專利名稱：熱力學(xué)循環(huán)及熱機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在熱機或者熱泵中與工作流體進行熱交換或功交換的方法，其中該方法及其子過程在用于熱泵時與用于熱機時基本相反，在該方法中，該工作流體的熱力學(xué)循環(huán)通過多變關(guān)系式PVn=常數(shù)來近似地描述，其中P是壓力，V是體積，而η是具有絕熱指數(shù)伽馬(Y )的工作流體的多變指數(shù)，并且其中該發(fā)動機由設(shè)有第一容積改變室及至少一個第二容積改變室的至少一個工作機構(gòu)組成。本發(fā)明還涉及一種實施該方法所使用的熱機。
背景技術(shù)：
近年來，人們大體上日趨關(guān)注對再生能源的利用。可利用的可再生能量具有多種 形式，大多數(shù)可利用的可再生能量呈熱量的形式，并且最終而言，水能、風(fēng)能以及部分海洋能均為太陽輻射的產(chǎn)物，進而為熱量能或者“熱能”(其為更正式的術(shù)語)的結(jié)果。熱能可以直接被利用，例如加熱水，但是通常需將能量轉(zhuǎn)化為可以為除加熱之外的其他目的所利用的不同形式。最好的例子是電能，其可以借助熱能發(fā)動機產(chǎn)生，熱能發(fā)動機又稱為熱力學(xué)發(fā)動機，或者更明白地稱之為熱機(這是更通用的術(shù)語)。熱機大多數(shù)情況下是機械裝置，其能夠利用高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩粗g的溫差來產(chǎn)生機械功。由機械功可以進一步產(chǎn)生如電等形式的能量。熱機類型的例子有蒸汽機、汽油機、柴油機、史特林發(fā)動機、燃氣輪機以及蒸汽輪機(也稱為郎肯渦輪機，其在大多數(shù)燃煤發(fā)電廠和核電廠中使用)。還存在著更多的類型。汽油機和柴油機以及燃氣輪機的特征為內(nèi)燃機，因為它們所用的熱能由內(nèi)部的燃料燃燒而獲得。蒸汽機和史特林發(fā)動機利用外部燃燒的熱量，并因此通常被稱為外燃機。術(shù)語“外燃機”常?？赡鼙徽`解，因為所謂的外燃機所用的熱能可能同樣僅來自太陽能或者另一種形式的不需燃料燃燒的熱源。不需燃燒的熱源的另一個例子是地?zé)峄蛘咭脖环Q為地源熱。這種熱量潛伏于地殼中或更深的地方。因此，有利的是術(shù)語“外燃機”可被更合適的術(shù)語“外部加熱發(fā)動機”或者“由外部供熱的發(fā)動機”替代。由于針對減少溫室氣體的排放和不可再生能源的利用的新的國際要求，產(chǎn)生了強勁增長的對可再生能源的需求。在這一點上，還有一種增長的需求是能夠在更低的溫度下利用熱量，如從地?zé)峋蛱柲茉O(shè)備獲得熱量。此處的重點在于熱源的溫度越低，可獲取的能量越多，并且取得能量的成本越低?？色@取的熱能可被分為例如被定義為低級熱能和高級熱能的兩個組，低級熱能被定義為溫度低于傳統(tǒng)蒸汽輪機中可能利用溫度的熱量，其用于例如從150°C開始的某些技術(shù)，而其他技術(shù)利用從300°C起的溫度。高級熱源的通常的溫度則在此之上。利用低溫下的熱能的缺陷在于效率的理論最大值很低，但只要有足夠的能量可供利用，這就不重要了。但無論如何，通過將不同的能源相組合，例如通過用高級熱能補充低級熱能，可以改善可獲取的總的能量利用，總的效率相對較高，不需要所有的熱量都來自“昂貴的”高級熱源。今天，有一些技術(shù)在若干情況下單獨使用低級熱源。這些技術(shù)的例子是史特林發(fā)動機和“有機朗肯循環(huán)”渦輪機，即所謂的ORC渦輪機。ORC渦輪機像傳統(tǒng)的蒸汽輪機一樣遵循朗肯循環(huán)，但是其通常使用在大氣壓下具有低沸點的有機工作流體，如戊烷(在一個大氣壓下沸點為36°C )、乙醚或甲苯，而不是使用水，因此其名稱包括“有機” 一詞。通過使用具有低沸點的流體，可以利用溫度遠低于100°C (水的正常沸點)的熱能?，F(xiàn)在的低溫技術(shù)具有一些缺點，還存在進一步改進的巨大空間。ORC的方案例如需要相對先進的渦輪機技術(shù)，這種技術(shù)不適合在專業(yè)技術(shù)水平較低的區(qū)域使用，而且使用這種技術(shù)需要承擔(dān)較大的成本。由于理想而言O(shè)RC渦輪機所用的工作流體必須在進入渦輪機自身之前完全蒸發(fā)，ORC設(shè)備需要額外的大蒸發(fā)槽，由此需要供熱交換器使用的大的容量。如果這一點未被滿足，則由于渦輪機中的液體存在較大的力的緣故，使若干種類型的渦輪機中的葉片可能受到侵蝕。如果在渦輪機中的葉片受侵蝕，則渦輪機將被損壞。另外，渦輪機通常是絕熱的，也就是說在膨脹期間不增加熱量，這與發(fā)生近等溫的(或者更確切為 多變的)膨脹的史特林發(fā)動機的情況相反。史特林技術(shù)也存在著被證明難以解決的若干問題，尤其在材料性能和熱交換器方面有很多需求，其中，史特林發(fā)動機所需要的材料和部件通常并不常見于通用的發(fā)動機產(chǎn)業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)商品的范圍。這使得史特林技術(shù)非常昂貴，并且該技術(shù)使用中的生產(chǎn)和維護需要先進的專業(yè)技能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是糾正或減少現(xiàn)有技術(shù)的至少一個缺陷，或者至少提供該現(xiàn)有技術(shù)的一種有效替代方式。這一目的通過下文描述和隨附的權(quán)利要求書中公開的特征來實現(xiàn)。本發(fā)明涉及一種熱機以及具有類似于外燃式熱機中的外部供熱的熱力學(xué)循環(huán)。本發(fā)明可以與來自具有適宜的溫度水平的任何可能的熱源的能量生產(chǎn)關(guān)聯(lián)地使用。本發(fā)明充分利用了在膨脹本身的期間能夠供給額外的熱量的原理。因此同比于輸出的相對較小的尺寸。這對于重量、建造材料的質(zhì)量、生產(chǎn)成本等是非常有利的。在膨脹期間供給熱量的熱機的例子有很多。除了基于史特林或柴油循環(huán)的發(fā)動機之外，還可以在美國第7, 076，941號(Hoffman)專利、第2009/0000294號(Misselhorn)專利以及第4，133，172號(Cataldo)專利中發(fā)現(xiàn)更多這類例子。本發(fā)明主要是尋求在氣相和液相(兩相原理)之間交替變化的工作流體的膨脹期間供給熱量，這種方式并不普及。在發(fā)動機的一個實施例中，利用兩個膨脹室，這兩個膨脹室可由兩個缸的工作容積提供，以進行膨脹并且將熱量供給到在它們(膨脹室)之中及之間膨脹的工作流體，隨之能夠?qū)崿F(xiàn)兩個不同的熱力學(xué)過程。本發(fā)明在另一實施例中，本發(fā)明進一步尋求同時利用桿和活塞側(cè)以在同一個汽缸中能夠?qū)崿F(xiàn)兩個不同的熱力學(xué)過程。因此，由于不需要使用兩個單獨的汽缸用于兩個不同的過程，可進一步縮減熱機的尺寸。尤其在美國第4，393，653號(Fischer)專利中示出了同時利用桿和活塞側(cè)來形成兩個汽缸室的活塞基熱機。美國第4，393，653號專利的解決方案與本發(fā)明的不同之處在于，美國第4，393，653號專利像在兩沖程發(fā)動機中的方式那樣利用桿側(cè)，其中空氣在被進一步地強迫進入上部室之前從周圍被吸入。另外，美國第4，393，653號專利的旁路的一個開口由活塞的工作位置限定，這與本發(fā)明中的特征相背離，在本發(fā)明中，旁路開口必須在任一活塞工作位置中并維持在這些位置。還存在著其他的利用這種雙作用原理的示例，但是很少利用活塞“下方”的容積來進行純膨脹。傳統(tǒng)的活塞基蒸汽機中存在例外的情形，但是它們遵循朗肯循環(huán)，并非用于本發(fā)明的情況。另外，該熱機可利用來自兩個不同的儲熱器的熱量，例如來自之前描述的低級和高級儲熱器的熱量。專利公布“A Dual-source Organic Rankine Cycle (DORC) forImproved Efficiency in Conversion of Dual Low-and Mid-grade Heat Source (一種用于改進低級和中級雙熱源的轉(zhuǎn)化中的效率的雙熱源有機朗肯循環(huán)(DORC))”，DotyandShevgoor, Doty Scientific2009對在熱力學(xué)循環(huán)中利用雙熱源(在所述公布中以O(shè)RC表示)可能具有的優(yōu)點進行了詳細描述。在此提供了一種由熱機實施的特有的熱力學(xué)循環(huán)，該熱機包括發(fā)動機外殼；一個或多個汽缸組件，其由活塞(或者活塞桿)、連接桿、曲軸、閥、流體通道以及密封件形成；加熱進程，由一個或多個復(fù)熱器(蓄熱器)以及至少一個加熱器和附屬閥構(gòu)成；冷卻進程，由至少一個冷卻器構(gòu)成，并且可能地，還針對該加熱進程而使用復(fù)熱器；注入單元；貯液器和用于熱流體的循環(huán)泵。汽缸組件為具有曲軸的兩缸配置的簡單和傳統(tǒng)的實施例，該曲軸如普通的內(nèi)燃機那樣作為兩個活塞之間的同步裝置。這些汽缸還可進一步被限定為第一汽缸 和第二汽缸，其中第二汽缸中的完全膨脹的容積大于第一汽缸中完全膨脹的容積，或者第二汽缸具有更大的直徑，或者該室中的活塞具有更長的沖程，或者是以上方案的結(jié)合。