用于利用废热或地热的方法和热力发动机的制作方法
【技术领域】
[000? ]本发明涉及一种方法和一种改进的热气热力发动机，所述方法和热气热力发动机 用于利用废热或地热或者一般来说利用具有相对低的温度水平、尤其是在最高约至水的沸 点的温度范围中的热量，所述方法和热气热力发动机尤其是用于产生电流。这些种类的热 量至今不能被用于产生电流或一般来说不能被用于产生功率，因为常规的发动机由此不能 够运行以驱动发电机。
【背景技术】
[0002] 不同于通常的活塞式发动机或者气体或蒸汽涡轮机，热气热力发动机利用在发动 机内部残留的并且不被替换的气体工作。
[0003] 热气发动机以斯特林发动机的结构已知。在始终需要两个活塞的斯特林发动机中 存在持久被加热的气缸区域和持久被冷却的气缸区域，工作气体在这两个气缸区域之间往 复运动。工作气体在被加热的气缸室中膨胀并且做功并且在被冷却的气缸室中再次被压 缩。
[0004] 在已知的斯特林发动机中不利的是，为了对热的气缸室加热而供应的全部热量必 须穿过厚的气缸壁被供应，这虽然能够实现利用每种任意类型的可供应给气缸壁的热量， 但将显著的迟钝性（TrSgheit)强加于斯特林发动机。在如下情况下也增强该迟钝性，即 工作气体在每个周期中都必须通过相对窄的通道在热的气缸室和冷的气缸室之间移动。此 外，热的区域和冷的区域在斯特林发动机中不可以被调换。因此利用斯特林发动机不能实 现较大的能量。
【发明内容】
[0005] 因此，本发明的任务在于，提供一种方法和一种改进的热气热力发动机，利用所述 方法和所述改进的热气热力发动机可以实现很大的功率，并且利用所述方法和所述改进的 热气热力发动机尤其是可以实现明显更强的热量输入，以便可以实现尤其是用于发电的机 械功。
[0006] 在此，本发明的目的尤其是，可以有效地利用废热或具有相对低的温度水平的热 量，所述废热或热量除了加热目的之外在其它方面几乎不可再被利用。
[0007] 按照本发明，该任务通过在权利要求1中给出的方法和在权利要求2中给出的热力 发动机解决。本发明的有利的扩展方案和设计是从属权利要求的主题。
[0008] 基于将载热介质、优选热水喷射到气缸室中实现直接从分子至分子且没有延迟地 将热量输入到按本发明的热气热力发动机的气缸室中。所输入的热量与气缸室表面的大小 无关，但可以通过被喷射的载热介质的量被控制。由此，这与在通过气缸壁的单纯的热传导 通道的情况相比，在相同大的气缸室中在单位时间内可以将明显更多的热量输入到气缸室 中。
[0009] 液体的载热介质、优选水优选可以通过吸收废热而被升温。所述废热例如可以来 自发电站设备的冷却塔，其中，由冷却水在其流过冷却塔时吸收的热量在热气热力发动机 中作为有用热量被使用。由此之前不可再利用的废热被转变为有用热量并且同时减轻环境 负担。同样地，来自工业过程的其他类型的废热也可以转变为可用的能量。
[0010]按本发明的改进的热气热力发动机与已知的斯特林发动机的原理的十分明显不 同在于，所述热量输入不是通过穿过气缸壁的热传导实现，而是通过将液体的载热介质直 接喷射到气缸室中实现。所述喷射以微滴云的形态实现，使得液体的载热介质尽可能快速 和强烈地与在气缸室中的气体相接触，并且在载热介质和气体之间的热交换快速且强烈地 进行。基于重力微滴然后从升温的气体中分离出，并且由于热交换冷却的载热液体在气缸 室的底部区域中聚集并且在那里穿过开口流到液体收集室中。处于气缸中的、处于压力下 的气体由于吸收来自被喷射的液体的载热介质的热量而进一步膨胀并且驱动活塞(在往复 运动的活塞的情况下沿着气缸驱动活塞，或者在旋转活塞的情况下沿着圆形轨道驱动所述 活塞）。通过载热液体的热量输入被加热的气体通过做功冷却并且在冷却的气缸壁上再次 冷却并且在重新输入热量时可以再次被加热。
