[发明专利]用于产生功的过程和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于将热量从第一相对较冷的介质传递至第二相对较热的介质和/或依靠热力学循环产生功的过程。

背景技术

热机通过将能量从具有相对较高温度的热源传递至具有相对较低温度的散热装置（heat sink）而起作用，并且在该过程中，将部分这种能量转换成机械功。该循环也可以颠倒过来。该系统可以通过外力工作，并且在该过程中，它能够将热能从较冷的系统传递至较热的系统，从而充当热泵而不是热机。一般地，热机的效率随着在高温热源和低温散热装置之间温度的差异的增加而增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种例如通过具有相对较低温度的热源有效地传递热量和/或产生功的过程。

为此，热力学循环包括通过膨胀使工作流体加速，由此根据伯努利定律增加工作流体的速度并减小其压力，

通过加热工作流体进一步使工作流体加速，

使工作流体减速，以及

从流体提取热量。

从减速的工作流体提取的至少部分热量处于比供应到加速的工作流体的热量更高的温度。

为了增加效率，在实施例中，该过程包括（内部地）在相对较热的减速流体和相对较冷的加速流体之间交换热量。

在进一步的实施例中，用从减速流体提取的热量加热流体以后，工作流体用来自外部来源的热量被进一步加热，这些外部来源例如是来自工业生产过程的排气，或者如果该过程的操作温度是充分低，则例如为环境热量。

内部热传递和从外部来源到循环中的热量输入可以通过用两相传热流体加热工作流体即通过潜热而增加。

为了能够在更紧凑的装置中实现该循环，在实施例中，用于产生功的过程包括：围绕旋转轴线旋转所容纳数量的工作流体，沿远离旋转轴线的方向压缩工作流体，加速，例如沿具有切向分量即周向分量的方向使流体膨胀，加热并因此进一步使工作流体加速，以及将（加速的）工作流体的至少部分动能转换为功。

在实施例中，在加热期间，工作流体流经通道，并且通道的圆周速度沿下游方向增加，以便使加速流体的速度匹配至20%以内，优选地至10%以内，更优选地至5%以内。因此，流体相对于通道的壁的速度及所导致的流动阻力保持较低，从而增加了该过程的整体效率。

在实施例中，工作流体在多个旋转平台/级（stage）中被加热，并且它的速度增加。

本发明进一步涉及一种用于产生功的装置，该装置包括用于在热力学循环中处理工作流体并安装在围绕旋转轴线可旋转的框架中的至少一个回路，该至少一个回路包括：用于增加工作流体中的压力的压缩机；一个或更多个膨胀器/扩展器（expander），例如在所述压缩机中、在其上面或在其下游且沿具有切向分量的方向延伸的喷嘴；用于工作流体的通道；用于加热通道中的加速工作流体的热交换器；以及用于产生功的涡轮。

在实施例中，该装置包括位于相对地靠近旋转轴线的第二热交换器和/或用来自外部来源的热量加热加速工作流体的进一步的热交换器，其中该第二热交换器与第一热交换器相通，以便将热量从相对地接近旋转轴线的至少一个回路中的工作流体传递至相对地远离旋转轴线的加速工作流体。

在进一步的实施例中，用于工作流体的至少一个通道和/或用于加热通道中的加速工作流体的热交换器是螺旋状的。

在进一步的实施例中，沿下游方向，螺旋通道的匝的直径增加和/或匝的螺距减小。

在再进一步的实施例中，至少一个通道和（第一）热交换器包括可以不同速度旋转的多个平台。

在另一实施例中，供应到工作流体的热量的温度例如通过如在国际专利申请PCT/EP2009/058426（公布号WO2010/000840）中描述的过程增加。

在更具体的实施例中，上述主要过程结合一个或更多个辅助过程，涉及绕旋转轴线旋转所容纳的量的通常为气体的可压缩辅助工作流体，由此沿远离旋转轴线的方向压缩辅助工作流体，将热量从压缩的辅助工作流体传递至主要过程的加速工作流体，在朝向辅助过程的旋转轴线的方向使辅助工作流体膨胀，以及从主要过程的减速的工作流体或外部来源收回热量，优选地，同时至少大体上防止在膨胀的辅助工作流体和压缩的辅助工作流体之间的热传递。

在实施例中，工作流体是可压缩的，例如超临界流体或气体，并且优选为单相气体。可压缩工作流体的示例包含二氧化碳、烷基卤化物、原子数（z）≥18的比如氩、氪和氙的单原子元素或单原子元素的混合物的气体，其中烷基卤化物是例如甲烷或乙烷，其具有比如氯或氟的一种或更多种卤素，例如CF4。