在一個實施例中，汽缸組件是基于被分成兩個室的單個汽缸，其中活塞充當(dāng)這兩個室之間的可移動的分隔壁，并且該活塞還具有裝設(shè)在一側(cè)上的固定的活塞桿。這一側(cè)被限定為該活塞的第一側(cè)，并且構(gòu)成第一汽缸室，其中處于流體密封方式的該活塞桿被引導(dǎo)通過汽缸的第一軸向端部。該活塞的相對端被限定為該活塞的第二側(cè)，并且構(gòu)成第二汽缸室。由于活塞桿占據(jù)第一汽缸室中的容積，第二汽缸室的完全膨脹容積大于第一汽缸室的完全膨脹容積。本發(fā)明的特征還在于，熱力學(xué)循環(huán)由一系列熱力學(xué)過程構(gòu)成，這些過程實施為當(dāng)該活塞上行時，熱機中的工作流體在第一汽缸室中被加熱時第一次膨脹，并且其中當(dāng)活塞返回時，這些工作流體從第一汽缸室進入可選的相對絕熱的第二汽缸室中時進一步膨脹，一部分工作流體由形成通道的附屬閥繞過，使基本上所有工作流體都能夠從第一汽缸室流動到第二汽缸室。該發(fā)動機的特征還在于，該第一汽缸室起到相對工作流體的熱交換器的作用，使得熱量可通過汽缸壁從外部流體進程中的熱流體傳遞到該室中的工作流體中，使得可在膨脹過程中將額外的熱量供給到工作流體，從而在發(fā)動機中實現(xiàn)效果增強的通流。該發(fā)動機的特征還在于，施加在該活塞上的功在上沖程和下沖程之間分配，這在除了傳統(tǒng)的蒸汽機之外的大多數(shù)已知的活塞發(fā)動機中并不常見。這種方式有助于分配由活塞在較大的移動區(qū)域上所做的功，這樣還可以減小發(fā)動機中的力，因為做功(W) =力(F) X距離(S)，而這里距離(S)增加了。于是，機械負載(由F產(chǎn)生)可以減小，并且可使用更簡單和更廉價的材料。同樣的原理對于兩汽缸的發(fā)動機的實施例也是有效的。即使在說明書中，術(shù)語“上”和“下”的使用與活塞移動相關(guān)聯(lián)，本發(fā)明并不實體地局限于豎直的活塞移動。“上”應(yīng)被理解為遠離連接到該活塞的曲軸的方向，而“下”意指朝向該曲軸的方向。本發(fā)明可以使能量供給顯著增加，并且因此每個完整循環(huán)輸出的功顯著有利于提高熱機的效率(每單位體積或單位質(zhì)量的作用效果)。
該發(fā)動機主要根據(jù)兩相原理來工作，該原理由在液相與氣相之間變化的工作流體的熱力學(xué)循環(huán)(如朗肯循環(huán))來定義。盡管如此，可以設(shè)想到的是該循環(huán)和該發(fā)動機可以利用僅處于一個相態(tài)(優(yōu)選為氣相)的工作流體。本發(fā)明還提供一種相對于例如ORC的對儲熱器溫度水平的更好的利用，因為膨脹以更低的熵水平開始，針對最高溫度水平的熱交換所需的時間大大減少。這在圖16b中以Τ-s圖示出。(16a和圖16b中的Τ-s圖中的曲線所示出的循環(huán)沿循順時針方向)。在圖16a中示出了用于理想的ORC循環(huán)的T-s圖，其中等壓供熱過程被表示為上部水平線，該過程因進入流體的干燥區(qū)域過熱而終結(jié)，也就是說，在該線的再次下落之前，由水平方向指向斜上方的該線的小的“終端”部分。為了能夠與處于一定溫度水平的流體進行熱交換，熱源必須具有高得多的溫度，以便能夠獲得高的熱通量。當(dāng)隨后工作流體像在ORC中那樣在該溫度蒸發(fā)時，意味著熱交換器表面必須非常大，或者流體保持與表面接觸的時間很長。這是由于ORC發(fā)動機利用渦輪機作為膨脹器，并且因為這些ORC發(fā)動機不具有內(nèi)部熱交換器，因此可僅以接近絕熱方式膨脹，這樣所有的熱量必須在膨脹之前供給。相反地，在本發(fā)明中利用另一個熱力學(xué)原理，也就是像例如在史特林發(fā)動機中，一些熱量在膨脹本身的期間被供給。這種結(jié)果可能是非常有利的，因為該膨脹引起由自然規(guī)律決定的壓力下降和隱含的溫度下 降，使得當(dāng)熱交換器與流體之間的溫差在膨脹期間增大時，熱通量可能變得很高，因此能夠更快地供給更多的熱量。該原理是不配置蒸發(fā)器的最重要的原因，而蒸發(fā)器在ORC循環(huán)中是必須具備的。根據(jù)本發(fā)明，膨脹在流體的干燥區(qū)域達到之前早已開始，如由圖16b中的下落曲線所示的，其中當(dāng)熵增加時溫度降低。在循環(huán)的該部分中，功也從發(fā)動機中被輸出。在ORC中，功僅在該循環(huán)的絕熱(等熵)部分中輸出，如由圖16a中的曲線的豎直下落段所示。液態(tài)形式的流體借助注入單元從低壓儲液器被泵送到高壓加熱進程。該儲液器可以是諸如管、液體槽或者任何其他的能夠容納液體的裝置。該工作流體(以下也稱為流體)可以是任何適用于這種應(yīng)用的流體，例如水、戊烷或其他有機液體，多種冷卻介質(zhì)等等。該注入單元(以下也稱為注入器)可以是任何用于將流體從低壓泵送到高壓的裝置。該注入器可被設(shè)置為分批量地泵送流體，供給可調(diào)節(jié)的流體流或者使出口處的流體維持在恒定的壓力。在注入器的入口處可設(shè)有合適的止回閥，以避免流體的反向流動。同樣地，也可在注入器的出口設(shè)有合適的止回閥。該注入器還可被設(shè)置為與熱機機械同步，并且被制造成使得可以按需要來調(diào)節(jié)供給量和注入時間。該注入器還可被設(shè)置為借助電子控制系統(tǒng)來控制，就如同在現(xiàn)今的汽車中的用于發(fā)動機控制的發(fā)動機控制單元(ECU)那樣。流體從注入器出口被泵送到加熱進程中，該加熱進程的目的是將熱能供給到流體。該加熱進程可被設(shè)計為使得流體經(jīng)歷不同溫度水平下的多個加熱步驟。在加熱進程的第一步驟中，流體可流過根據(jù)已知的復(fù)熱器原理設(shè)計的復(fù)熱器，因為這樣可從熱機的流體出口收回一些廢熱。在加熱進程的下一個步驟或者備選的第一步驟中，流體可流入到從外部儲熱器供給熱量的加熱器中。該加熱進程可另外包含多個加熱步驟，這些加熱步驟同時利用來自多個儲熱器的熱量，優(yōu)選地來自具有較高的并且循序升高的溫度的多個儲熱器的熱量。在這種情況下，為了在多個溫度水平利用恢復(fù)剩余熱量的目的，可以添加更多的復(fù)熱器?？稍诩訜徇M程的出口處設(shè)有壓力閾值閥，如循環(huán)閥，其功能是確保加熱進程中的壓力總是在一定水平以上。該閥還可以是能夠根據(jù)已知的控制原理調(diào)節(jié)的閥，以允許根據(jù)不同的需求來調(diào)節(jié)流出加熱進程的工作流體的流速和壓力。加熱進程容積的大小可被優(yōu)選地設(shè)計為始終將該加熱進程中的工作流體保持為比在一個循環(huán)中所需注入的更多。這樣的好處是可根據(jù)需要來改變加熱進程中的容積乃至熱交換表面，而發(fā)動機的其余設(shè)計不受影響。加熱進程將還能夠起到流體緩沖器的作用，尤其是加強了發(fā)動機的適應(yīng)變化的負載的能力，加熱的流體量始終能夠適合于注入到該發(fā)動機中。在本發(fā)明的一個實施例中，借助在加熱進程中保持為足夠高的壓力，流體可在整個加熱進程中自始至終保持為液態(tài)形式，并且流體溫度不超過臨界流體點，在該點處液體與氣體之間的分界不復(fù)存在。在本發(fā)明的另一個實施例中，流體可加熱到遠超過臨界點以上的溫度，其中所有的或某些部分的流體可通過與溫度在臨界點以上的熱交換器接觸而跨越超臨界狀態(tài)。這樣，可在注入到熱機工作室之前將大的熱量加入到流體，而不需設(shè)置像ORC渦輪機中那樣的很大的蒸發(fā)槽。這是以注入器始終在加熱進程中提供足夠的流體，每個循環(huán)總是能夠注入所需注入的量為先決條件的。例如，被設(shè)定為在加熱進程中始終將壓力保持在發(fā)動機工作壓力之上的注入器可以解決這一問題。這一點尤其公知于具有普通的注入歧管(所謂的“共軌”注入)的柴油機中，但在這種情況下涉及的是燃料注入，而非本發(fā)明中的工作流體注入。 工作流體從加熱進程經(jīng)由工作流體入口(以下也稱為噴嘴)注入到第一汽缸室(也稱為第一工作室或者膨脹室)中?？赏ㄟ^的加熱進程的入口側(cè)上的注入器來執(zhí)行這種注入，通過施加足夠壓力以允許流體流入到加熱進程中以移出已經(jīng)存在于加熱進程中的流體的相應(yīng)的量，導(dǎo)致這些流體量通過噴嘴流出加熱進程并流入到第一汽缸室。在另一個實施例中，通過設(shè)置在用于液體通流的加熱進程排出口中的閥來執(zhí)行注入，在加熱進程中保持壓力的注入器始終保持注入足夠的流體。在又一個實施例中，在初始時可以以液態(tài)形式保持所需的工作流體的量，直到所需的量完全注入到第一汽缸室中。這一點可通過將注入器設(shè)置為能夠保持足夠高的壓力和足夠高的流速來實現(xiàn)，所需的工作流體的量在其位于第一膨脹室的內(nèi)部之前不會從液態(tài)形式開始膨脹。在這種情況下，還可以設(shè)置注入器的延伸部，該延伸部可置于加熱進程的出口處，或者置于加熱進程的出口與流體入口之間，以提供對工作流體的壓力和流速的進一步控制。第一工作室通過使其容積增大的活塞上移(在兩缸的實施例中為向下)而起到第一膨脹器的作用。噴嘴可被裝設(shè)并定向為使得注入的流體初始地獲得沿汽缸室內(nèi)周的切線的流動方向，從而在活塞引起第一汽缸室的容積膨脹時形成螺旋形流動路徑。其優(yōu)點在于，該工作流體隨之將在汽缸中旋轉(zhuǎn)地流動，并且流體的具有最高密度的部分隨之將貼著汽缸壁向外沖。