CN110273780A - 具有蓄热壳体的回热器及斯特林循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有蓄热壳体的回热器，包括蓄热壳体和填充在由蓄热壳体形成的腔室中的填料部分，腔室的一端为供高温气体工质流入的热端、另一端为供低温气体工质流入的冷端，高温气体工质和低温气体工质分别通过腔室的热端和冷端交替流经回热器的腔室。其中，蓄热壳体由外至内包括外层、蓄热层和导温层；蓄热层包括由熔点不同的相变材料构成的多个蓄热部件。蓄热部件至少包括第一熔点蓄热部件和第二熔点蓄热部件，临近热端的第一熔点蓄热部件相对于临近冷端的第二熔点蓄热部件具有更高熔点。本发明所提出的具有蓄热壳体的回热器能够减少回热器沿径向和轴向导热损失，增大回热量，从而减小回热器尺寸和系统的死容积，提高整机效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有蓄热壳体的回热器，还涉及使用该回热器的斯特林循环系统。
背景技术
回热器是斯特林发动机、制冷机、电子设备冷却器等多种设备的核心换热部件。这些设备以气体为工质，按闭式回热循环方式进行工作。回热器是一种可以提高设备整机效率的节能装置，使加热器和冷却器的工作负荷大大降低，其回热量是影响整机性能的关键参数。以斯特林发动机回热器为例，现有回热器的基本结构是在耐压容器中填充由多孔介质构成的基体，这种基体具有一定的孔隙率和比表面积。当工质气体吸热膨胀后，高温气流从热端流向冷端，回热器储存一部分气体热量于回热器内的多孔介质构成的基体中；当工质放热压缩后，低温气流从冷端返回热端，回热器将储存于多孔介质构成的基体中的热量释放给低温气流，完成回热。现有回热器中利用填料对流经回热器的气体工质完成储热和放热的换热过程。
回热器壳体材料方面，传统的回热器壳体通常直接采用不锈钢材料制作而成，其本身并不具备蓄热功能，反而因为不锈钢导热性能良好，使得回热器在径向和轴向上的导热损失较大，导致回热效率下降。
相变蓄热材料是利用材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，化学储热材料是利用化学反应的吸热和放热来实现能量的储存和利用，目前这两种蓄热方式主要应用在工业余热的分散性和大能级跨度以及可再生能源的间歇性等需要中高温蓄热技术的领域，未见将其应用于回热器壳体中的在先文献。
发明内容
针对现有回热器的设计所存在的回热器径向和轴向导热损失较大的技术问题，本发明提出一种新的具有蓄热壳体的回热器，在提出不同于现有回热器壳体结构的同时，将蓄热材料用于回热器壳体中。
本发明提出的具有蓄热壳体的回热器，包括蓄热壳体和填充在由蓄热壳体形成的腔室中的填料部分，所述腔室的一端为高温气体工质流入的热端、另一端为低温气体工质流入的冷端，所述高温气体工质和所述低温气体工质分别通过所述腔室的热端和冷端交替流经回热器的所述腔室。其中，所述蓄热壳体由外至内包括外层、蓄热层和导温层；所述蓄热层包括由熔点不同的相变材料构成的多个蓄热部件。所述蓄热部件至少包括第一熔点蓄热部件和第二熔点蓄热部件，临近所述热端的第一熔点蓄热部件相对于临近所述冷端的第二熔点蓄热部件具有更高熔点。
本发明的具有蓄热壳体的回热器中，所述多个蓄热部件的熔点温度沿所述热端向所述冷端的方向阶梯下降，以与流经该各个蓄热部件对应位置的气体工质的温度相匹配的方式设置。
