閉式循環(huán)設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于通過(guò)回收和轉(zhuǎn)換熱而產(chǎn)生電力和/或機(jī)械力的設(shè)備，例如，蘭金循環(huán)設(shè)備。
[0002]本發(fā)明可以應(yīng)用在，例如，用于回收熱電聯(lián)產(chǎn)過(guò)程的廢熱的生物氣體/生物質(zhì)設(shè)備中、用于利用中型/小型熱源的地?zé)嵩O(shè)備中、用于回收廢熱(通過(guò)轉(zhuǎn)換工業(yè)過(guò)程的廢熱)的工業(yè)設(shè)備中、用于生產(chǎn)電力和利用衛(wèi)生用熱的家用環(huán)境中。該設(shè)備的另一應(yīng)用可以涉及熱源通過(guò)吸收太陽(yáng)能的設(shè)備來(lái)提供的系統(tǒng)，不僅涉及家用系統(tǒng)而且涉及工業(yè)系統(tǒng)。另外，能夠提供該設(shè)備在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如，用于從發(fā)動(dòng)機(jī)(水和/或煙氣)回收熱。
【背景技術(shù)】
[0003]如已知的，熱源、特別是處于低溫和中溫的熱源是廣泛可用的，這些熱源現(xiàn)在分布在環(huán)境中，并且因此被浪費(fèi)了。實(shí)際上將所述源供給的熱通過(guò)當(dāng)前可用的回收和轉(zhuǎn)換裝置與方法轉(zhuǎn)換成電力相對(duì)于產(chǎn)生的電力而言太過(guò)昂貴。因此，這種源即使以有限的方式用于專業(yè)應(yīng)用中，也仍很少被人使用，特別是在家庭環(huán)境中使用。
[0004]最通常的熱源(這里優(yōu)選地所指的)不僅是作為人類活動(dòng)的副產(chǎn)品可獲得而且是在自然中可獲得的，諸如例如在廢工業(yè)產(chǎn)品中含有的熱或在生物質(zhì)中——在生物質(zhì)被燃燒的情況下含有的熱。
[0005]用于回收熱力的蘭金循環(huán)和由此而生的電力生產(chǎn)的多個(gè)應(yīng)用是已知的。優(yōu)選的實(shí)施方式包括將渦輪用作膨脹室。然而，這種解決方案具有對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言熟知的一些限制和不利之處，其包括:
[0006]。渦輪以及關(guān)聯(lián)的控制元件的高成本；
[0007]。需要進(jìn)行具有不同類型的后續(xù)任務(wù)的頻繁維修；
[0008]。僅在精確確定膨脹流體的流量的情況下并且在限定的旋轉(zhuǎn)速度的情況下才能獲得的最大效率；具體地，這可能也是渦輪系統(tǒng)的最大限制，這是因?yàn)槿绻D(zhuǎn)速度受到相對(duì)于最優(yōu)值的輕微變化的影響，則渦輪效率將急劇下降。
[0009]由于以上提到的原因，絕對(duì)明顯地是蒸汽渦輪不是很適合于利用中/低溫度熱源，并且不適合于極易變化的熱供給(如在以上例示的示例中指出的)，并因此不是很適合于小規(guī)模的設(shè)備(供給的電力例如小于50kw)。
[0010]從文獻(xiàn)JP10252558、JP10252557和JP10259966中，使用用于不同目的的蘭金循環(huán)的一些已知的不同的技術(shù)方案是已知的；然而，所建議的解決方案中沒(méi)有一個(gè)解決方案對(duì)于產(chǎn)生電力而言是有利的，特別是在熱力以極易變化的范圍被供給的情況下。
