热力学循环及热机的制作方法

专利名称：热力学循环及热机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在热机或者热泵中与工作流体进行热交换或功交换的方法，其中该方法及其子过程在用于热泵时与用于热机时基本相反，在该方法中，该工作流体的热力学循环通过多变关系式PVn=常数来近似地描述，其中P是压力，V是体积，而η是具有绝热指数伽马(Y )的工作流体的多变指数，并且其中该发动机由设有第一容积改变室及至少一个第二容积改变室的至少一个工作机构组成。本发明还涉及一种实施该方法所使用的热机。
背景技术：
近年来，人们大体上日趋关注对再生能源的利用。可利用的可再生能量具有多种 形式，大多数可利用的可再生能量呈热量的形式，并且最终而言，水能、风能以及部分海洋能均为太阳辐射的产物，进而为热量能或者“热能”(其为更正式的术语)的结果。热能可以直接被利用，例如加热水，但是通常需将能量转化为可以为除加热之外的其他目的所利用的不同形式。最好的例子是电能，其可以借助热能发动机产生，热能发动机又称为热力学发动机，或者更明白地称之为热机(这是更通用的术语)。热机大多数情况下是机械装置，其能够利用高温热源与低温热源之间的温差来产生机械功。由机械功可以进一步产生如电等形式的能量。热机类型的例子有蒸汽机、汽油机、柴油机、史特林发动机、燃气轮机以及蒸汽轮机(也称为郎肯涡轮机，其在大多数燃煤发电厂和核电厂中使用)。还存在着更多的类型。汽油机和柴油机以及燃气轮机的特征为内燃机，因为它们所用的热能由内部的燃料燃烧而获得。蒸汽机和史特林发动机利用外部燃烧的热量，并因此通常被称为外燃机。术语“外燃机”常常可能被误解，因为所谓的外燃机所用的热能可能同样仅来自太阳能或者另一种形式的不需燃料燃烧的热源。不需燃烧的热源的另一个例子是地热或者也被称为地源热。这种热量潜伏于地壳中或更深的地方。因此，有利的是术语“外燃机”可被更合适的术语“外部加热发动机”或者“由外部供热的发动机”替代。由于针对减少温室气体的排放和不可再生能源的利用的新的国际要求，产生了强劲增长的对可再生能源的需求。在这一点上，还有一种增长的需求是能够在更低的温度下利用热量，如从地热井或太阳能设备获得热量。此处的重点在于热源的温度越低，可获取的能量越多，并且取得能量的成本越低。可获取的热能可被分为例如被定义为低级热能和高级热能的两个组，低级热能被定义为温度低于传统蒸汽轮机中可能利用温度的热量，其用于例如从150°C开始的某些技术，而其他技术利用从300°C起的温度。高级热源的通常的温度则在此之上。利用低温下的热能的缺陷在于效率的理论最大值很低，但只要有足够的能量可供利用，这就不重要了。但无论如何，通过将不同的能源相组合，例如通过用高级热能补充低级热能，可以改善可获取的总的能量利用，总的效率相对较高，不需要所有的热量都来自“昂贵的”高级热源。今天，有一些技术在若干情况下单独使用低级热源。这些技术的例子是史特林发动机和“有机朗肯循环”涡轮机，即所谓的ORC涡轮机。ORC涡轮机像传统的蒸汽轮机一样遵循朗肯循环，但是其通常使用在大气压下具有低沸点的有机工作流体，如戊烷(在一个大气压下沸点为36°C )、乙醚或甲苯，而不是使用水，因此其名称包括“有机” 一词。通过使用具有低沸点的流体，可以利用温度远低于100°C (水的正常沸点)的热能。现在的低温技术具有一些缺点，还存在进一步改进的巨大空间。ORC的方案例如需要相对先进的涡轮机技术，这种技术不适合在专业技术水平较低的区域使用，而且使用这种技术需要承担较大的成本。由于理想而言ORC涡轮机所用的工作流体必须在进入涡轮机自身之前完全蒸发，ORC设备需要额外的大蒸发槽，由此需要供热交换器使用的大的容量。如果这一点未被满足，则由于涡轮机中的液体存在较大的力的缘故，使若干种类型的涡轮机中的叶片可能受到侵蚀。如果在涡轮机中的叶片受侵蚀，则涡轮机将被损坏。另外，涡轮机通常是绝热的，也就是说在膨胀期间不增加热量，这与发生近等温的(或者更确切为 多变的)膨胀的史特林发动机的情况相反。史特林技术也存在着被证明难以解决的若干问题，尤其在材料性能和热交换器方面有很多需求，其中，史特林发动机所需要的材料和部件通常并不常见于通用的发动机产业中的标准商品的范围。这使得史特林技术非常昂贵，并且该技术使用中的生产和维护需要先进的专业技能。

发明内容
本发明的目的是纠正或减少现有技术的至少一个缺陷，或者至少提供该现有技术的一种有效替代方式。这一目的通过下文描述和随附的权利要求书中公开的特征来实现。本发明涉及一种热机以及具有类似于外燃式热机中的外部供热的热力学循环。本发明可以与来自具有适宜的温度水平的任何可能的热源的能量生产关联地使用。本发明充分利用了在膨胀本身的期间能够供给额外的热量的原理。因此同比于输出的相对较小的尺寸。这对于重量、建造材料的质量、生产成本等是非常有利的。在膨胀期间供给热量的热机的例子有很多。除了基于史特林或柴油循环的发动机之外，还可以在美国第7, 076，941号(Hoffman)专利、第2009/0000294号(Misselhorn)专利以及第4，133，172号(Cataldo)专利中发现更多这类例子。本发明主要是寻求在气相和液相(两相原理)之间交替变化的工作流体的膨胀期间供给热量，这种方式并不普及。在发动机的一个实施例中，利用两个膨胀室，这两个膨胀室可由两个缸的工作容积提供，以进行膨胀并且将热量供给到在它们(膨胀室)之中及之间膨胀的工作流体，随之能够实现两个不同的热力学过程。本发明在另一实施例中，本发明进一步寻求同时利用杆和活塞侧以在同一个汽缸中能够实现两个不同的热力学过程。因此，由于不需要使用两个单独的汽缸用于两个不同的过程，可进一步缩减热机的尺寸。尤其在美国第4，393，653号(Fischer)专利中示出了同时利用杆和活塞侧来形成两个汽缸室的活塞基热机。美国第4，393，653号专利的解决方案与本发明的不同之处在于，美国第4，393，653号专利像在两冲程发动机中的方式那样利用杆侧，其中空气在被进一步地强迫进入上部室之前从周围被吸入。另外，美国第4，393，653号专利的旁路的一个开口由活塞的工作位置限定，这与本发明中的特征相背离，在本发明中，旁路开口必须在任一活塞工作位置中并维持在这些位置。还存在着其他的利用这种双作用原理的示例，但是很少利用活塞“下方”的容积来进行纯膨胀。传统的活塞基蒸汽机中存在例外的情形，但是它们遵循朗肯循环，并非用于本发明的情况。另外，该热机可利用来自两个不同的储热器的热量，例如来自之前描述的低级和高级储热器的热量。专利公布“A Dual-source Organic Rankine Cycle (DORC) forImproved Efficiency in Conversion of Dual Low-and Mid-grade Heat Source (一种用于改进低级和中级双热源的转化中的效率的双热源有机朗肯循环(DORC))”，DotyandShevgoor, Doty Scientific2009对在热力学循环中利用双热源(在所述公布中以ORC表示)可能具有的优点进行了详细描述。在此提供了一种由热机实施的特有的热力学循环，该热机包括发动机外壳；一个或多个汽缸组件，其由活塞(或者活塞杆)、连接杆、曲轴、阀、流体通道以及密封件形成；加热进程，由一个或多个复热器(蓄热器)以及至少一个加热器和附属阀构成；冷却进程，由至少一个冷却器构成，并且可能地，还针对该加热进程而使用复热器；注入单元；贮液器和用于热流体的循环泵。汽缸组件为具有曲轴的两缸配置的简单和传统的实施例，该曲轴如普通的内燃机那样作为两个活塞之间的同步装置。这些汽缸还可进一步被限定为第一汽缸 和第二汽缸，其中第二汽缸中的完全膨胀的容积大于第一汽缸中完全膨胀的容积，或者第二汽缸具有更大的直径，或者该室中的活塞具有更长的冲程，或者是以上方案的结合。在一个实施例中，汽缸组件是基于被分成两个室的单个汽缸，其中活塞充当这两个室之间的可移动的分隔壁，并且该活塞还具有装设在一侧上的固定的活塞杆。