CN105658940B - 用于外燃热力发动机的回热器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于外燃热力发动机、特别是用于斯特林发动机的回热器(5)，其适于安装在从发动机的热侧流至发动机的冷侧并从发动机的冷侧流至发动机的热侧的工作流体的通路中。当工作流体在从发动机的热侧至冷侧的途中经过回热器(5)时，回热器(5)能够接收和临时储存工作流体寄存的热，并且当工作流体在从发动机的冷侧至热侧的途中经过回热器(5)时，回热器(5)能够再将热释放至工作流体。回热器(5)包括至少一个贯通通道(50)，贯通通道(50)沿其轴线延伸方向从贯通通道(50)的热侧口向冷侧口渐缩，以使得沿着贯通通道(50)流动的工作流体(10)保持在大致恒定的压力下。

Description

用于外燃热力发动机的回热器

技术领域

本发明涉及一种用于外燃热力发动机、特别是用于斯特林发动机的回热器。

背景技术

外燃热力发动机，特别是斯特林发动机一般是通过工作流体——例如空气、氦气、氢气或其他气体——的循环压缩和膨胀而运转的。工作流体的循环压缩和膨胀在不同的温度水平下进行，使得将外部提供的热能直接转化为机械功。该发动机也可以称为闭式循环热力发动机，优选地为回热的热力发动机，该热力发动机具有永久工作的气态流体。术语“闭式循环”可以定义为这样的热力学系统：工作流体永久性地存在于该系统中。“回热的”指的是设置特定类型的热交换器和热储存系统，称为回热器。包含了回热器使斯特林发动机区别于其他已知的闭式循环热空气发动机。

回热器为内部热交换器和临时的热储存器。回热器定位在外燃热力发动机的热部和冷部之间，使得工作流体从发动机的热部穿过回热器到达发动机的冷部，并且再从发动机的冷部穿过回热器到达发动机的热部。回热器的作用是将工作流体的热保留在系统中，否则工作流体将与环境进行热交换。因此，当工作流体来自外部燃烧热力发动机的热侧时，工作流体将热寄存在回热器中，当工作流体再从外部燃烧热力发动机的冷侧流回时，工作流体再从回热器带走热。

回热器的主要作用是通过维持并“回收”系统的内部热来提高热效率，否则系统的内部热将不可逆地流失。现有技术中已知的这种类型的回热器具有的一个问题是，这种类型的回热器引入太多的额外容积，这些额外容积造成发动机的无效空间。外燃热力发动机中的无效空间导致工作流体中的可用的压力差的损失，从而降低系统的热力学效率和机械效率。另一种类型的使用一叠纯金属丝网的回热器具有以下问题：当工作流体流经回热器时在工作流体中产生涡流。这些涡流造成工作流体的流动阻力，从而为热力发动机的热效率带来负面影响。

发明内容

因此，本发明的一个目的是为现有技术已知的回热器的缺陷进行补救。将提供一种如下的回热器，其使得能够实现有效的且足够高的热量被传递至气态工作流体以及从气态工作流体被传递出，并且不引入太多的额外内部容积或流动阻力。将提供一种回热器，其还允许使用较重的气体——例如空气——作为工作流体。回热器将具有相对简单的结构，并将与不同类型的外燃热力发动机——特别是阿尔法或贝塔型的斯特林发动机——兼容。

通过根据本发明的各个方便列举的特征的回热器，实现了上述主题背景下的这些以及其他目的。

因此，根据本发明，提供了一种用于外燃热力发动机、特别是用于斯特林发动机的回热器，该回热器适于安装在从发动机的热部至发动机的冷部的工作流体的管道中。当工作流体在从发动机的热侧至发动机的冷侧的途中经过回热器时，该回热器能够接收和临时储存工作流体寄存的热，并且随后，当工作流体在从发动机的冷侧至热侧的途中经过回热器时，回热器能够再将热释放至工作流体中。回热器包括至少一个贯通通道，该贯通通道沿贯通通道的轴线延伸方向从贯通通道的热侧口向冷侧口渐缩，以使得贯通通道流动的工作流体可以保持在大致恒定的压力下。

