CN108005810B - 太阳能斯特林发动机的整体式加热器组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能斯特林发动机的整体式加热器，该加热器包括四块呈改良扇形的加热单元；各个加热单元都包括上板和下板，在所述上板的底部和下板的顶部都分别开设有半圆形槽道，上板的半圆形槽道和下板的半圆形槽道拼接成截面呈圆形的微细通道，所述微细通道有多条，多条微细通道之间彼此并联且平行；在加热器中还设置有上联箱通道和下联箱通道，上联箱通道和下联箱通道都分别与该加热单元内的每一个微细通道相连，从而为所述微细通道提供循环流动的换热介质。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能斯特林发动机用的无中心防护锥体的加热器，具体涉及一种太阳能斯特林发动机的整体式加热器组件。
背景技术
努力发展以太阳能、风能为主的新能源产业，大力推动包括太阳热发电在内的各项新技术研发和高端产品制造，是从根本上解决能源与环境问题的关键和必由之路。
以斯特林热力循环为基本工作原理的发动机称作“斯特林发动机”。和大家都熟悉的内燃机相比，因它的输入热量来自外部，故斯特林机也被称作“外燃机”。因为在外面燃烧（内燃机在气缸内燃烧），所以它适应各种气体及液体燃料，从天然气、煤制气、液化石油气、沼气、垃圾填埋气到各种油料，甚至可以烧煤。而太阳能斯特林机以聚焦辐射方式提供高密度热量－被加热表面上的热流密度达到500~800kW/m2以上。斯特林机对环境“零污染、零排放”，而且因为采用空气冷却方式，实现了“零水耗”。这使它作为分布式发电能源，在野外无水源条件下工作时具有非常独特的优势。
加热器是斯特林发动机的热量输入部件，其换热效果优劣对整机性能起关键性作用。因为必须耐高温高压，通常发动机的加热器都用密集排列的小口径高温合金钢管加工构成。介质流道内径一般在3 毫米左右，属于小通道内的对流换热。整体呈圆形或碗形的加热器管组无法避免存在管间隙漏光，越靠近圆形加热器的径向外缘漏光间隙越大。而且在加热器中心部位还不得不留出一个较大的圆孔以放置并不吸热的防护头锥。这两个方面都导致加热器的有效辐射利用面积降低。此外，形状各异的吸热管成形加工工艺复杂，技术难度大，加工工时和模具费用都相当高。
申请人还曾于2011年提出了一种全新的板式加热器概念，并记载在申请号为201110264925.3，名称为太阳能热气机的整体组合式吸热器的专利文献中，不过该方案主要停留在理论设想上，很多技术细节并不完善，并不足以应用实施，而且该技术方案中采用的仍然是常规的直径3mm左右孔径的换热流道，经理论计算可知该方案的热效率与现有技术中太阳能斯特林发电机的热效率基本一致，还需要进一步改进。
由于上述原因，本发明人对现有的太阳能斯特林发动机及其加热器做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的，能够提高热效率的太阳能斯特林发动机的整体式加热器组件。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种太阳能斯特林发动机的整体式加热器，该加热器包括四块呈改良扇形的加热单元；在所述加热单元中设置有多条截面呈圆形的微细通道，多条微细通道之间彼此并联且平行，能够最大程度增强通道内的换热，达到提高热效率的目的；另外，由于所述加热单元整体呈板状，能够充分接收太阳能，无空隙漏光，能够进一步提高所述加热器整体对太阳能的利用效率，从而完成本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供一种太阳能斯特林发动机的整体式加热器，该加热器包括四块呈改良扇形的加热单元，该改良扇形的圆心角为90度；
其中，各个加热单元都包括上板1和下板2，
