在低温条件下从载送流体中产生机械能的装置的制作方法

1.本发明涉及用于在低温条件下从载送流体产生机械能的装置和方法。
2.术语“低温条件”旨在表示载送流体处于低温状态，并且特别是处于低于载送流体的相应临界点温度的温度，以及处于大致等于大气压的低压状态。
3.此外，术语“载送流体”旨在表示属于低温液体族的流体，诸如例如氮气、氧气、氨气，以及其具有的临界温度远低于室温的一般流体，诸如例如甲烷。
4.本发明用于各种应用，其包括例如发电、推进(陆地、铁路、海上)、工业机械的处理或低温条件(例如，在甲烷油轮上运输后的甲烷)下流体的高效再气化。


背景技术：

5.由压缩空气提供动力的引擎是已知的。历史上的示例是气动引擎由储存在加压储罐中的压缩空气提供动力并且由分配器计量引擎循环所需的压缩空气量并且从中获得机械能的那不勒斯-波蒂西铁路线(naples-portici railway line)的机车。
6.此系统的严重问题是，由于安全问题，它只能在相对较低的压力(最多12巴)下供给。低压允许有限量的压缩空气充入储罐中，因此导致有限的操作自主性。
7.此外，压缩空气逐渐从储罐泄放，导致空气压力本身降低，从而导致功能性降低，直至引擎停止运转。
8.另一个问题与从储罐中取出的空气消耗量大相关。事实上，直接使用压缩空气作为载气并且不能节省任何费用。
9.另一个问题是由压缩机供应的压缩空气的供应成本，众所周知，压缩机的效率低并且涉及非常高的供应成本。
10.此外，在此解决方案中，即使为了增加引擎可获得的功率而增加空气压力，仍然会有与使用压缩空气相关的其他问题。
11.第一问题是空气的膨胀和相关的温度降低会产生水和二氧化碳的冷凝，在某些情况下，会破坏引擎的操作。第二问题与引擎排气口处的废气所达到的低温相关，这会导致安全问题和/或环境破坏。由于这些原因，空气从未被压缩超过10巴至12巴。
12.因此，压缩空气引擎的成功仅限于出于安全原因不推荐使用燃料和/或电机的应用，例如煤矿领域。基本，此系列压缩空气引擎是具有高压缩空气消耗量的气动引擎。


技术实现要素：

13.在此背景下，本发明的技术任务是提出克服了现有技术的上述缺点的用于在低温条件下从载送流体产生机械能的装置和方法。
14.特别地，本发明的目的是提供用于在低温条件下以高效和连续的方式从载送流体产生机械能的装置和方法。
15.本发明的另一个目的是提供在装置本身的排气中不存在冷凝和/或“结冰”问题的用于在低温条件下从载送流体中产生机械能的装置和方法。
16.本发明的另一个目的是提供易于以非常低的载送流体消耗操作的用于在低温条件下从载送流体产生机械能的装置和方法。
17.本发明的另一个目的是提供在不影响环境的低温条件下从载送流体产生机械能的装置和方法。
18.具体的技术任务和目的总体上是借助于用于在低温条件下从载送流体产生机械能的装置来实现的，所述装置包括被配置用于在所述低温条件下储存该载送流体的低温储罐和电容性储罐。该装置进一步包括供应回路，该供应回路布置成低温储罐和电容性储罐之间的连接，并且包括泵和主热交换器，该泵被配置为增加载送流体的压力，该主热交换器布置在泵的下游，并且被配置为促进热源和载送流体之间的热交换，以便增加载送流体的温度，并且蒸发所述载送流体。该装置提供引擎主体，该引擎主体被配置用于产生机械能，并且包括至少一个工作室，该至少一个工作室具有布置成与电容性储罐流体连通的入口和连接到用过的载送流体的排放回路的出口，以及设计成将用过的载送流体的一部分输送到电容性储罐中的再循环回路。
19.此外，具体的技术任务和目的大致借助于用于在低温条件下从载送流体产生机械能的方法来实现，该方法包括以下预备步骤：
[0020]-准备包含处于低温温度tcryo和压力水平pcryo的流体的低温储罐；
[0021]-准备电容性储罐；
[0022]-准备设计成承载膨胀阶段和压缩阶段的引擎主体；
[0023]-以压力水平prec和供应温度trec向电容性储罐供应质量m2；
[0024]
该方法还包括以下循环步骤：
[0025]-将载送流体的压力从水平pcryo升高到水平pproc，其中pproc大于pcryo和prec；
[0026]-将载送流体的温度从tcryo升高到第一处理温度tproc1，其中tproc1大于tcryo；
[0027]-将载送流体的温度从tproc1升高到第二处理温度tproc2，其中tproc2大于tproc1；
[0028]-在温度tproc2和压力水平pproc下，向电容性储罐供应质量m1的载送流体；
[0029]-混合载送流体的质量m1和m2，获得处于供应温度tfeed和压力水平pfeed的质量m1+m2；
[0030]-从电容性储罐向引擎主体供应处于压力水平pfeed和供应温度tfeed的载送流体的质量m1+m2；
[0031]-使引擎主体中的载送流体的质量m1+m2膨胀，以便将压力从pfeed水平降低到pex水平，其中pex小于pfeed，并且将温度从tfeed降低到tex，其中tex小于tfeed，以便产生机械能；
[0032]-朝向外部环境排放流体的质量m1；
[0033]-压缩流体的质量m2，以便将压力从水平pex升高到水平prec并且将温度从tex升高到trec，以向电容性储罐供应处于压力水平prec和供应温度trec的所述质量m2。
附图说明
[0034]
从此类设备的优选但非排他的实施例的指示性且因此非限制性的描述中，本发明的进一步特征将变得更加明显，如附图中所示，其中：
[0035]-图1示意性地示出了根据本发明的用于产生机械能的装置的优选实施例；