本发明的具有蓄热壳体的回热器中，在所述蓄热壳体中以至少贯穿蓄热层的方式设置隔热层。
本发明的具有蓄热壳体的回热器中，所述回热器还包括传热部件，其一端位于所述蓄热层中临近热端处，另一端位于所述腔室内。
本发明的具有蓄热壳体的回热器中，所述外层为保温层。
本发明的具有蓄热壳体的回热器中，所述蓄热层由相变材料与石墨颗粒的混合物压制而成。
本发明的具有蓄热壳体的回热器中，所述蓄热层由热化学储热材料制成。
本发明的具有蓄热壳体的回热器中，所述填料部分包括多孔介质。多孔介质结构与材料有多种选择，例如：堆叠丝网、金属纤维、泡沫金属、烧结金属，或是采用由熔点不同的相变材料构成的多个相变部件。
本发明的具有蓄热壳体的回热器中，所述蓄热壳体形成的腔室截面呈长方形、圆形、方形、蜂窝形或圆环形。
本发明还提出一种使用上述具有蓄热壳体的回热器的斯特林循环系统，该斯特林循环系统还包括膨胀腔和压缩腔，所述回热器设置在所述膨胀腔和所述压缩腔之间，在膨胀腔处设置有加热器，在压缩腔处设置有冷却器；气体工质在所述膨胀腔内等温膨胀后，高温气体经过回热器流向所述压缩腔，气体工质在所述压缩腔内等温压缩后，低温气体经过回热器流向所述膨胀腔，进行闭式循环。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出的回热器具有多层结构的蓄热壳体，该蓄热壳体具有利用蓄热材料构成的蓄热材料层，从而能够将回热器中原本沿回热器径向向外散发损失的热量储存起来，整体减少回热器热量的径向和轴向损失。
同时，本发明具有蓄热壳体的回热器通过将原本导热损失的热量回收，并在低温气体工质流经回热器时将热量释放给气体中，实现回热，有利于增大回热器的整体回热量。由此，本发明回热器也能够减小加热器负荷，提高发动机效率；并且在相同换热量的需求下，明显减小回热器体积，从而减小死容积、降低流动阻力，提高整机效率。
更进一步地，本发明通过将包含有相变材料的蓄热部件中的第一熔点蓄热部件和第二熔点蓄热部件，以临近回热器热端的第一熔点蓄热部件的熔点，高于临近回热器冷端的第二熔点蓄热部件的方式，呈梯度配置，以与流经回热器的气体工质温度形成温度差，确保各个蓄热部件中的相变材料的潜热均可以得到有效利用，从而实现提高蓄热密度，亦减小回热器体积，提高整机效率。
附图说明
图1是本发明斯特林循环系统的示意图；
图2是本发明具有蓄热壳体的回热器示意图；
图3是本发明实施例3中具有蓄热壳体的回热器的示意图；
图4是本发明实施例4中具有蓄热壳体的回热器的示意图；
图5是本发明实施例5中具有蓄热壳体的回热器的示意图；
图6是本发明实施例6中具有蓄热壳体的回热器的示意图。
附图标记说明：
1-蓄热壳体(外环层)；1a-内环层；2-外层(保温层)；3-蓄热层；3a-蓄热层区段；4-导热层；5-腔室；6-填料部分(多孔介质)；7-隔热层；8-热管；9-回热器；10-压缩腔；11-膨胀腔
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的实现并不限于下述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内所采用的本发明技术构思下的各种变形、变换、组合和改进均属于本发明的保护范围。
结合图1和图2，以下首先分别对本发明涉及的斯特林循环系统、回热器及蓄热壳体等结构和原理进行简单说明。
