CN207920734U - 用于斯特林发动机的加热器及斯特林循环系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于斯特林发动机的加热器及斯特林循环系统。用于斯特林发动机的加热器，包括管体以及由管体形成的腔室，所述腔室中设置有蓄热部件；所述管体的一端连接斯特林发动机的膨胀腔，另一端连接斯特林发动机的回热器；所述蓄热部件与气体工质接触而改变其流动特性，强化气体工质与所述管体的壁面之间的换热，促进气体工质在所述加热器中的吸热；同时所述蓄热部件吸收并储存所述膨胀腔中的气体工质所携带的由于被压缩而产生的压缩热。本实用新型用于斯特林发动机的加热器能够减少加热器部件的热疲劳、控制加热器结构中的壁面温度减少加热器爆管的风险，延长加热器使用寿命，提高整体效率和输出功。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于斯特林发动机的加热器，以及涉及使用该加热器的斯特林循环系统。
背景技术
斯特林发动机是一种外燃机，由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功的问题，具有高效率、低噪音、低污染和低运行成本的特点。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料。斯特林发动机也可以作为制冷机、热泵或压力发生器进行广泛应用，并随着新能源的兴起其与太阳能的结合也越来越受到关注。
理想斯特林循环由等温膨胀、等容放热、等温压缩、等容吸热四个过程组成。加热器是斯特林发动机的关键部位。而加热器中最关键的部位是加热器的加热管体。由于加热器决定了整个斯特林发动机内部的最高温度，也是斯特林发动机的系统动力来源。
在实际斯特林循环中，一方面，工质的压缩和膨胀过程会导致管内工质温度发生较大波动，使得加热管体的材料容易产生热疲劳。另一方面，工质的压缩产生的压缩热，有可能使得在加热器管体内的气体工质温度高于加热器管体的壁面温度，对于加热器管体材料的耐温性和使用寿命提出了挑战。现有加热器中存在的上述问题，不但会降低斯特林发动机的整机效率，严重时更会导致加热管体的超温爆管，使斯特林发动机无法运行。
因此，现有斯特林发动机中的加热器，存在因热疲劳及气体工质所产生的压缩热对加热管体的加热所引起的使用寿命有限的问题，严重情况下可能出现加热器管体爆裂等问题。另外，如果考虑到气体工质被压缩时产生的压缩热对加热器管壁的加热影响，而按照加热器管体所能承受的最高温度进行设计，则斯特林发动机输入热量将受到限制，从而限制了整机输出功和效率的提升。
实用新型内容
针对现有斯特林发动机中加热器使用寿命短、容易发生爆管等的不足，本实用新型提出了一种新的蓄热式斯特林加热器，通过在加热器中设置蓄热部件，在强化气体工质与加热器的管体壁面(相当于外部热源)之间换热、促进气体工质在加热器中吸热的同时，吸收并储存气体工质所携带的由于被压缩而产生的压缩热，从而可有效减少加热器部件的热疲劳、有效控制加热器壁面温度以保证加热器在设计温度运行。
本实用新型提出的用于斯特林发动机的加热器，包括管体以及由管体形成的腔室，所述腔室中设置有蓄热部件；所述管体的一端连接斯特林发动机的膨胀腔，另一端连接斯特林发动机的回热器；通过在加热器的气体工质流路中设置蓄热部件，所述蓄热部件与气体工质接触而改变其流动特性，强化气体工质与所述管体的壁面之间的换热，促进气体工质在所述加热器中的吸热；同时所述蓄热部件吸收并储存所述膨胀腔中的气体工质所携带的由于被压缩而产生的压缩热。通过在加热器中引入蓄热部件，本实用新型在加热器内部工质气体中产生更多紊流，加强加热器内的工质气体与外部热源之间的换热效果。
本实用新型的用于斯特林发动机的加热器中，所述蓄热部件优选为为多孔介质，至少包括堆叠丝网、金属纤维、泡沫金属或烧结金属中的一种。通过将多孔介质作为蓄热部件，利用金属显热方式进行储热和放热，本实用新型多孔介质蓄热部件具有更大的换热面积，使气体工质与蓄热部件之间具有良好换热效果。
本实用新型的用于斯特林发动机的加热器中，所述蓄热部件优选为由相变材料构成的相变部件，以及用于将所述相变部件固定在所述腔室内的丝网。通过将相变部件作为蓄热部件，利用潜热换热使气体工质与蓄热部件之间具有良好换热效果。
本实用新型的用于斯特林发动机的加热器中，所述蓄热部件为金属丝。通过将金属丝作为蓄热部件，减小蓄热部件与加热器中加热管的接触，使气体工质与蓄热部件之间具有良好换热效果。
