CN109441658B - 一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及斯特林热机技术领域，公开了一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，包括吸热器外壳，吸热器外壳的顶部设有透光口，吸热器外壳内设有集热罩，集热罩呈碗状结构，集热罩的开口端朝向透光口；集热罩由若干导热管排布而成，相邻两根导热管之间形成导流间隙，每根导热管的下端弯折延伸形成内导热支管，每根导热管的上端弯折延伸形成外导热支管，吸热器外壳的底部设有外集热管、内集热管；集热罩的底部设有环状的布气管，布气管的上侧设有燃气喷嘴，布气管的一端连接有燃气管，透光口处设有透光板。本发明整体节奏紧凑、稳定性好，既可以吸收太阳光的热量，又能利用燃气燃烧的热能，环境适应能力强，不受天气影响。
Description
技术领域
本发明涉及斯特林热机技术领域，尤其涉及一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器。
背景技术
斯特林发动机是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此又被称为也叫斯特林热机。斯特林发动机是一种外燃发动机，其有效效率一般介于汽油机与柴油机之间。通过外部人员对斯特林发动机的热端进行加热，使得气缸内的介质吸热、膨胀、冷却、压缩循环，将热能转化为机械能，因此斯特林发动机在新能源发电以及军工方面具有广泛的应用。例如现在的一种斯特林太阳能发电机，即通过斯特林热机将太阳光的热能转化为机械能输出，通过机械能带动发电机组工作、发电；太阳能斯特林发电机系统中，为了最大限度的吸收太阳光的热能，通常会设置一个吸热器(也叫集热器)，通过吸热器吸收聚集后的太阳光的热能，从而确保提高斯特林热机热端的供热。然而常规的斯特林太阳能发电机，其工作时间、工作状态受太阳光影响较大，阴雨天气以及夜间均无法用于发电，太阳能发电机利用率低。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的斯特林太阳能发电机存在的上述问题，提供了一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，该种吸热器在晴天能吸收太阳光的热能为斯特林热机的热端加热，夜间或阴雨天气能利用燃气对斯特林热机的热端进行供热，从而确保斯特林发电机组能够持续工作、发电，不受天气状况的限制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，包括吸热器外壳，吸热器外壳的顶部设有透光口，所述吸热器外壳内设有集热罩，所述的集热罩呈碗状结构，集热罩的开口端朝向透光口；所述集热罩由若干导热管排布而成，相邻两根导热管之间形成导流间隙，每根导热管的下端弯折延伸形成内导热支管，每根导热管的上端弯折延伸形成外导热支管，所述吸热器外壳的底部设有外集热管、内集热管，外导热支管与外集热管连接，内导热支管与内集热管连接，外集热管、内集热管上均设有伸出吸热器外壳外部的导流管；所述集热罩的底部设有环状的布气管，布气管的上侧设有朝向集热罩底部的燃气喷嘴，布气管的一端连接有燃气管，所述吸热器外壳的外侧设有排气管；所述透光口处设有透光板。
外集热管、内集热管上的导流管分别与斯特林热机内的缸体的热端、冷端连接，导热管内填充有气体导热工质，例如氢气、氮气或其他惰性气体：在有阳光的情况下，太阳光通过外部锅状的反光杯聚光后从透光口处射到集热罩上，从而对导热管进行加热，加热管内的气体导热工质吸热后会对斯特林热机内缸体的热端加热，通过气体膨胀以推动斯特林热机缸体内的活塞往复运动，输出机械能，机械能带动发电机组发电；在夜间或者阳光不足的情况下，燃气管内供入燃气，燃气从燃气喷嘴处喷出并点火，从而对集热罩(每根导热管的周围)的底部进行火焰加热，每根导热管吸热对气体介质进行加热并汇流到外集热管、内集热管中，可以根据需要设置多组外集热管、内集热管，同时将导热管也分成多组，分别与对应的外集热管、内集热管连接，每一处导热管分别对应一个斯特林热机，这样整个吸热器能驱动斯特林热机组工作。该种吸热器结构紧凑，性能稳定，受环境限制小，能通过光气互补，保持斯特林热机持续对外输出机械能进行发电；透光板能减小吸热器外壳内的热能损失。
