体运行并且包括设有第一(4)和第二转子(5)的驱动单元(1)，每个转子具有可在环形腔室(12)中滑动的三个活塞(7a、7b、7c；9a、9b、9c)，其中活塞限定六个可变容积腔室(13'、13"、13"'；14'、14"、14"')。驱动单元包括传动装置，其配置成将具有彼此相对偏移的第一和第二转子(4、5)的各自的第一和第二周期性可变角速度(ω1，ω2)的旋转运动转换成恒定角速度的旋转运动。热机还包括：补偿箱(44)，其配置成积聚来自驱动单元的压缩热流体；再生器(42)，其配置成预热热流体；加热器(41)，其配置成使在蛇形管中循环的热流体过热；燃烧器(40)，其配置成向加热器(41)提供必要的热能；再生器(42)与驱动单元(1)流体连通，再生器(42)还被配置成从废热流体中获取热能量，用来预热将被输送到加热器(41)的热流体。本发明专利技术还涉及通过加热机实现加热循环的方法。

The heat engine to realize the heat cycle and the method to realize the heat cycle through the heat engine

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】实现热循环的热机以及通过该热机实现热循环的方法
本专利技术涉及一种“热机”，其包括设置有运动传动系统的“旋转驱动单元”及其一些特定的功能配置，并且尽管以Joule-Ericsson热循环作为其原始参考，但本专利技术对Joule-Ericsson热循环进行补充和改进，实现了创新的组合式热循环，以空气和水蒸气的混合物运行，以获得更大的单位功率、显著提高的整体效率以及活塞旋转处的气缸的高效润滑。本专利技术还涉及一种用于实现热循环的方法。特别地，本专利技术通常可以应用在通过可再生资源产生电能的领域、应用在联合产生电能和热能的领域、应用在运输领域以及应用在汽车领域。
技术介绍
在同一申请人的名下以WO2015/114602A1公开的专利申请的描述中已经提出了关于热力学循环的一些回溯性考虑，因此，在下文中仅提及与本专利技术的主题有关的最重要的部分，以及考虑新的、起源于Joule-Ericsson热循环的“脉冲热循环”为特征的热机。Ericsson发动机的历史记录1826年，Ericsson“热空气”发动机被首次设计和生产，最初没有再生器，总体效率不高。1833年，一种新的Ericsson发动机面世，该发动机配有阀门和换热器，整体效率得到了显著提高。1853年，Ericsson“热空气”发动机被制造，该发动机在船上使用，它能够产生220kW的功率，总效率为13.3％。在随后的几年中，生产了数千台Ericsson发动机，并在美国的船舶和工业实验室中使用。在1855年至1860年之间，制造了近3,000台低功率(600W)Ericsson发动机。它们在美国、德国、法国和瑞典出售和使用。这些发动机具有很高的可靠性和坚固性，以至于安装在灯塔中的一台发动机投入使用后可保持运行30多年。由于尚未完全阐明的原因，Ericsson发动机首先被常规蒸汽发动机取代，然后被尺寸更大、容积更紧凑的内燃机取代。闭环Ericsson循环的示意图图4示意性地表示了以使用闭环运行的往复运动发动机为特征的Ericsson循环，它由以下主要组件组成：E_膨胀气缸；E1-E2_膨胀气缸进排气阀；R_热交换器/换热器；K_热交换器/水槽；C_压缩气缸；C1-C2_压缩气缸进排气阀；H_“热流体”加热器。参考上述图4，Ericsson发动机的运行方式如下：_在气缸C中，由于活塞的向下运动，首先吸入通过阀C1的热流体(温度T1)，然后由于活塞的向上运动，气缸C被压缩，直到达到对应于预定比例的最大值；_然后压缩后的热流体通过阀C2并从气缸C离开(温度T2)；_然后热流体进入换热器R，在那里吸收热量并加热(达到温度T2')；_然后热流体进入加热器H，在其中接收热量并进一步加热(达到温度T3)；_然后热流体通过阀E1进入气缸E，在气缸E中通过膨胀导致活塞向下运动，从而产生有用功。