CN112944740B - 空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器，其克服了现有技术中存在的现有结构的回热器产生的流动阻力较大的问题，可实现回热器换热损失降低，减少热损耗，保证良好的回热量和透气性。本发明包括回热器本体，回热器本体采用分层变孔隙率蜂窝结构并采用轴向贯通的规整通道，包括高温层、中温层和低温层，由热端到冷端孔隙率逐次由小到大。回热器的平均孔隙率为0.7～0.8，回热器的分层孔隙率为0.5～0.9。回热器采用逐层减少内部等厚隔栅，以截面形心为对称中心，孔隙均匀对称的布置于回热器横截面。回热器的长径比为1:1。

Description

空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器

技术领域：

本发明属于制冷技术领域，涉及一种空调温区斯特林热泵/制冷机用回热器，尤其是涉及一种空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器。

背景技术：

斯特林循环可以用于热机、热泵和制冷。在一个封闭的热力再生循环中，工质在不同的温度水平上被压缩和膨胀，以实现热量与功的净转换。给斯特林机提供一个温差，将导致一个机械功率输出。在这种情况下，斯特林机被称为热机，其循环为正向循环。相反地，把机械能带到同一个发动机，将导致产生冷或热，在这种情况下，斯特林机被称为热泵或制冷机。

回热器是斯特林机性能的一个非常重要的组成部分。一个没有回热器的斯特林机需要五倍多的能量才能产生相同的性能。回热器是一种多孔介质，用于节省工作流体的热量。回热器位于冷热腔之间，工质在冷、热腔之间流动，工质温度实现冷、热交替变化，回热器通过吸、放热量实现着蓄能和节能的作用。

回热器靠近热腔温度较高称为回热器高温端，靠近冷腔温度较低称为回热器低温端，低温端部分温度不均匀，高温端比热容大，流动阻力损失小，在低温端，气体黏性小，比热容小，回热效果差。

回热器在运行过程中的主要损失有回热不完全的回热损失、温差引起的轴向导热损失、流阻压降损失等。常见回热器多工作在深冷温区，其两端温差的梯度较大，其损失主要为回热损失和轴向导热损失，在该条件下提高回热性能主要是以增加换热效率和热容量为首要目的，因此回热器多采用交错层叠式、丝网随机式、不锈钢粘接式、不锈钢丝网等结构形式。

空调温区回热器冷热端温差很小，在回热器两端温差较小的情况下，轴向导热损失和回热损失相比流阻压降损失可以忽略，流阻压降损失为主要损失形式。因此在满足回热要求的前提下主要降低流阻损失。如果采用深冷温区结构形式，现有结构的回热器在加工和填装过程中的随机性使得金属丝互相交错产生较大的流动阻力，对于空调温区并不适用。

影响回热器流阻的关键因素是回热器的填充结构、设计参数和材质。回热器填充结构形式主要有径向填充、轴向填充和随机丝填充这三种，相比较而言，径向填充其填料流道与工质流动方向一致，流动阻力损失小，在空调温区比较适宜，但是存在流动的均匀性差，易变形和轴向导热损失大等问题。

回热器设计参数主要包括孔隙率和长径比，回热器设计参数与回热器性能之间存在这样的耦合关系：当回热器直径确定时，孔隙率较小时，流阻随回热器长度的增大而增大，同时回热器容积率增大，蓄冷/蓄热的能力增强，回热损失减小，轴向导热损失减小，制冷/制热量、输入电功和COP均随回热器长度增大而减小；孔隙率较大时，流阻随回热器长度的增大而减小，回热器容积率减小，蓄冷/蓄热能力减小，回热损失增大，轴向导热损失增大，制冷/制热量、输入电功和COP随回热器长度增大而增大。回热器的材质直接影响回热器的蓄热效率。

回热器填料的选择上应当满足以下条件：回热器填料的体积热容要远远大于工作气体的热容；回热器填料流道的当量直径应小于气体的热渗透深度才能够保证气体与固体填料换热充分，同时流道过小的当量直径也是不可取的，过小的流道会增加回热器的流动阻力，反而会影响斯特林机的性能。