通过为回热器提供从贯通通道的热侧口向冷侧口渐缩的至少一个贯通通道，考虑到在运转过程中工作流体在提高的温度的状态下从发动机的热侧到达热侧口。并且因此，工作流体倾向于膨胀并占据较大的容积，或者在可得的恒定的容积下具有较高的压力。在工作流体穿过贯通通道的过程中，工作流体将其热寄存至回热器。由于工作流体的温度降低，工作流体的体积收缩且其压力降低。降低压力指每单位面积中更少的分子到达贯通通道的侧壁。因此，随着工作流体的温度降低，工作流体与回热器的贯通通道的侧壁的热交换也降低。

由于渐缩的贯通通道，温度导致的压力降低能够被抵消。通过选择贯通通道的锥度使得沿着贯通通道流动的工作流体保持在大致恒定的压力下，到达通道壁的分子的数量能够保持大约恒定，并且回热器中的热交换效率可以显著提高。此效果不仅发生在工作流体从外燃热力发动机的热侧流过贯通通道行进到冷侧时，而且在工作流体沿相反的方向、从外燃热力发动机的冷侧流过贯通通道流到热侧时也会发生。工作流体一旦与贯通通道的壁接触则吸收热。工作流体随着温度升高而膨胀。贯通通道的横截面以对应于工作流体的体积增大的方式扩大。因此，回热器的贯通通道内的工作流体的压力保持大约恒定。避免了突然的压力增大导致的流动阻力的增大。贯通通道的渐缩的形状避免了当从外燃热力发动机的热侧行进到冷侧的工作流体被冷却时的稀释效果，并且避免了当工作流体在沿相反的方向——从发动机的冷侧至热侧——行进而被加热时的封闭效果。工作流体中的涡流保持大约恒定并且是可控的。贯通孔没有如金属丝网之类的任何障碍物。因此，可以避免不受控制的额外的涡流。回热器的结构相对简单并且仅需要形成从其热侧口向冷侧口渐缩的至少一个贯通通道。

在回热器的一个非常简单的设计中，贯通通道可以连续地或者说线性地渐缩。这一实施方式的背景是假设工作流体在流过贯通通道的过程中温度线性升高并因此体积增大。回热器的替代性实施方式也可以设置有呈锥形的至少一个贯通通道，该锥形沿着贯通通道的从回热器的热侧口至回热器的冷侧口的延伸方向增大或减小。

贯通通道原则上可以具有任意的横截面。然而，回热器的一个非常便利的实施方式设置呈大致的截头锥形的至少一个贯通通道。这种形状的机械实现能够相对简单地完成。

呈截头锥形的贯通通道不需要具有圆形横截面。在本发明的一个示例性实施方式中，贯通通道可以具有长形或椭圆形横截面，从而形成分别位于回热器的热侧和冷侧处的差不多类似于狭槽的口。

对于大多数外燃热力发动机结构、特别是斯特林发动机中的应用，可以使用回热器，回热器中的至少一个成锥形地渐缩的贯通通道具有侧壁，该侧壁与贯通通道的轴线所夹的角度大于0°至小于45°、优选地2°至40°、最优选地5°至35°。锥度可由技术工人根据回热器的热侧口和冷侧口处的工作流体的温度来确定。根据本发明的具有上述指定范围内的大致锥形状渐缩的渐缩贯通通道满足了大多数外燃热力发动机的需求和通常所利用的、发动机的热侧与冷侧之间的温度差。

根据热交换的所需的程度，回热器可以设置有这样的贯通通道，其中贯通通道的冷侧口的横截面面积为热侧口的横截面面积的10％至小于100％、优选地15％至80％、最优选地20％至65％。

为了增大当工作流体流过回热器时能够发生热交换的面积，回热器可以包括多个渐缩的贯通通道，该多个贯通通道各自的轴线以彼此大致平行的方式延伸。全部的贯通通道可以根据前述实施方式中的任意实施方式渐缩。应当注意的是，为了机械简易性和回热器效率的可预见性，全部的贯通通道可以形成并构造为同样的。因此，依据回热器的热侧的横截面以及冷侧的横截面，贯通通道的口的宽度可以各不相同，锥度和口的横截面的百分比关系优选地为同样的。