[0036]-图2a至图2c示出了图1中装置的部件的相应视图；
[0037]-图3a至图3f示出了处于不同操作配置的图2a至图2c中的部件的相应视图；
[0038]-图4示出了图1中装置的开放工作循环的莫里尔图(mollier diagram)。
具体实施方式
[0039]
参考附图，附图标记“1”总体上指示用于在低温条件下从载送流体产生机械能的装置。
[0040]
术语“低温条件”旨在表示载送流体处于低温状态，并且特别是处于低于载送流体的相应临界点温度的温度，以及处于大致等于大气压的低压状态。
[0041]
此外，术语“载送流体”旨在表示属于低温液体族的流体，诸如例如氮气、氧气、氨气，以及其具有的临界温度远低于室温的一般流体，诸如例如甲烷。
[0042]
如图1中所示，装置1大致包括低温储罐10、电容性储罐20、将低温储罐10连接到电容性储罐20并且包括泵31的供应回路30、以及主热交换器32、引擎主体40、排放回路60和再循环回路70。
[0043]
低温储罐10被配置用于在前述低温条件下储存载送流体。
[0044]
在正常操作条件下，低温储罐10中几乎所有的载送流体都是液态的。然而，如将在下文中看到的，储存在低温储罐10内部的相对小百分比的载送流体可以以气态提供，或如果需要，载送流体可以转变为固态。
[0045]
有利的是，由于载送流体在大致等于环境压力的压力下储存在低温储罐10中，所以解决了与加压储罐相关的问题。
[0046]
就尺寸而言，可以根据装置的用途以及空间和自主性要求来“特别”确定低温储罐10的尺寸。
[0047]
有利的是，由于几乎所有的载送流体大致都以液态储存，因此可以积累大量的载送流体。
[0048]
事实上，对于相同的体积，液态的载送流体的质量是气态的相同载送流体质量的几百倍。
[0049]
根据本发明的一个方面，低温储罐10可以包括抽吸真空泵11，该抽吸真空泵被配置为从低温储罐10中抽取气态的载送流体的一部分，以获得低于低温储罐10内部大气压的压力。
[0050]
特别地，真空泵11可操作地布置在低温储罐10的上部，以便从位于载送流体的液体部分上方的载送流体的气体部分抽取。
[0051]
根据真空泵11的优选用途，它可以用于在低温储罐10内部产生压力和温度条件，以便确定载送流体的三相点热力学状态。
[0052]
甚至更优选地，可以使用真空泵11使得在低温储罐10中达到低于决定三相点热力学状态的压力和温度的压力和温度。
[0053]
作为非限制性示例，此特征可以有利地用于船舶应用中，其中必须固化(至少部分地固化)储存在低温储罐10内部的载送流体，以便限制或甚至消除共振现象，防止船只倾覆。
[0054]
此条件是可调整的。
[0055]
将低温储罐10连接到电容性储罐20的供应回路30可操作地布置在低温储罐10的下游。
[0056]
总体上，供应回路30被配置为改变载送流体的热力学条件，以便从能量的角度来看使其有利地可用。
[0057]
供应回路30包括泵31和主热交换器32，泵31被配置为增加载送流体的压力，主热交换器32可操作地布置在泵31的下游，并且被配置为促进热源和载送流体之间的热交换，以便增加载送流体的温度，并且蒸发载送流体，优选地完全蒸发载送流体。
[0058]
泵31可以可操作地布置在低温储罐10内部，或可以可操作地布置成经由导管与低温储罐10流体连通。
[0059]
特别地，泵31可操作地布置成使得它可以从低温储罐10中抽取液态的载送流体。
[0060]
还可以在低温储罐10和泵31之间设置止回阀33。
[0061]
有利的是，此止回阀33允许泵31被间歇地使用，而不会导致朝向低温储罐10的“回流”，并且因此低温储罐10中的压力由于载送流体从供应回路30返回到低温储罐10而增加。这允许低温储罐10的尺寸和热隔离以最佳方式解决。
[0062]
有利的是，通过对基本上不可压缩的液体进行操作，与装置1整体产生的机械能相比，泵31需要可忽略的操作能量成本。
[0063]
根据另一个方面，可以根据引擎主体40的速度来控制和调整泵31。
[0064]
在功能上，如将在下文中详细解释的，泵31导致载送流体的压力增加，以便获得液态的高压载送流体。
[0065]
优选地，载送流体达到正常的超临界压力值。
[0066]
此转变在图4的莫里尔图上用线段ab示出。
[0067]
止回阀34可以布置在泵31和主热交换器32之间。
[0068]
止回阀34可以被配置为移除泵31上的由从热交换器32返回的气态载送流体的可能回流以及由于泵31的作用而对流过供应回路30的载送流体的作用所导致的负载。
[0069]
主热交换器32被配置为加热高压液体载送流体并且促进其状态的改变。
[0070]
特别地，主热交换器32被配置为促进载送流体从液态到气态优选地到超临界气相的状态改变。
[0071]
特别地，主热交换器32使得载送流体达到的温度高于相应的临界温度。
[0072]
此外，主热交换器32被配置为相对于泵31工作后获得的值保持载送流体的压力大致恒定。
[0073]
在本说明书中，术语“热源”意在表示任何温度高于泵31出口处的载送流体并且优选地高于载送流体的临界温度的热源。
[0074]
此热源可以是任何性质的，只要它适合于此目的。
[0075]
根据示例性且因此非限制性的实施例，可以如在已知的甲烷再气化应用中那样使用大气或海水。
[0076]
根据另一个实施例，主热交换器32可以与例如充当热源的太阳能收集器装置相关联，以便基本上以零成本获得热能。
[0077]
根据另一个实施例，装置1可以包括用于产生机械能的辅助装置，图中未示出，该