作为优选，所述透光口的内壁延伸形成下挡圈，吸热器外壳上位于透光口的外侧设有外翻边，所述的透光板盖在下挡圈上，所述的透光板为石英玻璃板，透光板的上侧边缘处设有环形挡圈，环形挡圈与外翻边螺栓连接。石英玻璃板在保持阳光穿过的情况下能防止外界雨水、杂质等进入吸热器内，而且石英玻璃板透光性能强。
作为优选，所述吸热器外壳的内壁处设有环状凸檐，所述环状凸檐与集热罩的边缘处接触密封，所述的集热罩将吸热器壳体内的空间分隔成加热室和燃烧室，其中位于集热罩底部的空间为燃烧室，位于集热罩开口端的空间为加热室。环状凸檐能增加吸热器外壳的整体强度，同时配合集热罩将吸热器外壳内部的空间完全隔离，燃烧室内燃气燃烧的时候，加热室内的空气能阻隔热量从透光口处散发出去。
作为优选，所述燃烧室的内壁设有耐火涂层，所述加热室的内壁设有耐高温涂层。耐火涂层对燃烧室的内壁起到防护作用；耐高温涂层对加热室的内壁起到防护作用。
作为优选，所述的外导热支管的侧面设有若干导热翅片。燃气喷嘴处喷出的燃气燃烧时，火焰会沿着集热罩的底面向上延伸，延伸到导热翅片处，直接对导热翅片进行加热，从而促进介质腔内的介质与燃烧室进行热交换，有利于热能利用。
作为优选，所述吸热器外壳的下端内部设有环形管道，环形管道内设有环形隔板，所述环形隔板将环形管道内的空间分隔成内通道、外通道，所述的燃气管与内通道连通，吸热器外壳的外部设有与内通道连通的进气总管，内通道内位于燃气管与进气总管之间的部位设有内隔板，所述排气管的内端与外通道连通，吸热器外壳的内部设有与外通道连通的导气管，所述外通道内位于排气管与导气管之间设有外隔板。燃气进入进气总管后，沿着内通道一周后通过燃气管进入布气管，燃烧后的尾气从排气管、外通道、导气管处排出，从而使得高温尾气与常温燃气通过环形隔板在内通道、外通道之间实现热交换，利用尾气的热能对燃气进行预热。
作为优选，所述进气总管的外端设有混气罐，混气罐上连接有第一进气管、第二进气管，第一进气管、第二进气管上均设有电控阀。第一进气管处进入燃气，第二进气管处进入助燃气体，燃气与助燃气体在混气罐内后形成混合燃气进入燃气喷嘴进行燃烧。
作为优选，所述的燃气喷嘴包括喷嘴管、基座、导流罩，所述喷嘴管的下端与布气管连接，所述基座的中心设有连接通孔，基座的下端设有连接套，所述喷嘴管的上端伸入连接通孔内与连接套之间螺纹连接，所述基座的上端设有导流叶轮，所述导流叶轮包括下连接片、上连接片、若干叶片，相邻叶片之间形成导流通道，下连接片与喷嘴管的上端转动连接，所述导流罩上均匀分布有若干排气孔，所述吸热器外壳的底部位于每个燃气喷嘴的一侧均设有点火器。混合燃气从喷嘴管上端排出，并从导流通道之间排出，混合燃气经过导流通道的时候带动导流叶轮转动，从而使得到导流叶轮转动，可以通过改变混合燃气的流速来改变导流叶轮的转速，导流叶轮转动，一方面使得混合燃气中的燃气与助燃气进一步混合均匀，燃烧更加充分，另一方面能提高燃气喷嘴对集热罩底部加热均匀性、增大加热面积。
作为优选，所述导热管的外表面设有黑色导热涂层。黑色导热涂层能增强集热罩吸收太阳光的热能。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)集热罩内表面可吸收太阳光的热能，集热罩底面也吸收燃气的热能，整体结构紧凑，稳定性好；(2)既可以吸收太阳光的热量，又能利用燃气燃烧的热能，从而实现光气互补，环境适应能力强，不受天气影响；(3)燃气燃烧后的尾气热能对燃气进行预热，热利用率高，热能损失小；(4)燃气喷嘴在燃气的流动作用下，内部的导流叶轮可转动，使得燃气与助燃气体混合更加均匀，燃烧更加充分。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为布气管与环形通道的连接示意图。
图3为集热罩的俯视图。
图4为图1中A处局部放大示意图。
图5为燃气喷嘴的结构示意图。
图6为导流叶轮的横截面示意图。