这一侧被限定为该活塞的第一侧，并且构成第一汽缸室，其中处于流体密封方式的该活塞杆被引导通过汽缸的第一轴向端部。该活塞的相对端被限定为该活塞的第二侧，并且构成第二汽缸室。由于活塞杆占据第一汽缸室中的容积，第二汽缸室的完全膨胀容积大于第一汽缸室的完全膨胀容积。本发明的特征还在于，热力学循环由一系列热力学过程构成，这些过程实施为当该活塞上行时，热机中的工作流体在第一汽缸室中被加热时第一次膨胀，并且其中当活塞返回时，这些工作流体从第一汽缸室进入可选的相对绝热的第二汽缸室中时进一步膨胀，一部分工作流体由形成通道的附属阀绕过，使基本上所有工作流体都能够从第一汽缸室流动到第二汽缸室。该发动机的特征还在于，该第一汽缸室起到相对工作流体的热交换器的作用，使得热量可通过汽缸壁从外部流体进程中的热流体传递到该室中的工作流体中，使得可在膨胀过程中将额外的热量供给到工作流体，从而在发动机中实现效果增强的通流。该发动机的特征还在于，施加在该活塞上的功在上冲程和下冲程之间分配，这在除了传统的蒸汽机之外的大多数已知的活塞发动机中并不常见。这种方式有助于分配由活塞在较大的移动区域上所做的功，这样还可以减小发动机中的力，因为做功(W) =力(F) X距离(S)，而这里距离(S)增加了。于是，机械负载(由F产生)可以减小，并且可使用更简单和更廉价的材料。同样的原理对于两汽缸的发动机的实施例也是有效的。即使在说明书中，术语“上”和“下”的使用与活塞移动相关联，本发明并不实体地局限于竖直的活塞移动。“上”应被理解为远离连接到该活塞的曲轴的方向，而“下”意指朝向该曲轴的方向。本发明可以使能量供给显著增加，并且因此每个完整循环输出的功显著有利于提高热机的效率(每单位体积或单位质量的作用效果)。
该发动机主要根据两相原理来工作，该原理由在液相与气相之间变化的工作流体的热力学循环(如朗肯循环)来定义。尽管如此，可以设想到的是该循环和该发动机可以利用仅处于一个相态(优选为气相)的工作流体。本发明还提供一种相对于例如ORC的对储热器温度水平的更好的利用，因为膨胀以更低的熵水平开始，针对最高温度水平的热交换所需的时间大大减少。这在图16b中以Τ-s图示出。(16a和图16b中的Τ-s图中的曲线所示出的循环沿循顺时针方向)。在图16a中示出了用于理想的ORC循环的T-s图，其中等压供热过程被表示为上部水平线，该过程因进入流体的干燥区域过热而终结，也就是说，在该线的再次下落之前，由水平方向指向斜上方的该线的小的“终端”部分。为了能够与处于一定温度水平的流体进行热交换，热源必须具有高得多的温度，以便能够获得高的热通量。当随后工作流体像在ORC中那样在该温度蒸发时，意味着热交换器表面必须非常大，或者流体保持与表面接触的时间很长。这是由于ORC发动机利用涡轮机作为膨胀器，并且因为这些ORC发动机不具有内部热交换器，因此可仅以接近绝热方式膨胀，这样所有的热量必须在膨胀之前供给。相反地，在本发明中利用另一个热力学原理，也就是像例如在史特林发动机中，一些热量在膨胀本身的期间被供给。这种结果可能是非常有利的，因为该膨胀引起由自然规律决定的压力下降和隐含的温度下 降，使得当热交换器与流体之间的温差在膨胀期间增大时，热通量可能变得很高，因此能够更快地供给更多的热量。该原理是不配置蒸发器的最重要的原因，而蒸发器在ORC循环中是必须具备的。根据本发明，膨胀在流体的干燥区域达到之前早已开始，如由图16b中的下落曲线所示的，其中当熵增加时温度降低。在循环的该部分中，功也从发动机中被输出。在ORC中，功仅在该循环的绝热(等熵)部分中输出，如由图16a中的曲线的竖直下落段所示。液态形式的流体借助注入单元从低压储液器被泵送到高压加热进程。该储液器可以是诸如管、液体槽或者任何其他的能够容纳液体的装置。该工作流体(以下也称为流体)可以是任何适用于这种应用的流体，例如水、戊烷或其他有机液体，多种冷却介质等等。该注入单元(以下也称为注入器)可以是任何用于将流体从低压泵送到高压的装置。该注入器可被设置为分批量地泵送流体，供给可调节的流体流或者使出口处的流体维持在恒定的压力。在注入器的入口处可设有合适的止回阀，以避免流体的反向流动。同样地，也可在注入器的出口设有合适的止回阀。该注入器还可被设置为与热机机械同步，并且被制造成使得可以按需要来调节供给量和注入时间。该注入器还可被设置为借助电子控制系统来控制，就如同在现今的汽车中的用于发动机控制的发动机控制单元(ECU)那样。流体从注入器出口被泵送到加热进程中，该加热进程的目的是将热能供给到流体。该加热进程可被设计为使得流体经历不同温度水平下的多个加热步骤。在加热进程的第一步骤中，流体可流过根据已知的复热器原理设计的复热器，因为这样可从热机的流体出口收回一些废热。在加热进程的下一个步骤或者备选的第一步骤中，流体可流入到从外部储热器供给热量的加热器中。该加热进程可另外包含多个加热步骤，这些加热步骤同时利用来自多个储热器的热量，优选地来自具有较高的并且循序升高的温度的多个储热器的热量。在这种情况下，为了在多个温度水平利用恢复剩余热量的目的，可以添加更多的复热器。可在加热进程的出口处设有压力阈值阀，如循环阀，其功能是确保加热进程中的压力总是在一定水平以上。该阀还可以是能够根据已知的控制原理调节的阀，以允许根据不同的需求来调节流出加热进程的工作流体的流速和压力。加热进程容积的大小可被优选地设计为始终将该加热进程中的工作流体保持为比在一个循环中所需注入的更多。这样的好处是可根据需要来改变加热进程中的容积乃至热交换表面，而发动机的其余设计不受影响。加热进程将还能够起到流体缓冲器的作用，尤其是加强了发动机的适应变化的负载的能力，加热的流体量始终能够适合于注入到该发动机中。在本发明的一个实施例中，借助在加热进程中保持为足够高的压力，流体可在整个加热进程中自始至终保持为液态形式，并且流体温度不超过临界流体点，在该点处液体与气体之间的分界不复存在。在本发明的另一个实施例中，流体可加热到远超过临界点以上的温度，其中所有的或某些部分的流体可通过与温度在临界点以上的热交换器接触而跨越超临界状态。这样，可在注入到热机工作室之前将大的热量加入到流体，而不需设置像ORC涡轮机中那样的很大的蒸发槽。这是以注入器始终在加热进程中提供足够的流体，每个循环总是能够注入所需注入的量为先决条件的。例如，被设定为在加热进程中始终将压力保持在发动机工作压力之上的注入器可以解决这一问题。这一点尤其公知于具有普通的注入歧管(所谓的“共轨”注入)的柴油机中，但在这种情况下涉及的是燃料注入，而非本发明中的工作流体注入。 工作流体从加热进程经由工作流体入口(以下也称为喷嘴)注入到第一汽缸室(也称为第一工作室或者膨胀室)中。可通过的加热进程的入口侧上的注入器来执行这种注入，通过施加足够压力以允许流体流入到加热进程中以移出已经存在于加热进程中的流体的相应的量，导致这些流体量通过喷嘴流出加热进程并流入到第一汽缸室。在另一个实施例中，通过设置在用于液体通流的加热进程排出口中的阀来执行注入，在加热进程中保持压力的注入器始终保持注入足够的流体。在又一个实施例中，在初始时可以以液态形式保持所需的工作流体的量，直到所需的量完全注入到第一汽缸室中。这一点可通过将注入器设置为能够保持足够高的压力和足够高的流速来实现，所需的工作流体的量在其位于第一膨胀室的内部之前不会从液态形式开始膨胀。在这种情况下，还可以设置注入器的延伸部，该延伸部可置于加热进程的出口处，或者置于加热进程的出口与流体入口之间，以提供对工作流体的压力和流速的进一步控制。第一工作室通过使其容积增大的活塞上移(在两缸的实施例中为向下)而起到第一膨胀器的作用。喷嘴可被装设并定向为使得注入的流体初始地获得沿汽缸室内周的切线的流动方向，从而在活塞引起第一汽缸室的容积膨胀时形成螺旋形流动路径。其优点在于，该工作流体随之将在汽缸中旋转地流动，并且流体的具有最高密度的部分随之将贴着汽缸壁向外冲。这样可进而导致与汽缸壁的热交换增加，流体的最冷的部分一般具有最高的密度，例如如果流体部分地处于液态形式。第一汽缸室主要包括第一汽缸部，并且其上形成外部流动通道，被加热的热流体在该外部流动通道中循环。该热流体从外部储热器传送热量。