CN103321777B - 一种斯特林热机换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斯特林热机换热器，包括圆筒状的换热器外壳，换热器外壳一端连接有加热器，另一端连接有制冷器，所述的换热器外壳靠近加热器端设有第一金属丝网，换热器外壳靠近制冷器端设有第二金属丝网，所述的换热器外壳位于第一金属丝网和第二金属丝网之间的空腔内设有碳纤维体，所述的碳纤维体充满整个空腔。碳纤维体具有耐高温、高导热、耐腐蚀的性能，而且采用填充式，制造成本很低，使用寿命长，气体与碳纤维体的接触面积大，热交换效率高。

Description

一种斯特林热机换热器

技术领域

本发明涉及一种斯特林热机，尤其涉及一种斯特林热机换热器。

背景技术

换热器是斯特林热机的重要部件，加热、冷却、回热都需要经过换热器，斯特林热机具有较高的热能与机械能之间转换效率，而热能与机械能之间的热交换的效率最主要取决于换热器的热交换效率。目前，斯特林热机加热普遍采用管式换热器、翅片式换热器或者丝网结构换热器，冷却主要是用水冷换热器，回热都用蓄热式换热器。综合平衡换热器通流容积、工质流阻损失、热交换能力三者的矛盾，是各类换热器必须遵循的原则。常见的典型的斯特林热机换热器包括一个外筒，外筒内设置多层的金属丝网，为了增大气体与换热器之间的换热面积，金属丝网上的孔目非常致密，而且多大数百层的金属丝网通过焊接叠合在一起，然后与外筒焊接固定，同时由于换热器内的气体压力很大，为了防止金属丝网拱起变形，保证金属丝网的使用寿命，每层金属丝网当都紧密贴合后焊接成一体，并且为了减小气体阻力，每层金属丝网的孔位都一一对应，该种结构的换热器内的金属丝网的制造加工成本非常昂贵，焊接技术复杂，从而导致整个斯特林热机的成本很高，不利于推广使用；金属丝网周围与外筒焊接的缝隙远大于孔目的间隙，当气体经过金属丝网的时候，金属丝网中心的阻力较周围的阻力大，因此有较多的气体从周围的间隙中通过换热器，造成边缘效应，导致热交换效率低；由于每层金属丝丝网的孔位一一对应，构成直孔通道，气体从最上层的金属丝网经过直孔通道后达到最下层的金属丝网，整个过程中气体与金属丝网的接触面积也较小，热交换面积小，而且气流不稳定，严重影响换热器的热交换效率。因此如何降低换热器的制造成本，最大限度的增加换热面积，提高热交换效率是设计斯特林换热器的一个重点、难点。

例如：中国专利申请公告号：CN102086820A，申请公布日2011年6月8日，公开了一种斯特林热机环形换热器，包括一个环形换热器主体及其两端各有的多个连接管；环形换热器内呈中心对称分布换热通道两条以上，对称中心是中央通道中心，各换热通道两端各有一个连接管，换热通道之间的换热壁内有多个换热孔，环形换热器表面布满换热片。将多个工作腔斯特林热机各自独立的换热器合为一体，满足了处于各热力学过程的工作腔的换热需求；有效增大了换热器与热源间的换热面积，增强了换热能力，完全可以用风冷系统取代现有的水冷系统；尤其是用于斯特林可逆热机，空间利用充分，整机体积更小。其不足之处是该种换热器仍然是采用换热片来实现增大换热面积的效果，整个换热器制造成本仍然很高，同时依靠增加换热孔和换热通道来提高热交换效率，并没有从根本上解决换热器换热效率低的难题，换热效率仍然较低，使用寿命也较低。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的斯特林热机换热器制造成本高，换热面积小，热交换效率低，使用寿命短的不足，提供了一种制造成本低，换热面积显著增加，换热效率高，使用寿命长的斯特林热机换热器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种斯特林热机换热器，包括圆筒状的换热器外壳，换热器外壳一端连接有加热器，另一端连接有制冷器，所述的换热器外壳靠近加热器端设有第一金属丝网，换热器外壳靠近制冷器端设有第二金属丝网，所述的换热器外壳位于第一金属丝网和第二金属丝网之间的空腔内设有碳纤维体，所述的碳纤维体充满整个空腔。把细小的碳纤维体直接放入加热器外壳的空腔内，然后两端通过金属丝网盖住，防止碳纤维体漏出来，碳纤维随机无序的排布在换热器外壳内，把换热器外壳内的空间分隔形成无数个相对较均匀的间隙，便于气体流通，高温高压气体从加热器端流入换热器内，经过碳纤维体的吸热后，温度降低后流向制冷器，经过制冷器的二次降温，从而使得流入换热器和流出换热器的气体之间形成较大的温差，热交换效率高；碳纤维体自身耐高温、高导热、耐腐蚀，能适应换热器内的高温、高压的环境，可以长期使用而不需要更换，使用寿命很长，与普通的换热器比较具有成本低、使用寿命长、换热效率高的特性。