[0011]為了克服以上描述的缺點(diǎn)，已知的是使用往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式體積膨脹機(jī)。這種膨脹機(jī)能夠在相對(duì)適度的流體流量下操作，而不會(huì)過(guò)度地減小功率和效率。另外，在較小的熱力下操作的體積膨脹機(jī)以遠(yuǎn)小于渦輪旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)次數(shù)(周期)操作，以此方式消除了在液體(因工作流體的不正確的蒸發(fā)而形成的液滴)流入膨脹室的情況下?lián)p壞可動(dòng)部件的風(fēng)險(xiǎn)。另外，以上描述的體積膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性小于渦輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，使得因此減小了成本。
[0012]除降低了復(fù)雜性之外，體積膨脹機(jī)比渦輪緊湊得多，這又使其實(shí)現(xiàn)和組裝更容易。
[0013]用于借助于低溫?zé)嵩磳崃D(zhuǎn)換為電力的體積膨脹機(jī)的示例在申請(qǐng)人的專利申if US 2012/0267898 A1 中進(jìn)行了描述。
[0014]該申請(qǐng)描述了一種蘭金循環(huán)機(jī)器，該機(jī)器包括缸體和適于在所述缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)活塞。主軸關(guān)聯(lián)至活塞，主軸又連接至由轉(zhuǎn)子和定子形成的DC電壓產(chǎn)生器:轉(zhuǎn)子連接至主軸并且由主軸致動(dòng)。缸體設(shè)置有吸入端口和排出端口，工作流體流動(dòng)通過(guò)吸入端口和排出端口。為了致動(dòng)活塞，機(jī)器使用了旋轉(zhuǎn)閥，旋轉(zhuǎn)閥使引入流體、使流體膨脹、排出流體的步驟能夠以期望的順序進(jìn)行。為了使這些步驟彼此同步，旋轉(zhuǎn)閥通過(guò)連接至主軸的多個(gè)動(dòng)作傳動(dòng)構(gòu)件致動(dòng)。
[0015]盡管所描述的解決方案(體積膨脹機(jī))在低溫?zé)嵩吹臈l件下與渦輪機(jī)相比有所改進(jìn)，但以上描述的體積膨脹機(jī)也并非沒(méi)有缺陷。特別地，申請(qǐng)人認(rèn)為已知的體積膨脹機(jī)、以及同樣在申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)US 2012/0267898 A1中描述的機(jī)器在不同的方面是能夠進(jìn)一步改進(jìn)的。
[0016]本發(fā)明的目的
[0017]本發(fā)明的第一目的包括提供一種能夠適于不同的工作條件以便有效地利用可用的熱源并且以優(yōu)良的效率供給最大動(dòng)力的設(shè)備，例如蘭金循環(huán)設(shè)備。
[0018]本發(fā)明的另一主要目的包括使得可獲得一種適于長(zhǎng)時(shí)期操作而無(wú)需任何維護(hù)并且實(shí)施為高度一體地并且緊湊的單元的設(shè)備、例如蘭金循環(huán)設(shè)備。
[0019]本發(fā)明的另一目的為使得可獲得一種生產(chǎn)簡(jiǎn)單并且安裝容易、并且因此顯示了極其低的生產(chǎn)、維護(hù)和組裝成本的設(shè)備、例如蘭金循環(huán)設(shè)備。
[0020]最后，本發(fā)明的目的為開發(fā)一種能夠有效地利用以上提到的設(shè)備的方法。
[0021]以上描述的目的中的一個(gè)或多個(gè)目的將在以下描述中更好地理解，并且基本上通過(guò)根據(jù)所附權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求所述的蘭金循環(huán)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]以下將在本文中描述本發(fā)明的方面。