在工作流体的膨胀期间，通过充当汽缸的外部的热流体与内部的工作流体之间的热交换器的汽缸壁供给额外的热量。根据热交换的效率的高低以及热流体的温度水平，可以实现一个多变膨胀过程的范围。在没有热流体循环，进而没有热量被供给到工作流体的情况中，只要膨胀发生的足够快，即可实现接近绝热的膨胀过程。如果供给足够的热量来保持在膨胀期间工作流体的温度不变，则可以实现等温膨胀过程。如果供给更多的热量和工作流体，则可实现等压膨胀，其中在整个膨胀过程中压力将相对恒定。在更极端的例子中，可将非常多的热量和工作流体供给到膨胀期间压力增加的过程，并且实现超压膨胀过程。在工作流体与第一汽缸室接触(在喷嘴之前或之后，但在加热进程的出口处的阀之后)之前，在工作流体的膨胀开始处可另外具有用以进一步将热量供给到流体的加热器。在这种方式下，第一膨胀过程中的热交换将不仅取决于第一汽缸室的热交换能力。本发明不受容积改变/工作室的具体数量所限，但是通常可包括一个或多个工作室，这取决于如何进行选择来执行热交换器功能。在一个优选实施例中，本发明的本质在于，热交换过程中的转变是存在的，从具有多变膨胀(带有热供给)开始进行到具有接近绝热的膨胀(不带有特定的热供给)，并且与内燃机中的情况相反，这一点可借助内部热交换器来实现。在内燃机(如柴油机)中，这是通过在膨胀完成之前停止燃料注入而相对简单地实现的，并且因此可以使膨胀过程的剩余部分成为绝热的过程，因为除了燃料燃烧所提供的热量之外并未供给更多的热量。这样做的优点在于，当在膨胀期间供给额外的热量的同时，还获得了对剩余热量的利用，否则必须将剩余热量冷却掉，从而引起非期望的能量损 失。这也与传统的蒸汽机中的解决方案相对应，在该方案中，从锅炉供给的蒸汽在活塞(或多膨胀发动机中的那些活塞)在达到完全的汽缸排气量之前很早即关闭。如果在整个膨胀过程期间供给很多热量，可能会在高剩余压力和高剩余热量的情况下结束，而不能被利用来做功，因此产生损失。挑战和解决方案是将膨胀过程分为至少两个步骤，其中第一步骤的发生伴随着一些多变(膨胀)的不同的类型或它们的混合类型的热交换，而第二步骤的进行伴随着很少的热交换或没有热交换。这一点可通过很多方式来实现。在图19中所示的非常简单的示例中，可以在汽缸中设置仅包围汽缸的一部分的内部热交换器。在这种方式下，当活塞在膨胀冲程期间使越来越多的汽缸壁露出时，热交换器表面的部分相对于整个内汽缸表面将减少。之后，当工作流体膨胀时，其体积增大而密度减小，并且热交换器表面的部分减小，由此将驱使该过程越来越多地沿着绝热的方向进行。另外，汽缸中的不属于内部热交换器的表面可以是绝热的，从而因其在这些区域进一步阻碍热交换而执行进一步的绝热作用。另外，如果考虑两相流体的膨胀，即在一个阶段或另一个阶段中的流体在膨胀期间从液态转变为气态，则这样也将产生因具有更低传热系数的气相而导致的热传递的大幅减少，这将有助于进一步推动该过程沿绝热的方向进行。这样，可通过使用单个汽缸产生膨胀过程中的转变，该膨胀过程初始将具有高水平的热传递，而该热传递随着时间的推移而大幅减小，之后接近绝热。在更优选的示例中，如图6a和图7a中所示,或者如图17和图18中所示,可通过利用分开的多个汽缸室之间的膨胀来使两个过程分开。这样，在膨胀期间更容易限制流体与热交换器表面接触，因为可以选择仅在一个汽缸室中发生热交换，或者至少不在最后的汽缸室中发生热交换，在该汽缸室中流动的流体不接收另外的热量。首先，被加热的第一汽缸室中的流体膨胀，其后流体在绝热的第二汽缸室中进一步膨胀，因为该第二汽缸室具有比第一汽缸室更大的排量。为实现这一点，这两个室也必须以流体连通的方式连接，活塞必须至少是异相的，例如这些活塞以彼此相反的位移同步设置，并且阀(图中未示出)必须设置为使(连通)在恰好的时刻发生。在这种示例中，在第一室中发生的第一膨胀过程将具有多变的或混合多变的膨胀的特征，其中如果热交换器被合适地设计则能够供给相当大的热量。第二膨胀过程在开始时将是多变的，此时大多数流体仍然处在具有内部热交换器的第一室中，但是当大量流体转移到不设有热交换器的室时，由于此时供给的热量越来越少，该过程随之也将接近更绝热的进程。该示例尤其可借助汽缸/活塞组件的若干种变体来执行，特别是如图6a中所不的双动型和图7a中所不的单动型。另外，可通过使用如图17和图18中示出的具有和不具有热交换器的多个汽缸/活塞的组列而增加允许与流体热交换的时间。这两者(图17与图18)之间的区别在于图17示出了用于多变膨胀的双动汽缸，而图18中已经选择了单动汽缸。这两种解决方案中均具有优缺点，尤其相对于润滑、摩擦和密度而言，但在此处将不再予以更详细的讨论，因为这对于本发明的基本特征来说是不重要的。在特定的情况下，(这些情况中)理想的是具有例如更高的有效密度、更低的效率或者同时具有两者，此时即使在膨胀过程的最终的部分提供热交换也是可以的。在图6b和 图7b中示出了示例性实施例，其中这两幅附图中的汽缸室都与热交换器热接触。此外，这种方案还可应用到图19中所示的解决方案，因为在任何时候，与热交换器接触的汽缸室的部分都不具有上限，并且原则上可包围汽缸容积的接近100%。此外，图16b中的Τ-s图示出了根据本发明的过程的热力学结果。由关系式“PVn=常数”近似地描述了一个多变过程，其中P是压力，V是体积，而η是该过程的特征多变指数。此外，工作流体具有绝热指数伽马(Y )，并且该指数因流体的不同而变化。当η= Y时，该过程被限定为绝热(过程)。此外，如果η=1，该过程被限定为等温(过程)，该过程中温度是恒定的，因此理想气体方程PV=nRT中的“nRT”项是常数。此外，n=0限定一等压过程，该过程中压力是恒定的。同样地，η < O可限定一超压过程，因为压力由此在膨胀期间必须增大。当在第一汽缸室与流体之间发生热交换时，下部汽缸室中的膨胀过程由此可被概括和描述为近似沿着PVn的多变过程进行，其中η < Y。当活塞已到达其顶部位置(TDC-上止点)(或者两缸设计中的底部位置(BDC-下止点))时，第一汽缸室中的容积已经达到它的最大值。此刻，热机旁路中的阀打开，膨胀可从第一汽缸室经由旁路继续并且进入充当第二膨胀器的第二汽缸室。第二汽缸室与热机的其余部分完全地或部分地绝热，使得在此流动的流体经历近似绝热的膨胀。在该发动机的备选实施例中，可考虑在第二汽缸室中有利地具有额外的供热，由此该室的表面可具有与第一汽缸室中的方式相同的热交换器的功能。在工作流体流入到第二汽缸室中的同时，相应的量也将从第一室流出。当此情况发生时，由于第一室被加热，流体的总体积增加，在该室中仍然存在的部分流体将在经由旁路流出之前被供给甚至更多的热量。当在单个汽缸设计中，第一汽缸室中的活塞的工作区域被限定在汽缸的径向的内壁与活塞杆的径向外壁之间时，因为活塞杆占据第一室中的横截面区域的部分，所以第二汽缸室中的活塞的工作区域将大得多。因此，在整个膨胀过程中获得沿朝向第一室的方向作用在活塞上的净力。在两缸的热机设计中，这一点将通过具有比第一汽缸更大的排量的第二汽缸实现。在从第一汽缸室到第二汽缸室的膨胀过程期间，当第二汽缸室不与热交换器接触时，工作流体经历一多变过程，其通常以非绝热方式开始，并且以接近绝热的方式结束。必须另外说明的是，在特定的情况下，随着第一室中的膨胀，第二室中的膨胀也将能够以接近绝热的方式开始。如果第一室中的膨胀是绝热的，则第二室中的进一步的膨胀也将是绝热的。
依据注入流体的多少，以及第一汽缸室中热交换的程度,将从第一汽缸室到第二汽缸室的膨胀的起点限定为多变过程(其中由于在第一汽缸室与流体之间发生热交换，n< Y)将是正确的。如果在第二膨胀室中不发生热交换，并因此可以视为绝热的，则以
