CN115306581A - 一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，本发明的目的在于针对目前对斯特林发动机加热过程中存在热量损失以及很难长期让发动机处于高效运行区间的问题，提供一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统。本发明利用外层热交换腔的低熔点储热合金来效弥生物质燃气不稳定从而导致发动机无法有效运行，利用内层热交换腔的高熔点储热合金防止燃烧室温度过高导致发动机过载，在两种不同相变温度的储热合金共同作用下，保持斯特林发动机长时间处于高效运行区间；采用组合式散热管道、烟气回收腔和助燃空气预热腔共同作用，充分利用高温烟气的热量；并且将产热模块与所述热交换模块一体化设计，同样设置保温腔、密封保温层和密封上盖以减少系统的热量损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统
背景技术
斯特林发动机作为一种燃料适应性广、热效率高的动力设备，在未来全球能源和环境保护日益紧张的形势下有很大的应用前景。对斯特林发动机加热器供热主要有太阳能供热和燃烧室供热两种方式，生物质燃料作为一种储量丰富、可再生能源，将其用于对斯特林发动机供热无论是在技术层面还是现实角度上都具有积极的意义。然而，目前对于斯特林发动机的研究和应用尚有许多不足之处。例如，虽然可以从外部对斯特林加热，但是由于对斯特林加热器供热的燃烧室暴露在外，不可避免地增大了热交换过程中的热量损失；虽然在热交换过程中使用中间储热保温材料可以在一定程度上减少换热过程中的热量损失，但是很难保证斯特林加热器长期稳定在最优工作温度区间。
发明内容
本发明的目的在于针对目前对斯特林发动机加热过程中出现热量损失以及很难长期让发动机处于高效运行区间的问题，提供一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统。该热交换系统通过在内层热交换腔101和外层热交换腔102分别放置高熔点储热合金和低熔点储热合金，使斯特林发动机长期处于高效运行区间；并通过采用双储热合金热交换模块100和产热模块200复合式一体化的设计，优化整个热交换系统的换热储热情况。本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，主要包括：双储热合金热交换模块100、产热模块200、密封上盖300、斯特林发动机加热器400以及套筒形外壳500。
其中双储热合金热交换模块100用于实现产热模块200和斯特林发动机加热器400的整个热交换过程，燃烧室201的热量大部分通过凸球形受热面传递给内层热交换腔101，此时，该腔的高熔点合金一方面开始相变储热，另一方面做为中间传热介质将热量传递给斯特林发动机加热器400；燃烧室201部分热量则通过侧壁传递到外层热交换腔102，由于该腔装有低熔点储热合金，因此，该腔的低熔点储热合金也开始相变储热，并且作为中间介质将热量传递给高熔点储热合金，从而为斯特林发动机持续供热。
外层热交换腔102设置有若干组相同的组合式散热管道103，所述组合式散热管道采用散热管道和数个均匀排列的圆形散热片组合设计，各个组合式散热管道103沿外层热交换腔102圆周式布置，组合式散热管道103的尺寸和数量可根据斯特林发动机加热器400的高度以及高温烟气排量进行选择。所述组合式散热管道103一方面将烟气排出保证燃烧正常进行，另一方面将燃烧室201的高温烟气通过管壁和散热片充分传递给外层热交换腔102的低熔点储热合金。
双储热合金热交换模块100共分为5个腔室，由内到外分别为：内层热交换腔101、外层热交换腔102、高温烟气回收腔104、助燃空气预热腔105以及保温腔106。
高温烟气回收腔104的烟气通过组合式散热管道103由燃烧室201引入，并由保温腔106外部的引风机排出，高温烟气回收腔104的烟气余热可通过所述回收腔内壁继续加热外层热交换腔102；保温腔106内部包含耐高温的绝热材料，防止双储热合金热交换系统损失热量。
助燃空气预热腔105的空气由外部鼓风机引入，并经过高温烟气回收腔104外壁进行循环预热，最后通过助燃空气预热腔105下部的空气管道进入产热模块200的气体混合室206与生物质燃气充分混合。
双储热合金热交换模块100上部设有两个半圆形密封上盖300，中间留有半圆形通道，方便斯特林发动机加热器400伸入，其内部含有耐高温绝热材料；两个半圆形密封上盖300之间以及所述密封上盖和斯特林发动机加热器400之间使用耐高温无机粘合剂填充缝隙。