_由于活塞的向上运动，已经膨胀的热流体从气缸中排出，并且(在降低的温度T4下)通过阀E2；_然后热流体经过换热器R，在该处释放热量(直到达到降低的温度T4')；_然后热流体经过水槽K，在此释放出更多的热量(直到达到温度T1)，并从那里开始一个新的循环，与先前的循环完全相同。Joule闭环循环的示意图Joule循环的特征是采用闭环运行的具有连续旋转运动的涡轮机，其结构如图5所示，它由以下主要部分组成：E_膨胀涡轮；R_热交换器/换热器；K_热交换器/水槽；C_压缩涡轮；H_“热流体”加热器。参考所述图5，Joule涡轮机以以下方式操作：_由于涡轮C的快速旋转运动，(在温度T1的)热流体被抽吸并压缩到最大预定值；_然后，压缩的热流体从涡轮C离开(温度T2)；_热流体然后进入换热器R，在那里接受热量并加热(达到温度T2')；_热流体然后进入加热器H，在那里接收热量并进一步加热(达到温度T3)；_热流体然后进入涡轮机E，在涡轮机E中，热流体通过膨胀而引起涡轮机自身的旋转运动，从而产生有用的功。_已经膨胀的热流体然后从涡轮机E中排出并处于(降低的温度T4)；_热流体然后穿过换热器R，在此释放热量(直到达到降低的温度T4')；_热流体经过水槽K，在此进一步散发热量(直到达到温度T1)，从而结束了循环。总体而言，已开发出具有多种热力学循环功能的各种热机，而其它热机仍处于实验阶段。但是，申请人发现，即使是已经工业化的解决方案也有许多限制。这尤其针对于用于驱动中小功率自动发电机(低于50KWh)的发动机。如今，在实践中，通常使用以下驱动单元来驱动发电机：_机械复杂、噪音大的往复式内燃机会造成污染并且需要大量维护；_斯特林发动机，尽管污染少，但必须以低速运行(由于使用交流再生器而受到限制)，以便具有良好的整体效率，因此非常笨重。_燃气轮机除了造成污染外，在小规模应用中也没有经济竞争力。_使用Rankine或Rankine-Hirn循环的膨胀机，由于需要使用一定尺寸的蒸汽发生器，因此仅在固定式热电联产应用中具有很强的竞争力，并且需要进一步的技术创新，以便在小型移动应用中也能获利。通常，除了污染、效率低、机械复杂性和维护成本高的问题之外，所有现有技术解决方案的特征还在于成本效益比不是特别令人满意，这极大地限制了热电联产在多用途建筑物和住宅市场中的传播。申请人还观察到，如果希望在家庭环境中将这种热机的使用扩展到车辆和微型热电联产，则紧凑性和总体效率是至关重要的。
技术实现思路
在此背景下，申请人已经设定了提出一个新的“热机”的目标，该热机能够使用热空气和水蒸气以创新的组合式热循环运行，从而可以通过在循环本身的各个阶段回收能量来开发更大的能量，且单位功率和整体效率大幅提高，同时也解决了驱动单元的活塞滑动处的气缸的润滑的大问题。特别是，与Ericsson循环和Joule循环相比，本专利技术的创新可以在热循环的三种不同的可能运行配置中得以体现。在仅在再生器的下游注水的第一种配置中，可获得以下结果：_对驱动单元的气缸润滑，减少摩擦和磨损，从而提高机械效率；_由于在气缸中膨胀的热流体的流量和分子量的增加，单位功率有所增加；_由于引入的水在吸入之前被冷凝并与空气分离，因此不会增加压缩负功；_由于每单位质量的汽化所吸收的热量非常高，因此总体效率会略有下降。在第二种配置中，该方法包括注入在再生器下游回收能量的饱和蒸汽，从而获得以下结果：_对驱动单元的气缸润滑，减少摩擦和磨损，从而提高机械效率；_由于在气缸中膨胀的热流体的流量和分子量的增加，单位功率有所增加；_由于引入的水在吸入之前被冷凝并与空气分离，因此不会增加压缩负功；_由于汽化所吸收的热量被汽化器实现的能量回收所补偿，因此总体效率得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于实现热循环的热机(121)，所述热机使用热流体操作，并且包括：/n-驱动单元(1)，驱动单元包括：/n-壳体(2)，在其中限定一个环形腔室(12)，并具有适当尺寸的