在回热器的可简单地安装的实施方式中，多个通道的热侧口可以设置在热侧凸缘板中，而多个通道的冷侧口设置在冷侧凸缘板中。

为了更好地隔绝回热器经由周围环境发生的热损失，贯通通道可以通过壳体被封闭。在回热器的这一实施方式中，热侧凸缘板和冷侧凸缘板分别形成壳体的表面侧。

在本发明的另一实施方式中，该实施方式相对地易于制造且不需要特定的单独组装，多个通道可以设置在单件金属中。热侧凸缘和冷侧凸缘分别形成此单件金属的表面侧。

在回热器的又一个实施方式中，热侧凸缘板可以适于安装至用于外燃热力发动机的热侧的加热装置，冷侧凸缘板可以适于安装至用于外燃热力发动机的冷侧的冷却装置。加热装置和冷却装置优选地设置在回热器的附近，使得大量的热能够在工作流体与回热器之间进行交换。应当注意的是，在本发明的这一实施方式中，由于加热装置和冷却装置尽可能地接近回热器，使得发动机的无效容积减小。

原则上，工作流体可以是液体或气体。出于运输目的和效率原因，优选气态工作流体。因此，回热器包括多个贯通通道，其中，各贯通通道适于与气态工作流体结合使用。气态工作流体可以是具有高热容的气体，如氦气或氢气。为了降低例如对于氦气而言所需的密封的复杂性，以及为了遵守氢气作为工作流体的情况下的安全监测方面的要求，空气为优选的工作流体。因此，回热器的贯通通道被配置和优化为用于与作为工作流体的空气相结合使用。

根据上述实施方式中的任意一个实施方式的回热器优选地可以适于安装在阿尔法型斯特林发动机的通路中。因此，阿尔法型斯特林发动机优选地配备有根据前述实施方式中的任意一个实施方式的回热器。这一斯特林发动机展示出较高效的热交换，并且其具有比现有技术的斯特林发动机更流畅的操作特性。

附图说明

通过参照示意性附图对本发明的示例性实施方式的以下描述将清楚本发明的其他细节和优势，以下附图不按比例绘制，其中：

图1示出包括根据本发明的回热器的一个实施方式的阿尔法型斯特林发动机的截面图；

图2示出根据本发明的回热器的原理；

图3示出回热器的一个示例性实施方式的从热侧口上看时的立体图；

图4示出图3的回热器的从位于贯通通道的冷侧口上看时的立体图。

具体实施方式

图1示意性地示出阿尔法型斯特林发动机的截面图。斯特林发动机为一种熟知的经典的外燃热力发动机，并且由于包括回热器而区别于其它已知类型的外燃热力发动机。斯特林发动机总体上用编号1表示。阿尔法型构造的斯特林发动机1包括第一气缸2和第二气缸3，其中，第一气缸2和第二气缸3的各自的活塞21、31周期性地上下移动。两个气缸2、3经由包括第一分支管41和第二分支管42的用于工作流体10的管道4连接。气缸2、3和管道4形成一个封闭的系统，在该系统中，工作流体10——一般为气态——周期性地从第一气缸2被输送至第二气缸3以及再从第二气缸3被输送回第一气缸2。工作流体10可以为例如氦气、氢气或空气。两个气缸2、3安装在壳体6上，飞轮7以可旋转的方式支撑在壳体6中。飞轮7经由活塞杆22、32而与在各自的第一气缸2和第二气缸3中往复运动的活塞21、31连接。回热器5布置在用于气态工作流体10的管道4中，将该管道分成两个分支管41、42。回热器5的具体构造和作用将在下文中详述。

为了使斯特林发动机1运转，斯特林发动机1的气缸之一——所述实施方式中的位于左侧的第一气缸2——保持为热的，而位于右侧的第二气缸3保持为冷的。通过来自传统燃料——例如气体燃料、石油、汽油等——和替代性燃料源——例如太阳能、地热能等——二者的任意热源可以实现对发动机的热侧的第一气缸2加热。在图1中，发动机的热侧的第一气缸2的加热由加热盘管8表示。位于发动机的冷侧的第二气缸3通过散热器——例如通过设置在第二分支管42上的空气流通散热鳍片91——保持为冷的。为了更高效地冷却发动机的冷侧的第二气缸3，可以设置冷却盘管9。加热盘管8和冷却盘管9不需要设置在各个分支管41、42的内部。加热盘管8和冷却盘管9也可布置在管道4或其各个分支管41、42的外部，并且设置为靠近第一气缸2和第二气缸3。

