[发明专利]热力学循环及热机

说明书

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℃开始的某些技术，而其他技术利用从300℃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℃）、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℃（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。