热力发动机的制作方法
【专利说明】热力发动机
[0001] 本发明涉及一种用于向一个过程传送热量的装置（以及一种相应的方法），并且 具体地但并非排他性地涉及一种热力发动机以及一种热力发动机的运行方法。
[0002] 对于给定的功率输出，高效的热力发动机倾向于变得更庞大，除非发动机零部件 能够在极端温度条件下运行。其实例是大型燃气涡轮机，当与从排出气体流回收一些能量 的底循环结合时可达到60%量级的热效率。大型柴油发动机可以达到50%以上的效率。其 他类型（如斯特林发动机）表现为由于理论理想循环的形式而提供了高效率，但是现实中 受到由于这种发动机内的实际过程的性质而不可能达到这种理想形式的限制。
[0003] 第一埃里克森循环和第二埃里克森循环提供了更符合理想状况的实际发动机过 程，第一循环作为"带有能量回收的布雷登循环"而更广为人知。这些循环的特征在于实现 了在恒压下发生很大程度的内部发动机热交换。这允许热交换过程缓慢进行，并且因此比 其他循环更高效。第二埃里克森循环将恒压能量回收与等温膨胀和压缩组合，而在实际发 动机中达到这些条件是极度困难的。然而，当压缩比和膨胀比降低时，第一循环和第二循环 的理论效率收敛，使得达到等温条件的努力变得不太重要。
[0004] 降低压缩比和膨胀比具有一些令人遗憾的副效应，即如果发动机自然吸气（即最 小循环压力接近一个大气压），对于给定的功率输出，热力高效的发动机通常会极其庞大 (即具有低功率密度）。运动部件会相应地较大，并且机械效率会较差。进一步的缺点是通 过内部流动通道和阀的压力损失会表现出更高的发动机内部压力的比例，并且会具有相应 的对效率的损害作用。
[0005] 向发动机循环加入或移除热量的手段对功率密度和效率二者也都是关键的。如果 像斯特林发动机或蒸汽动力装置一样从外部增加热量，通过壁传热的必要性致使受到温度 影响的热循环受到传热壁强度的限制。排热同样重要，并且在内燃发动机的情况下，经由排 气气流特别有效地达到了排热。通过内燃来加入热量也是非常有效的，但是在大多数小型 发动机中受到所需的燃烧速度的限制。这导致了加入燃料的不完全使用，并且还导致了不 希望的燃烧产物的生成。
[0006] 本申请确定了对与现有技术相比提供增加的功率密度和效率的可能性的改进的 热力发动机的需求。
[0007] 根据本发明的第一方面，提供了一种发动机，该发动机包括：一个给料机阶段，该 给料机阶段包括一个第一压缩机和一个反应器（例如燃烧室），该第一压缩机用于对在压 力P 1下从气体源接收的一种第一气体进行压缩而达到升高的温度和压力，该反应器用于接 收由第一压缩机所压缩的气体、并且使该压缩的气体与燃料合并而产生放热反应（例如燃 烧）；一个主要阶段，该主要阶段包括一个回路、一个混合室、一个膨胀机和一个第二压缩 机，该回路用于使包括一种第二气体的气体流进行再循环，该混合室与用于使给料机阶段 的放热反应的产物与该回路中的气体流在压力P 2下合并（例如夹带）的回路处于流体连 通中，其中P2大于P i，该膨胀机用于使从混合室接收的气体膨胀来产生机械功，该第二压缩 机用于对被膨胀机膨胀的气体进行压缩。
[0008] 以这种方式，在热力发动机中，在给料机阶段（例如给料机循环）中对初始低压气 体进行的预热和增压在对于放热反应（例如燃烧）而言有效的温度和压力下对气体（例如 空气或含有用于反应的未反应成分的其他气体）进行传送，因此放热反应的受热产物（例 如燃烧产物）与主循环气体流混合，用于向主循环传送热量。如果该给料机循环被配置 成其自身独立的一个热循环、并且该主循环也是一个热循环，则在两个循环中的部分循环 (其中混合流的质量流量是两个循环的质量流量的总和）代表了两个循环的叠加。这种叠 加循环的概念造成了至主循环的非常有效的热量传送，允许主循环在给料循环压力之上的 最小压力下运行，并且允许在接近理想稳定状态条件下进行放热反应（例如燃烧）而允许 燃料的基本上完全的使用。