[0023]在第一方面中提供了一種用于將熱力轉(zhuǎn)換為電力的閉式循環(huán)設(shè)備1，特別是蘭金循環(huán)設(shè)備，包括:
[0024]-閉合回路2，至少一種工作流體在該閉合回路2內(nèi)根據(jù)預(yù)定的循環(huán)方向循環(huán)，
[0025]-至少一個(gè)體積膨脹機(jī)4，所述至少一個(gè)體積膨脹機(jī)4構(gòu)造成在入口處接收處于氣體狀態(tài)的工作流體，所述體積膨脹機(jī)4包括:
[0026]。至少一個(gè)護(hù)套5，所述至少一個(gè)護(hù)套5具有分別適于能夠引入和排出工作流體的至少一個(gè)入口 8和至少一個(gè)出口 9，
[0027]。活動(dòng)元件6，該活動(dòng)元件6容置在所述護(hù)套內(nèi)，并且適于與所述護(hù)套5配合來(lái)限定可變?nèi)莘e的膨脹室7，
[0028]。主軸11，該主軸11與活動(dòng)元件6相關(guān)聯(lián)，并且構(gòu)造成繞軸線以旋轉(zhuǎn)的方式運(yùn)動(dòng)，
[0029]。至少一個(gè)閥10，所述至少一個(gè)閥10在護(hù)套5的入口和出口處起作用，并且構(gòu)造成選擇性地打開及關(guān)閉所述入口和所述出口以使得至少能夠?qū)崿F(xiàn)將工作流體引入到所述膨脹室7的狀況、使工作流體在所述膨脹室7內(nèi)膨脹的狀況以及將工作流體從所述膨脹室7排出的狀況，
[0030]-至少一個(gè)電力產(chǎn)生器12，所述至少一個(gè)電力產(chǎn)生器12連接至主軸11，
[0031]閥10包括至少一個(gè)調(diào)節(jié)裝置14，所述至少一個(gè)調(diào)節(jié)裝置14構(gòu)造成使得能夠改變下述參數(shù)中的至少一者:
[0032]-引入狀況的持續(xù)時(shí)間；
[0033]-入口8的最大通過(guò)截面。
[0034]在根據(jù)第一方面的第二方面中，設(shè)備I包括:
[0035]-至少一個(gè)栗13，所述至少一個(gè)栗13置于回路2上，并且布置成向工作流體施加所述預(yù)定循環(huán)方向，
[0036]-至少一個(gè)第一熱交換器3，所述至少一個(gè)第一熱交換器3在回路2上起作用并且相對(duì)于工作流體循環(huán)方向位于栗13的下游，所述第一熱交換器3被布置為用于在入口處接收工作流體，并且構(gòu)造成接收來(lái)自熱源H的熱，并且使得能夠?qū)ぷ髁黧w進(jìn)行加熱直到使工作流體從液體狀態(tài)變?yōu)闅怏w狀態(tài)為止，
[0037]所述體積膨脹機(jī)4相對(duì)于回路2內(nèi)的工作流體循環(huán)方向連接至第一熱交換器3的下游，并且構(gòu)造成在入口處接收在第一交換器3中產(chǎn)生的處于氣體狀態(tài)的工作流體。
[0038]在根據(jù)前述方面中任一方面的第三方面中，調(diào)節(jié)裝置14包括至少一個(gè)掩蔽件15，所述至少一個(gè)掩蔽件15能夠相對(duì)于入口 8運(yùn)動(dòng)以使得能夠改變最大截面并且確定對(duì)在引入狀況期間進(jìn)入膨脹室7的工作流體的體積流量的調(diào)節(jié)。
[0039]在根據(jù)前述方面的第四方面中，閥10包括:
[0040]-閥體24，閥體24具有呈大致圓筒形形狀的至少一個(gè)容置座25，閥10的閥體24還包括至少一個(gè)第一通道26和至少一個(gè)第二通道27，所述第一通道26和所述第二通道27分別布置成使容置座25與所述膨脹室7的入口 8和出口 9流體連通，
[0041]-至少一個(gè)分配本體28，所述至少一個(gè)分配本體28以旋轉(zhuǎn)的方式與容置座25的內(nèi)部接合，并且所述至少一個(gè)分配本體28包括:
[0042]。第一通路29和第二通路30，
[0043]。至少一個(gè)第一腔體31和至少一個(gè)第二腔體32，所述第一腔體31和所述第二腔體32位于分配本體的一個(gè)側(cè)壁處并且相對(duì)于相同的分配本體28的旋轉(zhuǎn)軸線彼此成角度地偏置，所述第一腔體31和所述第二腔體32構(gòu)造成使第一通路29和第二通路30分別與第一通道26和第二通道27流體連通，
[0044]分配本體28構(gòu)造成根據(jù)在容置座25內(nèi)的旋轉(zhuǎn)而選擇性地確定體積膨脹機(jī)4的引入狀況、膨脹狀況和排出狀況。
[0045]在根據(jù)前述方面的第五方面中，掩蔽件15被插置在分配本體28的第一腔體31與閥10的第一通道26之間，掩蔽件15能夠相對(duì)于第一通道26運(yùn)動(dòng)，特別地相對(duì)于入口 8運(yùn)動(dòng)，以確定所述最大截面的變化。
[0046]在根據(jù)第四方面或第五方面的第六方面中，掩蔽件15包括插置在容置座25與分配本體28之間的半圓筒形套筒，掩蔽件15能夠繞分配本體28的旋轉(zhuǎn)軸線以旋轉(zhuǎn)的方式運(yùn)動(dòng)。
[0047]在根據(jù)從第三方面至第六方面中任一方面的第七方面中，掩蔽件15根據(jù)其自身的角度運(yùn)動(dòng)確定入口 8的預(yù)定數(shù)目的閉合度，每個(gè)閉合度通過(guò)在無(wú)掩蔽件15的情況下入口8的最大截面的面積與存在掩蔽件15的情況下最大通過(guò)截面的面積的比率來(lái)限定。
[0048]在根據(jù)前述方面的第八方面中，閉合度包括在I與3之間，特別地包括在I與2之間，更特別地包括在I與1.5之間。
[0049]在根據(jù)從第三方面至第八方面中任一方面的第九方面中，調(diào)節(jié)裝置14包括:
[0050]-至少一個(gè)第一傳感器34，所述至少一個(gè)第一傳感器34在回路2上起作用，并且構(gòu)造成產(chǎn)生關(guān)于進(jìn)入體積膨脹機(jī)4的處于氣體狀態(tài)的工作流體的至少一個(gè)壓力參數(shù)的第一檢測(cè)信號(hào)，
[0051]-至少一個(gè)第二傳感器35，所述至少一個(gè)第二傳感器35在回路2上起作用，并且構(gòu)造成產(chǎn)生關(guān)于栗13的上游的處于液體狀態(tài)的工作流體的至少一個(gè)壓力參數(shù)的第二檢測(cè)信號(hào)，以及
[0052]-控制單元33，該控制單元33連接至第一傳感器34和第二傳感器35，并且構(gòu)造成:
[0053]。從第一傳感器34和第二傳感器35接收相應(yīng)的第一檢測(cè)信號(hào)和第二檢測(cè)信號(hào)；
[0054]。處理從第一傳感器34和第二傳感器35接收的信號(hào)，以確定分別在體積膨脹機(jī)4的入口處和栗13的上游的工作流體的壓力；以及
[0055]。根據(jù)所述工作流體壓力的值中的至少一者、優(yōu)選地兩者將掩蔽件15相對(duì)于入口定位。
[0056]在根據(jù)從第三方面至第九方面中任一方面的第十方面中，調(diào)節(jié)裝置14包括至少一個(gè)第一推動(dòng)器44，所述至少一個(gè)第一推動(dòng)器44在一側(cè)連接至掩蔽件15的末端部，并在另一側(cè)連接至閥體24，所述推動(dòng)器44構(gòu)造成相對(duì)于閥體24運(yùn)動(dòng)，以將掩蔽件15相對(duì)于入口8移置至多個(gè)操作位置中。
[0057]在根據(jù)前述方面的第十一方面中，所述調(diào)節(jié)元件14包括至少一個(gè)第二推動(dòng)器45，所述至少一個(gè)第二推動(dòng)器45在一側(cè)連接至掩蔽件15的末端部，并在另一側(cè)連接至閥體24，參照掩蔽件1