CN110131070A - 一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，由斯特林原动机、斯特林制冷机、直线发电机三部分组成；斯特林原动机与斯特林制冷机通过共用的压缩腔耦合在一起，并经动力活塞与直线发电机相连接；工质在斯特林原动机循环中从外界高温热源吸收热量，并将热能转化为动能；工质在斯特林制冷机循环中从外界中低温环境吸收热量，达到制冷效果；动力活塞带动直线发电机进行发电，将动能转化为电能。本发明的优点在于：动力装置、制冷装置和发电装置集成化，结构紧凑，减少中间机械传递环节，能量利用率高；系统完全气密无泄漏，震动和噪声小；绿色环保，可利用热源广泛，制冷温度范围宽。

Description

一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统及其工作 方法
技术领域
本发明涉及一种斯特林发动机系统，特别是一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统。
背景技术
斯特林发动机是一种外部供热的活塞式发动机，以气体作为工质并按闭式循环的方式进行工作。工质在发动机内部往复运动，经过一系列膨胀与压缩过程将热能转化为机械能。斯特林发动机吸收的热能来源广泛，无论是液态的、气态或固态的燃料，当采用载热系统间接加热时，几乎可以使用任何高温热源，如生物质能、核热、太阳能、工业废热等。此外，斯特林发动机中密闭循环的工质与大气隔绝，使得其工作性能不受环境压力的影响，即使在高海拔地区和航天领域仍然适用。
斯特林制冷机是斯特林循环的逆向应用，由于系统采用氢气、氦气等气体作为工质，相比于传统的制冷机减少了对臭氧层的破坏，因此斯特林制冷机是一种绿色环保制冷机。此外，斯特林循环不涉及相变，制冷温度不受限于压力水平，能够自由选择，温度选择范围大。
在一些特殊的工作环境，如钢铁厂、液化天然气运输等，既有可回收的工业废热，同时又需对液氮和液化天然气进行低温保存。通过自由活塞斯特林发动机将斯特林原动机和制冷机耦合在一起，利用高温热源加热气体工质，推动活塞运动以实现制冷循环而获得冷量。相比于传统制冷机利用高品位电能进行制冷，自由活塞斯特林原动机与制冷机的耦合系统能够有效提高对低品位能源的利用效率。同时，自由活塞斯特林发动机省去了曲柄连杆和机械飞轮等传动结构，取而代之的是动力活塞与配气活塞的传动结构，活塞之间没有机械上的联系，原动机与制冷机对称放置以减小震动。此外，将配气活塞杆与直线发电机相连接，可将活塞运动产生的机械能转化为电能。整套装置具有结构紧凑、寿命长、效率高等诸多优点。
发明内容
发明目的：
本发明的目的是针对现有斯特林发动机在同时发电和制冷时存在的困难，提供一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统。该系统中斯特林原动机和制冷机的压缩过程在同一腔室内进行，结构紧凑、绿色环保、工作范围广范。
技术方案：
一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，包括斯特林原动机、斯特林制冷机、直线发电机；斯特林原动机与斯特林制冷机通过共用的压缩腔耦合在一起，并与直线发电机相连接进行发电；所述斯特林原动机包含第一膨胀腔、第一加热器、第一回热器、第一冷却器、第一配气活塞、第一支撑弹簧、第一支撑底座、第一压缩腔、动力活塞；第一膨胀腔外部为高温环境，所述第一膨胀腔位于装置左侧；所述第一加热器、第一回热器、第一冷却器均为环形结构，并沿横向依次布置；所述第一膨胀腔、第一加热器、第一回热器、第一冷却器、第一压缩腔之间依次连通；所述第一配气活塞的右侧与第一支撑弹簧相连接；第一支撑弹簧的右侧与第一支撑底座相连接，并且都位于第一压缩腔内部，避免高温环境对其性能的影响；所述第一支撑底座开有第一连通孔，以保证被底座隔开的压缩腔内部相互连通；第一支撑弹簧用来提供第一配气活塞往复运动所需的回复力；
所述斯特林制冷机包含第二膨胀腔、第二加热器、第二回热器、第二冷却器、第二配气活塞、第二支撑弹簧、第二支撑底座、第二压缩腔、动力活塞；第二膨胀腔外部为低温环境，所述第二膨胀腔位于装置右侧；所述第二加热器、第二回热器、第二冷却器均为环形结构，并沿横向依次布置；所述第二膨胀腔、第二加热器、第二回热器、第二冷却器、第二压缩腔之间依次连通；所述第二配气活塞的左侧与第二支撑弹簧相连接；第二支撑弹簧的左侧与第二支撑底座相连接，且都位于第二压缩腔内部，避免低温环境对其性能的影响；所述第二支撑底座上开有第二连通孔，以保证被底座隔开的压缩腔内部相互连通，第二支撑弹簧用来提供第二配气活塞往复运动所需的回复力；