本实用新型的用于斯特林发动机的加热器中，所述金属丝以与所述管体平行并且不相接触的方式设置于所述腔室中。
本实用新型的用于斯特林发动机的加热器中，所述金属丝呈螺旋形或在其表面具有螺纹结构、凸起和/或凹槽。通过将金属丝本身结构设置为螺旋形增大蓄热部件与气体工质间换热面积，或在金属丝表面增加设置螺纹结构、凸起和/或凹槽，进一步使气体工质产生紊流，加强气体工质与外部热源之间的换热。
本实用新型的用于斯特林发动机的加热器中，所述蓄热部件包括套管和配置在所述套管内的蓄热材料；所述套管安装在所述腔室内，在腔室内壁与套管外壁之间形成供所述气体工质流动的流路。通过采用套管以及在其中配置蓄热材料的方式，使气体工质与蓄热部件之间具有良好换热效果。
本实用新型的用于斯特林发动机的加热器中，所述蓄热材料优选为多孔介质、相变材料或化学储热材料。
本实用新型的用于斯特林发动机的加热器中，所述套管的外壁具有凸起或螺纹结构。从而在加热器内部气体工质中产生更多紊流，加强加热器内的气体工质与外部热源之间的换热效果。
本实用新型还提出一种使用上述加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，在所述膨胀腔和所述压缩腔之间设置有回热器，在膨胀腔一侧设置所述加热器，在压缩腔一侧设置冷却器；所述蓄热部件用于吸收并储存所述膨胀腔中的气体工质所携带的由于被压缩而产生的压缩热。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
本实用新型提出的具有蓄热部件的加热器，因为加热管内置的蓄热部件设置在气体工质的流路中，吸收并储存膨胀腔中的气体工质所携带的由于被压缩而产生的压缩热，同时可以强化气体工质与管体的壁面之间的换热，促进气体工质在所述加热器中的吸热。
因此，在给定同样热流的条件下，本实用新型的加热器可以降低工质气体循环过程中的温度波动，减小热疲劳对加热器的影响，从而延长加热器的使用寿命。
同时，在给定加热器的管体金属材料最高承受温度相同的情况下，本实用新型的加热器因为内置有蓄热部件，可以吸收并储存膨胀腔中的气体工质所携带的由于被压缩而产生的压缩热，所以使管体能承受更大的热流，从而有效提高整机输出功和效率。
附图说明
图1是应用本实用新型加热器的α型斯特林发动机的结构示意图；
图2是实施例1中本实用新型用于斯特林发动机的加热器的示意图；
图3是实施例2中本实用新型用于斯特林发动机的加热器的示意图；
图4是实施例3中本实用新型用于斯特林发动机的加热器的示意图；
图5是实施例4中本实用新型用于斯特林发动机的加热器的示意图；
图6是实施例5中应用本实用新型加热器的α型斯特林发动机的曲轴转角与气体工质温度的相关图；
图7是实施例5中应用本实用新型加热器的α型斯特林发动机的气体工质P－V曲线图。
附图标记说明：
1-加热器；a-蓄热部件；b-管体；3-管体；
2-多孔介质；4-相变材料构成的相变部件；5-丝网；6-金属丝；7-套管；8-蓄热材料；
10-膨胀腔；11-回热器；12-冷却器；13-压缩腔。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明。本实用新型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实用新型技术构思下的各种变形、变换、组合和改进均属于本实用新型的保护范围。
图1所示为将本实用新型的加热器1应用于α型斯特林发动机中的结构示意图。气体工质在加热器1中受外部热源(未图示)加热，气体工质受热膨胀，推动膨胀腔10中的活塞做功，这一过程中，气体在外部热源作用下保持温度不变；然后，膨胀腔10的活塞和压缩腔13的活塞同步向图示中右方向移动，气体工质进入回热器11将部分热量储存于其中，进行等容冷却过程；进入压缩腔13后的气体工质在压缩腔13中的活塞推动下被压缩，产生的热量由冷却器12吸收；被压缩后的气体工质再反向流过回热器11，在回热器11吸收一定热量后，再进入加热器1从外部热源吸收热量并进入膨胀腔10做功。如此周而复始，在外部热源驱动下斯特林发动机向外输出机械功。加热器1由蓄热部件a和管体b组成，蓄热部件a位于由管体b所形成的腔室中，斯特林发动机内部的气体工质由于斯特林气体循环过程中的压缩过程产生的由进入加热器1腔室的气体工质所携带的压缩热，会被加热器1中的蓄热部件a吸收并储存，从而避免气体工质吸收该压缩热后导致温度过高，防止气体工质对加热器1和管体b的壁面产生加热升温作用导致超过工作温度，甚至过高温度引发爆管。当气体工质因膨胀而发生降温时，蓄热部件a可以将储存的热量释放出来并由气体工质吸收。由此本实用新型减小了加热器中气体工质的温度波动，从而减小加热器的热疲劳，延长加热管寿命。