辅助装置与主热交换器32相关联或可关联，主热交换器32将其自身的热废物转移到主热交换器32，该热废物充当冷热源。
[0078]
优选地，此用于产生机械能的辅助装置包括斯特林引擎(stirling engine)。
[0079]
特别地，斯特林引擎放置在热源和主热交换器32之间。
[0080]
特别地，斯特林引擎使用来自热源的热量向斯特林引擎的相应膨胀室供应能量，而它使用主热交换器32从斯特林引擎的相应压缩室中减去能量。换句话说，载送流体充当冷源，从斯特林引擎中提取热量。
[0081]
在存在斯特林引擎的情况下，提供温度高于大气和/或海水的热源将是特别有利的。例如，热源可以包括太阳能收集器或用于从其他生产循环中回收热量的低焓装置。
[0082]
在结构上，主热交换器32可以根据任何已知类型的结构制成，只要它适合于该目的。
[0083]
功能上，在主热交换器32内，载送流体的加热基本分两步进行。
[0084]
在第一步中，高压液体载送流体借助于主热交换器从热源接收热量并且经历从液体到气态的状态改变。
[0085]
此状态的改变使得高压气体载送流体产生“液压机”效应。
[0086]
事实上，液态载送流体的体积比相同质量的气态载送流体所占据的体积小几百倍。
[0087]
因此，在第二加热步骤中，利用此放大效应来进一步提高高压气体载送流体的温度。
[0088]
此转变在图4的莫里尔图上用线段bc示出。
[0089]
因此，在功能上，供应回路30将来自低温储罐10的低压液体载送流体转变为高压气体载送流体。
[0090]
总之，储存在低温储罐10中的载送流体处于低温条件下，即处于非常低的温度，高于相应载送流体的熔化温度并且处于大致等于大气压的压力下。
[0091]
换句话说，低温条件下的载送流体不处于有利地和直接地用于获得机械功的此类条件下。
[0092]
通过使用供应回路30，借助于泵31来增加载送流体的压力，并且借助于主热交换器32来改变温度。此外，主热交换器32促进载送流体从液体到气体的状态改变。
[0093]
这样，供应装置出口处的载送流体处于“前液态(ex-liquid)”条件，即处于高压下的气态。此情况在图4中由附图标记“c”示出。
[0094]
电容性储罐20可操作地布置在主热交换器32的下游并且与其流体连通。
[0095]
此外，如图1中所示，供应回路30可以包括计量储罐73、被配置为隔离供应回路30的阀72、以及放置在计量储罐73和电容性储罐20之间的阀73。
[0096]
电容性储罐20被配置为收集并且混合来自供应回路30的给定量的“前液态”载送流体和借助于再循环回路70从引擎主体40回收的相应量的再循环载送流体，以便有利地供应引擎主体40。
[0097]
换句话说，所述电容性储罐20被适当地尺寸化成混合“前液态”载送流体和再循环载送流体，以便获得给定量的被限定为“供应载送流体”的载送流体。
[0098]
此外，所述电容性储罐20被适当地尺寸化成计量供应引擎主体40的供应载送流
体。
[0099]
被限定为“供应载送流体”的载送流体具有相对于“前液态”载送流体和再循环载送流体的压力和温度条件平均的压力和温度条件。此“供应”条件在图4中由附图标记“e”示出。
[0100]
再循环回路70的特征以及“前液态”载送流体和再循环载送流体之间的剂量比将在下文中详细说明。
[0101]“再循环”条件在图4中替代地由附图标记“d”示出。
[0102]
引擎主体40被配置用于产生机械能，并且包括至少一个工作室41，该至少一个工作室具有入口42和出口43，该入口42被布置成与电容性储罐20流体连通，供应载送流体从该入口42被供应，该出口43连接到用于用过的载送流体的排放回路60，在图4中由附图标记“g”示出。
[0103]“前液态”载送流体的膨胀在图4中由附图标记“eg”示出。
[0104]
工作室41被配置为借助于至少一个可移动壁44将供应载送流体的膨胀和/或移动转变为机械功。
[0105]
优选地，可移动壁44被限制在上死点和下死点之间平移。替代地，可移动壁44可以被限制成围绕轴线旋转。
[0106]
术语“用过的载送流体”旨在表示在此转变之后的条件下的载送流体，其中载送流体具有低焓以及适于排放到环境中的温度和压力条件。
[0107]
引擎主体40可以根据任何类型制成，只要它适合于所需的目的。
[0108]
根据优选实施例，引擎主体40是往复运动型的。
[0109]
特别地，以本身已知的方式，引擎主体40包括限定工作室41的至少一个气缸45，该工作室41具有与供应阀46相关联的入口42和与排放阀47相关联的出口43。气缸45容纳活塞48和连杆49，该活塞滑动地约束在气缸45中并且与相应的可移动壁44一体成型，该连杆约束到活塞48。最后，连杆49被约束到驱动轴50。
[0110]
在功能上，引擎主体40被配置为使得引擎主体40对供应载送流体的转变操作可以大致被分成两个不同的操作步骤。
[0111]
在第一操作步骤中，在供应阀46打开的情况下，高压供应载送流体从电容性储罐20被输送到引擎主体40的操作室41，这导致可移动壁44的第一移动并且因此导致驱动轴50的第一移动。
[0112]
由于这是一种机械质量传输现象，因此在第一操作步骤中，供应载送流体的压力、温度和焓可以被认为是大致恒定的。
[0113]
换句话说，由于大量供应载送流体转移到工作室41中而生成机械能。
[0114]
此外，在第一操作步骤，供应载送流体不经历热力学转变，而是保持压力和焓大致恒定。
[0115]