图1示出斯特林循环系统的基本结构和气体工质的循环过程。如图1所示，工质气体在膨胀腔11一端加热器8的作用下吸热膨胀，高温气流从回热器9的热端流向冷端，工质气体在压缩腔10一端冷却器7的作用下放热压缩，低温气流从冷端返回热端。本发明的回热器9包括蓄热壳体1和壳体形成的腔室5，高温气流和低温气流交替流经腔室5，高温气体通过对流换热将热量储存于回热器9中，低温气体从回热器9吸收热量。本发明在回热器9的填料进行热量储存和释放的基础上，蓄热壳体1也能够起到将高温气流的部分热量进行储存、并释放给低温气流的作用。
在回热器9中，蓄热壳体1由外至内由外层2、蓄热层3和导热层4组成。其中，外层进一步优选的是保温层2，可以在将原本回热器9径向散发热量保持在回热器9以内。导热层4将蓄热层3与腔室5中流动的高温工质或者低温工质气流分隔开来，并且高温工质气流能够将部分热量经由导热层4传递至蓄热层3进行储存，进一步将外层设置为保温层2以减少蓄热层3中的热损失。同样，在低温工质气流流经腔室5时，储存在蓄热层3中的热量，会通过导热层4传递给低温工质气流，使其升温。
本领域技术人员能够理解的是，只要将工业应用中的斯特林发动机、制冷机、电子设备冷却器等各类系统、设备中的储热器(如回热器)替换为本发明具有蓄热壳体的回热器，更具体地将例如相变材料作为蓄热材料制成壳体的蓄热层，均属于本发明意图提出的发明构思。在本说明书中提出的斯特林发动机的例子仅仅作为示意性举例，用于说明本发明回热器及使用该回热器的斯特林循环系统的可能的实现方式，而不应理解为是对发明保护范围的限制。
实施例1
如图2所示，回热器9的蓄热壳体1由保温层2、蓄热层3、导热层4组成，蓄热壳体内为供气流流动的腔室5。导热层4同时对蓄热层3起到支撑和保护作用，并由金属材料制成，例如包括不锈钢、铜、铝、锌等或是它们的合金，从而导热层4具有很高的热导率，高温气流的热量经由导热层4传递给蓄热层3进行储存。保温层2具有较大的热阻，起保温作用，能减少蓄热层3中的热损失。具体地保温层2采用陶瓷材料或高分子材料制成，进一步地选择陶瓷材料为Si、SiC或BaTiO3，高分子材料为聚脲树脂或酚醛树脂。
蓄热层3由具有良好蓄热性能的蓄热材料制成，蓄热材料进一步选择相变蓄热材料或化学储热材料。在本实施例中，蓄热层3由相变材料制成，利用相变过程的潜热机制进行气体工质在回热器的蓄热和回热。相变材料包括能够发生固-固、固-液、液-气或固-气四种相变中的任意一种相变的物质，利用相变材料在相变过程中吸收或放出的潜热进行蓄热或放热。通过采用具有蓄热壳体的回热器，本发明的回热器能够回收径向导热损失并在蓄热壳体的部分加以储存和实现换热。
例如，在现有的壳体材料为不锈钢的回热器中，壳体在100℃时的导热率为16.3W/(m·K)。采用本发明具有蓄热壳体的回热器，采用相变材料CaCl2·6H2O作为蓄热层的蓄热材料，其在100℃时的热导率约为0.6W/(m·K)。根据傅里叶导热公式计算后可以发现，在外界环境温度、回热器壳体几何尺寸相同的条件下，通过采用本发明具有蓄热壳体的回热器，其导热损失Q为材料导热率k之比，因此本发明回热器的导热损失与采用不锈钢材料壳体的回热器相比减少了96％。本发明回热器可以有效提高整机效率。