内层热交换腔101底部为凸球形受热面，内层热交换腔101与斯特林发动机加热器400之间留有放置高熔点储热合金的间隙。
所述产热模块200包括燃烧室201、密封保温层202、分层式双环形燃烧喷头203、点火装置204、熄火保护装置205、气体混合室206、套管多孔板207、助燃空气管道208以及生物质燃气管道209。所述燃烧喷头伸入燃烧室201内，燃烧室201下部设置密封保温层202隔绝热量。
所述双储热合金热交换模块100和产热模块200由套筒形外壳500支撑，所述外壳周围设置若干个长圆槽，预热空气从其中一个长圆槽进入所述产热模块200中的气体混合室206，所述外壳下部专门留有生物质燃气管道209的通入圆孔。
本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的双储热合金热交换模块100，主要包括外层热交换腔102和内层热交换腔101，所述外腔的低熔点储热合金可以有效弥补外来生物质燃气不稳定从而导致产热模块200产生的热量不足以维持发动机正常运行的状况，所述内腔的高熔点储热合金可以防止燃烧室201温度过高导致发动机过载，在两种不同相变温度的储热合金共同作用下，可保持斯特林发动机长时间处于高效运行区间。
2.本发明采用两种储热合金作为热交换过程的中间介质利用了储热合金相变时储热放热的特点，保持整个热交换系统的温度恒定，能有效避免发动机频繁启停。
3.本发明提供的双储热合金热交换系统设置了组合式散热管道103、高温烟气回收腔104和助燃空气预热腔105，尽可能将燃烧室201排出的烟气热量充分利用，提升了整个系统的热量利用率。
4.本发明采用双储热合金热交换模块100和产热模块200复合式一体化设计，在热量可能会出现泄漏的地方分别设置了保温腔106、密封上盖300和密封保温层202，并且在两个密封上盖300之间、密封上盖300和斯特林发动机加热器400之间使用耐高温无机粘合剂填满缝隙，极大降低了整个系统的热量损失。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明整体结构示意图
图2为双储热合金热交换系统内部结构示意图
图3为双储热合金热交换模块主体结构示意图
图4为产热模块主体结构示意图
图5为本发明基本工作流程图
图中：100、双储热合金热交换模块；101、内层热交换腔；102、外层热交换腔；103、组合式散热管道；104、高温烟气回收腔；105、助燃空气预热腔；106、保温腔；107、排烟管道；200、产热模块；201、燃烧室；202、密封保温层；203、分层式双环形燃烧喷头；204、点火装置；205、熄火保护装置；206、气体混合室；207、套管多孔板；208、助燃空气管道；209、生物质燃气管道；300、密封上盖；400、斯特林发动机加热器；500、套筒形外壳。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
如图1所示，本发明设计一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其主体结构包括产热模块200、双储热合金热交换模块100、密封上盖300、套筒形外壳500和斯特林发动机加热器400，其中双储热合金热交换模块100用于实现产热模块200和斯特林发动机加热器400的整个热交换过程，其内外分层式双储热合金结构的布局可以保证所述热交换模块在斯特林发动机加热器400有效温度区间内长期储热保温，从而使斯特林发动机处于高效运行模式，系统所需热量由生物质燃气经过产热模块200燃烧而来，密封上盖300内部含有耐高温绝热材料，用以减少整个系统的热量损失。
如图2和图3所示，本发明的双储热合金热交换模块100共分为5个腔室，由内到外分别为：内层热交换腔101、外层热交换腔102、高温烟气回收腔104、助燃空气预热腔105以及保温腔106。其中内层热交换腔101含有高熔点储热合金，并和斯特林发动机加热器400通过高熔点储热合金间接接触，外层热交换腔102含有低熔点储热合金。燃烧室201的热量大部分通过凸球形受热面传递给内层热交换腔101，此时，内层的高熔点合金一方面开始相变储热，另一方面做为中间传热介质将热量传递给斯特林发动机加热器400；燃烧室201部分热量则通过侧壁传递到外层热交换腔102，由于该腔内装满低熔点储热合金，因此，该腔的储热合金也开始相变储热，并且作为中间介质将热量传递给高熔点储热合金，从而为斯特林发动机持续供热。
