用于将热量转换成有用功的热力发动机和热力循环

技术领域

本发明涉及根据方案1的前序部分的特征的用于将热量转换为有用功的 热力发动机和热力循环。

背景技术

热力发动机典型地用于将热量转换为能够使用的有用功，例如，以驱动 发电机(generator)或车辆。燃料在热力发动机的内侧或外侧燃烧并且由此 将所释放的热能转换为机械功。

内燃机代表一类热力发动机。空气和燃料的混合物例如存在于柴油机的 气缸内，使得通过活塞大力压缩该混合物而使其自然。由此释放的能量使气 体膨胀并且由此使力作用于活塞，接着能够实施机械功。在完成气体膨胀之 后，气体作为废气被排出到环境中，该气体中所包含的余热不再被使用。

热力发动机的其他代表是热空气发动机，诸如斯特林马达(Stirling  motor)。例如通过外部燃烧或太阳能系统从外侧为马达提供热量。所包围的 工作气体位于马达内并且被供以热量，并且通过热力循环将热量转换为有用 功。

这种热力发动机通常包括用于工作气体的存储装置，该存储装置被划分 为冷室和热室。通过可动活塞装置将工作气体在两个室之间来回加压，同时 改变存储装置的总容积。例如，通过工作活塞的运动使总容积是可变的，该 运动将通过工作气体实施的功转变成有用功。

这些装置具有如下缺点：由于(内燃机的)废气的废热不能被转换为机 械功，降低了内燃机的效率程度。另一方面，热力发动机包括相对复杂的机 构，其不能重复产生理想的循环，由此也降低了效率程度。

发明内容

本发明的目标在于提供用于将热量转换为有用功的热力发动机和热力 循环，其允许低复杂性的机械移动元件和高的效率程度。

本发明提供根据方案1的前序部分的特征和特征部分的特征的将热量转 换为有用功的热力发动机，据此，该热力发动机包括用于工作气体的第二存 储装置，其中，第二存储装置被划分为第二冷室和第二热室，以如下方式构 造第二可动活塞装置：第二可动活塞装置改变第二存储装置的总容积并且对 工作气体加压使其在两个第二室之间往复，在第一存储装置和第二存储装置 之间的连接件被设置成用于使工作气体的部分量至少在两个活塞装置的预 定布局期间在两个存储装置之间交换。

由于根据本发明的热力发动机提供具有第一可动活塞装置的第一存储 装置，并且还包括第二存储装置，其中，第一可动活塞装置对包含在第一存 储装置中的工作气体加压使其在两个第一室之间往复，在第二存储装置中， 第二可动存储装置对工作气体加压使其在两个第二室之间往复，另外，第一 存储装置和第二存储装置之间的连接件被设置成用于在两个活塞装置的预 定布局期间在两个存储装置之间交换工作气体的部分量，因此，在两个存储 装置之间达到压力平衡。归因于压力平衡，工作气体的质量Δm被从具有较 高压力的一个存储装置传送到具有较低压力的另一个存储装置。相应地，存 储装置中的部分气体压缩功因此作为压缩功被传送到另一个存储装置，因此 没有损失。这导致热力发动机的效率程度的相应提高。还能够以热力循环的 第一部分循环在一个存储装置中运行并且另一部分循环在另一个存储装置 中运行的方式联接两个可动活塞装置。工作气体由此能够在一个存储装置中 达到最大压力并且同时在另一个存储装置中的循环中达到最小压力，使得能 够以最大压力差产生压力平衡。由此能够获得甚至更高的效率程度。

热力发动机可以是内燃机或热空气发动机。能够以从外部热源为热室提 供热量的方式构造热室。能够以可以将热量从冷室传送到外部存储装置或环 境的方式构造冷室。两个存储装置能够被构造为供可动活塞装置运行的缸。 换言之，存储装置可以是管状的，特别是供活塞装置进行直线运动。可以以 相同的方式构造第一和第二存储装置。第一和第二可动活塞装置能够彼此机 械地联接。工作气体可以包括单原子气体或双原子气体，特别是能够为气体 混合物。气体的静态压力可以在2bar到150bar的范围内变化。工作气体可以 特别是空气。

各存储装置的热室和冷室之间的温度差可以优选地在1K至1000K的范 围内，特别地在10K至300K的范围内，特别地在50K至150K的范围内。能够 以工作气体在两个存储装置之间被密封包围的方式构造热力发动机。