Y限定膨胀的末端也是正确的。该膨胀过程由此可被概括和描述为大约沿着PVn曲线的过程，该过程在始端时η < Y、并且在朝向末端时接近η= Y。在第二膨胀室中具有热供给的实施例中，整个膨胀过程可由η < Y限定。在一个单缸的实施例中，可以仅当活塞上行时进行流体注入。也就是说，随着活塞再次下行，当流体在第二室中进一步膨胀之前完成注入。在另一个实施例中，当发生从第一室进入到第二室中的膨胀时，流体注入可继续进行。该实施例的缺点在于，如果该过程不被允许或多或少地以绝热的方式结束，则可能具有一些不被用于做功的可用的余热和余压(根据热力学第二定律)。随后，必须在循环的最终步骤通过冷却进程来去除这些余热和余压。因为复热器不能使可利用的余热100%地进行“再循环”，可用的余热在复热器部段必须被冷却掉，由此能量在一个或多个冷却器中消散而被损失掉。尽管如此，这种可能性的存在 是有益的，因为随后可以在给定的时间增加对该过程的供热。这在如需要以有限的时间额外地输出能量(例如在发动机上的负载增大)的情况下可能是有用的，但因此牺牲了效率。这些方案对于两缸的变体也是有效的。在单缸的实施例中，在完成第二汽缸室中的膨胀之后，几乎全部的工作流体将从第一汽缸室移动到第二汽缸室。此时，活塞再次返回到底部位置(BDC-下止点)。在该点左右，热机出口阀打开，并且工作流体可流出到冷却进程中以去除剩余热，从而去除剩余压力。该冷却进程可由至少一个复热器和至少一个冷却器构成。该活塞将进一步再次向上移动，并且同时当可能在第一汽缸室中发生新的非绝热的膨胀时，该活塞将进行压缩，或者更恰当而言将第二汽缸室中的剩余流体驱入到冷却进程中。依据冷却进程的容积的尺寸的不同，该过程可以不同的方式来描述。在该活塞接近底部位置的期间，相对于曲轴的位置改变，容积的改变相对较小，可以说对于给定的时间，是等容的冷却进程，直到当活塞已经移开底部位置足够远并且第二汽缸室中的体积开始明显地改变的时刻。当此进程发生时，不应再将冷却进程看作是等容的。依据冷却进程的容积，由于活塞将流体从第二汽缸移出并且进入冷却进程中，冷却进程的这一部分的特征可以是等温或等压的压缩。当所有的流体被从汽缸移出并进入冷却进程时，热机出口阀再次关闭，并且此时接近完全被移出到冷却进程中的流体可以以恒定的体积进一步被冷却。基于此，冷却进程的特征可以是不同的子过程的若干种组合，其中这些子过程的特征还可以是等容冷却、等压冷却或压缩、等温压缩，该等温压缩也是一种冷却的形式，或者更普遍而言非绝热压缩。在冷却终止之后，工作流体将以液态形式返回。在冷却进程出口处，液体可流入一槽中，该槽等同于例如在多种车辆中用于冷却水的膨胀槽。该槽将充当液体缓冲器，并且始终提供足够发动机使用的工作流体，这在发动机上的负载改变并且工作流体所需的流速改变的情况下尤其重要。当工作流体完全冷却并且以液态形式返回时，其可在下一个循环中再次使用，如同在闭环的朗肯涡轮机中那样。本发明还包括闭合的工作流体循环。应注意的是，该发动机可以在工作流体完成整个热力学循环之前完成多个机械循环。这种情况是因为该发动机始终借助同时循环的过程来运行，这与例如四冲程奥托发动机相反。例如，通过在第一汽缸室中膨胀，将始终存在从上部汽缸室排出并进入到冷却进程中的流体。同样，在流体被注入第一汽缸室并在其中膨胀的同时，流体将被注入到加热进程中。作为备选的膨胀器，可使用涡轮机方案来替代所描述的活塞方案，并且为此，为了在膨胀期间能够为流体增加额外的热量，可以形成具有热交换定子、转子和/或其他内部构件的涡轮机方案。如果需要对发动机进行润滑，在一个实施例中工作流体可与润滑剂混合，从而工作流体的传输也将提供围绕发动机的润滑剂的传输。在其他的情况中，可借助润滑通道将润滑剂供给到不同的地方，如同尤其在大多数内燃机中的情况。该发动机还可由自润滑材料制成，不需使用润滑剂。这种方式已知于多种类型的热机。此外，在另一个实施例中，其情况可以是不需要对汽缸与曲轴外壳/发动机外壳之间进行完整的密封，从而允许可能与润滑剂混合的少量的工作流体渗漏到发动机的其他部分。这是以考虑到发动机必须能够通过一种系统处理渗漏为先决条件，该系统被设置为 能够消除在该发动机的多个部分中的工作流体的积累。以此类方式制造的发动机的优点是混入到工作流体的任何润滑剂还可以充当用于曲轴轴承以及汽缸的外部的其他部件的润滑剂，这与两冲程内燃机中的情况几乎一样。在本发明所涉及的热力学循环和热机中，提供一种有序的热力学过程的特有的组成方式。该循环及其有序的过程可以如下方式概括和总结I.绝热压缩2.供热3.在第一膨胀室中的第一多变膨胀，其中η < Y4.从该第一膨胀室到该第二膨胀室的第二多变膨胀，其中η < Y，或者其中膨胀以η < Y开始并且以接近绝热的(n ^ Y )结束5.冷却在第一方案中，本发明更具体地涉及一种用于在热机或者热泵中与工作流体进行热交换和功交换的方法，其中该方法及其子过程在用于热泵时与用于热机时基本相反，在该方法中，该工作流体的热力学循环是通过多变关系式“pvn=常数”来近似地描述的，其中P是压力，V是体积，而η是具有绝热指数伽马(Y )的工作流体的多变指数，并且其中该发动机由至少一个工作机构组成，该工作机构设有第一容积改变室以及至少一个第二容积改变室，其特征在于，该方法至少依次包括下列步骤a)在第一体积改变过程中，在第一容积改变室中执行工作流体的第一多变体积改变，其中η < Y，以及b)在第二体积改变过程中，执行从第一容积改变室到第二容积改变室的工作流体的至少一个接近绝热的或者多变的第二体积改变，其中η < Y，或者其中膨胀以η < Y开始并且以接近绝热的(η Y)结束。该方法可依次包括下列步骤在第一过程中，执行工作流体的等压体积改变；在第二过程中，与该工作流体进行热交换；在第三过程中，执行根据以上步骤a)的第一体积改变过程；
在第四过程中，执行根据以上步骤b)的第二体积改变过程；以及在第五过程中，与该工作流体进行热交换，其中该热量的流动方向与该第二过程中的热量流动方向相反。该方法可依次包括下列步骤在第一过程中，执行工作流体的绝热压缩；在第二过程中，向该工作流体供热；在第三过程中，执行根据以上步骤a)的第一体积改变过程，其中该体积改变过程包括膨胀；在第四过程中，执行根据以上步骤b)的第二体积改变过程，其中一个或多个体积改变过程包括膨胀；以及 在第五过程中，冷却该工作流体。该方法可更具体地依次包括下列步骤该第一过程包括借助注入单元将工作流体从低压向高压泵送；该第二过程包括向设置在容积改变室外部的加热进程中的工作流体供热；该第三过程包括在第一容积改变室中注入工作流体并使其膨胀，并且同时从与第一容积改变室热接触的至少一个热交换器向流体供热；该第四过程至少包括使该工作流体从第一容积改变室经由工作流体旁路到第二容积改变室而进一步膨胀；以及该第五过程包括在设置于膨胀室外部的冷却进程中冷却该工作流体。该第四过程可更具体地包括使该工作流体从第一容积改变室经由工作流体旁路到第二容积改变室而进一步膨胀。该第四过程可更具体地包括在第一步骤中，使该工作流体从第一容积改变室经由工作流体旁路到第二容积改变室而进一步膨胀；并且，在第二步骤中，从第二容积改变室经由第二工作流体旁路到第三容积改变室使该工作流体进一步膨胀。该第四过程还可包括将热量从与第一容积改变室热接触的至少一个热交换器进一步供给到工作流体的全部或某些部分。该第四过程还可包括将热量从与第二容积改变室热接触的至少一个热交换器进一步供给到工作流体的全部或某些部分。该工作流体可在液态形式与气态形式之间交替变化。在第三过程中的工作流体初始时可呈液态形式，由于工作流体被以足够高的压力注入到第一容积改变室中，使其在注入操作期间保持为液态形式。该工作流体在第一过程中可呈液态形式；在第二过程中可呈液态形式；在第二过程中可完全地或部分地呈超临界状态；在第三过程中可完全地或部分地呈气态形式；在第三过程中可基本上被汽化；在第四过程中可能被进一步汽化；并且在第五过程中可基本上被冷凝。在第二方案中，本发明更具体地涉及一种热机装置或热泵装置，其中该热泵装置及其子部件实质上被设置为与该热机装置及其子部件的功能相反，该热机装置或热泵装置具有至少一个工作机构，该工作机构设有第一容积改变室和具有一个或多个附属移位机构的至少一个第二容积改变室，其中至少一个热交换器至少与第一容积改变室热接触，并且围绕至少第一容积改变室或者至少被第一容积改变室围绕，这些容积改变室通过至少一个工作流体旁路以流体连通方式依次连接，该第一容积改变室具有工作流体入口并且最后的容积改变室具有工作流体出口，其特征在于，该工作流体入口、该工作流体出口以及所述至少一个工作流体旁路设有同步的阀，以便保持从该第一容积改变室(流出)并且通过所述至少第二容积改变室接连流动的有序的工作流体，该工作流体沿着从该工作流体入口到该工作流体出口的流动方向通过所述容积改变室而被有序地传送。这些容积改变室可以具有连续地增加或减少的容积。这些容积改变室可被设置为具有作为膨胀室的功能。该工作流体旁路可借助至少一个旁路阀而被关闭。在工作流体在这些容积改变室之间移动期间，这些容积改变室与各自的旁路端部之间的流体通道可被保持在(一个或多个)移位机构的所有工作位置。