入口或出口(15'、16'、15"、16"、15"'、16"')，该入口或出口(15'、16'、15"、16"、15"'、16"')与环形腔室(12)外部的导管流体连通，其中每个入口或出口(15'、16'、15"、16"、15"'、16"')与相邻的入口和出口成角度地间隔开，以限定环形腔室内工作流体的膨胀/压缩路径(12)；/n-第一转子(4)和第二转子(5)可旋转地安装在所述壳体(2)中；其中，/n两个转子(4、5)中的每一个皆具有三个可在环形腔室(12)内滑动的活塞(7a、7b、7c；9a、9b、9c)，其中一个转子(4)的活塞(7a、7b、7c)与另一个转子(5)的活塞(9a、9b、9c)呈角度地交替设置；其中，角向相邻的活塞(7a、9a；7b、9b；7c、9c)限定了六个可变容积腔室(13'、13"、13"'；/n14'、14"、14"')；/n-主轴(17)可操作地连接到所述第一和第二转子(4、5)；/n-传动装置(18)，该传动装置(18)可操作地设置在所述第一和第二转子(4、5)与主轴(17)之间，并且构造成将具有彼此相对偏移的所述第一和第二转子(4、5)各自具有的第一和第二周期性变化变化角速度(ω1、ω2)的旋转运动转换成主轴(17)的具有恒定角速度的旋转运动；其中，传动装置(18)构造成对于主轴(17)的每一次完整旋转赋予每个转子(4、5)的周期变化角速度(ω1、ω2)以六个变化周期；/n所述驱动单元是与所述热流体一起操作的旋转容积膨胀机；/n-所述驱动单元(1)的第一部分，在该部分中，随着两个活塞(9c、7c)彼此远离的运动，热流体经过入口(15"')被吸入腔室(13"')中；/n-所述驱动单元(1)的第二部分，其中，随着两个活塞(7c、9a)彼此相向运动，先前被吸入的热流体在腔室(14"')中被压缩，然后通过出口(16"')、管道(44')和止回阀(44a)被输送到补偿箱(44)中；/n-补偿箱(44)，其被构造成累积经压缩的热流体，以使其可经由特定的管道(44"、42')和止回阀(44b)以连续模式供随后使用；/n-再生器(42)，其经由特定的管道(42'-97')流体连通，并且构造成在将热流体进入加热器(41)之前对其进行预热；/n-加热器(41)，其被构造成利用由燃烧器(40)产生的热能来使在蛇形管中循环的热流体过热；/n-燃烧器(40)，其附接有燃烧室(40A)，所述燃烧器(40)被构造成以各种类型的燃料运行并且能够向加热器(41)供应必要的热能；/n-所述驱动单元(1)的第三部分，其经由特定的管道(41'、41"、41"')与所述加热器(41)流体连通，并且构造成经由入口(15'、15")接收在加热器(41)中在压力下加热至高温的热流体，以使其在分别由活塞(9a,7a-9b-7b)限定的腔室(13'、13")内膨胀，以使所述活塞旋转并产生功；/n-所述驱动单元(1)的第四部分，该第四部分通过出口(16'、16")和特定的管道(45'、45"、46)与再生器(42)流体连通，并且其中，由于两对活塞(7a、9b-7b、9c)彼此相向运动而导致两个腔室(14'、14")的体积减小，由此耗散的热流体被强制排出；/n-其中，与所述驱动单元(1)流体连通的所述再生器(42)被构造成从耗散的热流体中获取热能，并用于来预热将被发送到加热器(41)的热流体。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170703 IT 1020170000742901.一种用于实现热循环的热机(121)，所述热机使用热流体操作，并且包括：
-驱动单元(1)，驱动单元包括：
-壳体(2)，在其中限定一个环形腔室(12)，并具有适当尺寸的入口或出口(15'、16'、15"、16"、15"'、16"')，该入口或出口(15'、16'、15"、16"、15"'、16"')与环形腔室(12)外部的导管流体连通，其中每个入口或出口(15'、16'、15"、16"、15"'、16"')与相邻的入口和出口成角度地间隔开，以限定环形腔室内工作流体的膨胀/压缩路径(12)；