特别地，能够以工作气体的部分量的交换从一个存储装置的热室流到第 二存储装置的冷室的方式来构造两个存储装置的连接件。由此实现，已经存 在于一个存储装置的部分热被传送到另一存储装置。

更有利地是，能够以一个存储装置的热室的容积和另一个存储装置的冷 室的容积在工作气体的部分量交换期间最大的方式构造两个存储装置的连 接件。

第一和第二存储装置可以有利地被构造为第一和第二移位缸。

换言之，至少一个存储装置可以包括具有移位活塞的活塞装置，并且被 构造为存储装置的总容积在移位活塞运动期间不改变。活塞装置可以被构造 为将存储装置划分为冷室和热室。

两个存储装置之间的连接件能够包括工作缸，该工作缸特别适于改变两 个存储装置的总容积。通过将连接件构造为工作缸，第一和第二存储装置可 以被构造为移位缸。工作缸可以被构造为同时改变两个存储装置的总容积。 另一方面，这导致工作缸改变两个存储装置的总容积，并且移位活塞对工作 气体加压使其在两个室之间往复。这使得分别简单地实现热力发动机的机 构。

在另一个有利的实施方式中，移位缸和工作缸能够配置在共用的轴线 上。这特别导致了热力发动机的简单构造。

两个活塞装置能够包括配置有一个工作活塞和两个移位活塞的活塞杆。 工作活塞能够在工作缸中运行，并且两个移位活塞能够在各移位缸中运行。 工作活塞和两个移位活塞均配置在一个活塞杆上特别导致活塞装置的简单 结构。

两个存储装置能够分别包括适用于将热量供给到工作气体的加热器和 将热量从工作气体抽出的散热器。存储装置的加热器和散热器能够分别配置 在热室或冷室的区域中。由于热量不需要经由壳体部分供给到工作气体或经 由壳体部分从工作气体抽出热量，使两个存储装置分别包括加热器和散热器 实现了工作气体更高效的交换。

能够以当工作气体在冷室和热室之间交换时通过散热器和/或加热器的 方式配置散热器和/或加热器。加热器和/或散热器能够包括允许与工作气体 进行有效热交换的层状结构。

特别地，蓄热器能够分别布置在加热器和散热器之间，并且适于存储来 自工作气体的热量。通过该配置，经由蓄热器能够从热工作气体抽出部分热 量，并且把该热量再供给到冷工作气体。由此能够进一步提高热力发动机的 效率程度。能够以当工作气体被加压而在热室和冷室之间往复时将热量供给 到工作气体或从工作气体抽回热量的方式构造蓄热器。蓄热器能够具有层状 结构(lamellar structure)。

热室可以被划分为经由连接通道彼此连接的两个分室。至少一个存储装 置能够被构造为使得，移位活塞、冷室、加热器、蓄热器和/或散热器布置在 缸内且在第一和第二分室之间。第二分室可以被连接到工作缸。

热力发动机能够包括飞轮和/或弹簧，飞轮和/或弹簧特别地连接到第一 和/或第二活塞装置。飞轮和/或弹簧能够适用于缓冲通过第一和/或第二存储 装置实施的部分功，并且稍后将该部分功返回到存储装置。飞轮和/或弹簧能 够被连接到活塞杆。能够改善热力发动机与该装置的同步。

本发明还提供一种用于热力发动机的热力循环，据此，在一个作功循环 中：在第一处理步骤期间，第一存储装置中的质量为m₁+Δm、体积为V₁的工 作气体从温度T₁₁和平衡压力p_m开始膨胀并且被加热到体积V₁+ΔV₁，使得其 后的温度T₁₂比温度T₁₁大，并且压力p₂比所述平衡压力p_m大；在第二处理步 骤期间，第二存储装置中的质量为m₂、体积为V₂+ΔV₂的工作气体从温度T₂₂和平衡压力p_m开始被压缩并且被冷却到体积V₂，使得其后的温度T₂₁比温度 T₂₂小，并且压力p₁比所述平衡压力p_m小；在第三处理步骤期间，在所述第一 存储装置中发生压缩并且在所述第二存储装置中发生膨胀，使得之后所述第 一和第二存储装置的所述工作气体具有相同的平衡压力p_m，其中，优选地， 所述第一和第二存储装置彼此连接，使得所述工作气体的质量Δm在所述第 一和第二存储装置之间交换。