在所述上板1的底部和下板2的顶部都分别开设有半圆形槽道，上板1的半圆形槽道和下板2的半圆形槽道拼接成截面呈圆形的微细通道3，
所述微细通道3有多条，多条微细通道3之间彼此并联设置；
优选地，所述上板1和下板2真空钎焊为一体。
其中，各个加热单元中的多个微细通道3彼此平行设置。
其中，所述微细通道3供高压循环工质以往复脉动的方式流动，并吸收、带走热量。
其中，在所述各个加热单元内部边缘处分别设置有上联箱通道4和下联箱通道5，
上联箱通道4和下联箱通道5都分别与该加热单元内的每一个微细通道3相连；
优选地，上联箱通道4与回热器外壳相连；
下联箱通道5与气缸外壳相连。
其中，所述微细通道3的直径为0.3mm~1mm；
所述上联箱通道4和下联箱通道5的当量直径为6~8mm。
其中，所述上板1的厚度为2.5mm～4.0mm；
所述下板2的厚度为4mm～6mm。
其中，在各个加热单元中，每相邻的3～8条微细通道3为一组，
每一组中的各个相邻的微细通道3之间间隙为0.4mm~ 1mm，
相邻两组之间的间隙为2mm～3mm。
其中，所述改良扇形由圆心角为30度的标准扇形和两个三角形拼接而成，其中，所述三角形都是锐角为30度的直角三角形，三角形的最长边与所述扇形的半径长度相等。
其中，所述微细通道3的延伸方向与所述直角三角形的一个直角边平行。
其中，所述四块加热单元拼接为一个类圆形，该类圆形与聚光太阳辐射的焦斑形状相匹配。
本发明所具有的有益效果包括：
（1）根据本发明提供的太阳能斯特林发动机的整体式加热器中设置有直径尺寸在1mm以下的微细通道，能够最大程度强化通道内的对流换热，从而增强循环工质获取辐射得热的能力，有利于提高整机的热效率；
（2）根据本发明提供的太阳能斯特林发动机的整体式加热器中的微细通道结构形式所占有的无益容积大大低于通常所用的管式加热器，无益容积的减小有利于提高斯特林机的压比和做功能力；
（3）根据本发明提供的太阳能斯特林发动机的整体式加热器为整体板式加热器，各个供介质流动的管道之间的金属部分也能够吸收太阳能辐射，从而增大了太阳辐射能的吸收面积；
（4）根据本发明提供的太阳能斯特林发动机的整体式加热器为整体板式加热器可以省略现有技术中的中心防护锥体，从而扩大了辐射热量的有效吸收面积。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的太阳能斯特林发动机的整体式加热器整体结构示意图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的太阳能斯特林发动机的整体式加热器及其上的介质进出管结构示意图；
图3示出根据本发明一种优选实施方式的太阳能斯特林发动机的整体式加热器中微细通道处剖视图；
图4示出根据本发明一种优选实施方式的太阳能斯特林发动机的整体式加热器一个加热单元的轮廓形状示意图；
图5示出根据本发明一种优选实施方式的太阳能斯特林发动机的整体式加热器布置在太阳能斯特林发动机中的结构示意图；
图6示出现有技术中带有中心防护锥体的太阳能斯特林发动机整体结构示意图。
附图标号说明：
1-上板
2-下板
3-微细通道
4-上联箱通道
5-下联箱通道
6-加热单元
7-一级连接管
8-二级连接管
91-加热器
92-外罩
93-回热器
94-气缸
95-曲轴箱
96-中心防护锥体
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机的整体式加热器，如图1、图2、图3、图4和图5中所示，该加热器包括四块呈改良扇形的加热单元6，该改良扇形的圆心角为90度；
其中，各个加热单元都包括上板1和下板2，
在所述上板1的底部和下板2的顶部都分别开设有半圆形槽道，上板1的半圆形槽道和下板2的半圆形槽道拼接成截面呈圆形的微细通道3，所述上板1和下板2都由高温合金板制成；