作为优选，所述的第一金属丝网、第二金属丝网的外侧分别设有金属丝网固定板，所述的金属丝网固定板的周围与换热器外壳的端部固定连接，第一金属丝网、第二金属丝网分别焊接连接在金属丝网固定板的内侧，所述的金属丝网固定板上设有若干通气孔。第一金属丝网、第二金属丝网自身的强度有限，在高温高压气体的作用下容易发生变形或者与换热器外壳脱落等，因此需要金属丝网固定板来增加其强度，防止变形。

作为优选，所述的通气孔的直径从金属丝网固定板的中心向周围逐渐减小，金属丝网固定板同一半径对应的圆周上的通气孔的直径相同。相同直径的通气孔在金属丝网固定板的相同半径圆周上一圈圈的同心分布，不同直径的通气孔在金属丝网固定板的分布从中心向周围的直径逐渐减小，这样就保证气体大部分从换热器外壳的中心通过，而靠近换热器外壳的内侧壁处通过的气体较少，防止换热器外壳与气体发生热交换，从而减小边缘效应，提高换热效率。

作为优选，所述的碳纤维体包括第一碳纤维体和第二碳纤维体，第一碳纤维体呈圆柱状结构，所述的换热器外壳内还设有金属隔网，金属隔网把换热器外壳内的空腔分隔成两部分，其中靠近加热器端的为换热区间，靠近制冷器端的为冷却区间，第一碳纤维体填充在换热区间内，第二碳纤维体沿着换热器外壳的轴向均匀紧密的排布填充在冷却区间内。第一碳纤维体无序的填充在换热区间内，对气体的阻力较大，第二碳纤维体沿着换热器外壳的轴向分布，即排布方向与气体流动方向一致，对气体的阻力较小，当热气体从加热器内进入换热区间内，换热区间内的第一碳纤维体阻力较大，能最大限度的吸收高温高压气体的热量，使得从换热区间内流出的气体与进入的气体之间形成较大的温差，便于提高热交换效率从而提高机械效率，换热区间内流出的气体再次进入冷却区间内，冷却区间的阻力小，气体很快就从冷却区间的外端流出，从而对整个斯特林热机系统进行做功，能尽快的把热能转化为机械能，缩短整个热交换的周期；当冷气体从制冷器内流入进入冷却区间内，冷却区间内的第二碳纤维体阻力小，气体能快速经过冷却区间流入换热区间内被加热，缩短加热的时间，从而保证斯特林热机工作的时候冷气体能在短时间内被加热然后做功，缩短斯特林热机的启动时间，同时缩短每个热交换周期。