第一操作步骤完成后，第二操作步骤开始。此第二操作步骤包括类似于多变式转变的转变，该转变与操作室41的可移动壁44交换机械功。
[0116]
特别地，在第二操作步骤中，供应载送流体的部分焓被转变为机械能。
[0117]
特别地，供应载送流体的温度和压力降低并且载送流体可以被认为是用过的载送流体。
[0118]
在第二操作步骤，由于完成了从电容性储罐20到操作室41的输送载送流体的质量的转移，所以操作室内的载送流体的质量可以被认为是恒定的。
[0119]
与在第一转移操作步骤中获得的机械能相比，在此第二膨胀操作步骤中获得的机械能可以忽略不计。
[0120]
在下面的描述中，引擎主体40的移动周期被描述为驱动轴50在其顺时针方向旋转期间所采取的角度的函数。
[0121]
特别地，驱动轴50的位置(其中可移动壁44处于上死点)被假设为0度的角度。
[0122]
特别地，在第一操作步骤，驱动轴50从12度移动到50度，而在第二操作步骤，驱动轴50从50度移动到180度。
[0123]
根据附图中未示出的另一个实施例，引擎主体40可以是流动引擎类型。
[0124]
在此实施例中，第一操作步骤和第二操作步骤大致同时发生。
[0125]
一旦操作步骤已经完成，用过的载送流体被输送-至少部分输送-到排放回路60中。排放回路60被设计成在图4中的莫里尔图中的附图标记“f”所示的条件下将载送流体排放到环境中。排放回路60可以包括用于用过的载送流体的收集储罐61和排放导管，该排放导管设计成至少部分地将用过的载送流体从装置1中排出。
[0126]
排放回路60可以进一步包括排放阀62。
[0127]
根据本发明的另一个方面，装置1可以包括用于停止引擎主体40的操作的系统80，该系统被配置为停止装置的操作。
[0128]
优选地，停止系统80可以与泵31相关联，以便能够阻止从低温储罐10提取载送流体并且因此阻止向装置1的供应。
[0129]
停止系统80也可以通过连接到停止系统80的阀74起作用。
[0130]
根据本发明的一个方面，装置1可以包括补充回路90，该补充回路90与排放回路相关联并且被配置为用通过排放回路60的用过的流体的一部分，特别是通过收集储罐61的用过的流体的一部分来补充低温储罐10。
[0131]
替代地，装置1可以包括补充回路90，该补充回路90与供应回路相关联并且被配置为用离开主热交换器32的一部分气体载送流体来补充低温储罐10。
[0132]
有利的是，补充回路90防止低温储罐10中的压力降低，由于由泵31施加的液体载送流体的泄放，过度降低低温储罐10内部的压力，因此避免了与例如载送流体的固化相关的问题。
[0133]
事实上，由补充回路90引入低温储罐10的气态载送流体除去由泵31抽取的液态载送流体保持低温储罐10内部的压力大致恒定。
[0134]
此外，有利的是，补充回路90允许泵从低温储罐10中抽取一定量，以便平衡由装置1操作所需的液态载送流体的瞬时消耗所导致的压力降低。
[0135]
换句话说，当泵31从低温储罐10中抽取载送流体时，低温储罐10中的操作压力通过用一定体积的重新整合的气态用过的载送流体替换由泵31抽取的一定体积的液态载送流体而恢复。
[0136]
用于流量拦截和调节的先导操作阀可以可操作地布置用于调节排放回路60和补充回路90中的流量。
[0137]
根据本发明的一个特定方面，再循环回路70被设计成将从引擎主体40的工作室41
中抽取的用过的载送流体的一部分输送到电容性储罐20中。
[0138]
有利的是，再循环回路70的使用允许从排放回路60排放到大气中的用过的载送流体具有安全且适合环境的此类温度和压力条件。换句话说，用过的载送流体在不损害装置1和环境的压力和温度下排放。
[0139]
再循环回路70实际上被配置为从工作室41中抽取部分用过的载送流体并且在多变压缩之后将其引入到电容性储罐20中，多变压缩在图4中的莫里尔图中由附图标记“gd”指示，这增加了载送流体的温度和压力。在电容性储罐20中，再循环载送流体与来自供应回路30的“前液态”载送流体混合，从而增加其压力和温度。载送流体的此状态在图4的莫里尔图中由附图标记“d”指示。
[0140]
事实上，在多变压缩之后，再循环载送流体的温度高于来自供应回路30的“前液态”载送流体的温度。
[0141]
相比之下，再循环载送流体的压力低于来自供应回路30的“前液态”载送流体的压力。
[0142]
再循环载送流体与来自供应回路30的“前液态”载送流体的混合以预定和受控的方式发生，以便限定供应载送流体。
[0143]
换句话说，再循环载送流体和来自供应回路30的载送流体的量必须满足预定的倒数比，这将在下文中解释。
[0144]
根据一个优选实施例，再循环载送流体和“前液态”载送流体之间的质量比为23比1。
[0145]
根据装置1的实施例，多变压缩可以借助于合适的压缩机或有利地借助于引擎主体40，使用从活塞48的下死点到上死点的返回冲程来执行。
[0146]
下面将详细描述装置1的两个实施例，特别注意引擎主体40和再循环回路70的技术特性，因为低温储罐10和供应回路30的特性大致相同。
[0147]
在图1、图2a至图2c和图3a至图3f中示意性地示出了第一实施例。
[0148]
在此实施例中，引擎主体是前述的往复运动类型，如图2a至图2c中示出的。
[0149]
在此实施例中，引擎主体40被配置为：
[0150]-接收供应载送流体；
[0151]-承载(host)供应载送流体的膨胀阶段；
[0152]-将供应载送流体的位移和/或膨胀转换成机械能；以及