-第一转子(4)和第二转子(5)可旋转地安装在所述壳体(2)中；其中，
两个转子(4、5)中的每一个皆具有三个可在环形腔室(12)内滑动的活塞(7a、7b、7c；9a、9b、9c)，其中一个转子(4)的活塞(7a、7b、7c)与另一个转子(5)的活塞(9a、9b、9c)呈角度地交替设置；其中，角向相邻的活塞(7a、9a；7b、9b；7c、9c)限定了六个可变容积腔室(13'、13"、13"'；
14'、14"、14"')；
-主轴(17)可操作地连接到所述第一和第二转子(4、5)；
-传动装置(18)，该传动装置(18)可操作地设置在所述第一和第二转子(4、5)与主轴(17)之间，并且构造成将具有彼此相对偏移的所述第一和第二转子(4、5)各自具有的第一和第二周期性变化变化角速度(ω1、ω2)的旋转运动转换成主轴(17)的具有恒定角速度的旋转运动；其中，传动装置(18)构造成对于主轴(17)的每一次完整旋转赋予每个转子(4、5)的周期变化角速度(ω1、ω2)以六个变化周期；
所述驱动单元是与所述热流体一起操作的旋转容积膨胀机；
-所述驱动单元(1)的第一部分，在该部分中，随着两个活塞(9c、7c)彼此远离的运动，热流体经过入口(15"')被吸入腔室(13"')中；
-所述驱动单元(1)的第二部分，其中，随着两个活塞(7c、9a)彼此相向运动，先前被吸入的热流体在腔室(14"')中被压缩，然后通过出口(16"')、管道(44')和止回阀(44a)被输送到补偿箱(44)中；
-补偿箱(44)，其被构造成累积经压缩的热流体，以使其可经由特定的管道(44"、42')和止回阀(44b)以连续模式供随后使用；
-再生器(42)，其经由特定的管道(42'-97')流体连通，并且构造成在将热流体进入加热器(41)之前对其进行预热；
-加热器(41)，其被构造成利用由燃烧器(40)产生的热能来使在蛇形管中循环的热流体过热；
-燃烧器(40)，其附接有燃烧室(40A)，所述燃烧器(40)被构造成以各种类型的燃料运行并且能够向加热器(41)供应必要的热能；
-所述驱动单元(1)的第三部分，其经由特定的管道(41'、41"、41"')与所述加热器(41)流体连通，并且构造成经由入口(15'、15")接收在加热器(41)中在压力下加热至高温的热流体，以使其在分别由活塞(9a,7a-9b-7b)限定的腔室(13'、13")内膨胀，以使所述活塞旋转并产生功；
-所述驱动单元(1)的第四部分，该第四部分通过出口(16'、16")和特定的管道(45'、45"、46)与再生器(42)流体连通，并且其中，由于两对活塞(7a、9b-7b、9c)彼此相向运动而导致两个腔室(14'、14")的体积减小，由此耗散的热流体被强制排出；
-其中，与所述驱动单元(1)流体连通的所述再生器(42)被构造成从耗散的热流体中获取热能，并用于来预热将被发送到加热器(41)的热流体。


2.根据权利要求1所述的热机(121)，其特征在于，所述驱动单元(1)的第一部分通过管道(93)与外部环境流体连通，从而可以将周围空气吸入腔室内(13"')；其中，所述热机(121)包括与蒸馏水箱(97a)流体连接的计量泵(97b)，该计量泵(97b)被布置成使得能够通过注射器(97)将预定量的蒸馏水注入空气回路(42"')，所述预定量的冷凝水能够增加驱动单元(1)的单位功率并确保气缸的润滑。


3.根据权利要求1所述的热机(121)，其特征在于，包括：
-冷却器(43)，其可操作地设置在再生器的低温出口与加热器(41)的入口之间，
其中，从冷却器(43)中排出的温度为T1的热流体进入管道(43')，并通过冷凝槽(93)，在此热流体中的水被冷凝并与空气分离，然后热流体以温度T1'进入管道(93')中，随后通过吸入入口(15"')，并随着两个活塞(9c-7c)彼此远离的运动，热流体被吸入所述第一部分的腔室(13"')中，并且其中，在高压泵(94)的推动下，先前由冷凝槽(93)从空气中提取的冷凝水流经特定的管道(93"、94')并到达注射器(97)，该注射器(97)被布置成在空气回路(42"')中注入预定量的冷凝水，以增加驱动单元(1)的单位功率并确保气缸的润滑。