作为优选，所述的第二碳纤维体呈螺旋状结构，其中相邻的两圈螺旋紧密贴合在一起，第二碳纤维体的两端分别与第二金属丝网、金属隔网固定连接，相邻的两个第二碳纤维体的外圈接触贴合。螺旋状结构的第二碳纤维体，其外表面、内表面与气体的接触都显著的增加了，气体从第二碳纤维体的内圈、外圈经过时，虽然阻力减小了，然而接触面积提高了很多，也有效的提高的热交换。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）碳纤维体的取材、加工都非常方便，采用直接填充式装入换热器外壳内，装配简单、成本很低，便于推广使用；（2）气体与换热器外壳内的碳纤维体的接触面积非常大，换热面积大，热交换效率很高；（3）碳纤维体自身具有耐高温、高导热、耐腐蚀的性能，从而有效的提高的换热器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的第一种结构示意图。

图2为金属丝网固定板的结构示意图

图3为本发明的第二种结构示意图。

图4为第二碳纤维体的剖视图。

图5为第二碳纤维体的局部俯视图。

图中：换热器外壳1  加热器2  制冷器3  第一金属丝网4  第二金属丝网5  碳纤维体6  金属丝网固定板7  通气孔8  金属隔网9  第一碳纤维体61  第二碳纤维体62。

具体实施方式

    下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例1：如图1所示的一种斯特林热机换热器，包括圆筒状的换热器外壳1，换热器外壳1上端连接有加热器2，下端连接有制冷器3，换热器外壳1靠近加热器端设有第一金属丝网4，换热器外壳1靠近制冷器端设有第二金属丝网5，换热器外壳1位于第一金属丝网和第二金属丝网之间的空腔内设有碳纤维体6，碳纤维体6充满整个空腔，把碳纤维体无序的装入换热器外壳内，无数的碳纤维体把换热器外壳内的空间分隔成无数个相对较均匀且连通的空间，便于气体通过，气体通过碳纤维体之间的间隙后，碳纤维体吸收气体的热量，从而使得流进和流出的气体产生温度差，从而使得斯特林热机对外做功，气体与碳纤维体的接触面积很大，便于提高热交换效率，同时碳纤维体自身具有耐高温、高导热、耐腐蚀的性能，从而有效的提高的换热器的使用寿命，整个换热器与普通的换热器比较，成本大幅度的降低了，便于推广使用；如图2所示，第一金属丝网4、第二金属丝网5的外侧分别设有金属丝网固定板7，金属丝网固定板为一块圆板，其直径和换热器外壳的外径相同，金属丝网固定板7的周围与换热器外壳1的端部焊接连接，第一金属丝网4、第二金属丝网5分别焊接连接在金属丝网固定板7的内侧，金属丝网固定板7上设有若干通气孔8，通气孔8的直径从金属丝网固定板7的中心向周围逐渐减小，金属丝网固定板7的同一半径对应的圆周上的通气孔8的直径相同，金属丝网固定板能增加金属丝网的连接强度，防止金属丝网在高温高压的气体作用下发生变形，通气孔便于气体进入和流出换热器外壳内，金属丝网固定板中间的通气孔直径大，周围的通气孔逐渐减小，这样就保证气体从换热器中间流过的多，从周围流过的气体少，防止换热器外壳的内壁与气体发生热交换，从而减小边缘效应。因此该种斯特林热机换热器整体制造成本低，使用寿命长，热交换效率高，便于推广使用。

实施例2：如图3所示的一种斯特林热机换热器，包括圆筒状的换热器外壳1，换热器外壳1上端连接有加热器2，下端连接有制冷器3，换热器外壳1靠近加热器端设有第一金属丝网4，换热器外壳1靠近制冷器端设有第二金属丝网5，换热器外壳1位于第一金属丝网和第二金属丝网之间的空腔内设有碳纤维体6，碳纤维体6包括第一碳纤维体61和第二碳纤维体62，第一金属丝网4、第二金属丝网5的外侧分别设有金属丝网固定板7，金属丝网固定板为一块圆板，其直径和换热器外壳的外径相同，金属丝网固定板7的周围与换热器外壳1的端部焊接连接，第一金属丝网4、第二金属丝网5分别焊接连接在金属丝网固定板7的内侧，金属丝网固定板7上设有若干通气孔8，通气孔8的直径从金属丝网固定板7的中心向周围逐渐减小，金属丝网固定板7的同一半径对应的圆周上的通气孔8的直径相同；