[0153]-承载用过的载送流体的压缩阶段。
[0154]
换句话说，引擎主体40被配置为对供应的载送流体执行第一操作步骤和第二操作步骤以及多变压缩步骤。
[0155]
此外，在此实施例中，引擎主体40与再循环回路70以及蒸馏和混合储罐20集成在一起。
[0156]
换句话说，电容性储罐20和再循环回路70形成在引擎主体40内部并且由其部件的操作和移动来限定。
[0157]
详细地，引擎主体40具有供应室51和排放室52，该供应室和排放室形成在气缸中并且相应地位于工作室41和入口42之间以及工作室41和出口43之间。
[0158]
供应阀46和排放阀47相应地与供应室51和排放室52相关联。
[0159]
特别地，阀46、47中的每一者都是提升阀，并且包括下平面元件46a、47a和杆46b、47b，该下平面元件被配置为封闭相应室51、52的底部，以便限定与工作室41的密封隔离，并且杆46b、47b与下平面元件46a、47a一体成型。
[0160]
阀46、47中的每个被滑动地约束在相应的室51、52中，以便限定具有线性轨迹的平移移动。
[0161]
入口42形成在引擎主体40的上部并且大致横向于供应室51的纵向轴线。
[0162]
同样，出口43形成在引擎主体40的上部并且大致横向于排放室52的纵向轴线。
[0163]
根据特定的结构方面，供应阀46具有形成在杆46b内部的空腔46c，该空腔限定第一容纳体积“v1”。杆46b还具有用于所述空腔46c的通孔46d，优选横向地形成在杆46b中。
[0164]
该阀还具有用于关闭空腔46c的关闭元件46e。
[0165]
优选地，此封闭元件46e带有螺纹并且根据其在空腔46c中的紧密程度，允许调整第一容纳体积“v1”的尺寸。
[0166]
供应室51与供应阀46一起限定第二容纳体积“v2”。换句话说，此第二容纳体积“v2”被限定为供应室51的容纳体积，从此容纳体积中减去供应阀46的容纳体积和第一容纳体积“v1”。
[0167]
在此实施例中，如此限定的第一容纳体积“v1”和第二容纳体积“v2”限定了电容性储罐20。
[0168]
根据本发明的另一个方面，第一容纳体积“v1”和第二容纳体积“v2”之间的尺寸比为1比23。
[0169]
供应阀46在供应室51内是可移动的，使得它可以采取四种相应的操作配置。
[0170]
特别地，供应阀46可以采取关闭配置，也限定为第一配置，如图2c中示出的，在该第一配置中通孔46d面向引擎主体40的入口42并且其中下平面元件46a在底部关闭供应室51。此外，在此关闭配置中，大致粘附到引擎主体40的壁的杆46b在顶部关闭供应室51。
[0171]
当供应阀46降低时，供应阀可以采取第二配置，在该第二配置中通孔46d不面向被杆46b关闭的入口42并且其中下平面元件46a在底部关闭供应室51。在此配置中，杆46b仍然在顶部封闭供应室51，使得第一容纳体积“v1”不与第二容纳体积“v2”流体连通。
[0172]
当供应阀46被进一步降低时，供应阀可以采取第三配置，在该第三配置中通孔46d不面向被杆46b关闭的入口42并且其中下平面元件46a在底部关闭供应室51。在此配置中，第一容纳体积“v1”与第二容纳体积“v2”流体连通。
[0173]
最后，供应阀46可以采取打开配置，也限定为第四配置，其中杆46b关闭入口42并且第一“v1”和第二“v2”容纳体积与工作室41流体连通。
[0174]
另一个方面，排放阀47可以采取两种操作配置。
[0175]
特别地，排放阀47可以采取关闭配置和打开配置，在关闭配置中，排放阀47关闭供应室52和底部的出口43，在打开配置中，出口43与工作室41流体连通。
[0176]
有利的是，如附图中所示，根据另一个结构方面，由于在打开配置中，供应阀46或排放阀47可以至少部分地进入工作室41，所以在可移动壁44上形成多个凹部，这些凹部至少部分地成形为与供应阀46和排放阀47互补以便不邻接抵靠它们。
[0177]
下文将详细描述引擎主体40的上述实施例的移动循环。
[0178]
在下面的描述中，引擎主体40的移动周期被描述为驱动轴50在其顺时针方向旋转
期间所采取的角度的函数。
[0179]
特别地，驱动轴50的位置(其中可移动壁44处于上死点)被假设为0度的角度。
[0180]
特别地，图3a示出了初始步骤，其中供应阀46处于关闭配置或第一配置，并且排放阀47处于关闭配置。
[0181]
在此步骤中，再循环载送流体在第二容纳体积“v2”内。
[0182]
第一容纳体积“v1”通过入口42填充有来自供应回路30的“前液态”载送流体。
[0183]
优选地，根据装置1的优选用途，“前液态”载送流体和再循环载送流体之间的质量比为1比23。有利的是，这允许非常低的消耗。
[0184]
可移动壁44靠近上死点。
[0185]
在此步骤期间，驱动轴50从356度的角度移动到6度的角度。
[0186]
图3b示出了其中排放阀47处于关闭配置的移动循环的后续步骤。在此步骤期间，供应阀46首先切换到第二配置，以便关闭入口42，并且然后切换到第三配置，以便第一容纳体积“v1”与第二容纳体积“v2”流体连通。在此配置中，再循环载送流体可以与来自供应回路30的“前液态”载送流体混合，从而获得供应载送流体。
[0187]
此步骤对应于上面所描述的引擎主体40的第一操作步骤。
[0188]
在此步骤期间，可移动壁44仍然大致靠近上死点并且驱动轴50从6度的角度移动到12度的角度。
[0189]
图3c示出了其中供应阀46被切换到打开配置或第四配置而排放阀47处于关闭配置的步骤。