所述直线发电机包含动子磁轭，动子磁极，电机主轴，第三平面支撑弹簧，电机定子；所述电机主轴上端与动力活塞相连接，下端与平面支撑弹簧相连；所述动子磁轭是覆盖在电机主轴上的良导磁体，环状动子磁极按照一定的间隔安装在磁轭的外围；动子磁轭和动子磁极随动力活塞往复运动形成振荡磁场；所述电机定子切割磁感线产生感应电动势，把动能转化为电能。
所述第一压缩腔、第二压缩腔为斯特林原动机与斯特林制冷机共用部分，其周围为室温环境。
进一步地，所述第一加热器和第二加热器多为管式，采用高温合金钢。管式换热器包括加热管组和筒体；加热管组由许多小口径的加热管组成，具有较高的表面积-通流容积比，管子的排布间距要小，使燃气流过外表面的流速较高，以提高外表面的传热系数从而达到一定的换热量。加热管的材料多为高温合金钢，具有良好的热强度和机械强度，同时对燃气具有良好的抗腐蚀性。
进一步地，所述第一回热器和第二回热器，采用多孔介质作为回热器基体的填充材料，所述多孔介质为金属纤维、金属丝网、金属粉末等烧结形成。回热器基体的材料应具有较高的热容量，以减小回热器基体温度的变化，改善回热器效率；同时基体的空隙率要较大，以降低工质在回热器中的流动阻力。
进一步地，所述第一冷却器和第二冷却器为薄壁管式冷却器，采用不锈钢材质，采用用水为冷却剂。
进一步地，所述第一配气活塞和第二配气活塞采用薄壁中空圆筒状结构，材质为不锈钢或铝合金；
进一步地，第一配气活塞内部设置第一隔板，第二配气活塞内部设置第二隔板，以降低配气活塞内腔左右两端的热辐射损失；第一隔板和第二隔板上开设小孔，使整个配气活塞内腔连通。
进一步地，所述第一配气活塞、第二配气活塞和动力活塞与其所在的气缸壁之间采用活塞环的密封方式，活塞环的材质采用填充聚四氟乙烯的复合材料。
一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统工作方法，包括如下步骤：
步骤a)，动力活塞从下止点向上移动，气体在压缩腔内被压缩，并通过第一冷却器和第二冷却器向外界(室温)放热，同时第一配气活塞向左移动、第二配气活塞向右移动。
步骤b)，动力活塞向上移动至上止点，一部分气体从第一压缩腔依次经历第一冷却器、第一回热器和第一加热器流入第一膨胀腔，并从第一回热器吸收热量，该热量来自上一步骤d)气体释放给第一回热器的热量；另一部分气体从第二压缩腔依次经历第二冷却器、第二回热器和第二加热器流入第二膨胀腔，并把气体携带的热量传递给第二回热器，该热量会被下一步骤d)的气体吸收；同时第一配气活塞向右移动、第二配气活塞向左移动。
步骤c)，一部分气体通过第一加热器吸收外界(高温)热量，并在第一膨胀腔内发生膨胀；另一部分气体通过第二加热器吸收外界(低温)热量，并在第二膨胀腔内发生膨胀；使得第一配气活塞7继续向右移动，第二配气活塞继续向左移动；同时动力活塞远离上止点向下移动。
步骤d)，受弹簧回复力影响，第一配气活塞向左移动、第二配气活塞向右移动；一部分气体从第一膨胀腔依次经历第一加热器、第一回热器和第一冷却器流入第一压缩腔，途中并将热量释放给第一回热器，该热量可被下一步骤b)的气体工质吸收；另一部分气体从第二膨胀腔依次经历第二加热器、第二回热器和第二冷却器流入第二压缩腔，并从第二回热器吸收热量，该热量来自上一步骤b)气体释放给第二回热器的热量；动力活塞受气体推动继续向下移动至下止点。
有益效果：
由于采用了上述方案，将自由活塞式斯特林原动机与制冷机通过共用的压缩腔进行耦合并与直线发电机相连接，在斯特林原动机利用高温热源进行发电的同时斯特林制冷机对外界进行制冷。具有以下技术优点：系统结构紧凑、震动噪声小、制冷范围广泛、绿色环保、能源利用率高等。
附图说明
图1为斯特林原动机与制冷机循环的P-V和T-S图；P为压力、V为体积、T为温度、S为熵；TH为高温、T0为室温、TL为低温，A-B-C-D-A为斯特林原动机循环，A-B-E-F-A为斯特林制冷机循环。