這樣可進而導(dǎo)致與汽缸壁的熱交換增加，流體的最冷的部分一般具有最高的密度，例如如果流體部分地處于液態(tài)形式。第一汽缸室主要包括第一汽缸部，并且其上形成外部流動通道，被加熱的熱流體在該外部流動通道中循環(huán)。該熱流體從外部儲熱器傳送熱量。在工作流體的膨脹期間，通過充當(dāng)汽缸的外部的熱流體與內(nèi)部的工作流體之間的熱交換器的汽缸壁供給額外的熱量。根據(jù)熱交換的效率的高低以及熱流體的溫度水平，可以實現(xiàn)一個多變膨脹過程的范圍。在沒有熱流體循環(huán)，進而沒有熱量被供給到工作流體的情況中，只要膨脹發(fā)生的足夠快，即可實現(xiàn)接近絕熱的膨脹過程。如果供給足夠的熱量來保持在膨脹期間工作流體的溫度不變，則可以實現(xiàn)等溫膨脹過程。如果供給更多的熱量和工作流體，則可實現(xiàn)等壓膨脹，其中在整個膨脹過程中壓力將相對恒定。在更極端的例子中，可將非常多的熱量和工作流體供給到膨脹期間壓力增加的過程，并且實現(xiàn)超壓膨脹過程。在工作流體與第一汽缸室接觸(在噴嘴之前或之后，但在加熱進程的出口處的閥之后)之前，在工作流體的膨脹開始處可另外具有用以進一步將熱量供給到流體的加熱器。在這種方式下，第一膨脹過程中的熱交換將不僅取決于第一汽缸室的熱交換能力。本發(fā)明不受容積改變/工作室的具體數(shù)量所限，但是通?？砂ㄒ粋€或多個工作室，這取決于如何進行選擇來執(zhí)行熱交換器功能。在一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的本質(zhì)在于，熱交換過程中的轉(zhuǎn)變是存在的，從具有多變膨脹(帶有熱供給)開始進行到具有接近絕熱的膨脹(不帶有特定的熱供給)，并且與內(nèi)燃機中的情況相反，這一點可借助內(nèi)部熱交換器來實現(xiàn)。在內(nèi)燃機(如柴油機)中，這是通過在膨脹完成之前停止燃料注入而相對簡單地實現(xiàn)的，并且因此可以使膨脹過程的剩余部分成為絕熱的過程，因為除了燃料燃燒所提供的熱量之外并未供給更多的熱量。這樣做的優(yōu)點在于，當(dāng)在膨脹期間供給額外的熱量的同時，還獲得了對剩余熱量的利用，否則必須將剩余熱量冷卻掉，從而引起非期望的能量損 失。這也與傳統(tǒng)的蒸汽機中的解決方案相對應(yīng)，在該方案中，從鍋爐供給的蒸汽在活塞(或多膨脹發(fā)動機中的那些活塞)在達到完全的汽缸排氣量之前很早即關(guān)閉。如果在整個膨脹過程期間供給很多熱量，可能會在高剩余壓力和高剩余熱量的情況下結(jié)束，而不能被利用來做功，因此產(chǎn)生損失。挑戰(zhàn)和解決方案是將膨脹過程分為至少兩個步驟，其中第一步驟的發(fā)生伴隨著一些多變(膨脹)的不同的類型或它們的混合類型的熱交換，而第二步驟的進行伴隨著很少的熱交換或沒有熱交換。這一點可通過很多方式來實現(xiàn)。在圖19中所示的非常簡單的示例中，可以在汽缸中設(shè)置僅包圍汽缸的一部分的內(nèi)部熱交換器。在這種方式下，當(dāng)活塞在膨脹沖程期間使越來越多的汽缸壁露出時，熱交換器表面的部分相對于整個內(nèi)汽缸表面將減少。之后，當(dāng)工作流體膨脹時，其體積增大而密度減小，并且熱交換器表面的部分減小，由此將驅(qū)使該過程越來越多地沿著絕熱的方向進行。另外，汽缸中的不屬于內(nèi)部熱交換器的表面可以是絕熱的，從而因其在這些區(qū)域進一步阻礙熱交換而執(zhí)行進一步的絕熱作用。另外，如果考慮兩相流體的膨脹，即在一個階段或另一個階段中的流體在膨脹期間從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，則這樣也將產(chǎn)生因具有更低傳熱系數(shù)的氣相而導(dǎo)致的熱傳遞的大幅減少，這將有助于進一步推動該過程沿絕熱的方向進行。這樣，可通過使用單個汽缸產(chǎn)生膨脹過程中的轉(zhuǎn)變，該膨脹過程初始將具有高水平的熱傳遞，而該熱傳遞隨著時間的推移而大幅減小，之后接近絕熱。在更優(yōu)選的示例中，如圖6a和圖7a中所示,或者如圖17和圖18中所示,可通過利用分開的多個汽缸室之間的膨脹來使兩個過程分開。這樣，在膨脹期間更容易限制流體與熱交換器表面接觸，因為可以選擇僅在一個汽缸室中發(fā)生熱交換，或者至少不在最后的汽缸室中發(fā)生熱交換，在該汽缸室中流動的流體不接收另外的熱量。首先，被加熱的第一汽缸室中的流體膨脹，其后流體在絕熱的第二汽缸室中進一步膨脹，因為該第二汽缸室具有比第一汽缸室更大的排量。為實現(xiàn)這一點，這兩個室也必須以流體連通的方式連接，活塞必須至少是異相的，例如這些活塞以彼此相反的位移同步設(shè)置，并且閥(圖中未示出)必須設(shè)置為使(連通)在恰好的時刻發(fā)生。在這種示例中，在第一室中發(fā)生的第一膨脹過程將具有多變的或混合多變的膨脹的特征，其中如果熱交換器被合適地設(shè)計則能夠供給相當(dāng)大的熱量。第二膨脹過程在開始時將是多變的，此時大多數(shù)流體仍然處在具有內(nèi)部熱交換器的第一室中，但是當(dāng)大量流體轉(zhuǎn)移到不設(shè)有熱交換器的室時，由于此時供給的熱量越來越少，該過程隨之也將接近更絕熱的進程。該示例尤其可借助汽缸/活塞組件的若干種變體來執(zhí)行，特別是如圖6a中所不的雙動型和圖7a中所不的單動型。另外，可通過使用如圖17和圖18中示出的具有和不具有熱交換器的多個汽缸/活塞的組列而增加允許與流體熱交換的時間。這兩者(圖17與圖18)之間的區(qū)別在于圖17示出了用于多變膨脹的雙動汽缸，而圖18中已經(jīng)選擇了單動汽缸。這兩種解決方案中均具有優(yōu)缺點，尤其相對于潤滑、摩擦和密度而言，但在此處將不再予以更詳細的討論，因為這對于本發(fā)明的基本特征來說是不重要的。在特定的情況下，(這些情況中)理想的是具有例如更高的有效密度、更低的效率或者同時具有兩者，此時即使在膨脹過程的最終的部分提供熱交換也是可以的。在圖6b和 圖7b中示出了示例性實施例，其中這兩幅附圖中的汽缸室都與熱交換器熱接觸。此外，這種方案還可應(yīng)用到圖19中所示的解決方案，因為在任何時候，與熱交換器接觸的汽缸室的部分都不具有上限，并且原則上可包圍汽缸容積的接近100%。此外，圖16b中的Τ-s圖示出了根據(jù)本發(fā)明的過程的熱力學(xué)結(jié)果。由關(guān)系式“PVn=常數(shù)”近似地描述了一個多變過程，其中P是壓力，V是體積，而η是該過程的特征多變指數(shù)。此外，工作流體具有絕熱指數(shù)伽馬(Y )，并且該指數(shù)因流體的不同而變化。當(dāng)η= Y時，該過程被限定為絕熱(過程)。此外，如果η=1，該過程被限定為等溫(過程)，該過程中溫度是恒定的，因此理想氣體方程PV=nRT中的“nRT”項是常數(shù)。此外，n=0限定一等壓過程，該過程中壓力是恒定的。同樣地，η < O可限定一超壓過程，因為壓力由此在膨脹期間必須增大。當(dāng)在第一汽缸室與流體之間發(fā)生熱交換時，下部汽缸室中的膨脹過程由此可被概括和描述為近似沿著PVn的多變過程進行，其中η < Y。當(dāng)活塞已到達其頂部位置(TDC-上止點)(或者兩缸設(shè)計中的底部位置(BDC-下止點))時，第一汽缸室中的容積已經(jīng)達到它的最大值。此刻，熱機旁路中的閥打開，膨脹可從第一汽缸室經(jīng)由旁路繼續(xù)并且進入充當(dāng)?shù)诙蛎浧鞯牡诙资摇５诙资遗c熱機的其余部分完全地或部分地絕熱，使得在此流動的流體經(jīng)歷近似絕熱的膨脹。在該發(fā)動機的備選實施例中，可考慮在第二汽缸室中有利地具有額外的供熱，由此該室的表面可具有與第一汽缸室中的方式相同的熱交換器的功能。在工作流體流入到第二汽缸室中的同時，相應(yīng)的量也將從第一室流出。當(dāng)此情況發(fā)生時，由于第一室被加熱，流體的總體積增加，在該室中仍然存在的部分流體將在經(jīng)由旁路流出之前被供給甚至更多的熱量。當(dāng)在單個汽缸設(shè)計中，第一汽缸室中的活塞的工作區(qū)域被限定在汽缸的徑向的內(nèi)壁與活塞桿的徑向外壁之間時，因為活塞桿占據(jù)第一室中的橫截面區(qū)域的部分，所以第二汽缸室中的活塞的工作區(qū)域?qū)⒋蟮枚唷Ｒ虼?，在整個膨脹過程中獲得沿朝向第一室的方向作用在活塞上的凈力。在兩缸的熱機設(shè)計中，這一點將通過具有比第一汽缸更大的排量的第二汽缸實現(xiàn)。在從第一汽缸室到第二汽缸室的膨脹過程期間，當(dāng)?shù)诙资也慌c熱交換器接觸時，工作流體經(jīng)歷一多變過程，其通常以非絕熱方式開始，并且以接近絕熱的方式結(jié)束。必須另外說明的是，在特定的情況下，隨著第一室中的膨脹，第二室中的膨脹也將能夠以接近絕熱的方式開始。如果第一室中的膨脹是絕熱的，則第二室中的進一步的膨脹也將是絕熱的。
依據(jù)注入流體的多少，以及第一汽缸室中熱交換的程度,將從第一汽缸室到第二汽缸室的膨脹的起點限定為多變過程(其中由于在第一汽缸室與流體之間發(fā)生熱交換，n< Y)將是正確的。如果在第二膨脹室中不發(fā)生熱交換，并因此可以視為絕熱的，則以
Y限定膨脹的末端也是正確的。該膨脹過程由此可被概括和描述為大約沿著PVn曲線的過程，該過程在始端時η < Y、并且在朝向末端時接近η= Y。在第二膨脹室中具有熱供給的實施例中，整個膨脹過程可由η < Y限定。在一個單缸的實施例中，可以僅當(dāng)活塞上行時進行流體注入。也就是說，隨著活塞再次下行，當(dāng)流體在第二室中進一步膨脹之前完成注入。在另一個實施例中，當(dāng)發(fā)生從第一室進入到第二室中的膨脹時，流體注入可繼續(xù)進行。該實施例的缺點在于，如果該過程不被允許或多或少地以絕熱的方式結(jié)束，則可能具有一些不被用于做功的可用的余熱和余壓(根據(jù)熱力學(xué)第二定律)。隨后，必須在循環(huán)的最終步驟通過冷卻進程來去除這些余熱和余壓。因為復(fù)熱器不能使可利用的余熱100%地進行“再循環(huán)”，可用的余熱在復(fù)熱器部段必須被冷卻掉，由此能量在一個或多個冷卻器中消散而被損失掉。盡管如此，這種可能性的存在 是有益的，因為隨后可以在給定的時間增加對該過程的供熱。這在如需要以有限的時間額外地輸出能量(例如在發(fā)動機上的負載增大)的情況下可能是有用的，但因此犧牲了效率。這些方案對于兩缸的變體也是有效的。在單缸的實施例中，在完成第二汽缸室中的膨脹之后，幾乎全部的工作流體將從第一汽缸室移動到第二汽缸室。此時，活塞再次返回到底部位置(BDC-下止點)。在該點左右，熱機出口閥打開，并且工作流體可流出到冷卻進程中以去除剩余熱，從而去除剩余壓力。該冷卻進程可由至少一個復(fù)熱器和至少一個冷卻器構(gòu)成。該活塞將進一步再次向上移動，并且同時當(dāng)可能在第一汽缸室中發(fā)生新的非絕熱的膨脹時，該活塞將進行壓縮，或者更恰當(dāng)而言將第二汽缸室中的剩余流體驅(qū)入到冷卻進程中。依據(jù)冷卻進程的容積的尺寸的不同，該過程可以不同的方式來描述。在該活塞接近底部位置的期間，相對于曲軸的位置改變，容積的改變相對較小，可以說對于給定的時間，是等容的冷卻進程，直到當(dāng)活塞已經(jīng)移開底部位置足夠遠并且第二汽缸室中的體積開始明顯地改變的時刻。當(dāng)此進程發(fā)生時，不應(yīng)再將冷卻進程看作是等容的。依據(jù)冷卻進程的容積，由于活塞將流體從第二汽缸移出并且進入冷卻進程中，冷卻進程的這一部分的特征可以是等溫或等壓的壓縮。當(dāng)所有的流體被從汽缸移出并進入冷卻進程時，熱機出口閥再次關(guān)閉，并且此時接近完全被移出到冷卻進程中的流體可以以恒定的體積進一步被冷卻?；诖?，冷卻進程的特征可以是不同的子過程的若干種組合，其中這些子過程的特征還可以是等容冷卻、等壓冷卻或壓縮、等溫壓縮，該等溫壓縮也是一種冷卻的形式，或者更普遍而言非絕熱壓縮。在冷卻終止之后，工作流體將以液態(tài)形式返回。在冷卻進程出口處，液體可流入一槽中，該槽等同于例如在多種車輛中用于冷卻水的膨脹槽。該槽將充當(dāng)液體緩沖器，并且始終提供足夠發(fā)動機使用的工作流體，這在發(fā)動機上的負載改變并且工作流體所需的流速改變的情況下尤其重要。當(dāng)工作流體完全冷卻并且以液態(tài)形式返回時，其可在下一個循環(huán)中再次使用，如同在閉環(huán)的朗肯渦輪機中那樣。本發(fā)明還包括閉合的工作流體循環(huán)。應(yīng)注意的是，該發(fā)動機可以在工作流體完成整個熱力學(xué)循環(huán)之前完成多個機械循環(huán)。這種情況是因為該發(fā)動機始終借助同時循環(huán)的過程來運行，這與例如四沖程奧托發(fā)動機相反。例如，通過在第一汽缸室中膨脹，將始終存在從上部汽缸室排出并進入到冷卻進程中的流體。同樣，在流體被注入第一汽缸室并在其中膨脹的同時，流體將被注入到加熱進程中。作為備選的膨脹器，可使用渦輪機方案來替代所描述的活塞方案，并且為此，為了在膨脹期間能夠為流體增加額外的熱量，可以形成具有熱交換定子、轉(zhuǎn)子和/或其他內(nèi)部構(gòu)件的渦輪機方案。如果需要對發(fā)動機進行潤滑，在一個實施例中工作流體可與潤滑劑混合，從而工作流體的傳輸也將提供圍繞發(fā)動機的潤滑劑的傳輸。在其他的情況中，可借助潤滑通道將潤滑劑供給到不同的地方，如同尤其在大多數(shù)內(nèi)燃機中的情況。該發(fā)動機還可由自潤滑材料制成，不需使用潤滑劑。這種方式已知于多種類型的熱機。此外，在另一個實施例中，其情況可以是不需要對汽缸與曲軸外殼/發(fā)動機外殼之間進行完整的密封，從而允許可能與潤滑劑混合的少量的工作流體滲漏到發(fā)動機的其他部分。這是以考慮到發(fā)動機必須能夠通過一種系統(tǒng)處理滲漏為先決條件，該系統(tǒng)被設(shè)置為 能夠消除在該發(fā)動機的多個部分中的工作流體的積累。以此類方式制造的發(fā)動機的優(yōu)點是混入到工作流體的任何潤滑劑還可以充當(dāng)用于曲軸軸承以及汽缸的外部的其他部件的潤滑劑，這與兩沖程內(nèi)燃機中的情況幾乎一樣。在本發(fā)明所涉及的熱力學(xué)循環(huán)和熱機中，提供一種有序的熱力學(xué)過程的特有的組成方式。該循環(huán)及其有序的過程可以如下方式概括和總結(jié)I.絕熱壓縮2.供熱3.在第一膨脹室中的第一多變膨脹，其中η < Y4.從該第一膨脹室到該第二膨脹室的第二多變膨脹，其中η < Y，或者其中膨脹以η < Y開始并且以接近絕熱的(n ^ Y )結(jié)束5.冷卻在第一方案中，本發(fā)明更具體地涉及一種用于在熱機或者熱泵中與工作流體進行熱交換和功交換的方法，其中該方法及其子過程在用于熱泵時與用于熱機時基本相反，在該方法中，該工作流體的熱力學(xué)循環(huán)是通過多變關(guān)系式“pvn=常數(shù)”來近似地描述的，其中P是壓力，V是體積，而η是具有絕熱指數(shù)伽馬(Y )的工作流體的多變指數(shù)，并且其中該發(fā)動機由至少一個工作機構(gòu)組成，該工作機構(gòu)設(shè)有第一容積改變室以及至少一個第二容積改變室，其特征在于，該方法至少依次包括下列步驟a)在第一體積改變過程中，在第一容積改變室中執(zhí)行工作流體的第一多變體積改變，其中η < Y，以及b)在第二體積改變過程中，執(zhí)行從第一容積改變室到第二容積改變室的工作流體的至少一個接近絕熱的或者多變的第二體積改變，其中η < Y，或者其中膨脹以η < Y開始并且以接近絕熱的(η Y)結(jié)束。該方法可依次包括下列步驟在第一過程中，執(zhí)行工作流體的等壓體積改變；在第二過程中，與該工作流體進行熱交換；在第三過程中，執(zhí)行根據(jù)以上步驟a)的第一體積改變過程；
在第四過程中，執(zhí)行根據(jù)以上步驟b)的第二體積改變過程；以及在第五過程中，與該工作流體進行熱交換，其中該熱量的流動方向與該第二過程中的熱量流動方向相反。該方法可依次包括下列步驟在第一過程中，執(zhí)行工作流體的絕熱壓縮；在第二過程中，向該工作流體供熱；在第三過程中，執(zhí)行根據(jù)以上步驟a)的第一體積改變過程，其中該體積改變過程包括膨脹；在第四過程中，執(zhí)行根據(jù)以上步驟b)的第二體積改變過程，其中一個或多個體積改變過程包括膨脹；以及 在第五過程中，冷卻該工作流體。該方法可更具體地依次包括下列步驟該第一過程包括借助注入單元將工作流體從低壓向高壓泵送；該第二過程包括向設(shè)置在容積改變室外部的加熱進程中的工作流體供熱；該第三過程包括在第一容積改變室中注入工作流體并使其膨脹，并且同時從與第一容積改變室熱接觸的至少一個熱交換器向流體供熱；該第四過程至少包括使該工作流體從第一容積改變室經(jīng)由工作流體旁路到第二容積改變室而進一步膨脹；以及該第五過程包括在設(shè)置于膨脹室外部的冷卻進程中冷卻該工作流體。該第四過程可更具體地包括使該工作流體從第一容積改變室經(jīng)由工作流體旁路到第二容積改變室而進一步膨脹。該第四過程可更具體地包括在第一步驟中，使該工作流體從第一容積改變室經(jīng)由工作流體旁路到第二容積改變室而進一步膨脹；并且，在第二步驟中，從第二容積改變室經(jīng)由第二工作流體旁路到第三容積改變室使該工作流體進一步膨脹。該第四過程還可包括將熱量從與第一容積改變室熱接觸的至少一個熱交換器進一步供給到工作流體的全部或某些部分。該第四過程還可包括將熱量從與第二容積改變室熱接觸的至少一個熱交換器進一步供給到工作流體的全部或某些部分。該工作流體可在液態(tài)形式與氣態(tài)形式之間交替變化。在第三過程中的工作流體初始時可呈液態(tài)形式，由于工作流體被以足夠高的壓力注入到第一容積改變室中，使其在注入操作期間保持為液態(tài)形式。該工作流體在第一過程中可呈液態(tài)形式；在第二過程中可呈液態(tài)形式；在第二過程中可完全地或部分地呈超臨界狀態(tài)；在第三過程中可完全地或部分地呈氣態(tài)形式；在第三過程中可基本上被汽化；在第四過程中可能被進一步汽化；并且在第五過程中可基本上被冷凝。在第二方案中，本發(fā)明更具體地涉及一種熱機裝置或熱泵裝置，其中該熱泵裝置及其子部件實質(zhì)上被設(shè)置為與該熱機裝置及其子部件的功能相反，該熱機裝置或熱泵裝置具有至少一個工作機構(gòu)，該工作機構(gòu)設(shè)有第一容積改變室和具有一個或多個附屬移位機構(gòu)的至少一個第二容積改變室，其中至少一個熱交換器至少與第一容積改變室熱接觸，并且圍繞至少第一容積改變室或者至少被第一容積改變室圍繞，這些容積改變室通過至少一個工作流體旁路以流體連通方式依次連接，該第一容積改變室具有工作流體入口并且最后的容積改變室具有工作流體出口，其特征在于，該工作流體入口、該工作流體出口以及所述至少一個工作流體旁路設(shè)有同步的閥，以便保持從該第一容積改變室(流出)并且通過所述至少第二容積改變室接連流動的有序的工作流體，該工作流體沿著從該工作流體入口到該工作流體出口的流動方向通過所述容積改變室而被有序地傳送。這些容積改變室可以具有連續(xù)地增加或減少的容積。這些容積改變室可被設(shè)置為具有作為膨脹室的功能。該工作流體旁路可借助至少一個旁路閥而被關(guān)閉。在工作流體在這些容積改變室之間移動期間，這些容積改變室與各自的旁路端部之間的流體通道可被保持在(一個或多個)移位機構(gòu)的所有工作位置。
這些容積改變室可一起被設(shè)置為能夠執(zhí)行工作流體的體積改變過程，使得該工作流體可被幾乎完全地從第一容積改變室移動到第二容積改變室，隨后進一步地，這些容積改變室的(一個或多個)移位機構(gòu)被以機械方式同步。這種機械同步可在整個或部分運行工況中保持具有依次相反的符號的、不同的容積改變室之間的移位，使得當(dāng)?shù)诙莘e改變室的容積減小時，第一容積改變室的容積將增大，并且反之亦然。


以下描述在附圖中示出的優(yōu)選的實施例的示例，在附圖中圖I示出了闡示在不同的多變過程中所做的功的差的P-V圖；圖2示出了闡示在所選的多變過程中所做的功的差的P-V圖；圖3a示出了展示如本發(fā)明所所述的熱力學(xué)循環(huán)的一個極端的變體的PV圖，其中第一膨脹過程基本上以等壓方式進行；圖3b示出了如本發(fā)明所描述的熱力學(xué)循環(huán)的PV圖，其中這些膨脹過程的進行更為接近發(fā)動機的實際實施例，但其中第一膨脹過程基本上以等壓方式進行；圖3c示出了如本發(fā)明所描述的熱力學(xué)循環(huán)的P-V圖，其中闡示了發(fā)動機的又一個實際實施例中的膨脹過程；圖4a示出了闡示如本發(fā)明中描述的熱力學(xué)循環(huán)的一個極端的示例中的熱流的P-V圖，其中該第一膨脹過程基本上以等壓方式進行；圖4b示出了闡示如本發(fā)明中描述的熱力學(xué)循環(huán)的更為實際的示例中的熱流的P-V圖，但是其中該第一膨脹過程基本上以等壓方式進行；圖4c示出了闡示如本發(fā)明中描述的熱力學(xué)循環(huán)的另一個實際的示例中的熱流的P-V 圖；圖5示出了現(xiàn)有技術(shù)，即史特林發(fā)動機的基本組件；圖6a示出了本發(fā)明的具有雙動汽缸和與第一膨脹室熱接觸的熱交換器的工作機構(gòu)(膨脹器)的基本示例性實施例；圖6b示出了本發(fā)明的具有雙動汽缸和與第一膨脹室熱接觸的熱交換器、以及與第二熱膨脹室熱接觸的熱交換器的工作機構(gòu)的基本示例性實施例；
圖7a示出了本發(fā)明的處于具有與第一膨脹室熱接觸的熱交換器的兩汽缸的變體形式的工作機構(gòu)的基本示例性實施例；圖7b示出了本發(fā)明的處于具有與第一膨脹室熱接觸的熱交換器，以及與第二熱膨脹室熱接觸的熱交換器的兩汽缸的變體形式的工作機構(gòu)的基本示例性實施例；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明所描述的熱機的示例性實施例，其中僅使用單個儲熱器；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明所描述的熱機的示例性實施例，其中使用處于不同的溫度的兩個儲熱器；圖10示出了不具有曲軸/馬達外殼的熱機的工作機構(gòu)；圖11示出了不具有曲軸/馬達外殼的熱機的立體圖； 圖12示出了當(dāng)活塞處于底部位置時的發(fā)動機的側(cè)視圖；圖13示出了當(dāng)?shù)谝?下部)汽缸室中膨脹以及當(dāng)?shù)诙?(上部)汽缸室中膨脹時的發(fā)動機的側(cè)視圖；圖14示出了當(dāng)活塞處于頂部位置時的發(fā)動機的側(cè)視圖；圖15示出了當(dāng)從下部汽缸室到上部汽缸室的工作流體膨脹時的發(fā)動機的側(cè)視圖；圖16a示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，也就是理想的ORC循環(huán)的Τ-s圖(溫度_熵-圖)；圖16b示出了如本發(fā)明所描述的用于熱力學(xué)循環(huán)的T-s圖；圖17示出了本發(fā)明的工作機構(gòu)的基本示例性實施例，其具有雙動汽缸以及與第一膨脹室熱接觸的熱交換器，還具有與第二熱膨脹室熱接觸的熱交換器，該第二熱膨脹室又連接到處于單動的接近絕熱的第二汽缸中的第三膨脹室。圖18示出了如圖17中的示例那樣的本發(fā)明的工作機構(gòu)的基本示例性實施例，但是具有兩個單動汽缸，這兩個單動汽缸各自具有膨脹室，這些膨脹室具有內(nèi)部熱交換器，這些膨脹室又連接到處于另外的單動的、接近絕熱的汽缸中的第三膨脹室；以及圖19示出了本發(fā)明的工作機構(gòu)的非常簡單的基本示例性實施例，該實施例中只有一個具有附屬活塞的單動汽缸在同一個汽缸容積中限定兩個工作室，并且在優(yōu)選的實施例中，至少一個熱交換器僅包圍第一工作室。
具體實施例方式在如圖I到圖4所示的熱力學(xué)循環(huán)的介紹性描述中，并且在圖16b中，參考如圖6到圖15中所示的熱機中的元件，這些發(fā)動機元件由圖6到圖15的一個或多個附圖中所示的附圖標(biāo)記標(biāo)識。該熱力學(xué)循環(huán)通過以下熱力學(xué)過程描述I.絕熱壓縮2.供熱3.在第一膨脹室中的第一多變膨脹，其中η < Y4.從該第一膨脹室到該第二膨脹室的第二多變膨脹，其中η < Y，或者其中膨脹以η < Y開始并且以接近絕熱的(n ^ Y )結(jié)束5.冷卻圖I示出了在兩個體積￥4與％之間的廣義的多變膨脹過程，其中各種純過程(絕熱的，等溫的，等壓的，等等)的功和它們之間的功的差以W1、W2、W3等示出。另外，以豎直線示出等容熱交換以供參照。在此假設(shè)熱力學(xué)系統(tǒng)具有由交點O表示的開始條件，并且通過各種多變過程示出進一步的膨脹過程。從圖中可看到，做功的變化很大程度上取決于何種過程是活動的。等溫過程將提供比絕熱過程大得多的功。等壓過程將進一步給出更高的功，等等。該圖給出各種過程之間做功的較佳的視覺比較。圖2示出了如在本發(fā)明中那樣的以等溫方式開始并以接近絕熱方式結(jié)束的可變的多變過程的做功。可以看到混合的和絕熱的過程之間的差W2代表功的相當(dāng)大的增加。實際的結(jié)果是在膨脹過程期間通過增加一些額外的熱量，但不足以使其完全地等溫，在體積變化相同時可使循環(huán)中的有效通流增大。 圖3a至圖3c示出了闡示本發(fā)明所描述的熱力學(xué)循環(huán)的若干變體中的各個步驟的P-V圖。步驟I表示由注入單元2執(zhí)行的工作流體的絕熱壓縮。該過程將使工作流體的壓力升高到一特定水平。步驟2構(gòu)成了分別從該系統(tǒng)中的至少一個復(fù)熱器32、35以及至少一個加熱器33的進一步的熱量供給。該過程可以等壓方式實施，但是也可依據(jù)所選擇的設(shè)計解決方案而有利地提高壓力。在步驟3中，發(fā)生根據(jù)“PVn=常數(shù)”(其中n< Y)的多變膨脹，這意味著在膨脹過程中熱量被加入。這在圖3a和圖3b中以n=0闡示，亦即為接近等壓過程。(該過程)在圖3c中被示出為多變狀態(tài)。在步驟4中，發(fā)生可變的多變膨脹，其以與之前步驟相同的η開始，但以接近絕熱狀態(tài)結(jié)束，其中η Y。當(dāng)僅考慮多變系數(shù)η的大小順序(量級)而不考慮準(zhǔn)確的數(shù)字時，步驟3和步驟4在任何情況下都將根據(jù)本發(fā)明來進行。在第二膨脹室中同樣供給熱量的實施例中，該過程將最終滿足η < Y，并且曲線將隨之稍微偏離圖示。在步驟5中，由于在出口閥131打開并且工作流體被釋放到冷卻進程4中而發(fā)生壓力下降，其中在給定的時間內(nèi)工作流體以相對恒定的體積經(jīng)歷冷卻。在步驟6中，發(fā)生壓縮，亦即伴隨冷卻的驅(qū)出，一種例如可介于等溫與等壓之間的過程，但在此處示出為接近等溫，通過在壓縮期間壓力稍微增大，并且P-V圖接近等溫線來闡示。在步驟7中，出口閥131關(guān)閉并且在恒定的體積下再次繼續(xù)進行冷卻。總的來說，如果冷卻進程4具有一特定容積并且這些過程快速地發(fā)生，那么冷卻步驟在給定的情況下可被認為是等壓冷卻進程。在該循環(huán)中的冷卻進程(過程5以上)因此由P-V圖中的步驟5、步驟6和步驟7表示。另外，應(yīng)注意的是，可假設(shè)在工作流體入口 170 (也稱為噴嘴)處發(fā)生阻塞過程(也稱為節(jié)流過程)。該過程將在該循環(huán)中的過程2與過程3之間發(fā)生。這一備選過程并非在該循環(huán)中指定的過程，因為該循環(huán)對之前和之后的過程沒有特別的影響，對該循環(huán)的描述并不重要。在加熱過程2中的內(nèi)壓相對于該發(fā)動機的給定工作壓力而言較高的假設(shè)情況下，該節(jié)流過程將通過如圖中所示的步驟2與步驟3之間的壓力的暴跌來闡示。在注入壓力被設(shè)定為接近第一膨脹過程的選定的工作壓力的情況下，該壓力下降將不會很明顯，如圖3b和圖3c中所示，并且該圖的這部分隨之將像圖示的那樣趨平。圖4a到圖4c示出了在該循環(huán)和所述的熱機中發(fā)生的多種熱交換過程的不同的P-V圖。Qinl表示從一個或多個復(fù)熱器32、35和/或一個或多個接連的副加熱器段33供給的熱量(該循環(huán)中的過程2)。Qin2表示在第一非絕熱過程，或者多變膨脹過程中供給的熱量(該循環(huán)中的過程3)，其中熱量從下部汽缸102的熱交換器(或者從用于兩缸的變體的第一汽缸IOOa的熱交換器)傳遞到第一汽缸室150中的工作流體。Qin3還表示在第二非絕熱過程，或者可變的多變過程，或者多變膨脹過程中供給的熱量(該循環(huán)中的過程4)，其中更多的熱量被供給到還沒有流出第一汽缸室150的工作流體，或者當(dāng)流體流入第二汽缸室，并在該第二汽缸室進一步膨脹時，在第二汽缸室151中進一步供給熱量。Qtjutl是在出口閥131打開之后隨即在冷卻進程4中去除的熱量(該循環(huán)中的過程5，該圖中的步驟5)。Qtjut2是在排出/壓縮步驟期間去除的熱量(該循環(huán)中的過程5，該圖中的步驟6)，而Qrat3是在出口閥131關(guān)閉之后在冷卻進程4中去除的最后剩余熱量，并且此處幾乎所有的剩余的工作流體都已排出(該循環(huán)中的過程5，該圖中的步驟7 )。該熱機由下列部分構(gòu)成主機構(gòu)/工作機構(gòu)1，也稱為膨脹器，其具有附屬的外部部件和作為注入單元2的系統(tǒng)(也稱為泵/壓縮機)；加熱進程3 ;冷卻進程4 ;液體槽5 ;用于冷卻流體的循環(huán)泵6 ;低溫儲液器7 ;用于加熱流體的第一循環(huán)泵8和第二循環(huán)泵10 ;第一高溫儲液器9和第二高溫儲液器11，以及第一止回閥12，其防止流體倒流回注入單元2中。圖8示出了僅具有一個高溫儲液器9的發(fā)動機的實施例，其中熱流體可從儲液器9循環(huán)到下部汽缸102中的熱交換器通道162，或者如果第二膨脹室151也進行加熱，則(熱流體)通過熱交換器260進行循環(huán)，或者還通過用于兩缸的變體的第一汽缸IOOa中的熱交換器160進行循環(huán)，并且在其返回到儲熱器9進行再加熱之前通過加熱進程3中的加熱器段 33。圖9示出了具有更廣的供熱系統(tǒng)的發(fā)動機的第二變體，其中使用兩個高溫儲熱器9、11而不是一個，并且其中第一高溫儲熱器9是低品級的，而第二高溫儲熱器11是高品級的，這是從高品級儲熱器11以比低品級儲熱器9高很多的溫度供熱的意義上講的。主裝置I連同注入單元2、加熱進程3、冷卻進程4、液體槽5、循環(huán)泵6、8、10、管道、軟管以及(可能具有的)附屬的控制單元一起為通常被視為實際的熱機的部件。盡管如此，熱機如無可用的儲熱器和儲冷器(低溫?zé)嵩?則不能起作用，儲熱器和儲冷器因此被包括為整個系統(tǒng)的一部分。加熱進程3由第二止回閥31、第一復(fù)熱器32以及可能的第二復(fù)熱器35、加熱器33以及最終的閥34構(gòu)成，第二止回閥31位于注入單元2的入口處，跟隨在第二止回閥31之后的是第一復(fù)熱器32以及可能的第二復(fù)熱器35，閥34例如可以是阻塞閥或者壓力閾值閥(如循環(huán)閥)。在圖6a和圖6b中示出了在第二膨脹室151中具有和不具有熱交換器260的發(fā)動機的工作機構(gòu)的簡化的原理圖。圖7a和圖7b中示出了該發(fā)動機的兩缸的變體的相應(yīng)的原理圖。應(yīng)注意的是，為了簡明起見而未示出例如密封件和閥的細節(jié)，但應(yīng)理解它們是存在的。另一方面，圖10示出了該發(fā)動機的一個示例性實施例，其中示出了大多數(shù)細節(jié)。以下，將參照圖6a、圖6b、圖7a、圖7b和圖10。主機構(gòu)由容易識別的主要部件構(gòu)成，這些主要部件如汽缸組件100，具有密封件113和活塞桿114的活塞組件110，適配器115 (其具有充當(dāng)活塞桿114與連接桿116之間的接觸面的軸承)，曲軸117，旁路及具有閥致動器123、132 (在此示出為凸輪軸)的出口閥122、131，旁路線121，絕熱密封件140 (以下也稱為熱密封件)，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員認為該結(jié)構(gòu)所需的其他常見的部件和設(shè)計，如螺栓、螺孔、軸承、密封件、潤滑通道等等。發(fā)動機外殼/曲軸箱因為與本發(fā)明不相關(guān)而未示出，盡管如此，仍假設(shè)已充分關(guān)注了該發(fā)動機外殼對曲軸117、軸承、緊固件等等的氣密性和潤滑的設(shè)置。在熱機的一個未圖示的實施例中，少量的潤滑油混合到工作流體中，如同在兩沖程發(fā)動機中的那樣。如果少量油滑的工作流體有機會從汽缸100向下滲漏到曲軸箱，將實現(xiàn)對曲軸117的潤滑，如同在兩沖程發(fā)動機中的那樣，并且避免了此處的向下滲漏的問題，因為少量的滲漏將不會造成問題，而且也避免了必須對曲軸117的軸承采用單獨的潤滑介質(zhì)的問題，否則將需要單獨的潤滑系統(tǒng)。在此方面，還假設(shè)具有能夠捕獲向下滲漏到曲軸箱中的流體的系統(tǒng)，使得流體可循環(huán)返回到可能的儲液器以進行過濾，以及具有本領(lǐng)域技術(shù)人員認為有必要用以確保工作流體以及潤滑油的完整的其他措施(如果有的話)。在最簡單的情況下，汽缸組件100可由簡單的機加工的部件構(gòu)成，但是由于在汽缸100的多個部分與該組件的其他部件的內(nèi)含物之間需要隔熱，因此利用由單獨的更專業(yè)化的部件構(gòu)成的組件是更實際的。在所描述的本發(fā)明的實施例中，汽缸組件由被限定為頂部汽缸101、底部汽缸102和閥體103的三個主要部件構(gòu)成。頂部汽缸101也稱為上部汽缸，而底部汽缸102也稱為下部汽缸。汽缸組件100還附接到在此處示出的密封塊104，該密封塊104設(shè)有槽，這些槽具有被安裝用以阻擋發(fā)動機中的工作流體的滲漏的密封件105。密封塊104優(yōu)選地具有用于活塞桿114的圓柱形非泄漏的通道。熱密封件140安裝在汽缸組件100與密封塊104之間。這樣所具有的功能是限制朝向發(fā)動機的下部、并且主要朝向附圖中未示出的發(fā)動機的曲軸箱/發(fā)動機外殼的熱滲漏。頂部汽缸101可由金屬或非金屬的多種材料制成。在一個實施例中，頂部汽缸可由鋁或者塑料材料制成，如具有很好的隔熱性能的牢固的材料PEEK制成。在另一個實施例中，頂部汽缸可由具有較好的熱傳導(dǎo)性的材 料制成，隨后對其涂覆提升隔熱性的材料。底部汽缸102由具有較好的熱傳導(dǎo)性能的材料制成。例如，它可由鋁制成。之后，可以有利地涂覆汽缸100的內(nèi)部，汽缸100與具有堅固材料的活塞110接觸，該堅固材料將用作為抵靠汽缸100的良好的滑動表面。該材料可以是例如鉻或碳化物材料的涂層。此夕卜，這在現(xiàn)有的內(nèi)燃機和壓縮機中是已知的。汽缸100的底部不與活塞110直接滑動接觸。例如，活塞110可以這樣的方式形成底部的直徑稍微小于上部的直徑，例如僅小幾百分之一毫米，但仍足以不與汽缸100接觸。由此，可以提供能夠促進底部汽缸102的底部中的熱交換的紊流促進形狀或者其他形狀，使得與之進行熱交換的工作流體以可能的最有效的方式被供給熱量。紊流促進設(shè)計的制作，在簡單的情況下可以通過將汽缸100的這部分進行噴砂，從而產(chǎn)生粗糙度。此外，底部汽缸102的外部形成有通道162并且還安裝有密封殼體161，兩者一起形成用于熱交換流體的所謂的熱流體的熱交換器。熱流體隨之將熱量散發(fā)到底部汽缸102，該底部汽缸則將熱量散發(fā)到下部汽缸室150中的工作流體。通道162設(shè)有渦流促進裝置163，該渦流促進裝置例如為在此示意性地示出的設(shè)于通道壁中的隆起(elevation)的形式。閥體103構(gòu)成下部汽缸室102的延伸部，并且此處的空間已經(jīng)具有至少一個閥122、旁路通道124以及工作流體入口 170，該工作流體入口 170可以是注入噴嘴。閥體103基本上可以與下部汽缸102為同一個物理部件，但是由于能夠?qū)㈤y122與噴嘴170設(shè)置為單獨的組件所具有的優(yōu)點，尤其是這些優(yōu)點可讓步于維護等等，在該示例中閥體被實施為單獨的部件/組件。在閥體103中可被加工出盡可能最適合流體流動以及死容積最低的通道和槽。閥體103還可被制造為具有用于熱流體的單獨的進程，使得在下部汽缸102的延伸部中該閥體還可起到熱流體和與其接觸的工作流體之間的熱交換器的作用?；钊M件110，也稱為活塞，由活塞頭111、滑動活塞112、 ^■封件113、活塞桿114以及活塞桿適配器115構(gòu)成。這些部件以公知的附接方法彼此附接。除了起到工作流體與發(fā)動機之間的能量傳遞的作用之外，活塞110還起到上部汽缸室151與下部汽缸室150之間的普通的可移動分隔件的作用。由于活塞110在其上部軸向端與下部軸向端之間可以是隔熱的，因此例如頂部汽缸101的活塞頭111可由絕熱材料制成，或者其可由涂覆有具有較好的絕熱性能的不同材料層的材料制成?；瑒踊钊?12也可由多種材料制成，但是其必須能夠適于抵靠汽缸100的滑動表面而滑動。在該示例中，滑動活塞112可由鋁合金制成，這在內(nèi)燃機和其他活塞機器中是常見的?；瑒踊钊?12被制造為具有用于密封件113的一個或多個環(huán)形周向槽，這同樣與內(nèi)燃機中的活塞類似?；钊M件110還包括由金屬制成的活塞桿114。該活塞桿114可呈管形以使其質(zhì)量最小化，并因此使重量最小化。桿114還可涂覆有高強度材料層，以使其應(yīng)當(dāng)適于抵靠密封塊104中的內(nèi)表面滑動，密封塊104具有用于活塞桿114的孔。在活塞桿114的端部上安裝有適配器115，該適配器的主要功能是使活塞桿114的直線運動與安裝在變速箱中的軸承中的連接桿116的旋轉(zhuǎn)運動相適應(yīng)。另外，適配器115具有用于活塞桿114的一個軸向端部的密封件的功能，使整個活塞組件110能夠封閉一內(nèi)部體積。該體積可以被排空從而實現(xiàn)真空，由此可在期望時使活塞組件110具有提聞的隔熱效果。密封塊104的主要功能是充當(dāng)活塞桿114以及密封件的通道，使得在下部汽缸室 150中的工作流體不會滲漏出來。在一個實施例中，密封塊104制成有內(nèi)部槽，這些內(nèi)部槽則設(shè)有密封件105，活塞桿114由此將抵靠密封件105滑動。在另一個實施例中，活塞桿114借助外部槽和密封件(未示出)以與滑動活塞112相同的方式制成，并且因此密封塊104的通道將是如同在四沖程奧托發(fā)動機中的汽缸中那樣的連續(xù)的滑動表面。密封塊通道因此優(yōu)選地為圓筒形，而不具有如第一示例性實施例中那樣的用于密封的槽?；钊?10的直線運動最后傳遞到曲軸117，曲軸117將實現(xiàn)像普通內(nèi)燃機中那樣的旋轉(zhuǎn)運動，并且曲軸117可像發(fā)電機那樣進一步連接到功接收器(未示出)，使得該發(fā)動機可產(chǎn)生用于生產(chǎn)能量之類的功。在第一汽缸室150與第二汽缸室151之間形成可供工作流體經(jīng)過的旁路120。旁路120開始于閥體103中的旁路通道124中，經(jīng)過可以為金屬管的通道121，并且進一步進入頂部汽缸101，其中旁路120 (以及通道121)的出口 120b設(shè)置在第二汽缸室151中。旁路端部120a、120b以這樣的方式設(shè)置在汽缸組件100中的活塞110在極限位置之間的移動期間，這些旁路端部不能被活塞110關(guān)閉，而是僅通過操作旁路閥122來關(guān)閉。旁路120構(gòu)成通道，使第一汽缸室150中的工作流體能夠進一步膨脹到第二汽缸室151中，因為在活塞110的運動期間第二汽缸室151比下部汽缸室150的運動期間具有更大的總體積，并且還具有更大的體積改變。換言之，頂部汽缸101比底部汽缸102的dV/ds更大，dV是相對于由ds表示的活塞110的直線位置改變的體積改變。這種體積的差是由于活塞桿114僅處于底部汽缸102的容積中，隨后使該容積大部分發(fā)生移位。因此，頂部汽缸101的完全膨脹的容積將通過活塞110的沖程和整個端部面積而得出，而底部汽缸102的體積將通過相同的沖程得出，但是活塞面積在此處被限制為徑向內(nèi)部汽缸面積與徑向活塞桿面積之間的差。在最簡單的情況下，注入噴嘴170可以是以流體密封的方式安裝在閥體103中的機械加工的孔中的管件。該注入噴嘴還可進一步被安裝為使流出該噴嘴的流體流動方向相對于下部汽缸室150的內(nèi)壁呈切向。這樣可有助于提高如上文所描述的傳熱率。發(fā)動機的運行模式可被描述如下
工作流體處于液體槽5中，并且經(jīng)由第一止回閥12吸入到注入單元2中，并進一步經(jīng)由第二止回閥31被泵送到加熱進程3。在加熱進程3中，工作流體首先經(jīng)過第一復(fù)熱器32，其中工作流體從來自熱機的工作機構(gòu)I的完全膨脹的排放的工作流體中接收一些剩余熱。進而，工作流體穿過第一加熱器33，其由于循環(huán)泵8在儲熱器9與加熱器33之間循環(huán)熱流體而從第一儲熱器9接收熱量。此外，在如圖9中示出的另一個示例性實施例中，流體可從第二復(fù)熱器35中接收更多的熱量，該第二復(fù)熱器中傳遞處于比第一復(fù)熱器中的溫度更高的剩余熱。之后，當(dāng)活塞110處于底部位置時，工作流體流經(jīng)閥34并且經(jīng)由噴嘴170進一步注入到第一汽缸室150 (見圖12)。在圖中未示出的一個示例性實施例中，工作流體還流經(jīng)直接設(shè)置在噴嘴170之前或之后的另一個加熱器(未示出)。所有的或某些部分的工作流體在注入之后將逐漸變成氣態(tài)形式。在第一汽缸室150中，被加熱的流體的壓力導(dǎo)致活塞110的下表面被施加力，并且活塞110被向上推。因為循環(huán)泵8、10分別使熱流體在儲熱器9、11與熱交換器160之間循環(huán)，由此下部汽缸102接收熱量，熱交換器160由形成在下部汽缸102的外部上并且被加熱殼體161圍繞的外部 流體通道162所形成。這些熱量的一部分經(jīng)由下部汽缸102的汽缸壁進行熱交換，并且在工作流體受移向頂部位置(見圖13)的活塞110的作用而膨脹時進入到該工作流體中，并且因此在該膨脹期間供給額外的熱能。(在圖12到圖15中給出曲軸沿箭頭所指示的順時針旋轉(zhuǎn)。)這使得可能仍然處于液態(tài)形式的工作流體在膨脹期間將繼續(xù)蒸發(fā)。當(dāng)活塞110大致處于頂部位置時(圖14)，旁路閥122被閥致動器123打開，使其狀態(tài)從關(guān)閉變化為打開，使工作流體流過旁路120，使得當(dāng)活塞110下行時，工作流體從第一汽缸室150進一步膨脹進入到第二汽缸室151 (圖15)。在圖示的實施例中，第二汽缸室151與發(fā)動機的其余部分及周圍環(huán)境充分地隔熱，使得在此處沒有顯著的熱量傳遞到工作流體或者從這些工作流體中傳出。仍處于第一汽缸室150中的工作流體在進一步膨脹中被供給更多的來自的第二汽缸室151的壁的熱量，因此此處的膨脹將是非絕熱的，例如是多變的、等溫的、等壓的或者處于它們之間的狀態(tài)。工作流體的流入到旁路120并且進一步流入到第二汽缸室151中的那些部分將不被供給任何額外的熱量，因而此處的膨脹是絕熱的或者至少是接近絕熱的。當(dāng)活塞110再一次達到底部位置(圖12)，工作流體的膨脹完成并且出口閥131被附屬閥致動器132打開而改變其位置，并且工作流體開始通過出口 130流出第二汽缸室151，并且進一步流動到熱機冷卻進程4中，該熱機冷卻進程4包含一個或多個復(fù)熱器32、可能具有的復(fù)熱器35，以及冷卻器41，還有輔助管道、軟管以及其他相關(guān)部件。由于曲軸117的旋轉(zhuǎn)運動，活塞110將相對地稍微圍繞底部位置而移動，并且一些工作流體之后將承受以相對恒定的體積冷卻，總體積由第二汽缸室151的體積和冷卻進程4的體積的總量構(gòu)成。當(dāng)活塞110之后再一次從底部位置出來并且上行時(圖13)，它將剩余量的工作流體壓入冷卻進程4，并且進一步的冷卻將發(fā)生。當(dāng)活塞110再一次達到頂部位置時，它幾乎已經(jīng)從第二汽缸室151中移出了全部量的工作流體，并且出口閥131關(guān)閉，使得工作流體僅在冷卻進程4中存在，其中它(工作流體)最終承受進一步的冷卻，但是再一次處于恒定的容積，因為冷卻進程4的容積由于僅由相對穩(wěn)定的部件構(gòu)成將基本上不改變。在冷卻進程4中，工作流體將再一次冷凝成純液體，并且該循環(huán)完成了。因為該過程始終具有充足的工作流體可用，液體槽5設(shè)置在冷卻進程4的出口處，并且可根據(jù)需要使過剩的工作流體在此流入和流出。在圖17中示出了本發(fā)明的工作機構(gòu)的基本的示例性實施例，其具有雙動汽缸組件IOOa和與第一膨脹室150熱接觸的第一熱交換器160，以及與第二膨脹室151熱接觸的第二熱交換器260，膨脹室150、151又連接到單動的接近絕熱的第二汽缸組件IOOb中的第三膨脹室151’。為了清晰起見，其他相似的元件由后綴“a”和“b”標(biāo)示，例如第一汽缸IOOa的活塞IlOa和第二汽缸IOOb的活塞110b。在圖18中示出了與圖17中的示例類似的本發(fā)明的工作機構(gòu)的基本示例性實施例，但是該工作機構(gòu)具有兩個單動汽缸100a、100b，這兩個單動汽缸IOOaUOOb具有各自的帶有內(nèi)部熱交換器160、260的膨脹室150、151，這些膨脹室150、151又連接到另一個接近絕熱的單動汽缸中的第三膨脹室151’。為了清晰起見，其他相似的元件以與上述圖17所用的方式相同的后綴“ a”、“b ”和“ c ”標(biāo)示。在圖19中示出了本發(fā)明的工作機構(gòu)的非常簡單的基本示例性實施例，其中僅一 個單動汽缸組件100與附屬的活塞110共同在同一汽缸容積中限定兩個汽缸室150、151，并且其中熱交換器160僅圍繞第一工作室150設(shè)置。此處，可將兩個工作室150、151之間的界面視為具有虛擬的端部120a、120b的虛擬工作流體旁路120。當(dāng)活塞110在其頂部位置關(guān)閉第一和第二汽缸室150、151之間的連接時，活塞110將起到旁路閥122的作用。參考資料美國專利
權(quán)利要求
1.一種用于在熱機或者熱泵中與工作流體進行熱交換或功交換的方法，其中該方法及其子過程在用于熱泵時與用于熱機時基本相反，在該方法中，該工作流體的熱力學(xué)循環(huán)通過多變關(guān)系式PVn=常數(shù)來近似地描述，其中P是壓力，V是體積，而η是具有絕熱指數(shù)伽馬(Y )的工作流體的多變指數(shù)，并且其中該發(fā)動機由至少一個工作機構(gòu)(I)組成，該工作機構(gòu)設(shè)有第一容積改變室(150)以及至少一個第二容積改變室(151、151’)，其特征在于，該方法至少依次包括下列步驟 a)在第一體積改變過程中，在該第一容積改變室(150)中執(zhí)行工作流體的第一多變體積改變，其中η < Y，以及 b)在第二體積改變過程中，執(zhí)行從該第一容積改變室(150)到該第二容積改變室(151)的工作流體的至少一個接近絕熱的或者多變的第二體積改變，其中η < Y，或者其中體積改變以η < Y開始而以接近絕熱(n ^ Y)結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該方法依次包括下列步驟 在第一過程中，執(zhí)行工作流體的等壓體積改變； 在第二過程中，與該工作流體進行熱交換； 在第三過程中，執(zhí)行根據(jù)以上步驟a)的第一體積改變過程； 在第四過程中，執(zhí)行根據(jù)以上步驟b)的第一體積改變過程； 在第五過程中，與該工作流體進行熱交換，其中熱量流動方向與該第二過程中的熱量流動方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中該方法依次包括以下步驟 在第一過程中，執(zhí)行工作流體的絕熱壓縮； 在第二過程中，向該工作流體供熱； 在第三過程中，執(zhí)行根據(jù)以上步驟a)的第一體積改變過程，其中該體積改變過程包括膨脹； 在第四過程中，執(zhí)行根據(jù)以上步驟b)的第二體積改變過程，其中一個或多個所述體積改變過程包括膨脹； 在第五過程中，冷卻該工作流體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中該方法依次包括以下步驟 該第一過程包括借助注入單元(2)將工作流體從低壓向高壓泵送； 該第二過程包括將熱量供給到設(shè)置在所述容積改變室(150、151、151’)外部的加熱進程(3)中的工作流體； 該第三過程包括在第一容積改變室(150)中注入工作流體并使其膨脹，并且同時將熱量從與第一容積改變室(150)熱接觸的至少一個熱交換器(160)供給到流體； 該第四過程至少包括使該工作流體從第一容積改變室(150、151)經(jīng)由工作流體旁路(120、120’)到第二容積改變室(151、151’)而進一步膨脹；以及 該第五過程包括在設(shè)置于膨脹室(150、151、151’)外部的冷卻進程(4)中冷卻該工作流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該第四過程更具體地包括使該工作流體從第一容積改變室(150)經(jīng)由工作流體旁路(120)到第二容積改變室(151)而進一步膨脹。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該第四過程更具體地包括在第一步驟中，使該工作流體從該第一容積改變室(150)經(jīng)由工作流體旁路(120)到該第二容積改變室(151)而進一步膨脹并且，在第二步驟中，使該工作流體從該第二容積改變室(151)經(jīng)由第二工作流體旁路(120’)到第三容積改變室(151’)而進一步膨脹。
7.根據(jù)權(quán)利要求2到6中任意一項所述的方法，其中該第四過程還包括將熱量從與該第一容積改變室(150)熱接觸的至少一個熱交換器(160)進一步供給到工作流體的全部或部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求2到7中任意一項所述的方法，其中該第四過程還包括將熱量從與第二容積改變室(151)熱接觸的至少一個熱交換器(260)進一步供給到工作流體的全部或部分。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中該工作流體在液態(tài)形式與氣態(tài)形式之間交替變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求4到9中任意一項所述的方法，其中在該第三過程中的工作流體初始時呈液態(tài)形式，由于該工作流體被以足夠高的壓力注入到該第一容積改變室(150)中，使得在該注入操作期間保持為液態(tài)形式。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中該工作流體在該第一過程中呈液態(tài)形式；在該第二過程中呈液態(tài)形式；在該第二過程中完全地或部分地呈超臨界狀態(tài)；在該第三過程中完全地或部分地呈氣態(tài)形式；在該第三過程中基本上被汽化；在該第四過程中可能被進一步汽化；以及在該第五過程中基本上被冷凝。
12.—種熱機裝置，或者其中裝置及其子部件實質(zhì)上被設(shè)置成用于相反的功能的熱泵裝置)，該裝置具有至少一個工作機構(gòu)(I )，該工作機構(gòu)設(shè)有第一容積改變室(150)和具有一個或多個附屬移位機構(gòu)(110、110a、110b、IlOc)的至少一個第二容積改變室(151、151’)，其中至少一個熱交換器(160)至少與該第一容積改變室(150)熱接觸并且圍繞至少該第一容積改變室或者被該第一容積改變室圍繞，所述容積改變室(150、151、151’)通過至少一個工作流體旁路(120、120’)以流體連通的方式接連地連接，該第一容積改變室(150)具有工作流體入口( 170)并且最后的容積改變室(151、151’)具有工作流體出口( 130)，其特征在于，該工作流體入口( 170)、該工作流體出口( 130)以及所述至少一個工作流體旁路(120、.120’)設(shè)有閥(34、122、131)，所述閥被同步以便保持從該第一容積改變室(150)并且通過所述至少第二容積改變室(151、151’)接連流動的有序的工作流體，該工作流體沿著從該工作流體入口(170)到該工作流體出口(130)的流動方向通過所述容積改變室(150、151、.151’ )而被有序地傳送。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述容積改變室(150、151、151’)具有連續(xù)地增加或減少的容積。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求12到13中任意一項所述的裝置，其中所述容積改變室(150、.151、151’)被設(shè)置為具有作為所述膨脹室的功能。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求12到14中任意一項所述的裝置，其中所述工作流體旁路(120、.120’ )借助至少一個旁路閥(122)而能被關(guān)閉。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中在工作流體在所述容積改變室(150、151、151’)之間移動期間，所述容積改變室(150、151、151，)與各自的旁路端部(120a、120b、120a，、.120b ’)之間的流體通道被保持在一個或多個所述移位機構(gòu)(110、110a、110b、I IOc )的任何工作位置。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求12到16中任一項所述的裝置，其中所述容積改變室(150、151、151’)一起被設(shè)置為能夠執(zhí)行工作流體的體積改變過程，使得該工作流體被幾乎完全地從該第一容積改變室(150)移動到該第二容積改變室(151 )，隨后進一步地，所述容積改變室(150、151、151，)的移位機構(gòu)(110、110a、110b、110c)被以機械方式同步。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中在全部或部分的運行狀態(tài)中的機械同步保持具有依次相反的符號的、不同的容積改變室(150、151、151’)之間的移位，使得當(dāng)該第二室的容積(151)減小時，該第一容積改變室(150)的容積將增加，反之亦然。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于在熱機或者熱泵中與工作流體進行熱交換和功交換的方法，其中該方法及其子過程在用于熱泵時與用于熱機時基本相反，在該方法中，該工作流體的熱力學(xué)循環(huán)是通過多變關(guān)系式PVn=常數(shù)來近似地描述，其中P是壓力，V是體積，而n是具有絕熱指數(shù)伽馬(γ)的工作流體的多變指數(shù)，并且其中該發(fā)動機由至少一個工作機構(gòu)(1)組成，該工作機構(gòu)設(shè)有第一容積改變室(150)及至少一個第二容積改變室(151、151’)，該方法至少依次包括以下步驟a)在第一體積改變過程中，在第一容積改變室(150)中執(zhí)行工作流體的第一多變體積改變，其中n＜γ，以及b)在第二體積改變過程中，執(zhí)行從第一容積改變室(150)第二容積改變室(151)的工作流體的至少一個接近絕熱的或者多變的第二體積改變，其中n＜γ，或者體積改變以n＜γ開始并且以接近絕熱(n≈γ)結(jié)束。本發(fā)明還描述了一種用于實施該方法的熱機裝置。
文檔編號F02G1/057GK102893008SQ201180023948
公開日2013年1月23日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者哈拉爾德·里斯拉內(nèi)斯 申請人:維金熱引擎有限公司