图中：吸热器外壳1、透光口2、下挡圈200、外翻边201、透光板202、环形挡圈203、集热罩3、导热管300、外导热支管4、导热翅片400、内导热支管5、外集热管6、内集热管7、导流管8、布气管9、燃气喷嘴10、燃气管11、排气管12、环形管道13、内通道130、外通道131、环形隔板14、进气总管15、内隔板16、混气罐17、第一进气管18、第二进气管19、电控阀20、导气管21、外隔板22、环状凸檐23、加热室24、燃烧室25、点火器26、斯特林热机27、喷嘴管100、基座101、导流罩102、连接套103、导流叶轮104、下连接片1040、上连接片1041、叶片1042、导流通道1043、排气孔105。
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：
如图1所示的一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，包括吸热器外壳1，吸热器外壳的顶部设有透光口2，透光口处设有透光板202，如图4所示，透光口的内壁延伸形成下挡圈200，吸热器外壳上位于透光口的外侧设有外翻边201，透光板盖在下挡圈上，透光板为石英玻璃板，透光板202的边缘处设有环形挡圈203，环形挡圈与外翻边螺栓连接；吸热器外壳1内设有集热罩3，集热罩呈碗状结构，如图1和图3所示，集热罩3由若干导热管300排布而成，相邻两根导热管之间形成导流间隙，每根导热管的下端设有若干内导热支管5，每根导热管的上端设有若干外导热支管4，外导热支管的侧面设有若干导热翅片400，本实施例中的导热管分为四组，即集热罩的四分之一圆为一组，吸热器外壳1的底部设有与四组导热管一一对应的四根外集热管6、四根内集热管7，同一组导热管上的外导热支管均与同一组外集热管连接，同一组导热管上的内导热支管均与同一组内集热管连接，外集热管、内集热管上均设有伸出吸热器外壳外部的导流管8。使用时，每一组导热管对应一个斯特林热机，即该种吸热器可驱动四个斯特林热机同时工作。
吸热器外壳1的内壁处设有环状凸檐23，环状凸檐与集热罩的边缘处接触密封，集热罩将吸热器壳体内的空间分隔成加热室24和燃烧室25，其中位于集热罩底部的空间为燃烧室，位于集热罩开口端的空间为加热室；燃烧室的内壁设有耐火涂层，加热室的内壁设有耐高温涂层。
如图1和图2所示，集热罩1的底部设有环状的布气管9，布气管的上侧设有朝向集热罩底部的燃气喷嘴10，布气管的一端连接有燃气管11，吸热器外壳的外侧设有排气管12；吸热器外壳的下端内部设有环形管道13，环形管道内设有环形隔板14，环形隔板将环形管道内的空间分隔成内通道130、外通道131，燃气管11与内通道连通，吸热器外壳1的外部设有与内通道连通的进气总管15，内通道内位于燃气管与进气总管之间的部位设有内隔板16，进气总管的外端设有混气罐17，混气罐上连接有第一进气管18、第二进气管19，第一进气管、第二进气管上均设有电控阀20；排气管12的内端与外通道连通，吸热器外壳1的内部设有与外通道连通的导气管21，外通道内位于排气管与导气管之间设有外隔板22。
如图1、图5和图6所示，燃气喷嘴10包括喷嘴管100、基座101、导流罩102，喷嘴管的下端与布气管连接，基座的中心设有连接通孔，基座101的下端设有连接套103，喷嘴管的上端伸入连接通孔内与连接套之间螺纹连接，基座的上端设有导流叶轮104，导流叶轮104包括下连接片1040、上连接片1041、若干叶片1042，相邻叶片之间形成导流通道1043，下连接片与喷嘴管的上端转动连接，导流罩102上均匀分布有若干排气孔105，吸热器外壳的底部位于每个燃气喷嘴的一侧均设有点火器26。