图2为系统结构示意图；其中，1、第一冷却器，2、第一回热器，3、第一加热器，4、第一膨胀腔，5、高温环境，6、第一隔板，7、第一配气活塞，8、第一支撑弹簧，9、第一支撑底座，10、第一连通孔，11、第一压缩腔，12、第二压缩腔，13、第二连通孔，14、第二支撑底座，15、第二支撑弹簧，16、第二配气活塞，17、第二隔板，18、低温环境，19、第二膨胀腔，20、第二加热器，21、第二回热器，22、第二冷却器，23、动力活塞，24、动子磁轭，25、动子磁极，26、电机主轴，27、第三平面支撑弹簧，28、电机定子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的解释。
本发明提供的一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，其包括斯特林原动机、斯特林制冷机、直线发电机三部分，如图2所示。
所述一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，选用的气体工质应密度低、粘度小以降低流阻损失，同时导热系数高、等压比热容大以降低循环的不可逆性，如氢气、氦气、空气等；整个系统完全封闭，避免了工质泄漏到周围工作环境中。
所述斯特林原动机主要包括：第一膨胀腔4、第一加热器3、第一回热器2、第一冷却器1、第一配气活塞7、第一支撑弹簧8、第一支撑底座9、第一压缩腔11、动力活塞23；所述第一膨胀腔4位于装置左侧，其外部为高温环境5；所述第一压缩腔11位于装置中间部位，其周围为室温环境；所述第一加热器3、第一回热器2、第一冷却器1均为环形结构，并沿横向依次布置，第一加热器3靠近第一膨胀腔4，第一冷却器1靠近第一压缩腔11。
所述斯特林制冷机主要包括：第二膨胀腔19、第二加热器20、第二回热器21、第二冷却器22、第二配气活塞16、第二支撑弹簧15、第二支撑底座14、第二压缩腔12、动力活塞23；所述第二膨胀腔19位于装置右侧，其外部为低温环境18；所述第二压缩腔12位于装置中间部位，其周围为室温环境；所述第二加热器20、第二回热器21、第二冷却器22均为环形结构，并沿横向依次布置，第二加热器靠近第二膨胀腔19，第二冷却器22靠近第二压缩腔12。
所述第一加热器3和第二加热器20一般为高温合金钢，结构形式多为管式。
所述第一回热器2和第二回热器21，多孔介质可以作为回热器基体的填充材料，如金属纤维、金属丝网、金属粉末等，但需进行烧结形成整体。
所述第一冷却器1和第二冷却器22多为不锈钢材质，结构形式多为薄壁管式冷却器，通常用水作为冷却剂。
所述第一配气活塞7和第二配气活塞16为薄壁中空圆筒状结构，材料一般为不锈钢或铝合金；第一配气活塞7配气活塞内部设置第一隔板6，第二配气活塞16内部设置第二隔板17，以降低配气活塞内腔左右两端的热辐射损失；第一隔板6和第二隔板17上开设小孔，使整个配气活塞内腔连通。
所述第一配气活塞7的右侧与第一支撑弹簧8相连接；第一支撑弹簧8的右侧与第一支撑底座9相连接，且都位于第一压缩腔11内部，避免高温环境对其性能的影响；第一支撑弹簧8用来提供第一配气活塞7往复运动所需的回复力。
所述第二配气活塞16的左侧与第二支撑弹簧15相连接；第二支撑弹簧15的左侧与第二支撑底座14相连接，且都位于第二压缩腔12内部，避免低温环境对其性能的影响；第二支撑弹簧15用来提供第二配气活塞16往复运动所需的回复力。
所述第一支撑底座9和第二支撑底座14上分别开有第一连通孔10和第二连通孔13，以保证被底座隔开的第一压缩腔11、第二压缩腔12内部相互连通。
所述第一配气活塞7、第二配气活塞16和动力活塞23与其所在的气缸壁之间采用活塞环的密封方式；活塞环的材质一般为填充聚四氟乙烯的复合材料，具有摩擦系数小、摩擦速率低、热稳定性高的性能。
所述直线发电机主要包括：动子磁轭24，动子磁极25，电机主轴26，第三平面支撑弹簧27，电机定子28；所述电机主轴26上端与动力活塞23相连接，下端与第三平面支撑弹簧27相连接；所述动子磁轭24是覆盖在电机主轴26上的良导磁体，环状动子磁极25按照一定的间隔安装在磁轭24的外围；动子磁极25与电机定子28之间留有间隙。
所述动子磁轭24和动子磁极25随动力活塞23往复运动形成振荡磁场；电机定子28切割磁感线产生感应电动势，把动能转化为电能。
本实施例的工作过程由若干个循环周期构成，每个周期包含四个过程，
一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统工作方法，包括如下步骤：