同时，在给定加热管运行最高温度的情况下，本实用新型设置有蓄热部件a的加热器1能够承受的气体工质热流更大；或者，由于本实用新型蓄热式加热器1能在更高温度的外部热源下工作，从而显著地提高斯特林发动机的整机输出功和效率。
实施例1
如图2所示，本实施例中蓄热式加热器1包括两个部分：多孔介质2(即本实用新型的蓄热部件a)和加热器1的管体3。此处蓄热部件a采用由金属材料制成的多孔介质2，主要为堆叠丝网、金属纤维、泡沫金属、烧结金属等的一种或多种组合构成。多孔介质2设置于加热器1的管体3形成的腔室之内，利用金属显热方式进行储热和放热。加热器1的管体3可以由不锈钢材料制成，对蓄热部件a(也就是多孔介质2)同时起到支撑作用。
本实用新型中，通过在管体3形成的腔室内布置多孔介质2，可以具有较大的换热面积，能够实现气体工质与蓄热部件a之间良好换热效果。通过利用金属材料的多孔介质2作为蓄热部件a，可以充分利用金属显热方式进行储热和放热，同时，利用多孔介质具有较大比表面积这一特点，确保蓄热部件具有更大的换热面积，使气体工质与蓄热部件a之间具有良好换热效果。此外，根据场协同理论可知：流体的对流换热强度取决于其速度场与热流场的协同程度，在相同的边界条件下，速度场与热流场的协同程度越高，则换热强度就越大。本实施例中，通过在管体3形成的腔室内布置多孔介质2结构的蓄热部件a，气体工质径向温度分布趋于均匀化，气流在管体3形成的腔室内的温度梯度方向更接近于轴向。即，气体工质的速度场与热流场的夹角减小，对流换热显著增强。因而，本实用新型通过在管体3形成的腔室内布置多孔介质2，除了可以在加热器1中实现对气体工质携带热量的储热及放热作用解决由于系统中不可避免存在的压缩热导致的爆管问题以外，还有效地增强了斯特林发动机的加热器内气体工质的对流换热，促进气体工质与外部热源之间的换热。
实施例2
实施例2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。
作为实施例1中多孔介质2的变形，如图3所示，本实施例中的蓄热部件a采用由相变材料构成的相变部件4。具体地，相变部件4由多个相变胶囊制成，相变胶囊堆叠布置于加热器1的管体3形成的腔室内，两端由不锈钢丝网5固定，防止由相变材料构成的相变部件4随气体工质振荡流动而流出加热器1的管体1。在其他实施方式中，可选地将堆叠丝网作为支撑结构，将相变材料构成的相变部件4布置于堆叠丝网形成的骨架之中。
本实用新型中采用的相变胶囊是以相变材料为囊芯，以有机或无机聚合物、高分子和金属(也可以是金属合金)等为囊壁制成的一种颗粒状储能材料。相变材料具有较大的比热容和比表面积，换热性能良好；与显热储热相比，本实用新型采用相变部件4作为蓄热部件a的加热器1具有储热密度大、温度波动小的优点。通过将相变部件4作为蓄热部件a，利用相变材料的潜热使蓄热部件a具有更大的储热密度，可以降低蓄热部件a在加热器1的管体3内对气体工质流动产生的阻力，进一步提高气体工质与蓄热部件a之间换热效率。
对本实施例中加热器的工作原理和过程举例来说，例如当气体工质由加热器1向回热器11和冷却器12流动时，加热器1内部气体工质被压缩，产生一部分压缩热。由于此时气体工质温度较高，相变胶囊吸收气体工质携带的一部分压缩热以降低其温度，保持加热器1的管体3的管壁和气体之间的正常温差，有利于防止气体工质对管壁产生加热作用，升高加热器1管体3的温度甚至导致爆管。该过程中，相变胶囊的囊壁采用熔点较高的材料，保持固态；囊芯采用熔点略低的相变材料，在高温气体工质影响下吸热产生相变由固态转变为液态。当气体工质由冷却器12和回热器11向加热器1流动时，加热器1内部气体工质温度较低，此时相变胶囊释放前一个过程吸收的热量，相变胶囊囊壁仍为固态，囊芯释放热量由液态转变为固态，从而实现对气体工质进行加热，有利于防止低温气体工质和加热器1的管壁之间温差过大、交变应力过大，从而减小加热器的热疲劳并延长其管材寿命。
实施例3