这些容积改变室可一起被设置为能够执行工作流体的体积改变过程，使得该工作流体可被几乎完全地从第一容积改变室移动到第二容积改变室，随后进一步地，这些容积改变室的(一个或多个)移位机构被以机械方式同步。这种机械同步可在整个或部分运行工况中保持具有依次相反的符号的、不同的容积改变室之间的移位，使得当第二容积改变室的容积减小时，第一容积改变室的容积将增大，并且反之亦然。


以下描述在附图中示出的优选的实施例的示例，在附图中图I示出了阐示在不同的多变过程中所做的功的差的P-V图；图2示出了阐示在所选的多变过程中所做的功的差的P-V图；图3a示出了展示如本发明所所述的热力学循环的一个极端的变体的PV图，其中第一膨胀过程基本上以等压方式进行；图3b示出了如本发明所描述的热力学循环的PV图，其中这些膨胀过程的进行更为接近发动机的实际实施例，但其中第一膨胀过程基本上以等压方式进行；图3c示出了如本发明所描述的热力学循环的P-V图，其中阐示了发动机的又一个实际实施例中的膨胀过程；图4a示出了阐示如本发明中描述的热力学循环的一个极端的示例中的热流的P-V图，其中该第一膨胀过程基本上以等压方式进行；图4b示出了阐示如本发明中描述的热力学循环的更为实际的示例中的热流的P-V图，但是其中该第一膨胀过程基本上以等压方式进行；图4c示出了阐示如本发明中描述的热力学循环的另一个实际的示例中的热流的P-V 图；图5示出了现有技术，即史特林发动机的基本组件；图6a示出了本发明的具有双动汽缸和与第一膨胀室热接触的热交换器的工作机构(膨胀器)的基本示例性实施例；图6b示出了本发明的具有双动汽缸和与第一膨胀室热接触的热交换器、以及与第二热膨胀室热接触的热交换器的工作机构的基本示例性实施例；
图7a示出了本发明的处于具有与第一膨胀室热接触的热交换器的两汽缸的变体形式的工作机构的基本示例性实施例；图7b示出了本发明的处于具有与第一膨胀室热接触的热交换器，以及与第二热膨胀室热接触的热交换器的两汽缸的变体形式的工作机构的基本示例性实施例；图8示出了根据本发明所描述的热机的示例性实施例，其中仅使用单个储热器；图9示出了根据本发明所描述的热机的示例性实施例，其中使用处于不同的温度的两个储热器；图10示出了不具有曲轴/马达外壳的热机的工作机构；图11示出了不具有曲轴/马达外壳的热机的立体图； 图12示出了当活塞处于底部位置时的发动机的侧视图；图13示出了当第一(下部)汽缸室中膨胀以及当第二 (上部)汽缸室中膨胀时的发动机的侧视图；图14示出了当活塞处于顶部位置时的发动机的侧视图；图15示出了当从下部汽缸室到上部汽缸室的工作流体膨胀时的发动机的侧视图；图16a示出了根据现有技术，也就是理想的ORC循环的Τ-s图(温度_熵-图)；图16b示出了如本发明所描述的用于热力学循环的T-s图；图17示出了本发明的工作机构的基本示例性实施例，其具有双动汽缸以及与第一膨胀室热接触的热交换器，还具有与第二热膨胀室热接触的热交换器，该第二热膨胀室又连接到处于单动的接近绝热的第二汽缸中的第三膨胀室。图18示出了如图17中的示例那样的本发明的工作机构的基本示例性实施例，但是具有两个单动汽缸，这两个单动汽缸各自具有膨胀室，这些膨胀室具有内部热交换器，这些膨胀室又连接到处于另外的单动的、接近绝热的汽缸中的第三膨胀室；以及图19示出了本发明的工作机构的非常简单的基本示例性实施例，该实施例中只有一个具有附属活塞的单动汽缸在同一个汽缸容积中限定两个工作室，并且在优选的实施例中，至少一个热交换器仅包围第一工作室。
具体实施例方式在如图I到图4所示的热力学循环的介绍性描述中，并且在图16b中，参考如图6到图15中所示的热机中的元件，这些发动机元件由图6到图15的一个或多个附图中所示的附图标记标识。该热力学循环通过以下热力学过程描述I.绝热压缩2.供热3.在第一膨胀室中的第一多变膨胀，其中η < Y4.从该第一膨胀室到该第二膨胀室的第二多变膨胀，其中η < Y，或者其中膨胀以η < Y开始并且以接近绝热的(n ^ Y )结束5.冷却图I示出了在两个体积￥4与％之间的广义的多变膨胀过程，其中各种纯过程(绝热的，等温的，等压的，等等)的功和它们之间的功的差以W1、W2、W3等示出。另外，以竖直线示出等容热交换以供参照。在此假设热力学系统具有由交点O表示的开始条件，并且通过各种多变过程示出进一步的膨胀过程。从图中可看到，做功的变化很大程度上取决于何种过程是活动的。等温过程将提供比绝热过程大得多的功。等压过程将进一步给出更高的功，等等。该图给出各种过程之间做功的较佳的视觉比较。图2示出了如在本发明中那样的以等温方式开始并以接近绝热方式结束的可变的多变过程的做功。可以看到混合的和绝热的过程之间的差W2代表功的相当大的增加。实际的结果是在膨胀过程期间通过增加一些额外的热量，但不足以使其完全地等温，在体积变化相同时可使循环中的有效通流增大。 图3a至图3c示出了阐示本发明所描述的热力学循环的若干变体中的各个步骤的P-V图。步骤I表示由注入单元2执行的工作流体的绝热压缩。该过程将使工作流体的压力升高到一特定水平。步骤2构成了分别从该系统中的至少一个复热器32、35以及至少一个加热器33的进一步的热量供给。该过程可以等压方式实施，但是也可依据所选择的设计解决方案而有利地提高压力。在步骤3中，发生根据“PVn=常数”(其中n< Y)的多变膨胀，这意味着在膨胀过程中热量被加入。这在图3a和图3b中以n=0阐示，亦即为接近等压过程。(该过程)在图3c中被示出为多变状态。在步骤4中，发生可变的多变膨胀，其以与之前步骤相同的η开始，但以接近绝热状态结束，其中η Y。当仅考虑多变系数η的大小顺序(量级)而不考虑准确的数字时，步骤3和步骤4在任何情况下都将根据本发明来进行。在第二膨胀室中同样供给热量的实施例中，该过程将最终满足η < Y，并且曲线将随之稍微偏离图示。在步骤5中，由于在出口阀131打开并且工作流体被释放到冷却进程4中而发生压力下降，其中在给定的时间内工作流体以相对恒定的体积经历冷却。在步骤6中，发生压缩，亦即伴随冷却的驱出，一种例如可介于等温与等压之间的过程，但在此处示出为接近等温，通过在压缩期间压力稍微增大，并且P-V图接近等温线来阐示。在步骤7中，出口阀131关闭并且在恒定的体积下再次继续进行冷却。总的来说，如果冷却进程4具有一特定容积并且这些过程快速地发生，那么冷却步骤在给定的情况下可被认为是等压冷却进程。在该循环中的冷却进程(过程5以上)因此由P-V图中的步骤5、步骤6和步骤7表示。另外，应注意的是，可假设在工作流体入口 170 (也称为喷嘴)处发生阻塞过程(也称为节流过程)。该过程将在该循环中的过程2与过程3之间发生。这一备选过程并非在该循环中指定的过程，因为该循环对之前和之后的过程没有特别的影响，对该循环的描述并不重要。在加热过程2中的内压相对于该发动机的给定工作压力而言较高的假设情况下，该节流过程将通过如图中所示的步骤2与步骤3之间的压力的暴跌来阐示。在注入压力被设定为接近第一膨胀过程的选定的工作压力的情况下，该压力下降将不会很明显，如图3b和图3c中所示，并且该图的这部分随之将像图示的那样趋平。图4a到图4c示出了在该循环和所述的热机中发生的多种热交换过程的不同的P-V图。Qinl表示从一个或多个复热器32、35和/或一个或多个接连的副加热器段33供给的热量(该循环中的过程2)。Qin2表示在第一非绝热过程，或者多变膨胀过程中供给的热量(该循环中的过程3)，其中热量从下部汽缸102的热交换器(或者从用于两缸的变体的第一汽缸IOOa的热交换器)传递到第一汽缸室150中的工作流体。