[0190]
在此步骤期间，第一容纳体积“v1”和第二容纳体积“v2”与工作室41流体连通，使得供应载送流体可以移动到工作室41中。此步骤对应于上面所描述的引擎主体40的第二操作步骤。在供应条件下，可移动壁44通过载送流体的推力向下移动。在此步骤期间，驱动轴50从12度的角度移动到170度的角度。
[0191]
图3d示出了移动循环的一个步骤，其中供应阀6和排放阀447两者都处于打开配置。
[0192]
在此步骤期间，对应于来自供应回路30的载送流体的量的一定量的用过的载送流体从工作室41被输送到排放回路60中。可移动壁44靠近下死点。
[0193]
在此步骤期间，驱动轴50从170度的角度移动到180度的角度。
[0194]
图3e示出了移动循环的一个步骤，其中供应阀46处于打开配置或第一配置，而排放阀47被切换到关闭配置。在此步骤期间，用过的载送流体受到可移动壁44的绝热压缩。
[0195]
在此步骤期间，驱动轴50移动到180度的角度。
[0196]
此外，在此步骤期间，工作室41包含对应于再循环载送流体的一定量的载送流体。
[0197]
最后，图3f示出了移动循环的步骤，在该移动循环的步骤中，在多变压缩之后，再循环载送流体在电容性储罐20中。
[0198]
在此步骤期间，驱动轴50从180度的角度移动到356度的角度。
[0199]
有利的是，此实施例具有使其使用极其高效的若干优点。
[0200]
首先涉及引擎主体40的结构简单性。事实上，引擎主体40大致被配置为普通的柴油引擎。换句话说，有利的是，任何现有的柴油机或奥托引擎(otto engine)都可以转换成所述引擎主体40。
[0201]
特别地，本发明的引擎主体40可以通过修改现有的柴油机或奥托引擎来获得。在此情况下，修改仅限于气缸盖和气门控制，这可以通过机械或电子方式完成。
[0202]
第二优点与装置1的紧凑性相关。事实上，再循环回路70和电容性储罐20形成在引擎主体40内部。
[0203]
现在将描述附图中未示出的装置1的另一个实施例。
[0204]
在此实施例中，再循环回路70与排放回路60的收集储罐61相关联并且包括由引擎主体60连接和移动的压缩机。
[0205]
大致上，压缩机被配置为执行三种不同的功能，特别地：
[0206]-借助于用于流量拦截和调节流量的先导阀，从收集储罐61中提取用过的载送流体的一部分，该用过的载送流体的一部分的在量上以体积计，并且根据期望的装置排放温度计算用于再循环；
[0207]-压缩载送流体；
[0208]-将压缩的用过的载送流体输送到电容性储罐20中，其中在电容性储罐20中，可以通过合适的测量仪器测量压力和温度。
[0209]
此外，止回阀可以布置在压缩机和电容性储罐20之间，使得包含在电容性储罐20中的载送流体不会返回到压缩机。
[0210]
根据本发明的一个方面，装置的操作可以委托给旋转的驱动轴50或委托给控制单元。
[0211]
本发明还涉及用于在低温条件下从载送流体产生机械能的方法，该方法可以优选地借助于前述装置1来实施。
[0212]
该方法包括准备包含处于低温温度tcryo和低温压力水平pcryo的载送流体的低温储罐10的预备步骤。载送流体的此状态在图4的莫里尔图中由附图标记“a”指示。
[0213]
该方法还包括准备电容性储罐20和设计用于承载膨胀阶段和压缩阶段的引擎主体40的预备步骤。
[0214]
该方法进一步包括在再循环温度trec和压力水平prec下向电容性储罐20供应载送流体的质量m2的预备步骤。在上述再循环条件下的载送流体的此质量m2在图4中的莫里尔图中由附图标记“d”指示。
[0215]
在此点上，该方法包括循环步骤。
[0216]
特别地，该方法包括将载送流体的压力从pcryo水平升高到pproc水平的步骤，其中pproc大于pcryo并且大于prec。此情况在图4的莫里尔图中由附图标记“b”指示。
[0217]
优选地，将载送流体的压力从pcryo水平升高到pproc水平的步骤借助于泵31来执行。
[0218]
接下来，该方法包括将载送流体的温度从tcryo升高到第一处理温度tproc1的步骤，其中tproc1大于tcryo，以及将载送流体的温度从tproc1升高到第二处理温度tproc2的步骤，其中tproc2大于tproc1。
[0219]
此情况在图4的莫里尔图中由附图标记“c”指示。
[0220]
这些步骤优选地由主热交换器32执行。
[0221]
此外，在这些步骤中，载送流体从液体转变为气体，从而获得处于前述“前液态”条件的载送流体。
[0222]
然后该方法包括其中在温度tproc2和压力水平pproc下向电容性储罐20供应工作流体的质量m1的步骤。
[0223]
优选地，载送流体的质量m2来自再循环回路70，而载送流体的质量m1来自供应回路30。
[0224]
在此点上，此方法包括其中相应地混合载送流体的质量m1和m2、“前液态”和再循环从而获得在供应温度tfeed和压力水平pfeed下的载送流体的质量m1+m2的步骤。
[0225]
回想一下，再循环载送流体的压力prec低于供应载送流体的压力pfeed。此外，再循环载送流体的温度trec高于供应载送流体的温度tfeed。
[0226]
此质量m1+m2处于前述的供应载送流体条件。此情况在图4的莫里尔图中由附图标记“e”指示。
[0227]
一旦获得了载送流体的质量m1+m2，它就以压力水平pfeed和供应温度tfeed从电容性储罐20供应到引擎主体40。
[0228]
