专利名称：具有工质的内部闪蒸的活塞式蒸汽机的制作方法
具有工质的内部闪蒸的活塞式蒸汽机
背景技术：
目前现有的活塞式蒸汽机利用由蒸汽发生器准4^好的蒸汽工作。通过 入口阀和出口阀输送蒸汽，使得高压蒸汽到达汽缸空间内，活塞在汽釭空
间内运动，在此期间蒸汽压力降低并接着通过活塞射出汽缸空间之外。
活塞式蒸汽机所需的蒸汽发生器通常包括热转换器，工质一一例如 水__在热转换器中以所期望的工作压力汽化。在此，汽化过程所需的 热由载热介质__例如废气一一提供。相对地，蒸汽发生器内的栽热介 质被冷却到工质的汽化温度范围内的某一温度。
在另一解决途径中，试图在旋转机(Schraubenmaschine)中实现 所谓的闪蒸。在此要提及多特蒙德大学的考得(Kauder)教授的工作。 尽管如此，旋转机在原理上的缺陷是不容忽视的。
在旋转机中，压缩比或膨胀比——在后面也被称作体积比——为大 约4到最大的8。与之相反，在活塞式蒸汽机中体积比可以达到100以 上。
在工质与旋转机的壁之间的传导热交换量很大，因为存在形成完全 的两相流(Zwei-Phasen-Str6mung ),此外热交换的面积4艮大。
旋转机的体积效率因结构形式所限而相对较差，并且不能象在活塞 式蒸汽机中那样通过密封圏或活塞环来降低泄露损失。
在其他公知且在市场上可以买到的热力机械中，例如常规的活塞式 蒸汽机、按照有机朗肯循环(Organic-Rankine-Cycle )工作的ORC机、 朗肯机(Rankine-Maschine)或者汽轮机，首先当热源处于相对低的温 度、例如200X:时，从现有的热源中只获得相对小的机械效率。
为了尽可能好地利用载热介质的热中所含的有效能，热源的载热介 质应该在尽可能可逆的过程中被冷却到环境温度。
在公知的热力机械的蒸汽发生器中，热源的载热介质通常仅冷却到接近汽化温度或凝结温度的温度。在此，载热介质例如从200C冷却到 140匸，而没有冷却到环境温度。尤其是在仅有处于相对较低温度水平 的热可供使用的时候，该热最终仅有微小的部分能够转换成机械能，热 源的载热介质相对高的最终温度和因此伴随的微小有效能效率对于热 力机械的工作效率和经济性尤其不利。
此外，在上面所提到的某些热力机械，部分采用有毒或有害的工作 介质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热力机械，该热力机械至少部分克服上 述在现有技术中公知的热力机械的缺点。此外，根据本发明的热力机械 还应将尽可能高的可供使用的热的部分转换成机械功。
才艮据本发明，该目的由如权利要求1前序部分所述的活塞式蒸汽机 如此实现，当活塞位于上顶点(OT)区域内时，液体形式的工质至少 间接地被引入活塞式蒸汽机的工作空间内。由此，可以在根据本发明的 活塞式蒸汽机中将工质的液相和汽相分开，从而液相仅在微小的程度上 与活塞式蒸汽机的壁相接触。在试验结构中，例如仅有2%的工作空间 表面净皮工质的液相所湿润。因此明显降4氐热损失。
在根据本发明的活塞式蒸汽机中，将有压力的、液体形式的热工质 直接或间接地引入工作空间。由于活塞式蒸汽机中的压力和温度， 一旦 工质被引入活塞式蒸汽机中，工质就开始汽化。在此其间产生的蒸汽压 力驱动活塞。
在活塞的运动过程中，汽缸体积变大并且更多的工质汽化。在汽化 过程中，工质的液态部分冷却。在压力降低的过程中，工质的汽态部分 也冷却。由于该过程，根据本发明的活塞式蒸汽机的效率，尤其是有效 能效率和功率相对于其他热力机械明显提高。
在本发明的一个有益的设计方案中，设置至少一个预燃室，该预燃 室与工作空间连接，其中工质最好引入预燃室中，尤其优选引入预燃室 中的类似环形的轨道上。液相的类似环形的轨道引起离心力，这使液相 因高密度而沿径向向外剧烈加速。在工质的闪蒸过程中所产生的蒸汽具有比液相明显小的密度，并且能够流到汽缸空间中，因为在预燃室与工 作空间的连接在预燃室中心连通到该预燃室内。径向加速度导致液相不 能从预燃室溢出。因此，实现了很简单且同时有效的相分离。预燃室的 体积应尽可能地小。
在本发明的另 一设计方案中，每个汽缸设置有均与工作空间相连接 的多个预燃室和/或多个喷射器。由此可以根据在工作沖程中工作空间 内存在的压力和/或在工作空间内存在的温度和/或活塞的位置，将不同
温度的工质依次地引入预燃室和/或工作空间内。因此，由于在根据本 发明的活塞式蒸汽机中的混合过程而能够在没有效能损失的情况下结 合不同温度的工质。
当多个入射阀依次向预燃室或工作空间内射入时，要注意的是，已 经处于旋流中的工质由于该入射过程不被汽化或者排出。