Qin3还表示在第二非绝热过程，或者可变的多变过程，或者多变膨胀过程中供给的热量(该循环中的过程4)，其中更多的热量被供给到还没有流出第一汽缸室150的工作流体，或者当流体流入第二汽缸室，并在该第二汽缸室进一步膨胀时，在第二汽缸室151中进一步供给热量。Qtjutl是在出口阀131打开之后随即在冷却进程4中去除的热量(该循环中的过程5，该图中的步骤5)。Qtjut2是在排出/压缩步骤期间去除的热量(该循环中的过程5，该图中的步骤6)，而Qrat3是在出口阀131关闭之后在冷却进程4中去除的最后剩余热量，并且此处几乎所有的剩余的工作流体都已排出(该循环中的过程5，该图中的步骤7 )。该热机由下列部分构成主机构/工作机构1，也称为膨胀器，其具有附属的外部部件和作为注入单元2的系统(也称为泵/压缩机)；加热进程3 ;冷却进程4 ;液体槽5 ;用于冷却流体的循环泵6 ;低温储液器7 ;用于加热流体的第一循环泵8和第二循环泵10 ;第一高温储液器9和第二高温储液器11，以及第一止回阀12，其防止流体倒流回注入单元2中。图8示出了仅具有一个高温储液器9的发动机的实施例，其中热流体可从储液器9循环到下部汽缸102中的热交换器通道162，或者如果第二膨胀室151也进行加热，则(热流体)通过热交换器260进行循环，或者还通过用于两缸的变体的第一汽缸IOOa中的热交换器160进行循环，并且在其返回到储热器9进行再加热之前通过加热进程3中的加热器段 33。图9示出了具有更广的供热系统的发动机的第二变体，其中使用两个高温储热器9、11而不是一个，并且其中第一高温储热器9是低品级的，而第二高温储热器11是高品级的，这是从高品级储热器11以比低品级储热器9高很多的温度供热的意义上讲的。主装置I连同注入单元2、加热进程3、冷却进程4、液体槽5、循环泵6、8、10、管道、软管以及(可能具有的)附属的控制单元一起为通常被视为实际的热机的部件。尽管如此，热机如无可用的储热器和储冷器(低温热源)则不能起作用，储热器和储冷器因此被包括为整个系统的一部分。加热进程3由第二止回阀31、第一复热器32以及可能的第二复热器35、加热器33以及最终的阀34构成，第二止回阀31位于注入单元2的入口处，跟随在第二止回阀31之后的是第一复热器32以及可能的第二复热器35，阀34例如可以是阻塞阀或者压力阈值阀(如循环阀)。在图6a和图6b中示出了在第二膨胀室151中具有和不具有热交换器260的发动机的工作机构的简化的原理图。图7a和图7b中示出了该发动机的两缸的变体的相应的原理图。应注意的是，为了简明起见而未示出例如密封件和阀的细节，但应理解它们是存在的。另一方面，图10示出了该发动机的一个示例性实施例，其中示出了大多数细节。以下，将参照图6a、图6b、图7a、图7b和图10。主机构由容易识别的主要部件构成，这些主要部件如汽缸组件100，具有密封件113和活塞杆114的活塞组件110，适配器115 (其具有充当活塞杆114与连接杆116之间的接触面的轴承)，曲轴117，旁路及具有阀致动器123、132 (在此示出为凸轮轴)的出口阀122、131，旁路线121，绝热密封件140 (以下也称为热密封件)，以及本领域技术人员认为该结构所需的其他常见的部件和设计，如螺栓、螺孔、轴承、密封件、润滑通道等等。发动机外壳/曲轴箱因为与本发明不相关而未示出，尽管如此，仍假设已充分关注了该发动机外壳对曲轴117、轴承、紧固件等等的气密性和润滑的设置。在热机的一个未图示的实施例中，少量的润滑油混合到工作流体中，如同在两冲程发动机中的那样。如果少量油滑的工作流体有机会从汽缸100向下渗漏到曲轴箱，将实现对曲轴117的润滑，如同在两冲程发动机中的那样，并且避免了此处的向下渗漏的问题，因为少量的渗漏将不会造成问题，而且也避免了必须对曲轴117的轴承采用单独的润滑介质的问题，否则将需要单独的润滑系统。在此方面，还假设具有能够捕获向下渗漏到曲轴箱中的流体的系统，使得流体可循环返回到可能的储液器以进行过滤，以及具有本领域技术人员认为有必要用以确保工作流体以及润滑油的完整的其他措施(如果有的话)。在最简单的情况下，汽缸组件100可由简单的机加工的部件构成，但是由于在汽缸100的多个部分与该组件的其他部件的内含物之间需要隔热，因此利用由单独的更专业化的部件构成的组件是更实际的。在所描述的本发明的实施例中，汽缸组件由被限定为顶部汽缸101、底部汽缸102和阀体103的三个主要部件构成。顶部汽缸101也称为上部汽缸，而底部汽缸102也称为下部汽缸。汽缸组件100还附接到在此处示出的密封块104，该密封块104设有槽，这些槽具有被安装用以阻挡发动机中的工作流体的渗漏的密封件105。密封块104优选地具有用于活塞杆114的圆柱形非泄漏的通道。热密封件140安装在汽缸组件100与密封块104之间。这样所具有的功能是限制朝向发动机的下部、并且主要朝向附图中未示出的发动机的曲轴箱/发动机外壳的热渗漏。顶部汽缸101可由金属或非金属的多种材料制成。在一个实施例中，顶部汽缸可由铝或者塑料材料制成，如具有很好的隔热性能的牢固的材料PEEK制成。在另一个实施例中，顶部汽缸可由具有较好的热传导性的材 料制成，随后对其涂覆提升隔热性的材料。底部汽缸102由具有较好的热传导性能的材料制成。例如，它可由铝制成。之后，可以有利地涂覆汽缸100的内部，汽缸100与具有坚固材料的活塞110接触，该坚固材料将用作为抵靠汽缸100的良好的滑动表面。该材料可以是例如铬或碳化物材料的涂层。此夕卜，这在现有的内燃机和压缩机中是已知的。汽缸100的底部不与活塞110直接滑动接触。例如，活塞110可以这样的方式形成底部的直径稍微小于上部的直径，例如仅小几百分之一毫米，但仍足以不与汽缸100接触。由此，可以提供能够促进底部汽缸102的底部中的热交换的紊流促进形状或者其他形状，使得与之进行热交换的工作流体以可能的最有效的方式被供给热量。紊流促进设计的制作，在简单的情况下可以通过将汽缸100的这部分进行喷砂，从而产生粗糙度。此外，底部汽缸102的外部形成有通道162并且还安装有密封壳体161，两者一起形成用于热交换流体的所谓的热流体的热交换器。热流体随之将热量散发到底部汽缸102，该底部汽缸则将热量散发到下部汽缸室150中的工作流体。通道162设有涡流促进装置163，该涡流促进装置例如为在此示意性地示出的设于通道壁中的隆起(elevation)的形式。阀体103构成下部汽缸室102的延伸部，并且此处的空间已经具有至少一个阀122、旁路通道124以及工作流体入口 170，该工作流体入口 170可以是注入喷嘴。阀体103基本上可以与下部汽缸102为同一个物理部件，但是由于能够将阀122与喷嘴170设置为单独的组件所具有的优点，尤其是这些优点可让步于维护等等，在该示例中阀体被实施为单独的部件/组件。在阀体103中可被加工出尽可能最适合流体流动以及死容积最低的通道和槽。阀体103还可被制造为具有用于热流体的单独的进程，使得在下部汽缸102的延伸部中该阀体还可起到热流体和与其接触的工作流体之间的热交换器的作用。活塞组件110，也称为活塞，由活塞头111、滑动活塞112、 ^■封件113、活塞杆114以及活塞杆适配器115构成。这些部件以公知的附接方法彼此附接。除了起到工作流体与发动机之间的能量传递的作用之外，活塞110还起到上部汽缸室151与下部汽缸室150之间的普通的可移动分隔件的作用。由于活塞110在其上部轴向端与下部轴向端之间可以是隔热的，因此例如顶部汽缸101的活塞头111可由绝热材料制成，或者其可由涂覆有具有较好的绝热性能的不同材料层的材料制成。滑动活塞112也可由多种材料制成，但是其必须能够适于抵靠汽缸100的滑动表面而滑动。在该示例中，滑动活塞112可由铝合金制成，这在内燃机和其他活塞机器中是常见的。滑动活塞112被制造为具有用于密封件113的一个或多个环形周向槽，这同样与内燃机中的活塞类似。活塞组件110还包括由金属制成的活塞杆114。该活塞杆114可呈管形以使其质量最小化，并因此使重量最小化。杆114还可涂覆有高强度材料层，以使其应当适于抵靠密封块104中的内表面滑动，密封块104具有用于活塞杆114的孔。