閉式循環(huán)設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于通過回收和轉換熱而產(chǎn)生電力和/或機械力的設備，例如，蘭金循環(huán)設備。
[0002]本發(fā)明可以應用在，例如，用于回收熱電聯(lián)產(chǎn)過程的廢熱的生物氣體/生物質設備中、用于利用中型/小型熱源的地熱設備中、用于回收廢熱(通過轉換工業(yè)過程的廢熱)的工業(yè)設備中、用于生產(chǎn)電力和利用衛(wèi)生用熱的家用環(huán)境中。該設備的另一應用可以涉及熱源通過吸收太陽能的設備來提供的系統(tǒng)，不僅涉及家用系統(tǒng)而且涉及工業(yè)系統(tǒng)。另外，能夠提供該設備在汽車領域中的應用，例如，用于從發(fā)動機(水和/或煙氣)回收熱。
【背景技術】
[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，并且因此被浪費了。實際上將所述源供給的熱通過當前可用的回收和轉換裝置與方法轉換成電力相對于產(chǎn)生的電力而言太過昂貴。因此，這種源即使以有限的方式用于專業(yè)應用中，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中——在生物質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)的多個應用是已知的。優(yōu)選的實施方式包括將渦輪用作膨脹室。然而，這種解決方案具有對本領域技術人員而言熟知的一些限制和不利之處，其包括:
[0006]。渦輪以及關聯(lián)的控制元件的高成本；
[0007]。需要進行具有不同類型的后續(xù)任務的頻繁維修；
[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，這是因為如果旋轉速度受到相對于最優(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)模的設備(供給的電力例如小于50kw)。
[0010]從文獻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方案是已知的；然而，所建議的解決方案中沒有一個解決方案對于產(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，已知的是使用往復式或旋轉式體積膨脹機。這種膨脹機能夠在相對適度的流體流量下操作，而不會過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以遠小于渦輪旋轉速度的旋轉次數(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壞可動部件的風險。另外，以上描述的體積膨脹機的結構復雜性小于渦輪的結構復雜性，使得因此減小了成本。
[0012]除降低了復雜性之外，體積膨脹機比渦輪緊湊得多，這又使其實現(xiàn)和組裝更容易。
[0013]用于借助于低溫熱源將熱力轉換為電力的體積膨脹機的示例在申請人的專利申if US 2012/0267898 A1 中進行了描述。
[0014]該申請描述了一種蘭金循環(huán)機器，該機器包括缸體和適于在所述缸體內(nèi)往復運動的關聯(lián)活塞。主軸關聯(lián)至活塞，主軸又連接至由轉子和定子形成的DC電壓產(chǎn)生器:轉子連接至主軸并且由主軸致動。缸體設置有吸入端口和排出端口，工作流體流動通過吸入端口和排出端口。為了致動活塞，機器使用了旋轉閥，旋轉閥使引入流體、使流體膨脹、排出流體的步驟能夠以期望的順序進行。為了使這些步驟彼此同步，旋轉閥通過連接至主軸的多個動作傳動構件致動。
[0015]盡管所描述的解決方案(體積膨脹機)在低溫熱源的條件下與渦輪機相比有所改進，但以上描述的體積膨脹機也并非沒有缺陷。特別地，申請人認為已知的體積膨脹機、以及同樣在申請人的專利申請US 2012/0267898 A1中描述的機器在不同的方面是能夠進一步改進的。
[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力的設備，例如蘭金循環(huán)設備。
[0018]本發(fā)明的另一主要目的包括使得可獲得一種適于長時期操作而無需任何維護并且實施為高度一體地并且緊湊的單元的設備、例如蘭金循環(huán)設備。
[0019]本發(fā)明的另一目的為使得可獲得一種生產(chǎn)簡單并且安裝容易、并且因此顯示了極其低的生產(chǎn)、維護和組裝成本的設備、例如蘭金循環(huán)設備。
[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備的方法。
[0021]以上描述的目的中的一個或多個目的將在以下描述中更好地理解，并且基本上通過根據(jù)所附權利要求中的一個或多個權利要求所述的蘭金循環(huán)設備來實現(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換為電力的閉式循環(huán)設備1，特別是蘭金循環(huán)設備，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)預定的循環(huán)方向循環(huán)，