所述微细通道3有多条，多条微细通道3之间彼此并联设置；
优选地，所述上板1和下板2真空钎焊为一体。
四块相同的加热单元6经管路与斯特林发动机的气缸及回热器相连通，与冷却器一并构成四缸双作用斯特林动力循环。
具有上述微细流道的整体焊接式加热器内部的无益容积很小，同时因为微细流道能显著增强工质的对流换热，使斯特林发动机工质的热端温度提高，从而直接导致斯特林循环的热效率提高，出力加大。
在一个优选的实施方式中，各个加热单元中的多个微细通道3彼此平行设置，各个微细通道3都是平直管道，都位于同一个平面内。
在一个优选的实施方式中，在所述微细通道中有以往复脉动方式流动的高压循环工质，通过该工质将上板1吸收的太阳能以对流形式传递走。所述工质可以为氢气或者氦气。
在一个优选的实施方式中，在所述各个加热单元内部边缘处分别设置有上联箱通道4和下联箱通道5，
上联箱通道4和下联箱通道5都分别与该加热单元内的每一个微细通道3相连；
优选地，上联箱通道4与回热器外壳相连；
下联箱通道5与气缸外壳相连，从而使得工质在其中循环流动；
进一步优选地，在所述上联箱通道4下方连接有一级连接管7，所述上联箱通道4通过所述一级连接管7与回热器外壳相连，所述一级连接管7有一根或多根；
在所述下联箱通道5下方连接有二级连接管8，所述下联箱通道5通过所述二级连接管8与气缸外壳相连，所述二级连接管8有一根或多根；
优选地，所述一级连接管7与二级连接管8的数量一致。
在一个优选的实施方式中，所述微细通道3的直径为0.3mm~1mm；优选为0.5~0.6mm；
所述上联箱通道4和下联箱通道5的当量直径为6～8mm，所述当量直径是指截面形状并非圆形时，按相同截面积折算成圆形时的那个直径尺寸。
在一个优选的实施方式中，所述上板1的厚度为 2.5mm~4.0mm；优选为3.0~3.5mm，进一步优选为3.1~3.2mm，该厚度尺寸不能过大，否则影响传热效果，该厚度尺寸也不能过小，否则无法满足强度要求。
所述下板2的厚度为4mm~6mm，该下板的厚度尺寸可以大于上板的厚度尺寸，下板无需考虑传热效果，但是要承载更大的作用力。
在一个优选的实施方式中，在各个加热单元中每相邻的3~8条微细通道3为一组，各个平行细微流道之间保持小间隔，以便于尽量布置更多的细微流道，组与组之间保留较大间隔以保证足够的钎焊结合面及焊接强度，同时还要考虑热胀变形对于管道结构的影响，所以本发明中，每一组中的各个相邻的微细通道3之间间隙为0.4mm~1mm，相邻两组之间的间隙为2mm~3mm。
在一个优选的实施方式中，如图4中所示，所述改良扇形由圆心角为30度的标准扇形和两个三角形拼接而成，其中，所述三角形都是锐角为30度的直角三角形，三角形的最长边与所述扇形的半径长度相等。
在一个优选的实施方式中，所述微细通道3的延伸方向与所述直角三角形的一个直角边平行。进一步优选地，四块加热单元6中的所有微细通道3之间都彼此平行。
在一个优选的实施方式中，所述四块加热单元拼接为一个类圆形，该类圆形与聚光太阳辐射的焦斑形状相匹配，且避免了管式加热器的缝隙漏光，取消了管式加热器不得不在中心位置所设的防护锥体，从而保证接收太阳辐射的效果最佳。
如图5中所示，设置本申请提供的加热器可以省略现有技术中位于中心位置的防护椎体，具体来说，图5中示出斯特林发动机整体结构示意图，其中，斯特林发动机包括加热器91、外罩92、回热器93、气缸94和曲轴箱95；与之相对地，如图6中所示，现有技术中的加热器91上设置有中心防护锥体96，该中心防护锥体92占据较大的空间位置，且不能吸收太阳辐射能量，使得加热器整体的热效率降低。
通过下述理论分析计算结果可以进一步获知本发明提供的技术方案相对于现有技术的有益效果：
以直径3mm管式加热器作为基准，直径1mm微细通道的管内对流换热系数将增大24.5%；直径0.5mm时增大43.1%；直径0.3mm时增大58.5%。