在活塞杆114的端部上安装有适配器115，该适配器的主要功能是使活塞杆114的直线运动与安装在变速箱中的轴承中的连接杆116的旋转运动相适应。另外，适配器115具有用于活塞杆114的一个轴向端部的密封件的功能，使整个活塞组件110能够封闭一内部体积。该体积可以被排空从而实现真空，由此可在期望时使活塞组件110具有提闻的隔热效果。密封块104的主要功能是充当活塞杆114以及密封件的通道，使得在下部汽缸室 150中的工作流体不会渗漏出来。在一个实施例中，密封块104制成有内部槽，这些内部槽则设有密封件105，活塞杆114由此将抵靠密封件105滑动。在另一个实施例中，活塞杆114借助外部槽和密封件(未示出)以与滑动活塞112相同的方式制成，并且因此密封块104的通道将是如同在四冲程奥托发动机中的汽缸中那样的连续的滑动表面。密封块通道因此优选地为圆筒形，而不具有如第一示例性实施例中那样的用于密封的槽。活塞110的直线运动最后传递到曲轴117，曲轴117将实现像普通内燃机中那样的旋转运动，并且曲轴117可像发电机那样进一步连接到功接收器(未示出)，使得该发动机可产生用于生产能量之类的功。在第一汽缸室150与第二汽缸室151之间形成可供工作流体经过的旁路120。旁路120开始于阀体103中的旁路通道124中，经过可以为金属管的通道121，并且进一步进入顶部汽缸101，其中旁路120 (以及通道121)的出口 120b设置在第二汽缸室151中。旁路端部120a、120b以这样的方式设置在汽缸组件100中的活塞110在极限位置之间的移动期间，这些旁路端部不能被活塞110关闭，而是仅通过操作旁路阀122来关闭。旁路120构成通道，使第一汽缸室150中的工作流体能够进一步膨胀到第二汽缸室151中，因为在活塞110的运动期间第二汽缸室151比下部汽缸室150的运动期间具有更大的总体积，并且还具有更大的体积改变。换言之，顶部汽缸101比底部汽缸102的dV/ds更大，dV是相对于由ds表示的活塞110的直线位置改变的体积改变。这种体积的差是由于活塞杆114仅处于底部汽缸102的容积中，随后使该容积大部分发生移位。因此，顶部汽缸101的完全膨胀的容积将通过活塞110的冲程和整个端部面积而得出，而底部汽缸102的体积将通过相同的冲程得出，但是活塞面积在此处被限制为径向内部汽缸面积与径向活塞杆面积之间的差。在最简单的情况下，注入喷嘴170可以是以流体密封的方式安装在阀体103中的机械加工的孔中的管件。该注入喷嘴还可进一步被安装为使流出该喷嘴的流体流动方向相对于下部汽缸室150的内壁呈切向。这样可有助于提高如上文所描述的传热率。发动机的运行模式可被描述如下
工作流体处于液体槽5中，并且经由第一止回阀12吸入到注入单元2中，并进一步经由第二止回阀31被泵送到加热进程3。在加热进程3中，工作流体首先经过第一复热器32，其中工作流体从来自热机的工作机构I的完全膨胀的排放的工作流体中接收一些剩余热。进而，工作流体穿过第一加热器33，其由于循环泵8在储热器9与加热器33之间循环热流体而从第一储热器9接收热量。此外，在如图9中示出的另一个示例性实施例中，流体可从第二复热器35中接收更多的热量，该第二复热器中传递处于比第一复热器中的温度更高的剩余热。之后，当活塞110处于底部位置时，工作流体流经阀34并且经由喷嘴170进一步注入到第一汽缸室150 (见图12)。在图中未示出的一个示例性实施例中，工作流体还流经直接设置在喷嘴170之前或之后的另一个加热器(未示出)。所有的或某些部分的工作流体在注入之后将逐渐变成气态形式。在第一汽缸室150中，被加热的流体的压力导致活塞110的下表面被施加力，并且活塞110被向上推。因为循环泵8、10分别使热流体在储热器9、11与热交换器160之间循环，由此下部汽缸102接收热量，热交换器160由形成在下部汽缸102的外部上并且被加热壳体161围绕的外部 流体通道162所形成。这些热量的一部分经由下部汽缸102的汽缸壁进行热交换，并且在工作流体受移向顶部位置(见图13)的活塞110的作用而膨胀时进入到该工作流体中，并且因此在该膨胀期间供给额外的热能。(在图12到图15中给出曲轴沿箭头所指示的顺时针旋转。)这使得可能仍然处于液态形式的工作流体在膨胀期间将继续蒸发。当活塞110大致处于顶部位置时(图14)，旁路阀122被阀致动器123打开，使其状态从关闭变化为打开，使工作流体流过旁路120，使得当活塞110下行时，工作流体从第一汽缸室150进一步膨胀进入到第二汽缸室151 (图15)。在图示的实施例中，第二汽缸室151与发动机的其余部分及周围环境充分地隔热，使得在此处没有显著的热量传递到工作流体或者从这些工作流体中传出。仍处于第一汽缸室150中的工作流体在进一步膨胀中被供给更多的来自的第二汽缸室151的壁的热量，因此此处的膨胀将是非绝热的，例如是多变的、等温的、等压的或者处于它们之间的状态。工作流体的流入到旁路120并且进一步流入到第二汽缸室151中的那些部分将不被供给任何额外的热量，因而此处的膨胀是绝热的或者至少是接近绝热的。当活塞110再一次达到底部位置(图12)，工作流体的膨胀完成并且出口阀131被附属阀致动器132打开而改变其位置，并且工作流体开始通过出口 130流出第二汽缸室151，并且进一步流动到热机冷却进程4中，该热机冷却进程4包含一个或多个复热器32、可能具有的复热器35，以及冷却器41，还有辅助管道、软管以及其他相关部件。由于曲轴117的旋转运动，活塞110将相对地稍微围绕底部位置而移动，并且一些工作流体之后将承受以相对恒定的体积冷却，总体积由第二汽缸室151的体积和冷却进程4的体积的总量构成。当活塞110之后再一次从底部位置出来并且上行时(图13)，它将剩余量的工作流体压入冷却进程4，并且进一步的冷却将发生。当活塞110再一次达到顶部位置时，它几乎已经从第二汽缸室151中移出了全部量的工作流体，并且出口阀131关闭，使得工作流体仅在冷却进程4中存在，其中它(工作流体)最终承受进一步的冷却，但是再一次处于恒定的容积，因为冷却进程4的容积由于仅由相对稳定的部件构成将基本上不改变。在冷却进程4中，工作流体将再一次冷凝成纯液体，并且该循环完成了。因为该过程始终具有充足的工作流体可用，液体槽5设置在冷却进程4的出口处，并且可根据需要使过剩的工作流体在此流入和流出。在图17中示出了本发明的工作机构的基本的示例性实施例，其具有双动汽缸组件IOOa和与第一膨胀室150热接触的第一热交换器160，以及与第二膨胀室151热接触的第二热交换器260，膨胀室150、151又连接到单动的接近绝热的第二汽缸组件IOOb中的第三膨胀室151’。为了清晰起见，其他相似的元件由后缀“a”和“b”标示，例如第一汽缸IOOa的活塞IlOa和第二汽缸IOOb的活塞110b。在图18中示出了与图17中的示例类似的本发明的工作机构的基本示例性实施例，但是该工作机构具有两个单动汽缸100a、100b，这两个单动汽缸IOOaUOOb具有各自的带有内部热交换器160、260的膨胀室150、151，这些膨胀室150、151又连接到另一个接近绝热的单动汽缸中的第三膨胀室151’。为了清晰起见，其他相似的元件以与上述图17所用的方式相同的后缀“ a”、“b ”和“ c ”标示。在图19中示出了本发明的工作机构的非常简单的基本示例性实施例，其中仅一 个单动汽缸组件100与附属的活塞110共同在同一汽缸容积中限定两个汽缸室150、151，并且其中热交换器160仅围绕第一工作室150设置。此处，可将两个工作室150、151之间的界面视为具有虚拟的端部120a、120b的虚拟工作流体旁路120。当活塞110在其顶部位置关闭第一和第二汽缸室150、151之间的连接时，活塞110将起到旁路阀122的作用。参考资料美国专利
权利要求