能够认为斯特林发动机1的斯特林循环包括以下4个不同的阶段：膨胀、传送、收缩和传送。在膨胀阶段，大部分的气态工作流体10已被驱使进入斯特林发动机1的热侧。被加热的工作流体10膨胀并将分别位于气缸2、3中的活塞21、31向内、朝向气缸的底部驱动。移动的活塞21、31的轴向运动经由活塞杆22、23传递至飞轮7并转化为飞轮7的旋转运动。当气态工作流体10已充分膨胀时到达传送阶段。与冷状态下相比，气态工作流体10已经膨胀例如约2至5倍。大部分的工作流体10最初仍位于发动机的热侧。飞轮7由于其冲量而带动着活塞杆22、32再旋转90°，从而第一热气缸2的活塞21远离气缸的底部而前进，并且位于发动机的冷侧的第二气缸3中的活塞31进一步回缩。通过此运动，大部分的气态工作流体10被传送至发动机的冷侧。在第三阶段的收缩阶段中，几乎全部的工作流体10已位于发动机的冷侧并且继续冷却。工作流体10由于冷却而收缩，从而将活塞21、31向上拉动，以使活塞21、31远离第一气缸2和第二气缸3的底部。在最后的传送阶段，收缩的气态工作流体10仍然大部分位于发动机的冷侧、第二气缸3处。飞轮由于其冲量而带动着活塞杆32再旋转90°从而将工作流体10再传送回位于发动机的热侧的第一气缸2以完成斯特林循环。

在气态工作流体10从发动机的热侧至发动机的冷侧的途中，气态工作流体10穿过将管道4分为第一热分支管41和第二冷分支管42的回热器5。回热器5由易于传热的材料——通常为某些金属——构成。为了提高传导至工作流体以及从工作流体传导出的热，回热器优选地具有大的表面面积。当热的工作流体被驱动通过回热器5时，一部分的热寄存在回热器5中。当冷的工作流体10被向回传送通过回热器5时，寄存在回热器5中的热被回收。因此，回热器5作为热量的中间储存器并在气态工作流体10周期性地流经该回热器时对气态工作流体10进行预冷以及预热。使用回热器5可提高斯特林发动机的效率。

图2示出根据本发明的回热器5的原理。回热器5包括至少一个、优选地多个贯通通道50，贯通通道50沿着其轴线延伸方向从各贯通通道50的热侧口至冷侧口渐缩。根据图2所示的实施方式，贯通通道50的热侧口设置在热侧凸缘板51中，贯通通道50的冷侧口设置在冷侧凸缘板52中。贯通通道50在两个凸缘板51、52之间延伸，凸缘板51、52用以将回热器5分别与用于气态工作流体10的管道4的热分支管41和冷分支管42连接(图1)。贯通通道50具有彼此大致平行地延伸的轴线A。贯通通道连续渐缩并优选地呈截头锥形。各贯通通道50的锥形侧壁53与贯通通道50的轴线A的夹角α大于0°但小于45°、优选地为2°至40°，最优选地为5°至35°。

位于冷侧凸缘板52处的贯通通道50的冷侧口的横截面面积为位于热侧凸缘板51处的贯通通道50的热侧口的横截面面积的10％至小于100％、优选地15％至80％、最优选地20％至65％。全部的贯通通道50可以构造并成形为同样的。贯通通道50可设置在单块合适的金属中，其中，热侧凸缘51和冷侧凸缘52形成单块金属的表面侧。替代性地，贯通通道可由分别与热侧凸缘板51和冷侧凸缘板52连接的单独的金属片形成。贯通通道50可布置在壳体内。随后，热侧凸缘板51和冷侧凸缘板52形成壳体的表面侧。

图3示出了回热器5的一个示例性实施方式的从热侧凸缘板51上看时的立体图。于热侧凸缘板中设置多个贯通通道50的热侧口。每个贯通通道50具有长形或椭圆形横截面，从而分别于回热器的热侧和冷侧处形成差不多类似狭槽的口。根据回热器5的位于热侧和冷侧处的横截面，贯通通道50的口的宽度各不相同。锥度以及口的横截面的百分比关系优选地为同样的。