可替代地同样可以的是，将工质全部或部分地直接引入工作空间 内。在此，在入射过程中能够将液态的工质喷射成雾状，并以小液滴的 形式散布在工作空间以及预燃室(如果有的话)之内。通过工质的液滴 与气相之间的摩擦，避免了液滴与活塞式蒸汽机的表面之间的直接接 触。因此还很大程度地减少了液滴与活塞式蒸汽机的表面之间的、不希 望出现的热交换。
象在常规的汽油内燃机或柴油内燃机的燃料喷射系统中所使用的 喷射器可以用作本文的喷射器。不言而喻，商业上通用的喷射器需要与 特定的应用条件，尤其是局部极高的温度和腐蚀性的工质相适应。
当载热介质的温度为200"C到350X:时，水被证明是特别合适的。
当温度为大约150x:到20ox:的热或废热可供使用时，曱醇被证明 是特别合适的。
当温度为大约IOO"C到150r的热或废热可供使用时，戊烷被证明
是特别合适的。
当温度为大约IOO"C的热或废热可供使用时，四氟乙烷(R134a)被 证明是特别合适的。另外被证明是有益的是，活塞式蒸汽机的与液态工质相接触的表面
设置有内部的和/或外部的绝热装置(WarmedSmmung )。
内部的绝热装置具有特殊的意义，以防止冷却的液态工质被活塞式 蒸汽机的旋流器壁或其他表面吸收传导热。设置在工作空间或旋流器内 壁上的绝热涂层例如可以是特氟隆(Teflon )、瓷漆(Email)或者陶瓷。
可替代地或可附加地，活塞式蒸汽机的与工质相接触的表面被加 热，以便有效地抑制工质在该表面上的冷凝。当通过闪蒸过程 (Flashprozess )产生气相时，则该气相所能够接近的机械部件的温度 必须大于具有刚好存在的气压的工质的冷凝温度。如果部件的表面更 冷，则产生的气相在该表面上突然冷凝，而冷凝的相不再能够驱动活塞， 并且将降低机器的功率和效率。
本发明的其他优点和有益的设计方案可以从附图、附图的说明和权 利要求书中得到。所有4S开的特征既可以单独地也可以彼此结合地构成 发明的本质。
图l和2示出了根据本发明的、带有旋流器的活塞式蒸汽机的实施
例；
图3示出了根据本发明的活塞式蒸汽机的预燃室；以及
图4示出了根据本发明的、带有注入到工作空间内的喷射器的活塞 式蒸汽机的实施例。
具体实施例方式
图l举例显示了根据本发明的活塞式蒸汽机的第一实施例的结构， 该活塞式蒸汽机具有预燃室13、活塞3、汽缸5、连杆7和能够与未图 示的发电机(Generator)相耦接的曲轴9。
活塞3和汽缸5限定了工作空间11。预燃室13与工作空间11相连 接。用于工质的输入管路15和输出管路17连通到预燃室13中。工质 的输出管路17也能够直接连通到工作空间11中(未示出)。在液态工质的输入管路15内设置可关闭的入口岡19。借助于能够 构造成喷射器的入口岡，能够将液态工质射入预燃室13中。优选当活 塞3处于上顶点OT区域内时进行射入。
因为预燃室13中的压力在射入时刻低于输入管路15中的工质压 力，在射入工质之后紧接着在预燃室13内进行所谓的闪蒸。结果在预 燃室13和与预燃室13相连接的工作空间11内的压力升高，使得活塞 朝下顶点UT的方向运动，并同时对曲轴9 4故功。
当活塞3处于下顶点UT区域内时，位于工质的输出管路17内的、 可关闭的出口岡21打开，活塞3在其接下来的运动过程中朝方向OT 运动并将残留的液相和变成汽态的工质推出工作空间11。
输出管路17首先用于将残留在预燃室13内的液相引出。通过输出 管路17也能够引出变成汽态的工质。替代地，在工作空间ll内还可以 设置附加的蒸汽阀22，该蒸汽阀22用于引出变成汽态的工质。蒸汽阀 22可以构造成盘形阀并象内燃机的换气阀那样由凸轮轴(未示出)构造 和操纵。
当在封闭的回路中引导工质时，工质的输出管路17.1连通到冷凝 器23。通过蒸汽阀22引出的工质能够通过输出管路17.3引导到冷凝器 23中。工质在那里又重新液化并接着由泵25输送到热交换器27中。工 质从那里通过输入管路15又到达预燃室13中。
图2显示了根据本发明的活塞式蒸汽机的结构，该活塞式蒸汽机具 有两个预燃室13.1和13.2、两个工质的输入管路15.1和15.2。在输入 管路15.1和15.2中i殳置有两个可关闭的入口阀19.1和19.2。
活塞式蒸汽机的其他部件及其外围设备能够像根据图1的第一实施 例所实施的那样与之相关。