[0011 ]载热介质必须是液态的，由此该载热介质由于重力与处于气缸中的、处于压力下 的气体分离。但也可能的是，使用在一定温度范围内的湿蒸汽，该湿蒸汽导致:湿蒸汽由于 放热而冷凝到处于气缸室中的气体上并且作为冷凝水落下。
[0012] 用于已使用的载热介质的收集池当然是封闭的并且处于气缸室的压力下。所述液 体按照需要可以根据在收集室中的液位由阀控制地从收集室中排出。所述控制可以例如通 过浮子阀实现，当有足够的冰晶聚集在浮子阀上时，所述浮子阀也通过重力盖、阀盖被打 开。
[0013] 在按本发明的具有往复运动的活塞的热力发动机的方案中，气缸水平地设置，并 且在气缸中在活塞两侧分别形成一个气缸室。热的载热介质交替地被喷射到其中一个气缸 室和另一个气缸室中并且将处于相应的气缸室中的气体加热，使得所述活塞相应地从正被 加热的气缸室朝向另一个气缸室移动。
[0014] 在具有旋转活塞的热力发动机的设计中，例如在汪克尔发动机中构成的、在横截 面中大致三角形的活塞在自身和壳体3的内壁之间形成伴随旋转活塞循环变化的并且因而 在体积中变化的室。在那里，所述热的载热介质始终在相同的位置中被喷射。在相关的室伴 随活塞的旋转进一步运动时，通过重力分离从气体中分离出的冷却的载热介质到达通至收 集室中的排出开口，并且壳体壁的沿着周边方向在后面的区域被冷却，由此气体可以被冷 却，而相关的室伴随活塞的旋转进一步运动至如下位置，在该位置中热的载热介质被重新 喷射。
[0015] 在气缸室或工作室中的气体优选是空气，但也可以是其它任何气体。因为由于液 体的载热介质的持续通过，气体可能溶解在该载热介质中并且可以与已使用的载热介质一 起到达机器外面，所以气缸或壳体设有气体进气阀，通过该气体进气阀可以使处于工作压 力下的气体从压缩气体源补充地流到气缸室或工作室中，以便维持其中的气压。
[0016] 气缸壁或壳体壁的冷却可以借助于冷却介质实现，该冷却介质循环地通过在气缸 壁或壳体壁中的冷却通道。在此也可以使用制冷剂作为冷却介质，该制冷剂将气缸壁或壳 体壁冷却至环境温度以下，以便加速气体的冷却并且使得在喷射载热介质时刻在热的液体 的载热介质和气体之间的产生尽可能大的温度降。在该情况下，气缸壁或壳体壁通过隔离 部相对于外界空气或环境被隔离，以便来自环境的热量不可以进入气缸壁或壳体壁中。
[0017] 但该再冷却作用也可以通过由斯特林致冷机已知的热力学作用产生，其中，封闭 的空气量被周期地等温压缩、等容地冷却、等温地降低压力和等容地再次被加热。这通过在 活塞顶中设置的用于能量缓存和通流至相反侧的换热器实现。
[0018] 当然，在具有旋转活塞的热力发动机的实施方式中，换向不是必需的，因为旋转活 塞连续地旋转运动。在具有往复运动的活塞的实施方式中，周期性的换向是必需的，由此控 制热的载热介质引入其中一个或另一个气缸室中。这可以借助于受控的阀、例如以旋转滑 阀形式的阀实现，以便控制所述热的载热介质供应到其中一个或另一个气缸室中，并且必 要时在其间短暂地中断。阀控制在此可以根据活塞位置进行，该活塞位置可以通过机械的 或其他传感器被检测到，这些传感器配置给气缸室，以便检测活塞的相应设置的端部位置 的到达，或者这些传感器可以设置在气缸的中间区域中，以便响应于在活塞周边上的配合 元件。为了进行再冷却，换热器连接在排出口和进入口之间。
[0019] 活塞优选构造为柱塞，该柱塞以其活塞裙具有相对大的轴向的延伸长度，但在该 柱塞的中间区域中分别设有大的、使气缸室的体积变大的凹部。在活塞裙的大的轴向长度 的情况下，在活塞裙和气缸壁之间的间隙可以设计成，使得活塞在一定程度上在气膜上滑 动，或者也在聚四氟乙烯轨道上滑动，并且基于窄间隙的长度确保非常