CN113063308A

CN113063308A - 回热器

Info

Publication number: CN113063308A
Application number: CN202010003326.5A
Authority: CN
Inventors: 陈燕燕; 戴巍; 王晓涛; 罗二仓; 胡剑英; 吴张华; 张丽敏
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2021-07-02

Abstract

本发明涉及回热式热机设备技术领域，公开了一种回热器，包括丝网套筒以及填装于所述丝网套筒内的丝网柱，所述丝网柱包括由至少一层径向丝网沿所述丝网套筒的径向叠设而成的第一丝网组件，所述径向丝网的网面方向平行于所述丝网套筒的轴向。该回热器结构简单，制作方便，回热器内的流体流动方向与径向丝网的网面平行，不仅能在微细尺度上满足换热要求，同时能显著降低流动阻力。

Description

回热器

技术领域

本发明涉及回热式热机设备技术领域，尤其涉及一种回热器。

背景技术

广义的回热式热机是一种利用工质往复流经回热器，在一个回热过程中将热量释放给储热介质存储起来，在另一个回热过程中，这些存储的热量将被工质回收利用，这种具有热量存储与回收过程的循环我们称为回热式热力循环。这个存取热量的部件就称为回热器。而在热声热机、斯特林热机、脉管制冷机、VM制冷机等交变流动热机中，回热器则是热能与声能之间转换的关键部件，回热器介于两个高低温换热之间。作为发动机吸收热能放大声功时，高温端换热器从环境吸入热量，回热器将吸入的热量一部分用于将声功放大，另一部分热量则通过低温端换热器向环境放出余热，从而最终实现热能到声能的转换。作为制冷机或者热泵时，则回热器消耗输入的声功，将从低温端换热器吸入的热量搬运到高温端换热器中，放出热量，剩余的少量声功可回收或者直接消耗掉，从而实现热量从低温到高温的输运。

回热器作为能量转换的关键部件，其性能的好坏在整机性能中起主导作用。一个理想的回热器没有换热损失，没有流动损失，这就要求回热器内部流体与储热介质间没有温差，流体无粘性。实际回热器则必然存在换热损失与流动损失，因此回热器的性能是否能提升取决于是否能将换热

损失与流动

损失之和减小。目前常用的回热器均采用金属丝填充，其将丝网切成所需形状的片，一般为圆形或者环形，再将丝网一片一片地沿丝网套筒的轴向紧密地叠放入丝网套筒中，得到堆叠丝网，即制成丝网型回热器。由于丝网的丝径可以小至十几微米，目数则可高达600目，一般可以满足回热式热机中对回热器内水力直径与比表面积的要求。丝绵与纤维毡则可获得更细的丝径，获得更高孔隙率，因而得到更高的比表面积。但不管是堆积金属纤维还是平铺丝网片，丝与丝之间都是随机杂乱堆叠的，因此气流经过时的阻力也非常大。

发明内容

本发明实施例提供一种回热器，用以解决现有的回热器难以同时实现微小流道与较高换热比表面积的问题，以提升回热器的性能。

本发明实施例提供一种回热器，包括丝网套筒以及填装于所述丝网套筒内的丝网柱，所述丝网柱包括由至少一层径向丝网沿所述丝网套筒的径向叠设而成的第一丝网组件，所述径向丝网的网面方向平行于所述丝网套筒的轴向。

其中，所述第一丝网组件为由至少一层所述径向丝网沿所述丝网套筒的径向卷叠而成的丝网卷，或者所述第一丝网组件由多组所述丝网卷同轴套叠而成。

其中，所述径向丝网包括第一径向丝网和第二径向丝网，所述第一径向丝网的目数大于所述第二径向丝网的目数；所述第一丝网组件由n₁层所述第一径向丝网和n₂层所述第二径向丝网沿所述丝网套筒的径向依次循环叠设而成，n₁和n₂均为正整数。

其中，n₁为1，n₂为1～3。

其中，所述第一径向丝网包括薄带、密纹网或者平纹网。

其中，所述第一径向丝网的等效水力直径小于所述回热器的等效水力直径的设计值的二分之一，所述第二径向丝网的等效水力直径大于所述回热器的等效水力直径的设计值的二分之一。

其中，所述第二径向丝网的孔隙率为80％～95％。

其中，所述丝网柱还包括分别设置在所述第一丝网组件的两侧端部的两个第二丝网组件，所述第二丝网组件由多层轴向丝网沿所述丝网套筒的轴向层叠而成，所述轴向丝网的网面平行于所述丝网套筒的径向。