在第一输入管路15.1中的工质比在第二输入管路15.2中的工质的 温度高。因此，首先将一定量的、第一输入管路15.1内的工质引入第一 预燃室13丄在那里，这些工质汽化并对活塞3做功。同时工作空间11 和预燃室13.1和13.2内的工质的压力和温度降低。 一旦工作空间11和 预燃室13.1和13.2内的工质的温度接近第二输入管路15.2内的工质的温度，通过短暂打开第二入口阀19.2而将尚处于活塞3的同一工作行程 内的工质从第二输入管路15.2引入第二预燃室13.2中。在引入预燃室 15.2中之后，该工质立即汽化并对活塞3做功。
通过本发明的活塞式蒸汽机的这个实施例，能够利用在两个温度水 平可供使用的热。由此，例如能够最理想地利用内燃机的废热，因为在 内燃机中排出温度高于200"C的废气，而冷却剂和油的温度为大约120 匸。为了使工质处于两个不同的温度水平，需要利用废气的废热运行的 第一热交换器(未示出)和利用冷却水和油的废热加热的第二热交换器 (未示出)。
首先射入温度为200X:的较热的工质。如果该工质冷却到120r， 则射入大约120"C的热工质。可以用所述的活塞式蒸汽机将内燃机的与 燃烧热相关的效率提高大约10%。
本发明的活塞式蒸汽机按照两冲程原理工作。省略一个吸入冲程和 压缩冲程。在活塞的上顶点OT区域内，出口阀21关闭，然后通过入 口阀19射入工质。如上所述， 一部分工质在活塞3的从OT到下顶点 UT的行程路径上汽化。在UT区域内，出口阀21打开。在活塞3的从 UT到OT的行程路径上，通过出口阀21射出残留的液相和所产生的气 相。液相和气相在此能够经过同一个出口阀21或者设置分开的阀。
在本发明的活塞式蒸汽机中，将热的液态工质在压力下射入到活塞 式蒸汽机的预燃室中。工作介质可以使用无害的水。
图3显示了用于本发明的活塞式蒸汽机的预燃室13的结构。预燃 室13构造成类似于旋流分离器。输入管路15、输出管路17和阀19和 21是隐含的。
液态的工作介质大致切向地射入预燃室13内，并在径向外侧的环 形轨道运动。在闪蒸中产生的蒸汽由于其密度很小而被压到预燃室13 的中心，从而在预燃室13内进行液态和汽态的工质的分离。在预燃室 13的中心设置有连接29,该连接29连通到工作空间11。通过连接29， 汽态的工质从预燃室到达工作空间11。
当预燃室13设置在连接29和图3中未示出的工作空间11下方时，重力另外支持液相和汽相的分离。
为了使所产生的蒸汽不凝结到工作空间内的表面上，活塞3、汽缸 5和预燃室13的相关表面必须制成为加热的和/或绝热的。为了没有热 从加热的表面释放到工质的液相，能够采取两种可替代的措施。
预燃室13在几何形状上构造成使得射入的工质的液相能够稳定地 沿环形轨道运动。在此情况下将预燃室13称为旋流器。在环形轨道上 出现的离心力用于使所产生的蒸汽能够逸入到活塞式蒸汽机的汽缸空 间内，而液态的载热介质留在环形轨道中，其中蒸汽由于密度4艮小受到 很小的离心力作用，而在热介质由于密度大而受到较大的离心力作用。 实验显示，以这种方法在汽化过程中实现相分离。
计算显示，尽管存在液体在预燃室13的壁上的摩擦，但液态工质 的旋转速度保持在足够进行相分离的水平，并且在机器尺寸合适和预燃 室壁有涂层时，液态工质与旋流器壁的热交换不会导致对该过程很大的 损害。
另外在实验中证明，相分离实现在闪蒸过程中液相保持在旋流器 中，而汽相逸入到汽缸空间内。
此外证明液相与预燃室13的壁传导不明显。在实验中，在闪蒸过 程之后基本上存在可估算的量的液相。传导没有导致主要的附加汽化。
最后，实验显示，在预燃室13或工作空间11内的闪蒸过程以极快 的速度进行，这对于机器的可实施性很重要。
图4中显示了本发明的活塞式蒸汽机的另一实施例。在该实施例中， 省略预燃室13而将液态工质直接射入工作空间11内。这可以借助于现 有技术所公知的喷射器来实现。
在射入过程中，将工质雾化成小液滴，类似于将柴油燃料射入内燃 机的燃烧空间内。通过在气相中的摩擦而使液滴保持悬浮。以此方式， 液滴仅能够在很小的范围内接触热的表面，液相与热的表面之间的热交 换保持为很小。
与实现ORC或卡林那过程(Kalinaprozess )的过去的机器相比，利用本发明的活塞式蒸汽机能够就现有热源贏得双倍的功率。此夕卜，与ORC 过程和卡林那过程相比，能够采用没有危险的工作^^质，例如水。
权利要求
1. 一种活塞式蒸汽机，具有至少一个汽缸(5)，其中活塞(3)在所述至少一个汽缸(5)中摆动；工作空间(11)，其中所述工作空间(11)由所述汽缸(5)和所述活塞(3)限定；至少一个入口阀(19)，其中工质能够通过所述至少一个入口阀(19)被引入到所述工作空间内；和至少一个出口阀(21)，其中所述工质能够通过所述至少一个出口阀(21)被引出所述工作空间(11)，其特征在于，当所述活塞(3)位于上顶点(OT)的区域内或在工作冲程中时，液态形式的所述工质至少间接地被引入所述工作空间(11)内。