第一和第二处理步骤能够同时进行。

第一存储装置中的质量为m₁、体积为V₁+ΔV₁的工作气体在进一步的作 功循环中能够在第四处理步骤期间从温度T₁₂和平衡压力p_m开始被压缩并且 被冷却到体积V₁，使得其后的温度T₁₁比温度T₁₂小，并且压力p₁₁比平衡压力 p_m小。第二存储装置中的质量为m₂+Δm、体积为V₂的工作气体能够在第五处 理步骤中从温度T₂₁和平衡压力p_m开始膨胀并且被加热到体积V₂+ΔV₂，使得 其后的温度T₂₂比温度T₂₁大，并且压力p₂₂比平衡压力p_m大。在第六处理步骤 期间，在第一存储装置中发生膨胀并且在第二存储装置中发生压缩，使得之 后两个存储装置的所述工作气体具有相同的平衡压力p_m，其中，优选地，两 个存储装置彼此连接，使得所述工作气体的质量Δm在两个存储装置之间交 换。第四和第五处理步骤能够同时进行。

如果在两个存储装置之间没有发生质量Δm的交换，则压缩全部机械地 产生。特别是，在两个存储装置中工作气体的质量相等。

能够实现T₁＝T₁₁＝T₂₁，T₂＝T₁₂＝T₂₂，V＝V₁＝V₂并且ΔV＝ΔV₁＝ΔV₂。同样能 够实现p₁₁＝p₁和/或p₂₂＝p₂。

热力发动机能够被连接到太阳能系统，该太阳能系统特别包括用于将太 阳能转换为热量的太阳能板。热力发动机能够被设置为从第二热力发动机的 废热产生有用功。

附图说明

以下参考附图中图示的实施方式说明本发明的进一步的特征和优点，其 中：

图1以侧视图的方式示出根据本发明的热力发动机的示意图；

图2是在热(动)力循环的处理步骤1和2期间的图1的热力发动机的示意 图；

图3是在热力循环的处理步骤3期间的图1的热力发动机的示意图；

图4是在热力循环的进一步的循环的处理步骤4和5期间的图1的热力发 动机的示意图；

图5是在热力循环的进一步的循环的处理步骤6期间的图1的热力发动机 的示意图；

图6以p-V图的方式示出热力循环的循环。

具体实施方式

图1以侧视图的方式示出根据本发明的热力发动机的示意图。用于工作 气体(working gas)的第一存储装置2A在图1中示出，并且被划分为第一冷 室3A和第一热室4A。通过第一可动活塞装置5A实施图1中的划分。第二存储 装置2B与第一存储装置2A镜面对称，并且通过第二可动活塞装置5B被划分 为第二冷室3B和第二热室4B。两个存储装置2A、2B经由连接件6彼此连接， 使得工作气体的部分量在两个活塞装置5A和5B的格局/位置关系 (constellation)期间能够在两个存储装置2A、2B之间被交换。

两个存储装置2A、2B被构造为具有圆形截面的移位缸(displacement  cylinder)7A、7B，并且分别被划分为热室4A、4B和冷室3A、3B。通过活 塞装置5A、5B实现该划分，两个移位活塞11A和11B位于共用的活塞杆9上。 活塞杆9在轴线C-C上往复运动。存储装置2A、2B还分别包括加热器12A、 12B、蓄热器(regenerator)14A、14B和散热器13A、13B。利用加热器12A、 12B能够将源自外部热源的热量提供给到工作气体。该外部热源例如是提供 热水的太阳能系统，热水被泵送通过加热器12A、12B。以能够从工作气体 吸走热量并且将该热量排放到外部的方式构造散热器13A、13B。例如，通 过流过散热器13A、13B的冷却水回路实现该构造。蓄热器14A、14B布置在 加热器12A、12B和散热器13A、13B之间并且当前由铜丝网制成，因此在工 作气体通过蓄热器14A、14B时能够缓冲来自工作气体的热量。