本发明实施例提供的回热器，包括丝网套筒以及填装于丝网套筒内的丝网柱，丝网柱包括由径向丝网沿丝网套筒的径向叠设而成的第一丝网组件，径向丝网的网面方向平行于丝网套筒的轴向，利用相邻的径向丝网之间的间隙形成主流道，气流沿丝网套筒的轴向流入，即沿平行于径向丝网的网面的方向流动，从而达到降阻的目的。该回热器结构简单，制作方便，回热器内的流体流动方向与径向丝网的网面平行，不仅能在微细尺度上满足换热要求，同时能显著降低流动阻力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种回热器的结构示意图；

图2是本发明实施例中的一种第一丝网组件的局部结构示意图；

图3是图2中的第一丝网组件的截面示意图；

图4是气流沿垂直于丝网的网面与沿平行于丝网的网面流动的阻力特性对比图；

图5是本发明实施例中的另一种第一丝网组件的展开后的结构示意图；

图6是本发明实施例中的一种第一丝网组件的制作方法示意图；

图7是本发明实施例中的另一种回热器的结构示意图；

附图标记说明：

1、丝网套筒； 2、丝网柱； 21、第一丝网组件；

22、第二丝网组件； 3、径向丝网； 31、第一径向丝网；

32、第二径向丝网； 4、平行于丝网网面的流动方向；

5、垂直于丝网网面的流动方向； 6、径向丝网卷曲方向；

7、径向丝网叠覆方向； 8、中心转轴； 9、轴向丝网。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种回热器，包括丝网套筒1以及填装于丝网套筒1内的丝网柱2，丝网柱2包括由至少一层径向丝网3沿丝网套筒1的径向叠设而成的第一丝网组件21，径向丝网3的网面方向平行于丝网套筒1的轴向。

具体地，丝网套筒1可以为不锈钢薄壁，丝网柱2的外径等于丝网套筒1的内径，以尽量增大换热面积。丝网柱2的内径可以为0或者接近于0。当回热器为环形回热器时，丝网柱2的内径可以大于0，以满足环形回热器的内径要求。丝网柱2可以由一层或者多层径向丝网3卷叠(即卷绕或者卷覆)而成，卷叠方法如图6所示，中心转轴8用于固定径向丝网3，中心转轴8可以为一小直径圆柱体，其直径相对于丝网柱2的外径可以忽略，若需要制作环形回热器，则将中心转轴8更换为中空套筒或者具有外圆特征的治具，只要满足环形回热器的内径需求即可。

制作时，先裁剪径向丝网3，使径向丝网3的宽度等于回热器流动方向上所需的长度；然后将径向丝网3的一端边线固定在中心转轴8上，旋转中心转轴8或将径向丝网3绕中心转轴8旋转，旋转过程中注意力度的控制以及旋转中心与径向丝网3的网面平行，以保证旋转完成后径向丝网3在轴的两端保持平齐。旋转过程中丝网卷不断增厚，直到厚度达到与丝网套筒1的内径相当，将丝网卷从丝网原料卷材上剪下，紧配入丝网套筒1中，即完成卷覆型回热器的制作。流体即可在圆形或环形截面中流通，实现平行丝网的主流特征。

图3中示意出了两种气流流动方向，分别是平行于丝网网面的流动方向4和垂直于丝网网面的流动方向5，图4示出了这两种气流流动方向下的流动阻力特性对比图，其中阻力系数f是压力梯度与流体动能的无量纲表征，雷诺数Re表征流体惯性力与粘性力之比，流体与结构一定时，与速度成正比。从图中可以明显看出，气流平行丝网流动后，阻力显著小于垂直丝网流动。

另外，第一丝网组件21还可以由多层径向丝网3沿丝网套筒1的径向层叠或者套叠而成。其中，层叠表示的是将丝网套筒1沿径向从左至右依次间隔一定距离地划分处多个安装位，例如可以在丝网套筒1的内壁沿轴向刻出多个凹槽作为安装位，可以将径向丝网3插设于凹槽中。相邻安装位之间的间隙构成主流道，每个安装位对应一层径向丝网3，先对径向丝网3进行裁剪，使径向丝网3的宽度等于其对应安装位的宽度(即该安装位对应丝网套筒1的圆截面上的弦长)，且径向丝网3的长度等于回热器流动方向上所需的长度；最后将多层径向丝网3沿丝网套筒1的径向依次层叠地装入丝网套筒1内。其中，套叠表示的是将单层径向丝网3先卷设成多个不同直径的丝网圈，然后将多个丝网圈由内至外依次同轴套接在一起，内外相邻的两个丝网圈之间及构成了主流道。