深冷温区回热器常用材料有不锈钢、铜、铝、蒙乃尔合金、石墨、陶瓷、碳纤维等。与传统材料相比，石墨可以交换两倍的热量。碳纤维具有耐高温、高导热、高耐腐蚀的特点，制造成本低，使用寿命长，接触面积大，换热效率高。陶瓷可以作为传统回热材料的一种选择，适用于高温，能够降低成本，但轴向导热能力差。铝具有可接受的热效率，不氧化，熔点低。

与金属材料相比，非金属材料具有热导热系数小、比热容大、制造成本低等特点。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器，其克服了现有技术中存在的回热器产生的流动阻力较大的问题，可实现回热器换热损失降低，减少热损耗，保证良好的回热量和透气性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器，包括回热器本体，其特征在于：回热器本体采用分层变孔隙率蜂窝结构并采用轴向贯通的规整通道。

回热器本体的层数为四层，包括高温层、中温层和低温层，中温层包括中温层一和中温层二，层孔隙率自高温层至低温层逐层增大。

回热器本体的分层孔隙率为0.5～0.9，孔隙率大小逐层等差变化，平均孔隙率在0.7～0.8之间。

回热器本体平均孔隙率的计算公式为：

其中，R表示正六边形边长，六边形板厚和隔栅厚度均为mm，层厚为h_i(i＝4...1),总厚度为H。

回热器本体当量直径在0.02～0.34mm之间。

回热器本体采用逐层减少内部等厚隔栅的方式。

回热器本体高温层至低温层依次为三隔栅、两隔栅、一隔栅、无隔栅结构。

回热器本体以截面形心为对称中心，孔隙均匀对称的布置于回热器横截面。

回热器本体采用非金属材料。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果是：

1、本发明为一种空调温区斯特林机回热器，该回热器按照长径比1:1共由四层组成，由热腔至冷腔依次是高温层、中温层和低温层。通过分层设置，其孔隙率的大小沿着所述热端向冷端的方向依次增大，与流经该部件各个分层所在位置的气体工质的温度相适应。变孔隙率回热器的结构比较复杂，均匀性好，不易变形，能保证良好的回热量和透气性。回热器制备方法采用增材制造技术，实现了变结构截面形式的精密加工，与原有回热器结构形式单一比较而言回热器高温端流动阻力损失小，孔隙率较小，低温端由于粘滞阻力的存在，孔隙率逐渐变大。增大孔隙率，能够降低轴向流阻损失，提高换热量。这种设置方式能够大幅降低回热器的轴向导热损失，增加蓄热能力。空调温区两端温度差异较小，回热器流阻损失所占比例较大，孔隙采用轴向贯通布置的方式，能够最低限度的降低轴向流阻损失。通过变孔隙率轴向贯通布置方式能优化回热器性能，提高空调温区斯特林机的性能和效率。引入增材制造技术，通过加工非金属材料制造回热器能降低斯特林机的制造成本，具有极大的推广价值。

2、本发明变孔隙率回热器分为四层，根据需要靠近热端孔隙率小，靠近冷端孔隙率大，从热端到冷端孔隙率依次由小到大，能够解决回热器换热损失随温度梯度增加而增加的问题，轴向温度梯度减小，回热器换热损失降低，减少热损耗。

附图说明：

图1是本发明回热器结构示意图；

图2(a)-(d)是本发明1-4层回热器截面图；

图3是本发明回热器与常规回热器轴向损失比对图。

图中，1-高温层，2-中温层一，3-中温层二，4-低温层。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，空调温区斯特林热泵/制冷机的回热器按照回热器长径比为1:1的设计，由变孔隙率轴向贯通的蜂窝结构制成，分为四层，由热端到冷端依次为高温层1、中温层、低温层4，中温层包括中温层一2和中温层二3，平均孔隙率在0.7～0.8时回热器性能最佳，因此回热器的分层孔隙率在0.5～0.9之间连续变化，基于此，回热器层数优先选择四层。由平均孔隙率得出的等效导热系数λ_r及渗透率K值优于现有空调温区回热器，导热性和蓄热能力均有了较大提升。