对于加热器的内部容积来说，直径3mm管式加热器一组18根管，有效加热长度为220mm，内部总容积27991mm3；
直径1mm微细通道整体加热器一组6*11=66根管，平均长度按160mm计，内部总容积8011mm3；
即：仅就加热器本体而言，具有微细通道的整体钎焊加热器的内部容积只有管式加热器的大约1/3.5（28.7%）。另外，管式加热器18根管的两端各自延伸并连接到回热器和对应气缸的联箱，这部分管子的内部容积也是无益容积，然而微细通道整体钎焊加热器与回热器和气缸的连接管可以只有2-3根，且无联箱。而且气缸与18根管相连接的联箱口径比较粗，又增添了一部分无益容积。所述无益容积的减小有利于增大循环的压缩比，即使做功能力增强。
对于加热器的管内换热表面积来说，直径3mm管式加热器一组18根管，管内换热表面积总计37322mm2；上述尺寸的微细通道整体钎焊加热器的管内换热表面积总计39207mm2；即比管式加热器的表面积大5%。换热表面积增大有利于增强循环工质获取热量的能力；
实施例和对比例：
选用本发明中提供的直径为400mm的类圆形整体式加热器，其中包括4块改良扇形加热单元，各个加热单元中都设置有66条微细通道，微细流道直径1mm，流道间隔1mm，6条流道为一组，各组之间相隔3mm。
加热单元上下联箱各设3条～6条内径7mm的圆管分别通向气缸和回热器外壳。
与之相对比地，选用与实施例中相同表面积的圆形吸热板，同样分成四个区域，每个区域中布置18个通道，每个通道的孔径为3mm；各个通道呈树枝状放射分布；
将上述两个吸热板放置在相同的斯特林发动机中，在相同的天气条件下，带有实施例中加热器的斯特林机发电量较带有对比例中加热器的斯特林机发电量高5%左右。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种太阳能斯特林发动机的整体式加热器，其特征在于，该加热器包括四块呈改良扇形的加热单元（6），该改良扇形的圆心角为90度；
其中，各个加热单元都包括上板（1）和下板（2），
在所述上板（1）的底部和下板（2）的顶部都分别开设有半圆形槽道，上板（1）的半圆形槽道和下板（2）的半圆形槽道拼接成截面呈圆形的微细通道（3），
加热单元中的多个微细通道（3）彼此平行设置；
所述微细通道（3）的延伸方向与直角三角形的一个直角边平行；
所述四块加热单元拼接为一个类圆形，该类圆形与聚光太阳辐射的焦斑形状相匹配；
在所述各个加热单元内部边缘处分别设置有上联箱通道（4）和下联箱通道（5），
上联箱通道（4）和下联箱通道（5）都分别与该加热单元内的每一个微细通道（3）相连；
上联箱通道（4）与回热器外壳相连；
下联箱通道（5）与气缸外壳相连；
所述微细通道（3）有多条，多条微细通道（3）之间彼此并联设置；
所述上板（1）和下板（2）真空钎焊为一体；
所述微细通道（3）的直径为0.5～0.6mm；
所述上联箱通道（4）和下联箱通道（5）的当量直径为6～8mm；
所述上板（1）的厚度为3.0～3.5mm；
所述下板（2）的厚度为4mm～6mm；
在各个加热单元中，每相邻的3～8条微细通道（3）为一组，
每一组中的各个相邻的微细通道（3）之间间隙为0.4mm～1mm，
相邻两组之间的间隙为2mm～3mm；
所述改良扇形由圆心角为30度的标准扇形和两个三角形拼接而成，其中，所述三角形都是锐角为30度的直角三角形，三角形的最长边与所述扇形的半径长度相等。
2.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机的整体式加热器，其特征在于，
在所述微细通道中有以往复脉动方式流动的高压循环工质，通过该工质将上板（1）吸收的太阳能以对流形式传递走。
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