[0025]-至少一個體積膨脹機4，所述至少一個體積膨脹機4構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4包括:
[0026]。至少一個護套5，所述至少一個護套5具有分別適于能夠引入和排出工作流體的至少一個入口 8和至少一個出口 9，
[0027]?；顒釉?，該活動元件6容置在所述護套內(nèi)，并且適于與所述護套5配合來限定可變?nèi)莘e的膨脹室7，
[0028]。主軸11，該主軸11與活動元件6相關聯(lián)，并且構造成繞軸線以旋轉的方式運動，
[0029]。至少一個閥10，所述至少一個閥10在護套5的入口和出口處起作用，并且構造成選擇性地打開及關閉所述入口和所述出口以使得至少能夠實現(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]-至少一個電力產(chǎn)生器12，所述至少一個電力產(chǎn)生器12連接至主軸11，
[0031]閥10包括至少一個調節(jié)裝置14，所述至少一個調節(jié)裝置14構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)時間；
[0033]-入口8的最大通過截面。
[0034]在根據(jù)第一方面的第二方面中，設備I包括:
[0035]-至少一個栗13，所述至少一個栗13置于回路2上，并且布置成向工作流體施加所述預定循環(huán)方向，
[0036]-至少一個第一熱交換器3，所述至少一個第一熱交換器3在回路2上起作用并且相對于工作流體循環(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，并且構造成接收來自熱源H的熱，并且使得能夠對工作流體進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4相對于回路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，調節(jié)裝置14包括至少一個掩蔽件15，所述至少一個掩蔽件15能夠相對于入口 8運動以使得能夠改變最大截面并且確定對在引入狀況期間進入膨脹室7的工作流體的體積流量的調節(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容置座25，閥10的閥體24還包括至少一個第一通道26和至少一個第二通道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]-至少一個分配本體28，所述至少一個分配本體28以旋轉的方式與容置座25的內(nèi)部接合，并且所述至少一個分配本體28包括:
[0042]。第一通路29和第二通路30，
[0043]。至少一個第一腔體31和至少一個第二腔體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側壁處并且相對于相同的分配本體28的旋轉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構造成根據(jù)在容置座25內(nèi)的旋轉而選擇性地確定體積膨脹機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能夠相對于第一通道26運動，特別地相對于入口 8運動，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的旋轉軸線以旋轉的方式運動。
[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)其自身的角度運動確定入口 8的預定數(shù)目的閉合度，每個閉合度通過在無掩蔽件15的情況下入口8的最大截面的面積與存在掩蔽件15的情況下最大通過截面的面積的比率來限定。
[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，調節(jié)裝置14包括:
[0050]-至少一個第一傳感器34，所述至少一個第一傳感器34在回路2上起作用，并且構造成產(chǎn)生關于進入體積膨脹機4的處于氣體狀態(tài)的工作流體的至少一個壓力參數(shù)的第一檢測信號，
[0051]-至少一個第二傳感器35，所述至少一個第二傳感器35在回路2上起作用，并且構造成產(chǎn)生關于栗13的上游的處于液體狀態(tài)的工作流體的至少一個壓力參數(shù)的第二檢測信號，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，并且構造成:
[0053]。從第一傳感器34和第二傳感器35接收相應的第一檢測信號和第二檢測信號；
[0054]。處理從第一傳感器34和第二傳感器35接收的信號，以確定分別在體積膨脹機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，調節(jié)裝置14包括至少一個第一推動器44，所述至少一個第一推動器44在一側連接至掩蔽件15的末端部，并在另一側連接至閥體24，所述推動器44構造成相對于閥體24運動，以將掩蔽件15相對于入口8移置至多個操作位置中。
[0057]在根據(jù)前述方面的第十一方面中，所述調節(jié)元件14包括至少一個第二推動器45，所述至少一個第二推動器45在一側連接至掩蔽件15的末端部，并在另一側連接至閥體24，參照掩蔽件1