步骤a)，动力活塞23从下止点向上移动，气体在压缩腔内被压缩，并通过第一冷却器1和第二冷却器22向外界(室温)放热，同时第一配气活塞7向左移动、第二配气活塞16向右移动。
步骤b)，动力活塞23向上移动至上止点，部分气体从第一压缩腔11依次经历第一冷却器1、第一回热器2和第一加热器3流入第一膨胀腔4，并从第一回热器2吸收热量，该热量来自上一步骤d)气体释放给第一回热器2的热量；另一部分气体从第二压缩腔12依次经历第二冷却器22、第二回热器21和第二加热器20流入第二膨胀腔19，并把气体携带的热量传递给第二回热器21，该热量会被下一步骤d)的气体吸收；同时第一配气活塞7向右移动、第二配气活塞16向左移动。
步骤c)，部分气体通过第一加热器3吸收外界(高温)热量，并在第一膨胀腔4内发生膨胀；另一部分气体通过第二加热器20吸收外界(低温)热量，并在第二膨胀腔19内发生膨胀；使得第一配气活塞7继续向右移动，第二配气活塞16继续向左移动；同时动力活塞23远离上止点向下移动。
步骤d)，受弹簧回复力影响，第一配气活塞7向左移动、第二配气活塞16向右移动；部分气体从第一膨胀腔4依次经历第一加热器3、第一回热器2和第一冷却器1流入第一压缩腔11，途中并将热量释放给第一回热器2，该热量可被下一步骤b)的气体工质吸收；另一部分气体从第二膨胀腔19依次经历第二加热器20、第二回热器21和第二冷却器22流入第二压缩腔12，并从第二回热器21吸收热量，该热量来自上一步骤b)气体释放给第二回热器21的热量；动力活塞23受气体推动继续向下移动至下止点。
所述斯特林原动机在工作时，工质在第一膨胀腔内吸收外界高温环境热量发生膨胀，从第一膨胀腔到第一压缩腔是放热过程，在第一压缩腔内受到压缩放出热量，再从第一压缩腔返回第一膨胀腔是吸热过程；第一配气活塞和动力活塞相对移动，将热能转化为动能。
所述斯特林制冷机在工作时，工质在第二膨胀腔内吸收外界低温环境热量发生膨胀，从第二膨胀腔到第二压缩腔是吸热过程，在第二压缩腔内受到压缩放出热量，再从第二压缩腔返回第二膨胀腔是放热过程；第二膨胀腔内的工质温度要小于外界低温环境，从而吸收热量达到制冷目的。
动力活塞23与直线发电机主轴26相连，带动直线发电机动子往复运动形成振荡磁场，电机定子28切割磁感线产生感应电势，将动能转化为电能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，其特征在于，包括斯特林原动机、斯特林制冷机、直线发电机；斯特林原动机与斯特林制冷机通过共用的压缩腔耦合在一起，并与直线发电机相连接进行发电；所述斯特林原动机包含第一膨胀腔(4)、第一加热器(3)、第一回热器(2)、第一冷却器(1)、第一配气活塞(7)、第一支撑弹簧(8)、第一支撑底座(9)、第一压缩腔(11)、动力活塞(23)；所述第一膨胀腔(4)位于装置左侧，其外部为高温环境(5)；所述第一加热器(3)、第一回热器(2)、第一冷却器(1)均为环形结构，并沿横向依次布置；第一膨胀腔(4)、第一加热器(3)、第一回热器(2)、第一冷却器(1)、第一压缩腔(11)之间依次连通；所述第一配气活塞(7)的右侧与第一支撑弹簧(8)相连接；第一支撑弹簧(8)的右侧与第一支撑底座(9)相连接，并且都位于第一压缩腔(11)内部；所述第一支撑底座(9)开有第一连通孔(10)，以保证被底座隔开的压缩腔(11)内部相互连通；第一支撑弹簧(8)用来提供第一配气活塞(7)往复运动所需的回复力；
所述斯特林制冷机包含第二膨胀腔(19)、第二加热器(20)、第二回热器(21)、第二冷却器(22)、第二配气活塞(16)、第二支撑弹簧(15)、第二支撑底座(14)、第二压缩腔(12)、动力活塞(23)；第二膨胀腔(19)外部为低温环境，所述第二膨胀腔(19)位于装置右侧；所述第二加热器(20)、第二回热器(21)、第二冷却器(22)均为环形结构，并沿横向依次布置；第二膨胀腔(19)、第二加热器(20)、第二回热器(21)、第二冷却器(22)、第二压缩腔(12)之间依次连通；所述第二配气活塞(16)的左侧与第二支撑弹簧(15)相连接；第二支撑弹簧(15)的左侧与第二支撑底座(14)相连接，且都位于第二压缩腔(12)内部；第二支撑底座(14)上开有连通孔(13)，以保证被底座隔开的压缩腔(12)内部相互连通，第二支撑弹簧(15)用来提供第二配气活塞(16)往复运动所需的回复力；