结合附图，本发明的原理及使用方法如下：四组导流管分别与四个斯特林热机27内的缸体的热端、冷端一一对应连接，从而形成四组独立斯特林热机加热系统；斯特林热机的缸体的热端、冷端、导热管内均填充有气态导热工质，导热工质为氢气、氮气或惰性气体中的一种或几种；在有阳光的情况下，太阳光通过外部锅状的反光杯聚光后从透光口处射到集热罩上，从而对每一根加热管进行加热，导热管内的气态导热工质吸热后会对斯特林热机内缸体的热端加热，通过气体膨胀以推动斯特林热机缸体内的活塞往复运动，输出机械能，机械能可以用来带动发电机组发电；在夜间或者阳光不足的情况下，第一进气管、第二进气管上的电控阀开启，第一进气管处进入燃气，燃气可以是煤气或沼气或氢气，第二进气管处进入助燃气体，助燃气体为氧气或者空气，燃气与助燃气体在混气罐内混合后形成混合燃气进入内通道中，最后经过布气管从燃气喷嘴处喷出，点火器将燃气喷嘴处喷出的混合燃气点燃，从而对集热罩的底面进行加热，进而带动斯特林热机工作，燃烧室内燃烧后形成的尾气通过导气管进入外通道内，外通道内的高温尾气对内通道内的混合燃气进行预热，最后尾气从排气管处排掉。通过光(太阳光)-气(燃气)互补的工作方式，提高环境适应能力。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出的简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，包括吸热器外壳，吸热器外壳的顶部设有透光口，其特征是，所述吸热器外壳内设有集热罩，所述的集热罩呈碗状结构，集热罩的开口端朝向透光口；所述集热罩由若干导热管排布而成，相邻两根导热管之间形成导流间隙，每根导热管的下端弯折延伸形成内导热支管，每根导热管的上端弯折延伸形成外导热支管，所述吸热器外壳的底部设有外集热管、内集热管，外导热支管与外集热管连接，内导热支管与内集热管连接，外集热管、内集热管上均设有伸出吸热器外壳外部的导流管；所述集热罩的底部设有环状的布气管，布气管的上侧设有朝向集热罩底部的燃气喷嘴，布气管的一端连接有燃气管，所述吸热器外壳的外侧设有排气管；所述透光口处设有透光板；
所述吸热器外壳的下端内部设有环形管道，环形管道内设有环形隔板，所述环形隔板将环形管道内的空间分隔成内通道、外通道，所述的燃气管与内通道连通，吸热器外壳的外部设有与内通道连通的进气总管，内通道内位于燃气管与进气总管之间的部位设有内隔板，所述排气管的内端与外通道连通，吸热器外壳的内部设有与外通道连通的导气管，所述外通道内位于排气管与导气管之间设有外隔板；
所述的燃气喷嘴包括喷嘴管、基座、导流罩，所述喷嘴管的下端与布气管连接，所述基座的中心设有连接通孔，基座的 下端设有连接套，所述喷嘴管的上端伸入连接通孔内与连接套之间螺纹连接，所述基座的上端设有导流叶轮，所述导流叶轮包括下连接片、上连接片、若干叶片，相邻叶片之间形成导流通道，下连接片与喷嘴管的上端转动连接，所述导流罩上均匀分布有若干排气孔，所述吸热器外壳的底部位于每个燃气喷嘴的一侧均设有点火器。
2.根据权利要求1所述的一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，其特征是，所述透光口的内壁延伸形成下挡圈，吸热器外壳上位于透光口的外侧设有外翻边，所述的透光板盖在下挡圈上，所述的透光板为石英玻璃板，透光板的上侧边缘处设有环形挡圈，环形挡圈与外翻边螺栓连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，其特征是，所述吸热器外壳的内壁处设有环状凸檐，所述环状凸檐与集热罩的边缘处接触密封，所述的集热罩将吸热器壳体内的空间分隔成加热室和燃烧室，其中位于集热罩底部的空间为燃烧室，位于集热罩开口端的空间为加热室。
4.根据权利要求3所述的一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，其特征是，所述燃烧室的内壁设有耐火涂层，所述加热室的内壁设有耐高温涂层。
5.根据权利要求1所述的一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，其特征是，所述的外导热支管的侧面设有若干导热翅片。
6.根据权利要求1所述的一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，其特征是，所述进气总管的外端设有混气罐，混气罐上连接有第一进气管、第二进气管，第一进气管、第二进气管上均设有电控阀。
7.根据权利要求1所述的一种基于斯特林热机的光气互补式吸热器，其特征是，所述导热管的外表面设有黑色导热涂层。
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