1.一种用于在热机或者热泵中与工作流体进行热交换或功交换的方法，其中该方法及其子过程在用于热泵时与用于热机时基本相反，在该方法中，该工作流体的热力学循环通过多变关系式PVn=常数来近似地描述，其中P是压力，V是体积，而η是具有绝热指数伽马(Y )的工作流体的多变指数，并且其中该发动机由至少一个工作机构(I)组成，该工作机构设有第一容积改变室(150)以及至少一个第二容积改变室(151、151’)，其特征在于，该方法至少依次包括下列步骤 a)在第一体积改变过程中，在该第一容积改变室(150)中执行工作流体的第一多变体积改变，其中η < Y，以及 b)在第二体积改变过程中，执行从该第一容积改变室(150)到该第二容积改变室(151)的工作流体的至少一个接近绝热的或者多变的第二体积改变，其中η < Y，或者其中体积改变以η < Y开始而以接近绝热(n ^ Y)结束。
2.根据权利要求I所述的方法，其中该方法依次包括下列步骤 在第一过程中，执行工作流体的等压体积改变； 在第二过程中，与该工作流体进行热交换； 在第三过程中，执行根据以上步骤a)的第一体积改变过程； 在第四过程中，执行根据以上步骤b)的第一体积改变过程； 在第五过程中，与该工作流体进行热交换，其中热量流动方向与该第二过程中的热量流动方向相反。
3.根据权利要求I所述的方法，其中该方法依次包括以下步骤 在第一过程中，执行工作流体的绝热压缩； 在第二过程中，向该工作流体供热； 在第三过程中，执行根据以上步骤a)的第一体积改变过程，其中该体积改变过程包括膨胀； 在第四过程中，执行根据以上步骤b)的第二体积改变过程，其中一个或多个所述体积改变过程包括膨胀； 在第五过程中，冷却该工作流体。
4.根据权利要求3所述的方法，其中该方法依次包括以下步骤 该第一过程包括借助注入单元(2)将工作流体从低压向高压泵送； 该第二过程包括将热量供给到设置在所述容积改变室(150、151、151’)外部的加热进程(3)中的工作流体； 该第三过程包括在第一容积改变室(150)中注入工作流体并使其膨胀，并且同时将热量从与第一容积改变室(150)热接触的至少一个热交换器(160)供给到流体； 该第四过程至少包括使该工作流体从第一容积改变室(150、151)经由工作流体旁路(120、120’)到第二容积改变室(151、151’)而进一步膨胀；以及 该第五过程包括在设置于膨胀室(150、151、151’)外部的冷却进程(4)中冷却该工作流体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该第四过程更具体地包括使该工作流体从第一容积改变室(150)经由工作流体旁路(120)到第二容积改变室(151)而进一步膨胀。
6.根据权利要求4所述的方法，其中该第四过程更具体地包括在第一步骤中，使该工作流体从该第一容积改变室(150)经由工作流体旁路(120)到该第二容积改变室(151)而进一步膨胀并且，在第二步骤中，使该工作流体从该第二容积改变室(151)经由第二工作流体旁路(120’)到第三容积改变室(151’)而进一步膨胀。
7.根据权利要求2到6中任意一项所述的方法，其中该第四过程还包括将热量从与该第一容积改变室(150)热接触的至少一个热交换器(160)进一步供给到工作流体的全部或部分。
8.根据权利要求2到7中任意一项所述的方法，其中该第四过程还包括将热量从与第二容积改变室(151)热接触的至少一个热交换器(260)进一步供给到工作流体的全部或部分。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中该工作流体在液态形式与气态形式之间交替变化。
10.根据权利要求4到9中任意一项所述的方法，其中在该第三过程中的工作流体初始时呈液态形式，由于该工作流体被以足够高的压力注入到该第一容积改变室(150)中，使得在该注入操作期间保持为液态形式。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中该工作流体在该第一过程中呈液态形式；在该第二过程中呈液态形式；在该第二过程中完全地或部分地呈超临界状态；在该第三过程中完全地或部分地呈气态形式；在该第三过程中基本上被汽化；在该第四过程中可能被进一步汽化；以及在该第五过程中基本上被冷凝。
12.—种热机装置，或者其中装置及其子部件实质上被设置成用于相反的功能的热泵装置)，该装置具有至少一个工作机构(I )，该工作机构设有第一容积改变室(150)和具有一个或多个附属移位机构(110、110a、110b、IlOc)的至少一个第二容积改变室(151、151’)，其中至少一个热交换器(160)至少与该第一容积改变室(150)热接触并且围绕至少该第一容积改变室或者被该第一容积改变室围绕，所述容积改变室(150、151、151’)通过至少一个工作流体旁路(120、120’)以流体连通的方式接连地连接，该第一容积改变室(150)具有工作流体入口( 170)并且最后的容积改变室(151、151’)具有工作流体出口( 130)，其特征在于，该工作流体入口( 170)、该工作流体出口( 130)以及所述至少一个工作流体旁路(120、.120’)设有阀(34、122、131)，所述阀被同步以便保持从该第一容积改变室(150)并且通过所述至少第二容积改变室(151、151’)接连流动的有序的工作流体，该工作流体沿着从该工作流体入口(170)到该工作流体出口(130)的流动方向通过所述容积改变室(150、151、.151’ )而被有序地传送。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述容积改变室(150、151、151’)具有连续地增加或减少的容积。
14.根据前述权利要求12到13中任意一项所述的装置，其中所述容积改变室(150、.151、151’)被设置为具有作为所述膨胀室的功能。
15.根据前述权利要求12到14中任意一项所述的装置，其中所述工作流体旁路(120、.120’ )借助至少一个旁路阀(122)而能被关闭。
16.根据权利要求15所述的装置，其中在工作流体在所述容积改变室(150、151、151’)之间移动期间，所述容积改变室(150、151、151，)与各自的旁路端部(120a、120b、120a，、.120b ’)之间的流体通道被保持在一个或多个所述移位机构(110、110a、110b、I IOc )的任何工作位置。
17.根据前述权利要求12到16中任一项所述的装置，其中所述容积改变室(150、151、151’)一起被设置为能够执行工作流体的体积改变过程，使得该工作流体被几乎完全地从该第一容积改变室(150)移动到该第二容积改变室(151 )，随后进一步地，所述容积改变室(150、151、151，)的移位机构(110、110a、110b、110c)被以机械方式同步。
18.根据权利要求17所述的装置，其中在全部或部分的运行状态中的机械同步保持具有依次相反的符号的、不同的容积改变室(150、151、151’)之间的移位，使得当该第二室的容积(151)减小时，该第一容积改变室(150)的容积将增加，反之亦然。
全文摘要
本发明描述了一种用于在热机或者热泵中与工作流体进行热交换和功交换的方法，其中该方法及其子过程在用于热泵时与用于热机时基本相反，在该方法中，该工作流体的热力学循环是通过多变关系式PVn=常数来近似地描述，其中P是压力，V是体积，而n是具有绝热指数伽马(γ)的工作流体的多变指数，并且其中该发动机由至少一个工作机构(1)组成，该工作机构设有第一容积改变室(150)及至少一个第二容积改变室(151、151’)，该方法至少依次包括以下步骤a)在第一体积改变过程中，在第一容积改变室(150)中执行工作流体的第一多变体积改变，其中n＜γ，以及b)在第二体积改变过程中，执行从第一容积改变室(150)第二容积改变室(151)的工作流体的至少一个接近绝热的或者多变的第二体积改变，其中n＜γ，或者体积改变以n＜γ开始并且以接近绝热(n≈γ)结束。本发明还描述了一种用于实施该方法的热机装置。
文档编号F02G1/057GK102893008SQ201180023948
公开日2013年1月23日 申请日期2011年3月25日 优先权日2010年3月26日
发明者哈拉尔德·里斯拉内斯 申请人:维金热引擎有限公司