然后，该方法包括使引擎主体40中的载送流体的质量m1+m2膨胀的步骤，以便将压力从水平pfeed降低到水平pex，其中pex小于pproc，并且将温度从tfeed降低到tex，其中tex小于tfeed，以便产生机械能。
[0229]
此步骤在图4的莫里尔图中由附图标记“eg”指示。
[0230]
载送流体膨胀结束的条件在图4的莫里尔图中由附图标记“g”指示。
[0231]
最后，该方法包括朝向外部环境排放流体的质量m1的步骤。
[0232]
优选地用放电回路60来执行此步骤。放电条件在图4的莫里尔图中用参考符号“f”指示。
[0233]
该方法进一步包括压缩流体的质量m2的步骤，以便将压力从水平pex升高到水平prec并且将温度从tex升高到trec并且在压力水平prec和供应温度trec下向电容性储罐20供应质量m2。此步骤在图4的莫里尔图中由附图标记“gd”指示。
[0234]
优选地，压缩流体的质量m2以便将压力从水平pex升高到水平prec并且将温度从tex升高到trec并且在压力水平prec和供应温度trec下向电容性储罐20供应质量m2的步骤借助于再循环回路70来执行。
[0235]
根据该方法的一个实施例，用过的载送流体是氮气。在此实施例中，压力和温度值如下：
[0236]-压力水平patm约等于大气压力；以及
[0237]-压力水平pproc具有范围在约300巴和约400巴之间的值；
[0238]-压力水平pfeed具有范围在约250巴和约300巴之间的值；
[0239]-压力水平pex具有范围在约2巴和约4巴之间的值；
[0240]-温度tcryo约为-205℃；
[0241]-温度tproc1约为-80℃；
[0242]-温度tproc2约为+70℃；
[0243]-温度trec约为+680℃；
[0244]-温度tfeed约为+480℃；以及
[0245]-温度tex的范围在约-20℃和约+20℃之间。
[0246]
根据该方法的另一个实施例，载送流体是甲烷。在此实施例中，压力和温度值如
下：
[0247]-压力水平patm约等于大气压力；以及
[0248]-压力水平pproc范围在约200巴和约220巴之间的值；
[0249]-压力水平pfeed具有范围在约150巴和约200巴之间的值；
[0250]-压力水平pex具有范围在约2巴和约4巴之间的值；
[0251]-温度tcryo的范围在约-130℃和约-90℃之间；
[0252]-温度tproc1的范围在约-40℃和约-30℃之间；
[0253]-温度trec约为+360℃；
[0254]-温度tfeed的范围在约+280℃和约+300℃之间；以及
[0255]-温度tex的范围在约-20℃和约+20℃之间。
[0256]
有利的是，本发明克服了现有技术中遇到的缺点。
[0257]
特别地，所实现的目的是提供用于在低温条件下从载送流体产生机械能的在装置自身排放时没有冷凝和/或“结冰”问题的装置和方法。
[0258]
此结果是通过再循环回路70的存在实现的，再循环回路70允许装置1的出口处的用过的载送流体的温度足以防止冷凝和/或冰的形成。
[0259]
进一步实现的目的是提供用于在低温条件下从载送流体产生机械能的能够以非常低的载送流体消耗操作的装置和方法。
[0260]
此结果是借助于再循环回路70实现的，该再循环回路允许非常低的载送流体消耗。
[0261]
进一步实现的目的是提供在不影响环境的低温条件下从载送流体产生机械能的装置和方法。
[0262]
此结果是通过在没有燃烧的情况下操作的可能性实现的。

技术特征：
1.一种用于在低温条件下从载送流体产生机械能的装置(1)，包括：-低温储罐(10)，其被配置用于在所述低温条件下储存所述载送流体；-电容性储罐(20)；-供应回路(30)，其将所述低温储罐(10)连接到所述电容性储罐(20)，并且包括泵(31)和主热交换器(32)，所述泵被配置为增加所述载送流体的压力，所述主热交换器布置在所述泵(31)的下游并且被配置为促进热源和所述载送流体之间的热交换以便增加所述载送流体的温度并且蒸发所述载送流体；-引擎主体(40)，其被配置用于产生所述机械能，并且包括至少一个工作室(41)，所述至少一个工作室(41)具有被布置成与所述电容性储罐(20)流体连通的入口(42)，以及连接到用于用过的载送流体的排放回路(60)的出口(43)；其特征在于，包括再循环回路(70)，所述再循环回路(70)被设计成将所述用过的载送流体的一部分输送到所述电容性储罐(20)中。2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述引擎主体(40)被配置为：-接收所述载送流体；-承载所述载送流体的膨胀阶段；-将所述载送流体的位移和/或膨胀转换成机械能；以及-承载所述用过的载送流体的压缩阶段。3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中，所述再循环回路(70)和/或所述电容性储罐(20)与所述引擎主体(40)集成在一起。4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述引擎主体(40)是往复运动类型的。5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，包括补充回路(90)，所述补充回路(90)接合到所述排放回路(60)和/或所述供应回路(30)，并且被配置为将所述载送流体的一部分输送到所述低温储罐(10)中。