回热器采用轴向贯通的规整通道，有效降低轴向流阻损失。回热器并采用分层变孔隙率蜂窝结构形式，与热端相连孔隙率较小，与冷端相连孔隙率较大，由热端到冷端孔隙率逐次由小到大，工质流路畅通，无滞留，能提高斯特林机的制冷/热量和效率。回热器内部采用蜂窝结构框架实现等壁厚结构，有利于材料高效换热。

蜂窝结构逐层减少内部等厚隔栅，图2(a)中有三道隔栅，图2(b)中有二道隔栅，图2(c)中有一道隔栅，图2(d)中没有隔栅。回热器从高温层连续加工到低温层，逐层取消隔栅直至隔栅消失。在这个过程中，隔栅面积逐渐减小，对应的孔隙率逐渐减小。使用增材制造技术能够满足这种孔隙率逐次变小的要求，可以实现从高温层到低温层的连续加工。

回热器每层轴向长度可根据需要设计成相同长度，也可以是不同长度，其长度对平均孔隙率、等效等热系数和渗透率均没有影响。回热器以截面形心为对称中心，孔隙(蜂窝)均匀对称的布置于回热器横截面。回热器截面的形心为对称中心。回热器截面可以是圆形、正方形或长方形等结构。

回热器的平均孔隙率的计算公式：

其中，R表示正六边形边长，六边形板厚和隔栅厚度均为mm，层厚为h_i(i＝4...1),总厚度为H。

回热器的层孔隙率在0.5～0.9之间，平均孔隙率在0.7～0.8之间。回热器每层孔隙率不同，换热面积不同，换热量大小不同。

回热器本体当量直径在0.02～0.34mm之间。

空调温区回热器两端温差小，因此选用金属材料导热系数大、比热容小，传热迅速，升温和降温都迅速，不能满足温差较小的要求。

非金属材质比热导热系数小传热慢，比热容大，在吸收相同热量时，升温慢，满足空调温区回热器的要求。

因此空调温区回热器选用非金属材质，选用PP或PE塑料、碳纤维等非金属材料，导热系数不大于0.3W/(m·k)。回热器所用工质有空气、氮气、氦气、氩气或者混合工质等。

实施例：

参见图1和图2，本发明为一种用于空调温区斯特林热泵/制冷机的变孔隙率的回热器，包括高温层1、中温层一2和中温层二3以及低温层4这四部分组成，其中高温层1连接着斯特林机的热端，中温层一2和中温层二3连接高温层1和低温层4，低温层4连接斯特林机冷端，工质气体在热端吸热膨胀，经过回热器高温层1、中温层一2和中温层二3以及低温层4蓄热，流向冷端后温度降低。工质在冷端被压缩，低温气体从冷端返回热端，经过回热器吸收回热器蓄存的热量。本发明在回热器蓄存能量的基础上，高温层1、中温层一2和中温层二3以及低温层4的孔隙率依次由小等差变大，能够稳定均匀的传热，同时回热器孔径沿轴向布置，对于空调温区回热器能极大降低流阻，增大回热器回热能力和效率。

如图2所示，回热器由1-4层所组成，均选用体积热容相对较小的塑料，工质选用氦气填充。

表1为回热器填料物性参数料表；表2为气体的导热系数表。

表1回热器填料物性参数料

名称	密度(kg/cm<sup>3</sup>)	导热系数/(W/(m.k))	比热容/(J/(kg.k))
				涤纶膜(PET)	1.38	0.08	1340
特氟龙膜	2.20	0.27	1016
				塑料	0.91	0.18	1883
碳纤维	1.8	0.0441	800
				陶瓷	2.85	7.6	750
石墨	2.21	129	710

表2气体的导热系数

回热器是多孔介质，其有效导热系数是一个必须确定的参数。回热器等效导热系数λ_r取决于组成回热材料的导热系数λ_w，工质的导热系数λ_g，回热器的孔隙度e，以及固体基体的结构。

