CN112524974A - 一种应用于斯特林热机的换热器组件 - Google Patents

一种应用于斯特林热机的换热器组件 Download PDF

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罗新奎
王小军
李生华
李昊璘
王雪松
孔令轩
孙述泽
水龙
田集斌
许发铎
安锦涛
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
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Abstract

本发明公开了一种应用于斯特林热机的换热器组件，通过对管式换热器、烧结型回热器及管壳式冷却器的优化设计与优化组合，提高了斯特林热机换热器组件的换热效率，减小了换热器组件的无益容积。

Description

一种应用于斯特林热机的换热器组件
技术领域
本发明属于斯特林热机的换热器技术领域，具体涉及一种应用于斯特林热机的换热器组件。
背景技术
斯特林热机基于斯特林循环，一般以氦气为工质，通过气缸容积的变化实现工质在闭式循环回路中的流动，活塞在较低的温度和压力下压缩工质，并在较高的温度和压力下吸热膨胀，从而获得正的循环功。
斯特林热机换热器组件的工作原理是：利用加热器将外部热量导入到内部工质，利用冷却器将循环废热导出机体，利用回热器向工质周期性吸、放热，从而在加热器和冷却器之间建立稳定的温度梯度，保证斯特林循环持续进行。
斯特林热机对换热器组件的要求是换热高效且无益容积尽可能小。对于较小功率百瓦级的斯特林热机，采用翅片式换热器或管壳式换热器均可满足使用需求，鉴于翅片式换热器易加工且成本较低，较小功率的斯特林热机一般多采用翅片式换热器。但对于较大功率千瓦级及以上的斯特林热机，一般均需选择换热效率更高、无益容积相对更小的管壳式换热器作为加热器与冷却器。常见的斯特林热机回热器主要有金属丝网堆叠型、金属纤维丝压制型、金属纤维烧结型以及泡沫金属型等。综上所述，现有换热器的实现方式均存在换热效率较低、无益容积较大的问题，难以满足大功率斯特林热机的指标要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种应用于斯特林热机的换热器组件，能够实现高效的换热，以保证斯特林热机的正常工作。
本发明提供的一种应用于斯特林热机的换热器组件，包括管式加热器3、烧结型回热器5和管壳式冷却器7，所述管式加热器3、烧结型回热器5和管壳式冷却器7的顺序同轴固定连接；
所述管式加热器3与所述管壳式冷却器7具有相同结构，均为圆环形，侧壁为套接的多层轴向分布换热管束，所述换热管束的两个端面分别与结构件的两个端面固定连接；使用时，所述管式加热器3与加热装置连接，所述管壳式冷却器7与冷却系统连接；
所述烧结型回热器5两端面均安装金属丝编织隔垫6。
进一步地，所述换热管束由不锈钢换热管组成。
进一步地，所述换热管束的两个端面分别与结构件的两个端面固定连接的方式为激光焊接。
进一步地，所述多层轴向分布换热管束之间交错排列。
进一步地，所述烧结型回热器5由丝径为22μm的不锈钢金属纤维丝通过烧结成型。
进一步地，所述烧结型回热器5的两个端面分别与管式加热器3和管壳式冷却器7的端面法兰连接，法兰端面采用石墨金属复合密封垫4密封。
有益效果：
本发明通过对管式换热器、烧结型回热器及管壳式冷却器的优化设计与优化组合，提高了斯特林热机换热器组件的换热效率，减小了换热器组件的无益容积。
附图说明
图1为本发明提供的一种应用于斯特林热机的换热器组件的结构示意图。
图2为本发明提供的一种应用于斯特林热机的换热器组件的管式加热器的立体结构示意图。
图3为本发明提供的一种应用于斯特林热机的换热器组件的管壳式冷却器的立体结构示意图。
其中，1-穹顶，2-配气活塞，3-管式加热器，4-石墨金属复合密封垫，5-烧结型回热器，6-金属丝编织隔垫，7-管壳式冷却器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种应用于斯特林热机的换热器组件，包括管式加热器3、烧结型回热器5和管壳式冷却器7，使用时安装于斯特林发电机的配气活塞一侧，其中，烧结型回热器5与配气活塞2的外缸体采用过盈配合。
如图1所示，实施例适用于1kW斯特林发电机，由穹顶1、管式加热器3、石墨金属复合密封垫4、烧结型回热器5、金属丝编织隔垫6及管壳式冷却器7组成，其余结构件材料均为不锈钢。