[0009] 这种叠加循环的原理可以被应用于许多发动机热循环，但是尤其有利的是可以应 用于在主循环进行能量回收的情况下的两种布雷登循环（或者第一埃里克森循环）的组 合。这种组合提供了可以接近理论过程的性能的实际过程，并且因此提供了高效率与高功 率密度的组合。在其理想形式下，其具有与大型燃气涡轮机相同的热效率，但是在一个小得 多的发动机中，而同时避免了在燃气涡轮机中发现的发动机零部件在极端温度下运行的需 要。当两个循环共享部分热循环时，这种组合导致了一种新的循环形式，这种循环形式可以 显示特别有效的热量添加的特性，但是具有中等的峰值温度与高功率密度的组合。
[0010] 在一个实施例中，P2Kp1至少大5倍（例如Kp1至少大1〇倍，例如Kp1至少大 20 倍）。
[0011] 在一个实施例中，该反应器位于该混合室内。
[0012] 在一个实施例中，该反应器包括一个容器，该容器限定了一个用于排放放热反应 的连续产物流的开口。
[0013] 在一个实施例中，该反应器被配置成（例如以至少一种运行模式）使气体与燃料 连续合并（例如来达到连续的放热反应（例如连续燃烧））。
[0014] 在一个实施例中，该反应器被配置成使气体与燃料以基本上化学计量比或近化学 计量比而合并。
[0015] 在一个实施例中，该第一气体是空气（例如大气空气）。
[0016] 在一个实施例中，该第一压缩机被配置成使该第一气体的温度升高至燃料的自燃 温度以上。
[0017] 在一个实施例中，该主要阶段包括一个回热器，该回热器用于将热量从被该膨胀 机所膨胀的气体传递至被该第二压缩机所压缩的气体。
[0018] 在一个实施例中，该主要阶段包括一个热交换器，该热交换器用于将热量从被该 膨胀机所膨胀的气体传递至一个散热器（例如周围环境或一个更冷的散热器（如果可 用））。在主要阶段包括一个回热器的情况下，该热交换器可以位于该回热器与该第二压缩 机之间，用于在被该回热器冷却的气体被该第二压缩机压缩之前从该气体传递热量。
[0019] 在一个实施例中，该热力发动机还包括用于从该回路中移除气体的工具（例如一 个出口）。以这种方式，可以控制该气体回路中的气体含量以考虑到在该混合室中向主要流 添加的气体（例如以维持对于给定的压力和温度比在该主循环中的基本上恒定的质量）。 在一个实施例中，可以将移除的气体排向大气。
[0020] 在一个实施例中，该用于移除气体的工具位于该混合室与该膨胀机之间。在另一 个实施例中，该用于移除气体的工具位于该膨胀机之后（例如位于该膨胀机与该回热器之 间）。
[0021] 在一个实施例中，该用于从该回路中移除气体的工具包括一个用于使被移除的气 体膨胀的另外的膨胀机。
[0022] 在一个实施例中，通过该主要阶段的气体流的质量流率大于通过该给料机阶段的 气体流的质量流率（例如至少大5倍、至少大10倍、至少大20倍）。
[0023] 在一个实施例中，该膨胀机的膨胀比小于该第一压缩机的压缩比的倒数。
[0024] 在该另外的膨胀机位于该混合室与该膨胀机之间的情况下，该膨胀机的膨胀比可 以小于该另外的膨胀机的膨胀比。
[0025] 在一个实施例中，该膨胀机的膨胀比小于5 (例如小于4或小于2)。
[0026]在一个实施例中，该主要阶段的最小气体压力Pmin大于Pp
[0027] 在一个实施例中，该膨胀机和/或另外的膨胀机是联接至（例如直接机械联接 (例如借助于连接轴）或间接联接（例如经由发电机驱动电驱动压缩机）第一压缩机和第 二压缩机中的至少一个，由此使用膨胀功来辅助压缩功。
[0028] 该第一压缩机和/或第二压缩机可以是回转式压缩机、往复式压缩机或者任何其 他的压缩机形式。
[0029] 在一个实施例中，第一压缩机和/或第二压缩机的压缩是基本上等熵的或者绝热 的。
[0030] 在一个实施例中，该放热反应是在基本上等压的条件下发生的。
[0031] 该膨胀机和/或另外的膨胀机可以是回转式膨胀机、往复式膨胀机或者任何其他 的膨胀机形式。
[0032] 在一个实施例中，该膨胀机和/或另外的膨胀机的膨胀是基本上等熵的或者绝热 的。
[0033] 在一个实施例中，该第二压缩机是一种正排量压缩机，并且该膨胀机是一种动态 膨胀机（例如涡轮膨胀机）。以这种方式，可以对该第二压缩机和该膨胀机的运行进行优 化，用于经过该第二压缩机的体积气体流量低于（例如显著低于）经过该膨胀的体积气体 流量的装置。
[0034] 根据本发明的第二方面，提供了一种热力发动机的运行方法，该方法包括：在一个 给料机阶段中：使用第一压缩机来对在压力P 1T从气