为了降低阻力，现有技术中还设计有规则结构的回热器，如板叠型、蜂窝型、针束型等。虽然板叠结构的流道阻力低于堆叠丝网，但为了获得回热器所需的水力直径与换热面积，要求板叠结构的规则流道的流道间隙达到100微米及以下，同时高的比表面积要求还需要流道的固体壁面比流道尺度更小，而这一要求更难达到，虽然光化学腐蚀以及3D打印技术在制作规则流道上有一定应用，但鉴于难以实现更微细的结构且制作工艺复杂、昂贵，适用场景较少。而本实施例中利用径向丝网沿丝网套筒1的径向依次叠设，利用金属丝网形成一种非常微细的多孔结构，同时又可以提供足够的热容，既能保证换热所需流道尺度与换热面积要求，又能显著降低流动阻力，而且加工制作简单、经济，在回热式热机以及有高比功率蓄热、回热要求的场合均可显著提升系统的性能。

本实施例提供的一种回热器，包括丝网套筒以及填装于丝网套筒内的丝网柱，丝网柱包括由径向丝网沿丝网套筒的径向叠设而成的第一丝网组件，径向丝网的网面方向平行于丝网套筒的轴向，利用相邻的径向丝网之间的间隙形成主流道，气流沿丝网套筒的轴向流入，即沿平行于径向丝网的网面的方向流动，从而达到降阻的目的。该回热器结构简单，制作方便，回热器内的流体流动方向与径向丝网的网面平行，不仅能在微细尺度上满足换热要求，同时能显著降低流动阻力。

进一步地，第一丝网组件21为由至少一层径向丝网3沿丝网套筒的径向卷叠而成的丝网卷，或者第一丝网组件21由多组丝网卷同轴套叠而成。具体地，第一丝网组件21可以包括多组丝网卷，其中最内侧的丝网卷为实心卷，外侧的丝网卷则为空心卷，进而实现依次套叠。

更进一步地，如图2、图3和图5所示，径向丝网3包括第一径向丝网31和第二径向丝网32，第一径向丝网31的目数大于第二径向丝网32的目数。第一丝网组件21由n₁层第一径向丝网31和n₂层第二径向丝网32沿丝网套筒1的径向依次循环叠设而成，n₁和n₂均为正整数，n₁和n₂可根据所需换热特征与阻力特征进行综合选择。更进一步地，n₁为1，n₂为1～3。即一层第一径向丝网31与多层第二径向丝网32依次循环叠设。此时的换热与阻力的综合效率更高，同时卷覆过程的可操作性更强。另外，多层第二径向丝网32的丝网结构参数可不同，方便细调所需换热与阻力特征，但相差不要太大。

具体地，可以先将一层第一径向丝网31与多层第二径向丝网32在平铺时先按照径向丝网叠覆方向7层叠在一起，再按照径向丝网卷曲方向6采用图6中所示的制作方法进行旋转卷叠即可。本实施例中第一径向丝网31的目数较高，其相当于一种多孔结构的换热壁面，可以提供足够的热容，保证换热所需流道尺度与换热面积要求，主要作为流动边界；第二径向丝网32的目数较低，其主要是用来将两层高目数的第一径向丝网31隔离开来，同时还起到支撑流道的作用，降低流动阻力，保证主流道的间隙。第二径向丝网32的丝径乘以2即为等效平板流道的流道间隔，目前编织丝网的最小丝径在20微米左右，因此可获得等效40微米间隔的流道。通过设置目数较低的第二径向丝网32，可以将目数较高的第一径向丝网31分隔开，相较于使用单层高目数的第一径向丝网31卷绕，其流动阻力得到了进一步地减小。

更进一步地，第一径向丝网31的等效水力直径小于回热器的等效水力直径的设计值的二分之一，第二径向丝网32的等效水力直径大于回热器的等效水力直径的设计值的二分之一。通过合理配置第一径向丝网31和第二径向丝网32的目数和层数，使得两者叠加后的等效水力直径满足设计需求。