所述直线发电机包含动子磁轭(24)，动子磁极(25)，电机主轴(26)，第三平面支撑弹簧(27)，电机定子(28)；所述电机主轴(26)上端与动力活塞(23)相连接，下端与平面支撑弹簧(27)相连；所述动子磁轭(24)覆盖在电机主轴(26)上，环状动子磁极(25)按照一定的间隔安装在动子磁轭(24)的外周，动子磁轭(24)和动子磁极(25)随动力活塞(23)往复运动形成振荡磁场；所述电机定子(28)切割磁感线产生感应电动势，把动能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，其特征在于，所述第一加热器(3)和第二加热器(20)多为管式，采用高温合金钢。
3.根据权利要求1所述的一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，其特征在于，所述第一回热器(2)和第二回热器(21)，采用多孔介质作为回热器基体的填充材料，所述多孔介质为金属纤维、金属丝网、金属粉末等烧结形成。
4.根据权利要求1所述的一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，其特征在于，所述第一冷却器(1)和第二冷却器(22)为薄壁管式冷却器，采用不锈钢材质，以水为冷却剂。
5.根据权利要求1所述的一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，其特征在于，所述第一配气活塞(7)和第二配气活塞(16)采用薄壁中空圆筒状结构，材质为不锈钢或铝合金。
6.根据权利要求5所述的一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，其特征在于，第一配气活塞(7)配气活塞内部设置第一隔板(6)，第二配气活塞(16)内部设置第二隔板(17)，以降低配气活塞内腔左右两端的热辐射损失；第一隔板(6)和第二隔板(17)上开设小孔，使整个配气活塞内腔连通。
7.根据权利要求1所述的一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，其特征在于，所述第一配气活塞(7)、第二配气活塞(16)和动力活塞(23)与其所在的气缸壁之间采用活塞环的密封方式，活塞环的材质采用填充聚四氟乙烯的复合材料。
8.根据权利要求1所述的一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，其特征在于，动子磁轭(24)为良导磁体。
9.一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a)，动力活塞(23)从下止点向上移动，气体在压缩腔内被压缩，并通过第一冷却器(1)和第二冷却器(22)向外界放热，同时第一配气活塞(7)向左移动、第二配气活塞(16)向右移动。
步骤b)，动力活塞(23)向上移动至上止点，一部分气体从第一压缩腔(11)依次经历第一冷却器(1)、第一回热器(2)和第一加热器(3)流入第一膨胀腔(4)，并从第一回热器(2)吸收热量；另一部分气体从第二压缩腔(12)依次经历第二冷却器(22)、第二回热器(21)和第二加热器(20)流入第二膨胀腔(19)，并把气体携带的热量传递给第二回热器(21)；同时第一配气活塞(7)向右移动、第二配气活塞(16) 向左移动。
步骤c)，一部分气体通过第一加热器(3)吸收外界热量，并在第一膨胀腔(4)内发生膨胀；另一部分气体通过第二加热器(20)吸收外界热量，并在第二膨胀腔(19)内发生膨胀；使得第一配气活塞(7)继续向右移动，第二配气活塞(16)继续向左移动；同时动力活塞(23)远离上止点向下移动。
步骤d)，受弹簧回复力影响，第一配气活塞(7)向左移动、第二配气活塞(16)向右移动；一部分气体从第一膨胀腔(4)依次经历第一加热器(3)、第一回热器(2)和第一冷却器(1)流入第一压缩腔(11)，途中并将热量释放给第一回热器(2)；另一部分气体从第二膨胀腔(19)依次经历第二加热器(20)、第二回热器(21)和第二冷却器(22)流入第二压缩腔(12)，并从第二回热器(21)吸收热量；动力活塞(23)受气体推动继续向下移动至下止点。
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