用于將熱量轉(zhuǎn)換成有用功的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)和熱力循環(huán)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)方案I的前序部分的特征的用于將熱量轉(zhuǎn)換為有用功的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)和熱力循環(huán)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱力發(fā)動(dòng)機(jī)典型地用于將熱量轉(zhuǎn)換為能夠使用的有用功，例如，以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(generator)或車(chē)輛。燃料在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)側(cè)或外側(cè)燃燒并且由此將所釋放的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功。
[0003]內(nèi)燃機(jī)代表一類(lèi)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)?？諝夂腿剂系幕旌衔锢绱嬖谟诓裼蜋C(jī)的氣缸內(nèi)，使得通過(guò)活塞大力壓縮該混合物而使其自然。由此釋放的能量使氣體膨脹并且由此使力作用于活塞，接著能夠?qū)嵤C(jī)械功。在完成氣體膨脹之后，氣體作為廢氣被排出到環(huán)境中，該氣體中所包含的余熱不再被使用。
[0004]熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的其他代表是熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，諸如斯特林馬達(dá)(Stirling motor)。例如通過(guò)外部燃燒或太陽(yáng)能系統(tǒng)從外側(cè)為馬達(dá)提供熱量。所包圍的工作氣體位于馬達(dá)內(nèi)并且被供以熱量，并且通過(guò)熱力循環(huán)將熱量轉(zhuǎn)換為有用功。
[0005]這種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)通常包括用于工作氣體的存儲(chǔ)裝置，該存儲(chǔ)裝置被劃分為冷室和熱室。通過(guò)可動(dòng)活塞裝置將工作氣體在兩個(gè)室之間來(lái)回加壓，同時(shí)改變存儲(chǔ)裝置的總?cè)莘e。例如，通過(guò)工作活塞的運(yùn)動(dòng)使總?cè)莘e是可變的，該運(yùn)動(dòng)將通過(guò)工作氣體實(shí)施的功轉(zhuǎn)變成有用功。
[0006]這些裝置具有如下缺點(diǎn):由于(內(nèi)燃機(jī)的)廢氣的廢熱不能被轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，降低了內(nèi)燃機(jī)的效率程度。另一方面，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括相對(duì)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，其不能重復(fù)產(chǎn)生理想的循環(huán)，由此也降低了效率程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目標(biāo)在于提供用于將熱量轉(zhuǎn)換為有用功的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)和熱力循環(huán)，其允許低復(fù)雜性的機(jī)械移動(dòng)元件和高的效率程度。
[0008]本發(fā)明提供根據(jù)方案I的前序部分的特征和特征部分的特征的將熱量轉(zhuǎn)換為有用功的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，據(jù)此，該熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于工作氣體的第二存儲(chǔ)裝置，其中，第二存儲(chǔ)裝置被劃分為第二冷室和第二熱室，以如下方式構(gòu)造第二可動(dòng)活塞裝置:第二可動(dòng)活塞裝置改變第二存儲(chǔ)裝置的總?cè)莘e并且對(duì)工作氣體加壓使其在兩個(gè)第二室之間往復(fù)，在第一存儲(chǔ)裝置和第二存儲(chǔ)裝置之間的連接件被設(shè)置成用于使工作氣體的部分量至少在兩個(gè)活塞裝置的預(yù)定布局期間在兩個(gè)存儲(chǔ)裝置之間交換。