从回热器整体出发，基于孔隙率的概念提出平均孔隙率

的计算方法。

第4层孔隙率计算公式为:

第3层孔隙率计算公式

依次类推，得到平均孔隙率的计算公式

回热器的总厚度H的表达方式为：

其中，R表示正六边形边长，六边形板厚和隔栅厚度均为mm，层厚为h_i(i＝4...1),总厚度为H。

当取回热器内正六边型边长取10mm，回热器长度取50mm，六边形厚度和栅格厚度为0.6mm，4层回热器取等厚度，每层12.5mm，据此算得平均孔隙率

为70.4％。

通过平均孔隙率

回热材料的导热系数λ_w，工作气体的导热系数λ_g，能够得到本发明回热器的等效导热系数

等于0.154。

当多孔基质被建模为一束平行毛细管时，渗透率K表达式为:

为平均孔隙率，d为孔径大小。

计算可得本实施例回热器的渗透性K为0.55。

某空调温区制冷机用回热器填料选用聚酯材料，卷箔式结构，回热器长度为32mm，回热器外径为50mm，回热器孔隙率为76％，工质为氦气，经计算回热器等效导热系数λ_r为0.125，渗透率K为0.258。表3为两种回热器的性能对比。

表3性能对比

经过计算对比发现，本发明导热系数提高了18.8％，渗透率提高了53％，这两个参数均优于所比较对象，因此本发明的回热器不管是其导热性还是蓄热能力均有了较大提升。

图2为本发明与常规回热器的轴向损失比对，经过变孔隙率设置，轴向损失有了很大提升。

本发明根据孔隙率大小设置多层轴向贯通回热器，通过增材制造技术实现回热器的逐层加工制造，同时提出平均孔隙率的计算方法，比较了本发明和某空调温区回热器的有效导热系数和渗透率大小，结果发现本发明等效导热系数和渗透率均优于所比较的对象。本发明变孔隙率分层式蜂窝状回热器具有轴向导热率高、径向导热率低的特点，能够保证回热器在较短的时间内传热，同时气体与回热器基体充分换热。回热器在较小温差和较短的时间内实现蓄热功能，对于提高空调温区斯特林热泵/制冷机的性能和效率效果明显。

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的保护范围。同时需要指出，只要将工业中应用的斯特林发动机、制冷机、冷却设备的回热器或储热器替换为本发明具有变孔隙率的回热器，更具体的采用增材制造技术生产回热器均属于本发明意图提出的发明构思。本发明中所提的斯特林热泵/制冷机的例子仅仅作为示意性举例，用于说明本发明回热器的实现方式，而不应理解为是对发明保护范围的限制。

Claims (6)

1.一种空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器，包括回热器本体，其特征在于：回热器本体采用分层变孔隙率蜂窝结构并采用轴向贯通的规整通道；

回热器本体的层数为四层，包括高温层(1)、中温层和低温层(4)，中温层包括中温层一(2)和中温层二(3)，层孔隙率自高温层至低温层逐层增大；

回热器本体的分层孔隙率为0.5～0.9，孔隙率大小逐层等差变化，平均孔隙率在0.7～0.8之间；

回热器本体平均孔隙率的计算公式为：

其中，R表示正六边形边长，m为格栅厚度，六边形板厚和隔栅厚度均为mm，层厚为h_i(i＝4...1),总厚度为H。

2.根据权利要求1所述的空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器，其特征在于：回热器本体当量直径在0.02～0.34mm之间。

3.根据权利要求2所述的空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器，，其特征在于：回热器本体采用逐层减少内部等厚隔栅的方式。

4.根据权利要求3所述的空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器，其特征在于：回热器本体高温层至低温层依次为三隔栅、两隔栅、一隔栅、无隔栅结构。

5.根据权利要求4所述的空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器，其特征在于：回热器本体以截面形心为对称中心，孔隙均匀对称的布置于回热器横截面。

6.根据权利要求5所述的空调温区分层式变孔隙率蜂窝结构回热器，其特征在于：回热器本体采用非金属材料。

Images