相比于普通的显热蓄热，单位质量或体积的相变材料通过潜热蓄热可以储存的热量更多。根据有关文献，显热储热密度约为50kW·h/m3，潜热储热密度约为100kW·h/m3，即潜热储热密度约为显热的两倍，而化学储热密度约为250kW·h/m3，为显热的五倍。因此本实施例中，将本发明采用蓄热壳体的回热器与多孔介质填料共同作用，蓄热壳体可有效辅助增加回热量，减少回热器体积，从而减小流阻，增大整机效率和输出功。
以某100W斯特林发动机回热器为例，采用氦气为工质，转速为800r/min，工作压力2MPa，热端温度771K，冷端温度286K，采用堆叠丝网为回热器填料，回热器筒体长度为29mm，通过SIMPLE程序算得斯特林发动机输出功为86.7W，流阻损失为17.2W。将本发明具有蓄热壳体的回热器应用于上述斯特林发动机，在相同换热需求下回热器中所需的丝网用量减少，回热器体积减小至筒体长度为原来的50％，即减少为14.5mm时，而斯特林发动机输出功增大为104.1W，流阻损失减少为8.8W。可见，与现有回热器相比，应用本发明具有蓄热壳体的回热器，一方面增大了回热效率，减小回热器体积，并且减少流阻损失、大幅提高了整机的效率和输出功。
更进一步地，本发明的实施例中，蓄热层3由相变材料制成，并且在靠近回热器9热端的一侧，设置由第一熔点的相变材料构成的第一熔点蓄热部件(未图示)，在靠近回热器9冷端的一侧，设置由第二熔点的相变材料构成的第二熔点蓄热部件，该第一熔点的温度高于该第二熔点的温度。当然，此处的第一熔点蓄热部件及第二熔点蓄热部件仅仅是例举，并不限制具有不同熔点的蓄热部件的个数。
举例来说，将回热器腔室内的工作温度分布划分为五个区段，第一工作温度区域至第五工作温度区域分别为286-385K、386-485K、486-585K、586-685K以及686-771K。则相应地，对蓄热层对应工作温度采用不同熔点的相变材料，设置第一熔点蓄热部件的熔点例如为200K，第二熔点蓄热部件的熔点例如为300K，第三熔点蓄热部件的熔点例如为400K，第四熔点蓄热部件的熔点例如为500K，第五熔点蓄热部件的熔点例如为600K。通过这样在蓄热层3的轴向方向上，以从回热器9热端向冷端的方式，逐步降低相变材料的熔点，使得各个轴向方向的各个部分的蓄热层中的相变材料的熔点温度呈梯度分布，从而确保与流经回热器9的气体工质温度之间形成有效的温度差，以保证各个蓄热部件中的相变材料的潜热均可以得到有效利用，从而实现提高蓄热密度，减小回热器体积，提高整机效率。
同时，为了增强蓄热层的蓄热量，本发明还可以在蓄热层的相变蓄热材料中适当掺杂石墨颗粒。通过将相变材料和石墨颗粒的混合物经高压压制得到蓄热层，其安装性及导热性能进一步提高。从而掺杂有石墨颗粒的蓄热壳体可以进一步增强热量在蓄热层中的传递，从而进一步增大蓄热量。
实施例2
在本实施例中，具有蓄热壳体的回热器的结构、工作过程与实施例1大致相同，不再一一赘述，仅有针对性的描述不同之处。
本实施例中，蓄热壳体1中蓄热层3的材料采用化学储热材料。由化学储热材料制成的蓄热层3以涂覆方式设置在导热层4的外侧。化学储热材料的反应温度为位于回热器工作温度范围之内，即，化学储热材料的蓄热层3能够在回热器工作温度条件下发生化学反应，其中，通过化学反应中化学键的断裂重组实现能量的储存和释放，实现化学储热和化学吸热，完成蓄热和回热过程。根据相关文献，化学储热密度约为潜热的5倍，显热的10倍，且化学键稳定、能量损失小。本发明通过采用化学储热材料作为蓄热材料，可以有效增大回热器蓄热量和回热量。
实施例3