[0009]由于根據(jù)本發(fā)明的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)提供具有第一可動(dòng)活塞裝置的第一存儲(chǔ)裝置，并且還包括第二存儲(chǔ)裝置，其中，第一可動(dòng)活塞裝置對(duì)包含在第一存儲(chǔ)裝置中的工作氣體加壓使其在兩個(gè)第一室之間往復(fù)，在第二存儲(chǔ)裝置中，第二可動(dòng)存儲(chǔ)裝置對(duì)工作氣體加壓使其在兩個(gè)第二室之間往復(fù)，另外，第一存儲(chǔ)裝置和第二存儲(chǔ)裝置之間的連接件被設(shè)置成用于在兩個(gè)活塞裝置的預(yù)定布局期間在兩個(gè)存儲(chǔ)裝置之間交換工作氣體的部分量，因此，在兩個(gè)存儲(chǔ)裝置之間達(dá)到壓力平衡。歸因于壓力平衡，工作氣體的質(zhì)量Δπι被從具有較高壓力的一個(gè)存儲(chǔ)裝置傳送到具有較低壓力的另一個(gè)存儲(chǔ)裝置。相應(yīng)地，存儲(chǔ)裝置中的部分氣體壓縮功因此作為壓縮功被傳送到另一個(gè)存儲(chǔ)裝置，因此沒(méi)有損失。這導(dǎo)致熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的效率程度的相應(yīng)提高。還能夠以熱力循環(huán)的第一部分循環(huán)在一個(gè)存儲(chǔ)裝置中運(yùn)行并且另一部分循環(huán)在另一個(gè)存儲(chǔ)裝置中運(yùn)行的方式聯(lián)接兩個(gè)可動(dòng)活塞裝置。工作氣體由此能夠在一個(gè)存儲(chǔ)裝置中達(dá)到最大壓力并且同時(shí)在另一個(gè)存儲(chǔ)裝置中的循環(huán)中達(dá)到最小壓力，使得能夠以最大壓力差產(chǎn)生壓力平衡。由此能夠獲得甚至更高的效率程度。
[0010]熱力發(fā)動(dòng)機(jī)可以是內(nèi)燃機(jī)或熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)。能夠以從外部熱源為熱室提供熱量的方式構(gòu)造熱室。能夠以可以將熱量從冷室傳送到外部存儲(chǔ)裝置或環(huán)境的方式構(gòu)造冷室。兩個(gè)存儲(chǔ)裝置能夠被構(gòu)造為供可動(dòng)活塞裝置運(yùn)行的缸。換言之，存儲(chǔ)裝置可以是管狀的，特別是供活塞裝置進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)?？梢砸韵嗤姆绞綐?gòu)造第一和第二存儲(chǔ)裝置。第一和第二可動(dòng)活塞裝置能夠彼此機(jī)械地聯(lián)接。工作氣體可以包括單原子氣體或雙原子氣體，特別是能夠?yàn)闅怏w混合物。氣體的靜態(tài)壓力可以在2bar到150bar的范圍內(nèi)變化。工作氣體可以特別是空氣。
[0011]各存儲(chǔ)裝置的熱室和冷室之間的溫度差可以?xún)?yōu)選地在IK至1000K的范圍內(nèi)，特別地在1K至300K的范圍內(nèi)，特別地在50K至150K的范圍內(nèi)。能夠以工作氣體在兩個(gè)存儲(chǔ)裝置之間被密封包圍的方式構(gòu)造熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0012]特別地，能夠以工作氣體的部分量的交換從一個(gè)存儲(chǔ)裝置的熱室流到第二存儲(chǔ)裝置的冷室的方式來(lái)構(gòu)造兩個(gè)存儲(chǔ)裝置的連接件。由此實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)存在于一個(gè)存儲(chǔ)裝置的部分熱被傳送到另一存儲(chǔ)裝置。
[0013]更有利地是，能夠以一個(gè)存儲(chǔ)裝置的熱室的容積和另一個(gè)存儲(chǔ)裝置的冷室的容積在工作氣體的部分量交換期間最大的方式構(gòu)造兩個(gè)存儲(chǔ)裝置的連接件。
[0014]第一和第二存儲(chǔ)裝置可以有利地被構(gòu)造為第一和第二移位缸。
[0015]換言之，至少一個(gè)存儲(chǔ)裝置可以包括具有移位活塞的活塞裝置，并且被構(gòu)造為存儲(chǔ)裝置的總?cè)莘e在移位活塞運(yùn)動(dòng)期間不改變?；钊b置可以被構(gòu)造為將存儲(chǔ)裝置劃分為冷室和熱室。
[0016]兩個(gè)存儲(chǔ)裝置之間的連接件能夠包括工作缸，該工作缸特別適于改變兩個(gè)存儲(chǔ)裝置的總?cè)莘e。通過(guò)將連接件構(gòu)造為工作缸，第一和第二存儲(chǔ)裝置可以被構(gòu)造為移位缸。工作缸可以被構(gòu)造為同時(shí)改變兩個(gè)存儲(chǔ)裝置的總?cè)莘e。另一方面，這導(dǎo)致工作缸改變兩個(gè)存儲(chǔ)裝置的總?cè)莘e，并且移位活塞對(duì)工作氣體加壓使其在兩個(gè)室之間往復(fù)。這使得分別簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)。