还能够看见的是，热室4A、4B分别被划分为两个分室(partial chamber) 4Aa、4Ab、4Ba、4Bb，分室4Aa、4Ab经由连接通道15A彼此连接，分室4Ba、 4Bb经由连接通道15B彼此连接。因此，利用移位活塞11A、11B的运动能够 使工作气体从冷室3A、3B通过散热器13A、13B、蓄热器14A、14B、加热器 12A、12B进入一个热分室4Ab、4Bb，并且通过连接通道15A、15B进入另一 个的分室4Aa、4Ba。该过程也能够反过来发生。

连接件6位于两个存储装置2A、2B之间，并且被构造为工作缸/作功缸 (working cylinder)8。工作活塞/做功活塞10在该工作缸8中运行，并且还被 固定连接到活塞杆9。由此通过工作活塞10的运动改变存储装置2A、2B的总 容积。当图1中的工作活塞10向左移动时，第一存储装置2A的容积扩大，第 二存储装置2B的容积减小。相反地，当工作活塞10向右移动时，第一存储装 置2A的容积减小，第二存储装置2B的容积扩大。

活塞杆被连接到曲轴，飞轮(当前未示出)安装到曲轴，该曲轴能够缓 冲通过工作气体所做的功的一部分。

参考随后的四个附图详细地说明热力发动机如何准确地运行，以及工作 气体如何在移位活塞7A、7B内运动和工作活塞如何运动。

在图2中示意性地示出在热力循环的处理步骤1和2期间根据图1的热力 发动机，其中，图2中的活塞杆9向左移动。能够看到的是，移位缸7A中的移 位活塞11A同样向左移动，由此减小冷室3A的容量。由此推动工作气体通过 散热器13A、蓄热器14A和加热器12A，接着工作气体被加热并且由此进入加 热器下游的分室4Ab。工作气体的一部分从该处通过连接通道15A流回第二 分室4Aa。被加热的工作气体因此也存在于第二分室4Aa。同样地，工作活 塞10随着活塞杆9向左移动，第一存储装置2A的总容积被相应扩大。因此， 被加热的工作气体也存在于工作缸8中在右侧与工作活塞10相邻的区域内。

利用图示的热力循环的处理步骤，具有质量m+Δm的工作气体的体量V 因此在第一存储装置2A中被扩大并且温度从T₁增加到T₂。选择温度的增加， 使得工作气体的压力/压强从p_m升高到p₂。这导致力作用于工作活塞10，由此 通过工作气体实施实际有用的功，并且能够经由工作活塞10释放实际有用的 功。

在第二存储装置2B中，移位缸7B中的移位活塞11B由于同样固定连接到 活塞杆9而同样向左移动。热分室4Ba的容积由此减小，将工作气体通过连接 通道15B压入第二热分室4Bb。接着，工作气体被加压通过加热器12B、蓄热 器14B和散热器13B并且由此被冷却，随后进入冷室3B。同时，归因于图2中 的工作活塞10朝向左侧的运动，存储装置2B的总容积减小。

在第二存储装置2B中具有质量m的工作气体由此从温度T₂冷却下降到 较低温度T₁，其体积同时从V+VΔ被压缩到V。同时，工作气体被冷却到使 压力降低到较低压力p₂的程度。

在活塞11A、10、11B即将到达图2左侧处的其极限位置之前，具有高温 T₂、高压p₂和较大的体积V+ΔV的部分质量m+Δm因此位于第一存储装置2A 中。工作气体的具有质量m、低温T₁、低压p₁和较小的体积V的部分量位于第 二存储装置2B中。

图3示意性地示出在热力循环的处理步骤3期间根据图1的热力发动机， 其中，活塞杆9此时在极限左侧位置。能够看到的是，工作活塞10此时已从 工作缸8中移出到在两个存储装置2A、2B之间存在开口连接的程度。第一存 储装置2A中的工作气体之前具有高于第二存储装置2B中的压力的压力，之 后，此时在两个存储装置2A、2B之间出现压力平衡，使得产生平均压力p_m。 热工作气体的具有质量Δm和温度T₂的部分由此从第一存储装置2A进入第二 存储装置2B并且流过加热器12B、蓄热器14B和散热器13B进入冷室3B。因 此，工作气体的该部分量Δm被冷却到温度T₁。将相应的气体压缩功q1从第 一存储装置2A传送到第二存储装置2B。使用公式q1＝T₂×Δm计算气体压缩功 q1。为了压缩工作气体的部分量Δm，通过第二存储装置中的压缩功 q2＝T₁×Δm实施其一部分。