换热器外壳1内还设有金属隔网9，金属隔网9把换热器外壳内的空腔分隔成两部分，其中靠近加热器2端的为换热区间，靠近制冷器3端的为冷却区间，第一碳纤维体61呈圆柱状结构，第一碳纤维体61无序的填充在换热区间内，第二碳纤维体62呈螺旋状结构，其中相邻的两圈螺旋紧密贴合在一起，螺旋状结构能增加第二碳纤维体与气体的接触面积，从而提高热交换效率，第二碳纤维体62沿着换热器外壳1的轴向均匀紧密的排布填充在冷却区间内，第二碳纤维体62的两端分别与第二金属丝网5、金属隔网9固定连接，相邻的两个第二碳纤维体62的外圈接触贴合，第一碳纤维体交错致密的填充在换热区间内，对气体的阻力较大，第二碳纤维体沿着换热器外壳的轴向分布，即排布方向与气体流动方向一致，对气体的阻力较小，当热气体从加热器内进入换热区间内，换热区间内的第一碳纤维体阻力较大，能最大限度的吸收高温高压气体的热量，使得从换热区间内流出的气体与进入的气体之间形成较大的温差，便于提高热交换效率从而提高斯特林热机的效率，换热区间内流出的气体再次进入冷却区间内，冷却区间的阻力小，气体很快就从冷却区间的外端流出，从而对整个斯特林热机系统进行做功，能尽快的把热能转化为机械能，缩短整个热交换的周期；当冷气体从制冷器内流入进入冷却区间内，冷却区间内的第二碳纤维体阻力小，气体能快速经过冷却区间流入换热区间内被加热，缩短气体在冷却腔内的停留时间，从而尽快进入换热区间内加热，保证斯特林热机工作的时候冷气体能在短时间内被加热然后做功，缩短斯特林热机的启动时间，同时缩短每个热交换周期，提高斯特林热机的整体效率。

Claims (3)

1.一种斯特林热机换热器，包括圆筒状的换热器外壳（1），换热器外壳（1）一端连接有加热器（2），另一端连接有制冷器（3），其特征是，所述的换热器外壳（1）靠近加热器端设有第一金属丝网（4），换热器外壳（1）靠近制冷器端设有第二金属丝网（5），所述的换热器外壳（1）位于第一金属丝网和第二金属丝网之间的空腔内设有碳纤维体（6），所述的碳纤维体（6）充满整个空腔；所述的第一金属丝网（4）、第二金属丝网（5）的外侧分别设有金属丝网固定板（7），所述的金属丝网固定板（7）的周围与换热器外壳（1）的端部固定连接，第一金属丝网（4）、第二金属丝网（5）分别焊接连接在金属丝网固定板（7）的内侧，所述的金属丝网固定板（7）上设有若干通气孔（8）；所述的碳纤维体（6）包括第一碳纤维体（61）和第二碳纤维体（62），第一碳纤维体（61）呈圆柱状结构，所述的换热器外壳（1）内还设有金属隔网（9），金属隔网（9）把换热器外壳内的空腔分隔成两部分，其中靠近加热器（2）端的为换热区间，靠近制冷器（3）端的为冷却区间，第一碳纤维体（61）填充在换热区间内，第二碳纤维体（62）沿着换热器外壳（1）的轴向均匀紧密的排布填充在冷却区间内。

2.根据权利要求1所述的一种斯特林热机换热器，其特征是，所述的通气孔（8）的直径从金属丝网固定板（7）的中心向周围逐渐减小，金属丝网固定板（7）的同一半径对应的圆周上的通气孔（8）的直径相同。

3.根据权利要求1所述的一种斯特林热机换热器，其特征是，所述的第二碳纤维体（62）呈螺旋状结构，其中相邻的两圈螺旋紧密贴合在一起，第二碳纤维体（62）的两端分别与第二金属丝网（5）、金属隔网（9）固定连接，相邻的两个第二碳纤维体（62）的外圈接触贴合。