[0017]在另一個(gè)有利的實(shí)施方式中，移位缸和工作缸能夠配置在共用的軸線上。這特別導(dǎo)致了熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單構(gòu)造。
[0018]兩個(gè)活塞裝置能夠包括配置有一個(gè)工作活塞和兩個(gè)移位活塞的活塞桿。工作活塞能夠在工作缸中運(yùn)行，并且兩個(gè)移位活塞能夠在各移位缸中運(yùn)行。工作活塞和兩個(gè)移位活塞均配置在一個(gè)活塞桿上特別導(dǎo)致活塞裝置的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。
[0019]兩個(gè)存儲(chǔ)裝置能夠分別包括適用于將熱量供給到工作氣體的加熱器和將熱量從工作氣體抽出的散熱器。存儲(chǔ)裝置的加熱器和散熱器能夠分別配置在熱室或冷室的區(qū)域中。由于熱量不需要經(jīng)由殼體部分供給到工作氣體或經(jīng)由殼體部分從工作氣體抽出熱量，使兩個(gè)存儲(chǔ)裝置分別包括加熱器和散熱器實(shí)現(xiàn)了工作氣體更高效的交換。
[0020]能夠以當(dāng)工作氣體在冷室和熱室之間交換時(shí)通過(guò)散熱器和/或加熱器的方式配置散熱器和/或加熱器。加熱器和/或散熱器能夠包括允許與工作氣體進(jìn)行有效熱交換的層狀結(jié)構(gòu)。
[0021]特別地，蓄熱器能夠分別布置在加熱器和散熱器之間，并且適于存儲(chǔ)來(lái)自工作氣體的熱量。通過(guò)該配置，經(jīng)由蓄熱器能夠從熱工作氣體抽出部分熱量，并且把該熱量再供給到冷工作氣體。由此能夠進(jìn)一步提高熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的效率程度。能夠以當(dāng)工作氣體被加壓而在熱室和冷室之間往復(fù)時(shí)將熱量供給到工作氣體或從工作氣體抽回?zé)崃康姆绞綐?gòu)造蓄熱器。蓄熱器能夠具有層狀結(jié)構(gòu)(lamellar structure)。
[0022]熱室可以被劃分為經(jīng)由連接通道彼此連接的兩個(gè)分室。至少一個(gè)存儲(chǔ)裝置能夠被構(gòu)造為使得，移位活塞、冷室、加熱器、蓄熱器和/或散熱器布置在缸內(nèi)且在第一和第二分室之間。第二分室可以被連接到工作缸。
[0023]熱力發(fā)動(dòng)機(jī)能夠包括飛輪和/或彈簧，飛輪和/或彈簧特別地連接到第一和/或第二活塞裝置。飛輪和/或彈簧能夠適用于緩沖通過(guò)第一和/或第二存儲(chǔ)裝置實(shí)施的部分功，并且稍后將該部分功返回到存儲(chǔ)裝置。飛輪和/或彈簧能夠被連接到活塞桿。能夠改善熱力發(fā)動(dòng)機(jī)與該裝置的同步。
[0024]本發(fā)明還提供一種用于熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)，據(jù)此，在一個(gè)作功循環(huán)中:在第一處理步驟期間，第一存儲(chǔ)裝置中的質(zhì)量為Hi1+ Δ m、體積為V1的工作氣體從溫度T 平衡壓力Pm開(kāi)始膨脹并且被加熱到體積V A Λ V1,使得其后的溫度T12比溫度T η大，并且壓力P 2比所述平衡壓力Pm大；在第二處理步驟期間，第二存儲(chǔ)裝置中的質(zhì)量為m2、體積為％+八％的工作氣體從溫度T22和平衡壓力P 111開(kāi)始被壓縮并且被冷卻到體積V 2，使得其后的溫度T21比溫度T22小，并且壓力P 所述平衡壓力Pn/J、；在第三處理步驟期間，在所述第一存儲(chǔ)裝置中發(fā)生壓縮并且在所述第二存儲(chǔ)裝置中發(fā)生膨脹，使得之后所述第一和第二存儲(chǔ)裝置的所述工作氣體具有相同的平衡壓力Pm，其中，優(yōu)選地，所述第一和第二存儲(chǔ)裝置彼此連接，使得所述工作氣體的質(zhì)量Δπι在所述第一和第二存儲(chǔ)裝置之間交換。
[0025]第一和第二處理步驟能夠同時(shí)進(jìn)行。
[0026]第一存儲(chǔ)裝置中的質(zhì)量為Hi1、體積SVfAV1的工作氣體在進(jìn)一步的作功循環(huán)中能夠在第四處理步驟期間從溫度T12和平衡壓力P ?>開(kāi)始被壓縮并且被冷卻到體積V i，使得其后的溫度T11比溫度T 12小，并且壓力P η比平衡壓力P m小。第二存儲(chǔ)裝置中的質(zhì)量為m2+Am、體積為V2的工作氣體能夠在第五處理步驟中從溫度T 21和平衡壓力P m開(kāi)始膨脹并且被加熱到體積V2+ Δ V2，使得其后的溫度T22比溫度T 21大，并且壓力P 22比平衡壓力P m大。在第六處理步驟期間，在第一存儲(chǔ)裝置中發(fā)生膨脹并且在第二存儲(chǔ)裝置中發(fā)生壓縮，使得之后兩個(gè)存儲(chǔ)裝置的所述工作氣體具有相同的平衡壓力Pm，其中，優(yōu)選地，兩個(gè)存儲(chǔ)裝