由于斯特林热机工作时整机为密封结构，内部工质一般为氦气，且管式加热器3工作时为高温状态，因此各个换热器之间通过法兰连接，并采用石墨金属复合密封垫4进行密封。
如图2所示，管式加热器3的换热管由288根外径2mm，壁厚0.4mm，长40mm的无缝不锈钢管组成，结构件端面与所述换热管端面采用激光焊接进行连接，换热管束相邻两层之间采用错排排列方式，工作时，换热管束外部与加热装置连接，换热管束吸收外界热量，并将热量传递到换热管内的工质，从而维持斯特林循环的热端温度在一定范围内。
石墨金属复合密封垫4具有耐高温、高压，压缩性良好等特点，适用于斯特林热机的换热器组件。
本发明选择加工工艺相对较成熟且换热性能优良的金属纤维丝烧结型回热器作为斯特林热机的回热器，具体来说，烧结型回热器5由丝径22μm的不锈钢金属纤维丝通过烧结成型，孔隙率为90％。工作时，回热器向工质周期性地吸、放热，提高了斯特林循环的效率，并降低了加热器与冷却器的热负荷。
金属丝网编织隔垫6厚为1mm，安装于烧结型回热器5的两端，起到防止多余物的作用。
如图3所示，管壳式冷却器7结构件及换热管束的设计方法与管式加热器3的结构件及换热管束的设计方法一致，工作时，管壳式冷却器外侧与冷却系统连接，将换热管内部工质的循环废热导出，从而维持斯特林循环的冷端温度在一定范围内。
如图1所示，本发明设计的一种应用于斯特林热机的换热器组件的工作状态与配气活塞2往复运动的关系为：当管式加热器2吸收外界热量时，其换热管内部工质温度、压力升高，推动配气活塞2往下运动，同时高温工质次流经烧结型回热器5、管壳式冷却器7，烧结型回热器5吸收高温工质的热量，管壳式冷却器7将工质的余热排出；当配气活塞2从下止点往上运动时，工质被压缩，依次流经管壳式冷却器7、烧结型回热器5、管式加热器3，工质流经管壳式冷却器7时被降温，在烧结型回热器7内吸收热量进行预热，在管式加热器3内被加热至高温状态，而后进入下一个循环。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于斯特林热机的换热器组件，其特征在于，包括管式加热器(3)、烧结型回热器(5)和管壳式冷却器(7)，所述管式加热器(3)、烧结型回热器(5)和管壳式冷却器(7)的顺序同轴固定连接；
所述管式加热器(3)与所述管壳式冷却器(7)具有相同结构，均为圆环形，侧壁为套接的多层轴向分布换热管束，所述换热管束的两个端面分别与结构件的两个端面固定连接；使用时，所述管式加热器(3)与加热装置连接，所述管壳式冷却器(7)与冷却系统连接；
所述烧结型回热器(5)两端面均安装金属丝编织隔垫(6)。
2.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述换热管束由不锈钢换热管组成。
3.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述换热管束的两个端面分别与结构件的两个端面固定连接的方式为激光焊接。
4.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述多层轴向分布换热管束之间交错排列。
5.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述烧结型回热器(5)由丝径为22μm的不锈钢金属纤维丝通过烧结成型。
6.根据权利要求1所述的换热器组件，其特征在于，所述烧结型回热器(5)的两个端面分别与管式加热器(3)和管壳式冷却器(7)的端面法兰连接，法兰端面采用石墨金属复合密封垫(4)密封。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110886665A (zh) * 2019-11-11 2020-03-17 上海齐耀动力技术有限公司 一种基于斯特林机的高温尾气余热利用装置及斯特林机

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Non-Patent Citations (1)

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罗新奎等: "1kw斯特林发电机管式加热器设计", 《真空与低温》 *

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