4.根据权利要求1所述的热机(121)，其特征在于，包括：
冷却器(43)，其可操作地设置在再生器的低温出口和加热器(41)的入口之间，
其中从冷却器(43)排出的温度为T1的热流体进入管道(43')，并通过冷凝槽(93)，在此热流体中的水被冷凝并与空气分离，然后热流体以温度T1'进入管道(93')中，随后通过吸入入口(15"')，并且随着两个活塞(9c-7c)彼此远离运动，热流体被吸入所述第一部分的腔室(13"')，并且其中，在高压泵(94)的推动下，先前被冷凝槽(93)从空气中提取的冷凝水流经管道(93"、94')并到达汽化器(95)，汽化器(95)被配置为加热和汽化冷凝水，然后将其发送到注射器(97)，注射器(97)被布置为在空气回路(42"')中注入预定量的汽化冷凝水，以增加驱动单元(1)的单位功率并确保气缸的润滑，
其中，所述汽化器(95)在其高温侧可操作地设置在所述高压泵(94)和所述注射器(97)之间，
并且其中所述汽化器(95)被构造为在其低温侧接收从驱动单元(1)的出口排出的耗散的热流体作为进入的流体，以便从该耗散的热流体中获取剩余的热能，并用其预热要送往加热器的热流体。


5.根据权利要求1所述的热机(121)，其特征在于，包括：
-冷却器(43)，其可操作地设置在再生器的低温出口和加热器(41)的入口之间；
其中从冷却器(43)排出的温度为T1的热流体进入管道(43')，并通过冷凝槽(93)，在此热流体中的水被冷凝并与空气分离，然后热流体以温度T1'进入管道(93')中，随后通过吸入入口(15"')，并且随着两个活塞(9c-7c)彼此远离运动，热流体被吸入所述第一部分的腔室(13"')，并且其中，在高压泵(94)的推动下，先前被冷凝槽(93)从空气中提取的冷凝水流经管道(93"、94')并到达汽化器(95)，汽化器(95)被配置为加热和汽化冷凝水，然后将其发送到吸入入口过热器(96)，过热器(96)构造成通过从燃烧器(40)下游的热的燃烧烟气中提取能量而使从汽化器(95)中排出的饱和蒸气过热，从而向其供应能量，
其中所述过热器(96)构造成将汽化和过热的冷凝水送至注射器(97)，该注射器(97)布置成使得能够在空气回路(42"')中注入预定量的所述过热和汽化的冷凝水，从而能够进一步增加驱动单元(1)的单位功率并确保气缸的润滑，
其中汽化器(95)在其高温侧可操作地设置在所述高压泵(94)和所述过热器(96)之间，
并且，其中汽化器(95)配置为在低温侧接收从驱动单元(1)出口排出的耗散的热流体作为进入的流体，以便从该耗散的热流体中获取剩余的热能，并用于预热要送往加热器的热流体。


6.根据权利要求5所述的热机(121)，其特征在于，所述热机(121)具有冷却回路，其包括：
-第一换热器(98)，其位于燃烧器(40)的上游，在此处从环境中抽取燃烧空气；
-与驱动单元(1)联接的冷却单元(即内部空间2R)；
-第二换热器(100)，沿着燃烧烟气的出口路径位于燃烧器(40)和加热器(41)的下游，并且优选地位于所述过热器(96)的下游；
-多个冷却管(2'、98'、99'、100')，其串联连接所述第一换热器(98)、所述冷却单元(2R)和所述第二换热器(100)从而形成回路，并承载一定量的冷却流体(优选为水)；
-位于所述回路中的冷却泵(99)，其可操作地作用在所述多个冷却管中的一个之上，以使所述冷却流体在冷却回路中循环；
其中：
-第一换热器(98)被配置为通过向所述燃烧空气提供热能来冷却所述冷却流体；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·奥立佛蒂，
申请(专利权)人：IVAR股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT