用于将热量转换成有用功的热力发动机和热力循环的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及根据方案I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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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】
[0007]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。
[0008]本发明提供根据方案I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。
[0009]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Δπι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。
[0010]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。
[0011]各存储装置的热室和冷室之间的温度差可以优选地在IK至1000K的范围内，特别地在1K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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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)。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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Hi1+ Δ m、体积为V1的工作气体从温度T 平衡压力Pm开始膨胀并且被加热到体积V A Λ V1,使得其后的温度T12比温度T η大，并且压力P 2比所述平衡压力Pm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％+八％的工作气体从温度T22和平衡压力P 111开始被压缩并且被冷却到体积V 2，使得其后的温度T21比温度T22小，并且压力P 所述平衡压力Pn/J、；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Pm，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Δπι在所述第一和第二存储装置之间交换。
[0025]第一和第二处理步骤能够同时进行。
[0026]第一存储装置中的质量为Hi1、体积SVfAV1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 ?>开始被压缩并且被冷却到体积V i，使得其后的温度T11比温度T 12小，并且压力P η比平衡压力P m小。第二存储装置中的质量为m2+Am、体积为V2的工作气体能够在第五处理步骤中从温度T 21和平衡压力P m开始膨胀并且被加热到体积V2+ Δ V2，使得其后的温度T22比温度T 21大，并且压力P 22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Pm，其中，优选地，两个存储装