6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，包括用于产生机械能的辅助装置；所述辅助装置优选包括引擎；所述辅助装置更优选地包括斯特林引擎，所述斯特林引擎接合到或能够接合到所述主热交换器(32)并且可操作地放置在所述热源和所述主热交换器(32)之间，以便借助于所述主热交换器(32)将热转移到所述载送流体。7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述引擎主体包括供应阀(46)，所述供应阀(46)接合到所述入口(42)并且可滑动地插设在供应室(51)中，所述供应室在上方面向所述工作室(41)；所述供应阀(46)包括下部平面元件(46a)和杆(46b)，所述下部平面元件被配置为在所述供应阀(46)的关闭配置中将所述供应室(51)与所述工作室(41)隔离，所述杆具有通孔(46d)，所述通孔被配置为在所述供应阀(46)的所述关闭配置中面向所述入口(42)以便使所述入口(42)与形成在所述杆(46b)中的空腔(46c)连通。8.一种在低温条件下从载送流体产生机械能的方法，包括以下预备步骤：-准备低温储罐(10)，所述低温储罐(10)包含处于低温温度tcryo和压力水平pcryo的流体；-准备电容性储罐(20)；-准备引擎主体(40)，所述引擎主体(40)被设计成承载膨胀阶段和压缩阶段；
‑
以压力水平prec和供应温度trec向所述电容性储罐(20)供应质量m2；所述方法还包括以下循环步骤：-将所述载送流体的压力从所述水平pcryo升高到水平pproc，其中pproc大于pcryo和prec；-将所述载送流体的温度从tcryo升高到第一处理温度tproc1，其中tproc1大于tcryo；-将所述载送流体的温度从tproc1升高到第二处理温度tproc2，其中tproc2大于tproc1；-向所述电容性储罐(20)供应处于温度tproc2和压力水平pproc的工作流体的质量m1；-混合载送流体的所述质量m1和m2，获得处于供应温度tfeed和压力水平pfeed的质量m1+m2；-从所述电容性储罐(20)向所述引擎主体(40)供应处于所述压力水平pfeed和供应温度tfeed的载送流体的所述质量m1+m2；-使所述引擎主体(40)中的载送流体的所述质量m1+m2膨胀，以便将压力从所述水平pfeed降低到水平pex，其中pex小于pfeed，并且将温度从tfeed降低到tex，其中tex小于tfeed，以产生机械能；-朝向外部环境排放流体的质量m1；-压缩流体的质量m2，以便将压力从水平pex升高到水平prec并且将所述温度从tex升高到trec，以向所述电容性储罐(20)供应处于压力水平prec和供应温度trec的所述质量m2。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述载送流体是氮气。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述压力水平如下：-压力水平patm约等于大气压力；以及-压力水平pproc具有在约300巴和约400巴之间的值；-压力水平pfeed具有在约250巴和约300巴之间的值；-压力水平pex具有在约2巴和约4巴之间的值；并且其中所述温度水平如下：-温度tcryo约为-205℃；-温度tproc1约为-80℃；-温度tproc2约为+70℃；-温度trec约为+680℃；-温度tfeed约为+480℃；以及-温度tex在约-20℃和约+20℃之间。11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述载送流体是甲烷。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述压力水平如下：-压力水平patm约等于大气压力；以及-压力水平pproc在约200巴和约220巴之间的值；-压力水平pfeed具有在约150巴和约200巴之间的值；-压力水平pex具有在约2巴和约4巴之间的值；并且其中所述温度水平如下：
‑
温度tcryo在约-130℃和约-90℃之间；-温度tproc1在约-40℃和约-30℃之间；-温度trec约为+360℃；-温度tfeed在约+280℃和约+300℃之间；以及-温度tex在约-20℃和约+20℃之间。

技术总结
一种用于在低温条件下从载送流体产生机械能的装置(1)，包括被配置用于在低温条件下储存载送流体的低温储罐(10)和电容性储罐(20)。装置(1)还包括供应回路(30)，其布置为低温储罐(10)和电容性储罐(20)之间的连接，并且包括被配置为增加载送流体的压力的泵(31)以及主热交换器(32)，其布置在泵(31)的下游并且配置为促进热源和载送流体之间的热交换，以便增加载送流体的温度并且蒸发载送流体。装置(1)提供配置用于产生机械能的引擎主体(40)和再循环回路(70)，引擎主体包括至少一个工作室(41)，该工作室具有布置成与电容性储罐(20)流体连通的入口(42)和连接到用于用过的载送流体的排放回路(60)的出口(43)，再循环回路被设计成将用过的载送流体的一部分输送到电容性储罐(20)中。储罐(20)中。储罐(20)中。


技术研发人员：维塔利亚诺
受保护的技术使用者：诗兰斯有限责任公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2023/6/7