外层热交换腔102设置有若干组相同的组合式散热管道103，具体结构为散热管道和数个均匀排列的圆形散热片组合设计，各个组合式散热管道103沿外层热交换腔102圆周式布置，组合式散热管道103的尺寸和数量可根据斯特林发动机加热器400的高度以及高温烟气排量进行选择。所述组合式散热管道103一方面将烟气排出保证燃烧正常进行，另一方面将燃烧室201的高温烟气通过管壁和散热片充分传递给外层热交换腔102的低熔点储热合金，为低熔点储热合金充分供热。
高温烟气回收腔104的烟气通过组合式散热管道103由燃烧室201引入，并由保温腔106外部的引风机从排烟管道107排出；在最外面一层设置的保温腔106以及在上方设置两个半圆形密封上盖300，其内部均包含耐高温绝热材料，从而减少双储热合金热交换模块100热量散失。
助燃空气预热腔105的空气由外部鼓风机从助燃空气管道208引入，并经过高温烟气回收腔104外壁进行循环预热，最后通过助燃空气预热腔105下部的空气管道进入产热模块200的气体混合室206与生物质燃气充分混合，为燃气燃烧做准备。
如图2和图4所示，本发明的产热模块200主体结构为燃烧室201、密封保温层202、分层式双环形燃烧喷头203、点火装置204、熄火保护装置205、气体混合室206、套管多孔板207、助燃空气管道208以及生物质燃气管道209。首先，生物质燃气和经过预热的助燃空气分别经过生物质燃气管道209和助燃空气管道208进入产热模块200，生物质燃气被套管多孔板207底板上的数个管道引流至气体混合室206，与经过套管多孔板207上板的多个小孔进入气体混合室206的空气充分混合，最后被引流到伸进燃烧室201的分层式双环形燃烧喷头203各个燃烧孔，由点火装置204引燃，燃烧室201底部设置密封保温层202，其内部含有耐高温绝热材料，防止热量向燃烧室201外扩散，并且配备熄火保护装置205，通过检测燃烧室201的温度判断燃烧是否正常进行，若燃烧因故中止将自动关闭燃气阀门，以防产生意外事故。
如图1、图2和图5所示，本发明涉及一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其工作流程可概括如下：生物质燃气和经过预热的助燃空气先通过套管多孔板207在气体混合室206充分混合，然后进入分层式双环形燃烧喷头203各个燃烧孔，由点火装置204引燃，燃烧室201底部设置密封保温层202，防止热量向燃烧室201外扩散，并且配备熄火保护装置205，使产热模块200安全、顺利工作；产热模块200的热量通过3种途径传递给双储热合金热交换模块100：大部分热量通过凸球形受热面传递给内层热交换腔101的高熔点储热合金，此高熔点储热合金作为中间介质为斯特林发动机加热器400供热，部分热量通过燃烧室201侧壁传递给外层热交换腔102的低熔点储热合金，此低熔点储热合金将相变放出的热量传递给高熔点储热合金，从而完成对所述加热器间接供热，高温烟气中的热量通过组合式散热管道103传递到内层热交换腔101中的储热合金，而烟气则进入高温烟气回收腔104，此时，高温烟气回收腔104中的余热一部分通过内壁继续加热外层热交换腔102，另一部分同时通过外壁加热助燃空气预热腔105中的空气，助燃空气预热腔105的空气由鼓风机通过外部管道引入，预热后的空气通过预热空气管道进入下方的产热模块200，最后，外部引风机通过排烟管道107将高温烟气回收腔104中的废气排出，从而完成整个热交换过程。
Claims (8)
1.一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其特征在于，所述热交换系统主要包括：双储热合金热交换模块(100)和产热模块(200)；
所述双储热合金热交换模块(100)，主要包括内层热交换腔(101)和外层热交换腔(102)，内层热交换腔(101)中包含高熔点储热合金，外层热交换腔(102)中包含低熔点储热合金；内层热交换腔(101)中的高熔点储热合金完全包裹斯特林发动机加热器(400)，将燃烧室(201)和外层热交换腔(102)的热量传递给斯特林发动机加热器(400)，并长时间储蓄热量；
所述产热模块(200)包括燃烧室(201)、密封保温层(202)、分层式双环形燃烧喷头(203)、点火装置(204)、熄火保护装置(205)、气体混合室(206)、套管多孔板(207)、助燃空气管道(208)以及生物质燃气管道(209)；生物质燃气和经过预热的助燃空气分别经过生物质燃气管道(209)和助燃空气管道(208)进入产热模块(200)，燃烧室(201)设置在双储热合金热交换模块(100)下方，对双储热合金热交换模块(100)加热；生物质燃气通过套管多孔板(207)底板上的数个管道引流至气体混合室(206)，与经过套管多孔板(207)上板的多个小孔进入气体混合室(206)的空气充分混合，最后被引流到伸进燃烧室(201)的分层式双环形燃烧喷头(203)各个燃烧孔中，由点火装置(204)引燃，燃烧室(201)下部设置密封保温层(202)隔绝热量。