如图3所示，本发明提出的回热器中，蓄热壳体1的形状并无特别的限制，蓄热壳体1形成的腔室5的截面形状可以是圆形、方形、蜂窝形或圆环形。其中，结合实际工作条件和需要，为了达到最大比表面积优选为蜂窝形；为生产加工的方便，可以选择圆形、方形或圆环形。
截面为圆形、方形、蜂窝形的蓄热壳体主要应用在α型斯特林发动机中。而圆环形的蓄热壳体主要应用在β或γ型斯特林发动机中，此时壳体为包括内环层1a和外环层1的双层结构，每一层均至少包括靠近腔室5的导热层4和相对远离腔室5的蓄热层3，在外环层的最外设置外层(或更具体地为保温层2)。工质气体在位于蓄热壳体1内环层1a和外环层1之间的腔室5区域内流动，而斯特林循环系统中包括的活塞和气缸结构等部件可以设置于蓄热壳体的内环层1a的内侧空间区域。由于内环层1a临近活塞腔，对内环层1a最外侧一层的强度要求较高，而保温层的材料一般是强度较低、脆性较高的陶瓷材料，所以内环层1a不便继续在外侧继续采用陶瓷材料。可选地，在内环层1a最外侧设置能够起到保护和支撑作用的外层2、或是导热层4。
实施例4
实施例4中的各个部件名称及作用，与实施例1相同的部分，不再一一赘述，仅有针对性的描述不同之处。
如图4所示，本发明回热器中还包括填料部分6，位于气流流动范围的腔室5内，与蓄热壳体1共同作用，起到储存高温气流热量、并释放热量给低温气流的作用。填料部分6的结构与材料有很多种选择，例如：常见的多孔介质如堆叠丝网、金属纤维、泡沫金属、烧结金属，或是使用相变材料作为填料，具体的形式可以采用相变胶囊。
实施例5
实施例5中的各个部件名称及作用，与实施例1相同的部分，不再一一赘述，仅有针对性的描述不同之处。
在回热器的实际应用环境中，回热器冷热两端的温差大都超过200K，且回热器长度较小，所以回热器冷热两端之间形成巨大温度梯度。这驱使热量沿着回热器管壁、填料及工质气体进行轴向热传导，带来很大的轴向导热损失。针对这一问题，如图5所示，本发明回热器中，蓄热壳体1还进一步包括隔热层7，将蓄热壳体1沿轴向分段。隔热层7可以具有与蓄热层3大致相同的直径和厚度，径向贯穿蓄热层3。隔热层7的材料可以采用陶瓷和高分子材料，有效减少蓄热壳体轴向导热损失。
由于在蓄热壳体1中设置隔热层7的目的在于减少回热器轴向的导热损失，隔热层7以至少贯穿蓄热壳体1的导热层4和蓄热层3，间隔插入在蓄热壳体1中的方式设置。更进一步地，考虑到如上而言回热器热端和冷端两端的巨大温差，根据回热器腔室内工作温度的分布，隔热层7分隔出的不同蓄热层区段3a，分别对应工作温度区域采用相应熔点温度的相变材料制成的蓄热层区段3a，从而实现每段的蓄热层区段3a可在所处位置发生相变。靠近回热器热端的蓄热层区段3a相变材料与靠近回热器冷端的蓄热层3a相变材料相比，具有更高的熔点。根据回热器9的腔室5中不同工作温度对应设置蓄热层区段3a各个区段的相变材料，充分发挥蓄热层3的蓄热能力，减少无法发生相变的蓄热层材料质量，从而提高回热器效率。
本领域技术人员易于理解的是，本实施例为便于说明，在本发明具有蓄热壳体的回热器的蓄热壳体1中进一步设置隔热层7的情况下，描述了蓄热层3的不同区段对应回热器工作温度采用对应熔点的相变材料的实现方式。即便不设置隔热层7，蓄热层3也可以按照上述说明采用不同熔点相变材料，以获得蓄热壳体1最优化的结构和材料设计，减少回热器体积，达到最佳回热效果。