图4示意性地示出在热力循环的进一步的循环的处理步骤4和5期间根据 图1的热力发动机，其中，发生与图2相反的状态改变。能够看见的是，活塞 杆9向右移动，因此两个移位活塞11A、11B以及工作活塞10也向右移动。

归因于第一存储装置2A中的移位活塞11A向右移动的事实，热分室4Aa 的容积减小，包含在热分室4Aa中的工作气体被加压通过连接通道15A进入 第二分室4Ab，并且从第二分室4Ab通过加热器12A、蓄热器14A和散热器13A 进入冷室3A。工作气体在冷室3A中被相应冷却。归因于工作缸8中的工作活 塞10的运动，第一存储装置2A的总容积同时减小，由此进一步压缩工作气体。

在状态改变后，具有质量m的工作气体由此在第一存储装置2A中被冷却 到较低温度T₁，体积V+ΔV在此被压缩到V。压力在该状态改变中从平均压 力p_m被降低到较低压力p₁。

同时，通过移位活塞11B的运动将在移位缸7B的第二存储装置2B中的工 作气体从冷室3B通过散热器13B、蓄热器14B和加热器12B向右压入分室4Bb 并且由此被加热。接着，该工作气体通过连接通道15B进入第二热分室4Ba。 同时，归因于工作缸8的工作活塞10的运动，第二存储装置2B的总容积扩大。

在第二存储装置2B中具有质量m+Δm的工作气体在状态改变后具有较 高温度T₂、较大体积V+ΔV和较高压力p₂。

图5图示出在热力循环的进一步的循环的处理步骤6期间图1的热力发动 机。能够看到的是，活塞11A、10、11B位于最右侧位置。第一存储装置2A 的冷室3A的容积和第二存储装置2B的热室4B的容积最大。工作活塞同时从 工作缸移出到两个存储装置2A、2B之间出现开口连接的程度。

在两个存储装置2A、2B之间又获得了压力平衡，工作气体的具有质量 Δm的部分量从具有较高压力p₂的第二存储装置流入具有较低压力p₁的第一 存储装置2A。工作气体流过工作活塞通过加热器12A、蓄热器14A和散热器 13A进入冷室3A，并且由此被冷却。由此将气体压缩功q1＝T₂×Δm从第二存 储装置2B传送到第一存储装置2A，并且在第一存储装置2A实施压缩功 q2＝T₁×Δm。在产生压力平衡后，在两个存储装置2A、2B中呈现平均压力p_m。

图6示出热力循环的周期的p-V图，其中，概括了图2和图3的状态的改变。 图中体积被画在横坐标上，压力被画在纵坐标上。

工作气体m+Δm的量首先位于第一存储装置2A中并且具有状态Z₁。工作 气体在第一存储装置2A中具有平均压力p_m、体积V和温度T₁。在通过工作活 塞8的运动使存储装置2A的总容积扩大之后，工作气体此时达到体积V+VΔ， 并且同时被加热到温度T₂。结果，工作气体产生较高的压力p₂，工作气体因 此为状态Z₂。

同时，具有质量m的工作气体在第二存储装置2B中发生状态改变，从状 态Z₃变为状态Z₄。归因于工作缸10的工作活塞8的运动，第二存储装置2B的 总容积发生减小，从V+ΔV减小到V。同时，工作气体被冷却到较低的温度 T₁，因此在状态改变后具有较低的压力p₁。

在工作气体此时在第一存储装置中的为状态Z₂并且在第二存储装置2B 中为状态Z₄之后，在两个存储装置2A、2B之间产生的压力平衡为平均压力 p_m，其中，工作气体在第一存储装置2A中此时为状态Z₃并且在第二存储装置 2B中为Z₁。工作气体的质量Δm此时从第一存储装置2A传送到第二存储装置 2B。

因此，图6示出根据本发明的热力发动机的整个做功循环。随后的做功 循环重复进行。然而，两个存储装置在做功循环的开始处分别为相应互补的 状态Z₁和Z₃。活塞杆在一个循环期间从一个极限位置移动到另一个极限位 置，更准确地，在图1中从左侧移动到右侧或从右侧移动到左侧。在图1中， 活塞杆被连接到曲轴，该曲轴在一个做功循环期间移动180°的曲柄角。