2. 如权利要求1所述的活塞式蒸汽机，其特征在于，设置至少一 个预燃室(13 )，所述工作空间(11)与所述预燃室(13 )彼此连接(29 )， 并且液态形式的所述工质被引入所述预燃室(13)内，使得所述工质的 液相的大多数部分保留在所述预燃室(13)内，而所述工质的汽相流入 所述工作空间(11)内。
3. 如权利要求2所述的活塞式蒸汽机，其特征在于，所述工质大 致切向地被引入所述预燃室(13)中。
4. 如权利要求2或3所述的活塞式蒸汽机，其特征在于，所述工作 空间(11)与所述预燃室(13 )之间的所述连接(29 )在所述预燃室(13 ) 的中心连通到所述预燃室(13)内。
5. 如权利要求2到4中任意一项所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 在汽缸(5)上设置多个预燃室(13.1， 13.2),所述预燃室(13.1， 13.2) 与所述工作空间(11)连接，根据在所述工作空间(11)内存在的压力 和/或在所述工作空间(11)内存在的温度，不同温度的所述工质依次地 被引入所述预燃室(13.1或13.2)或者所述工作空间(11)内。
6. 如前面任意一项权利要求所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 每个汽缸(5)设置有多个入口阀(19.1， 19.2)。
7. 如前面任意一项权利要求所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 从不同入口阀或喷射器(19.1, 19.2)射入的液态工质具有不同的温度, 并且按照从最热到最冷的工质的顺序从不同喷射器(19)射入液态工质， 其中总是在所述预燃室(13)或者所述工作空间(11)内的工质到达下 一个较冷工质温度时才射入下一个工质。
8. 如前面任意一项权利要求所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 借助于喷射器(19)将液态的工质射入所述工作空间(11)或者所述至 少一个预燃室(13)内。
9. 如前面任意一项权利要求所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 在射入过程中，液态的工质被雾化成小液滴。
10. 如前面任意一项权利要求所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 采用水、曱醇、戊烷和/或四氟乙烷作为所述工质。
11. 如前面任意一项权利要求所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 所述汽缸(5)、所述活塞(3)和/或所述至少一个预燃室(13)内部和 /或外部是绝热的。
12. 如权利要求ll所述的活塞式蒸汽机，其特征在于，所述内部绝 热装置由特氟隆、瓷漆和/或陶瓷制成。
13. 如前面任意一项权利要求所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 所述汽缸(5)、所述活塞(3)和/或所述至少一个预燃室(13)是能够 加热的。
14. 如前面任意一项权利要求所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 设置蒸汽阀(22),并且利用所述蒸汽阀(22)将汽态的工质从所述工 作空间引出。
15.如前面任意一项权利要求所述的活塞式蒸汽机，其特征在于， 在所述上顶点(OT)区域内所述出口阀(21)和蒸汽阀(22)关闭， 接着液态的工质被引入所述预燃室(13)或者所述工作空间(11)内， 并且在下顶点位置(UT)区域内所述出口岡(21)打开。
全文摘要
本发明涉及一种具有闪蒸的活塞式蒸汽机。本发明的活塞式蒸汽机能够利用不同的工质并在不同的温度下操作。液体的工质依次地射入到蒸气机汽缸(5)的各个预燃室(13)中。所述工质的进口温度适合于机器工作循环在射入的相应的时间点的膨胀阶段。
文档编号F01K21/02GK101454542SQ200780018111
公开日2009年6月10日 申请日期2007年4月4日 优先权日2006年4月4日
发明者迈克尔·莱夫勒 申请人:法国电力公司