图4示出图3的回热器的从冷侧凸缘板52看时的立体图。从附图中可见，图3中所示的贯通通道50的冷侧口围绕的面积小于贯通通道50的热侧口围绕的面积。

尽管已参照一个具体实施方式描述了本发明，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，此实施方式仅作为总体发明理念的示例，并且在不背离本发明前提教导的条件下可以做出各种变化和修改。因此，本发明不倾向于局限于所描述的实施方式，本发明受所附权利要求的限定。

Claims (20)

1.一种用于外燃热力发动机的回热器，所述回热器适于安装在从所述发动机的热侧(41)至所述发动机的冷侧(42)的工作流体(10)的管道(4)中，当所述工作流体(10)在从所述发动机的所述热侧(41)至所述冷侧(42)的途中经过所述回热器(5)时，所述回热器(5)能够接收和临时储存所述工作流体(10)寄存的热，并且当所述工作流体(10)在从所述发动机的所述冷侧(42)至所述热侧(41)的途中经过所述回热器(5)时，所述回热器(5)能够再将热释放至所述工作流体(10)，其特征在于，所述回热器(5)包括至少一个贯通通道(50)，所述贯通通道(50)沿着其纵向轴线延伸方向从所述贯通通道(50)的热侧口向冷侧口渐缩，以使得沿着所述贯通通道(50)流动的所述工作流体(10)能够保持在大致恒定的压力下。

2.根据权利要求1所述的回热器，其中，所述回热器是用于斯特林发动机的回热器。

3.根据权利要求1所述的回热器，其中，所述贯通通道(50)具有连续渐缩的形状。

4.根据权利要求3所述的回热器，其中，所述贯通通道(50)呈截头锥形。

5.根据权利要求4所述的回热器，其中，渐缩的所述贯通通道(50)的侧壁与所述贯通通道(50)的纵向轴线所夹的角度大于0°但小于45°。

6.根据权利要求5所述的回热器，其中，所述角度为2°至40°。

7.根据权利要求6所述的回热器，其中，所述角度为5°至35°。

8.根据权利要求1所述的回热器，其中，所述贯通通道(50)的冷侧口的横截面面积为所述贯通通道(50)的热侧口的横截面面积的10％至小于100％。

9.根据权利要求8所述的回热器，其中，所述贯通通道(50)的冷侧口的横截面面积为所述贯通通道(50)的热侧口的横截面面积的15％至80％。

10.根据权利要求9所述的回热器，其中，所述贯通通道(50)的冷侧口的横截面面积为所述贯通通道(50)的热侧口的横截面面积的20％至65％。

11.根据权利要求1所述的回热器，所述回热器包括多个渐缩的贯通通道(50)，所述多个渐缩的贯通通道(50)具有以彼此大致平行的方式延伸的纵向通道轴线(A)。

12.根据权利要求1-11中的任意一项所述的回热器，其中，各个贯通通道(50)于各自的热侧口和/或冷侧口处具有长形或椭圆形横截面。

13.根据权利要求1-11中的任意一项所述的回热器，其中，各个贯通通道(50)于各自的热侧口和/或冷侧口处具有圆形横截面。

14.根据权利要求11所述的回热器，其中，所述多个渐缩的贯通通道(50)的所述热侧口设置在热侧凸缘板(51)中，并且，所述多个渐缩的贯通通道(50)的所述冷侧口设置在冷侧凸缘板(52)中。

15.根据权利要求14所述的回热器，其中，所述贯通通道(50)封闭在壳体内，并且其中，所述热侧凸缘板(51)和所述冷侧凸缘板(52)为所述壳体的两个表面侧。

16.根据权利要求14所述的回热器，其中，所述多个渐缩的贯通通道(50)设置在单件金属中，所述热侧凸缘板(51)和所述冷侧凸缘板(52)形成所述单件金属的两个表面侧。

17.根据权利要求15或16所述的回热器，其中，所述热侧凸缘板(51)适于附接至用于所述外燃热力发动机(1)的所述热侧的加热装置(8)，所述冷侧凸缘板(52)适于附接至用于所述外燃热力发动机(1)的所述冷侧的冷却装置(9，91)。

18.根据权利要求11所述的回热器，其中，各个贯通通道(50)的锥度被选定为与气态工作流体组合使用。

19.根据权利要求18所述的回热器，其中，各个贯通通道(50)的锥度被选定为用于与作为所述工作流体(10)的空气相组合使用。

20.阿尔法型斯特林发动机，其包括根据前述权利要求中的任意一项所述的回热器。