更进一步地，第二径向丝网32的孔隙率为80％～95％，在一个具体的实施例中，第二径向丝网32的孔隙率为90％，以使得两层高目数的第一径向丝网31之间以间隙为主。

第一径向丝网31的孔隙率可以较低，主要与第二径向丝网32的孔隙率相互配合，以使得叠加后的等效水力直径、比表面积、孔隙率的符合设计要求。第一径向丝网31可以采用薄带、密纹网或者平纹网。极限情况下，第一径向丝网31的孔隙率可以为0，即第一径向丝网31的孔隙率可为不锈钢薄带，已有薄至25微米的薄带供使用，其导热漏热损失稍大。第一径向丝网31还可以采用密纹网，因而很容易获得50％以下的孔隙率，且通过丝径搭配，可获得较大丝网厚度变化范围。第一径向丝网31还可以采用高目数的平纹丝网，其很容易获得孔隙率50％以上，同样可作为流道阻隔，漏热也可大大减低，同时比表面积的贡献也可显著增加，流道与流道之间的扩散效果也更好，对整个回热器截面的均匀性有利。因此，合理地配置第一径向丝网31和第二径向丝网32的结构参数，可获得与理想尺寸的平行平板相当的换热特性即阻力特性，同时较之理想尺寸平行平板还能减少高低温间的导热漏热损失，实现回热器性能的显著提升。

进一步地，如图7所述，丝网柱2还包括分别设置在第一丝网组件21的两侧端部的两个第二丝网组件22，第二丝网组件22由多层轴向丝网9沿丝网套筒1的轴向层叠而成，形成轴向层叠丝网，轴向丝网9的网面平行于丝网套筒1的径向。

当第一径向丝网31的孔隙率较低时，每层流体之间的隔离性更强，此时如果回热器两侧的换热器有显著速度分布不均匀时，例如存在显著射流时，回热器内容易出现流动不均匀。通过在第一丝网组件21的两端添加第二丝网组件22，第二丝网组件22由多层轴向丝网9沿丝网套筒1的轴向层叠而成，因而流阻稍大，组合后的混合丝网结构的端部射流在阻力较大的第二丝网组件22中得到均匀化，流量可较为均匀低进入到第一丝网组件21中，获得适应性更强的高性能回热器。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的回热器，包括丝网套筒以及填装于丝网套筒内的丝网柱，丝网柱包括由径向丝网沿丝网套筒的径向叠设而成的第一丝网组件，径向丝网的网面方向平行于丝网套筒的轴向，利用相邻的径向丝网之间的间隙形成主流道，气流沿丝网套筒的轴向流入，即沿平行于径向丝网的网面的方向流动，从而达到降阻的目的。该回热器结构简单，制作方便，回热器内的流体流动方向与径向丝网的网面平行，不仅能在微细尺度上满足换热要求，同时能显著降低流动阻力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种回热器，其特征在于，包括丝网套筒以及填装于所述丝网套筒内的丝网柱，所述丝网柱包括由至少一层径向丝网沿所述丝网套筒的径向叠设而成的第一丝网组件，所述径向丝网的网面方向平行于所述丝网套筒的轴向。

2.根据权利要求1所述的回热器，其特征在于，所述第一丝网组件为由至少一层所述径向丝网沿所述丝网套筒的径向卷叠而成的丝网卷，或者所述第一丝网组件由多组所述丝网卷同轴套叠而成。

3.根据权利要求2所述的回热器，其特征在于，所述径向丝网包括第一径向丝网和第二径向丝网，所述第一径向丝网的目数大于所述第二径向丝网的目数；所述第一丝网组件由n₁层所述第一径向丝网和n₂层所述第二径向丝网沿所述丝网套筒的径向依次循环叠设而成，n₁和n₂均为正整数。

4.根据权利要求3所述的回热器，其特征在于，n₁为1，n₂为1～3。

5.根据权利要求3所述的回热器，其特征在于，所述第一径向丝网包括薄带、密纹网或者平纹网。

6.根据权利要求3所述的回热器，其特征在于，所述第一径向丝网的等效水力直径小于所述回热器的等效水力直径的设计值的二分之一，所述第二径向丝网的等效水力直径大于所述回热器的等效水力直径的设计值的二分之一。

7.根据权利要求3所述的回热器，其特征在于，所述第二径向丝网的孔隙率为80％～95％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的回热器，其特征在于，所述丝网柱还包括分别设置在所述第一丝网组件的两侧端部的两个第二丝网组件，所述第二丝网组件由多层轴向丝网沿所述丝网套筒的轴向层叠而成，所述轴向丝网的网面平行于所述丝网套筒的径向。