本实施例的具有蓄热壳体的回热器，采用相变材料制成包括蓄热层的壳体，与回热器腔室中填料共同作用，在气体工质来回流经回热器时进行热量储存和释放，完成回热。本发明的具有蓄热壳体的回热器，提高了回热器单位体积蓄热量、降低现有回热器中所存在的温度波动大的缺陷，有效减小回热器体积，增大回热量，提高整机效率。
实施例6
实施例6中的各个部件名称及作用，与实施例5相同的部分，不再一一赘述，仅有针对性的描述不同之处。
如图6所示，为进一步提高本发明回热器蓄热壳体的工作效果，进一步在蓄热壳体1内布置有热管8。热管包括两端，分别吸热和放热，一端位于蓄热壳体1临近回热器热端的部分内，另一端位于腔室5内。热管8吸收蓄热壳体1热端热量，将其传递到腔室5内，当低温气流流经腔室通过热管8吸收热量，同时也接受由蓄热层3直接经由导热层4释放至腔室5的热量，两种导热途径共同作用，提高回热量。反之，在高温气体流经腔室时，也利用热管8将部分热量传递储存至蓄热层3中。本实施例利用导热部件进一步回收蓄热壳体1热端热量，减少蓄热壳体1内热端到冷端的轴向导热损失，从另一方面增大回热器的回热量，有利于减少回热器体积，提高回热器和整机效率。
以上对本发明所提供的具有蓄热壳体的回热器进行了详细说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有蓄热壳体的回热器，包括蓄热壳体和填充在由所述蓄热壳体形成的腔室中的填料部分，所述腔室的一端为供高温气体工质流入的热端、另一端为供低温气体工质流入的冷端，所述高温气体工质和所述低温气体工质分别通过所述腔室的热端和冷端交替流经回热器的所述腔室；其特征在于，
所述蓄热壳体由外至内包括外层、蓄热层和导温层；所述蓄热层包括由熔点不同的相变材料构成的多个蓄热部件；
所述蓄热部件至少包括第一熔点蓄热部件和第二熔点蓄热部件，临近所述热端的第一熔点蓄热部件相对于临近所述冷端的第二熔点蓄热部件具有更高熔点。
2.如权利要求1所述具有蓄热壳体的回热器，其特征在于，所述多个蓄热部件的熔点温度沿所述热端向所述冷端的方向阶梯下降，以与流经该各个蓄热部件对应位置的气体工质的温度相匹配的方式设置。
3.如权利要求1或2所述具有蓄热壳体的回热器，其特征在于，在所述蓄热壳体中以贯穿蓄热层的方式设置隔热层。
4.如权利要求1或2所述具有蓄热壳体的回热器，其特征在于，所述回热器还包括传热部件，其一端位于所述蓄热层中临近热端处，另一端位于所述腔室内。
5.如权利要求1或2所述具有蓄热壳体的回热器，其特征在于，所述外层为保温层。
6.如权利要求1或2所述具有蓄热壳体的回热器，其特征在于，所述蓄热层由相变材料与石墨颗粒的混合物压制而成。
7.如权利要求1或2所述具有蓄热壳体的回热器，其特征在于，所述蓄热层由热化学储热材料制成。
8.如权利要求1或2所述具有蓄热壳体的回热器，其特征在于，所述填料部分包括多孔介质。
9.如权利要求1或2所述的回热器，其特征在于，所述蓄热壳体形成的腔室截面呈长方形、圆形、方形、蜂窝形或圆环形。
10.一种斯特林循环系统，使用如权利要求1-9之任一项所述的回热器，其特征在于，所述斯特林循环系统还包括膨胀腔和压缩腔，所述回热器设置在所述膨胀腔和所述压缩腔之间，在膨胀腔处设置有加热器，在压缩腔处设置有冷却器；气体工质在所述膨胀腔内等温膨胀后，高温气体经过回热器流向所述压缩腔，气体工质在所述压缩腔内等温压缩后，低温气体经过回热器流向所述膨胀腔，进行闭式循环。
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