2.根据权利要求1所述的一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其特征在于，外层热交换腔(102)内设置若干个相同的组合式散热管道(103)，所述的组合式散热管道(103)采用散热管道和数个均匀排列的圆形散热片组合设计，各个组合式散热管道(103)沿外层热交换腔(102)圆周式布置，组合式散热管道(103)的尺寸和数量可根据斯特林发动机加热器(400)的高度以及高温烟气排量进行选择。
3.根据权利要求1所述的一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其特征在于，双储热合金热交换模块(100)中在内层热交换腔(101)、外层热交换腔(102)外从内到外依次还包括高温烟气回收腔(104)、助燃空气预热腔(105)以及保温腔(106)。
4.根据权利要求3所述的一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其特征在于，高温烟气回收腔(104)的烟气通过组合式散热管道(103)由燃烧室(201)引入，并由保温腔(106)外部的引风机排出，高温烟气回收腔(104)的烟气余热可通过所述回收腔内壁继续加热外层热交换腔(102)；保温腔(106)内部包含耐高温的绝热材料，防止双储热合金热交换系统损失热量。
5.根据权利要求3所述的一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其特征在于，助燃空气预热腔(105)的空气由外部鼓风机从助燃空气管道(208)引入，并经过高温烟气回收腔(104)外壁进行循环预热，通过助燃空气预热腔(105)下部的助燃空气管道(208)进入产热模块(200)的气体混合室(206)与生物质燃气充分混合。
6.根据权利要求1所述的一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其特征在于，双储热合金热交换模块(100)上部设有两个半圆形密封上盖(300)，中间留有半圆形通道，方便斯特林发动机加热器(400)伸入，其内部含有耐高温绝热材料；两个半圆形密封上盖(300)之间以及所述密封上盖和斯特林发动机加热器(400)之间使用耐高温无机粘合剂填充缝隙。
7.根据权利要求1所述的一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其特征在于，内层热交换腔(101)底部为凸球形受热面，所述热交换腔与斯特林发动机加热器(400)之间留有放置高熔点储热合金的间隙。
8.根据权利要求1所述的一种用于斯特林发动机的双储热合金热交换系统，其特征在于，所述双储热合金热交换模块(100)和产热模块(200)由套筒形外壳(500)支撑，所述外壳周围设置若干个长圆槽，预热空气从其中一个长圆槽进入产热模块(200)中的气体混合室(206)，所述外壳下部专门留有生物质燃气管道(209)的通入圆孔。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005345073A (ja) * | 2004-06-07 | 2005-12-15 | Sharp Corp | スターリング機関およびその製造方法、スターリング冷却庫 |
| CN102792020A (zh) * | 2008-10-13 | 2012-11-21 | 因菲尼亚公司 | 斯特林发动机系统、设备和方法 |
| CN106762205A (zh) * | 2015-11-21 | 2017-05-31 | 董沛 | 热共振聚变发动机 |
| US20190153953A1 (en) * | 2017-11-21 | 2019-05-23 | General Electric Company | Thermal management system |
| CN110273780A (zh) * | 2018-03-13 | 2019-09-24 | 浙江大学 | 具有蓄热壳体的回热器及斯特林循环系统 |
-
2022
- 2022-07-05 CN CN202210790455.2A patent/CN115306581A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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