实施例3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，在本实施例中蓄热部件a采用金属丝6。金属丝的加工工艺简单，成本低廉，并且易于通过调整金属丝粗细或数量来调整蓄热部件a的整体热容量。金属丝6设置于加热器1管内，与管体3的管壁不直接接触，以与加热器1的管体3和气体工质流动方向相互平行的方式设置于加热器1的腔室内。将金属丝6的两端焊接于加热器1管体3内部的两侧从而实现固定。与多孔介质2形式的蓄热部件相比，本实施例所采用的金属丝结构可以有效减小气体工质的流动阻力。
此外，在实际应用中，由于多孔介质容易与加热器1的管体3的管壁发生直接接触，使得在许多情况下多孔介质在循环周期内可能保持处于较高温度，而气体工质经压缩携带压缩热时的温度也很高，导致多孔介质的蓄热部件和气体工质间温差较小，限制了多孔介质的蓄热部件的储热量。本实施例通过替换地采用金属丝6形式的蓄热部件，能够避免其与加热器1的管壁直接大面积接触，金属丝6不与腔室内壁接触，可以防止与内壁的刮擦而导致的内壁损伤；同时，因为蓄热部件金属丝6不会直接从腔室内壁吸收来自外部热源的热量，使金属丝6的固体温度较低，使其主要用于吸收腔室内气体工质因压缩而产生的压缩热。由此增大和气体工质的换热温差，增加了蓄热部件的储热量。
以上描述蓄热部件a采用金属丝6的基本实现方式，如图4(a)所示的蓄热部件为金属丝的模式图。此外，图4(b)是金属丝呈螺旋形的示意图、图4(c)是金属丝表面具有凹槽和凸起的示意图、图4(d)为图4(c)所示金属丝的局部放大图、图4(e)是金属丝表面具有螺纹的示意图、图4(f)为图4(e)所示金属丝的正视与剖视角度的示意图。如图4中(b)-(f)所示，金属丝6进一步地呈螺旋形，或在其表面具有螺纹结构、和/或凸起和/或凹槽。通过将金属丝6本身结构设置为螺旋形，可以在一定腔室空间内，增大蓄热部件a与气体工质间的换热面积。或在金属丝6表面增加设置螺纹结构、和/或凸起和/或凹槽，进一步使促进工质气体与金属丝6之间的传热，提高蓄热部件a吸热及放热的效率。进一步地，金属丝6及其表面设置的螺纹结构或凸起或凹槽结构，可以破坏加热器1的管体3内气体工质的流场，破坏流动边界层，强化气体工质自身的传热及与外部热源之间的换热。
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5所示，蓄热部件a采用套管7和蓄热材料8的配合组合。金属套管7的管径小于加热器1管体3的管径，并被布置于加热器1的管体3内。套管7与管体3的管壁不直接接触，并与管体3和气体工质流动方向相互平行，使气体工质能够从加热器1的管体3的管壁与金属套管7之间的环形通道中流过，金属套管7内布置蓄热材料。通过采用套管7以及在其中配置蓄热材料8的方式，可以事先预加工好蓄热部件a，将连同蓄热材料8的套管7直接装配入加热器1中即可，提高了加工性能和装配性能。
金属套管7分隔气体工质和蓄热材料，起到支撑和保护蓄热材料的作用，本实用新型中合适的套管材料可以采用导热性能及耐热性能良好的不锈钢。
本实用新型中合适的蓄热材料8包括显热蓄热材料、潜热蓄热材料和化学储热材料之任一种。本实用新型对于套管7内的蓄热材料8并无特别限制，例如使用多孔介质则可以借助套管7固定多孔介质的同时，利用腔室内壁与套管外壁之间形成的流路以及多孔介质自身形成的流路，来实现气体工质与多孔介质之间的传热，利用相变材料或化学储热材料时，则可以将套管两端封闭，使其也兼作蓄热材料的容器。显热蓄热材料包括不锈钢、Li2O、Al2O3和TiO2等高温烧结成型的混合材料；潜热蓄热材料包括Mg(NO3)2·6H2O、KNO3、十二烷醇、棕榈酸、十四烷等。此外，化学储热材料是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的一种蓄热材料，通过吸热反应储存能量，其逆反应放出能量。与其他显热蓄热和潜热蓄热相比，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，因此构成良好的蓄热材料。本实用新型中合适的化学储热材料包括三氧化硫、乙醇、氧化镁，氧化钴和氧化铜等。
图5中，图5(a)为套管表面具有凹槽和凸起的示意图，图5(b)为图5(a)所示套管的局部放大图，图5(c)为套管表面具有螺纹的示意图，图5(d)为图5(c)所示套管的正视与剖视角度的示意图。以上实施方式表示套管7的外壁表面上具有凸起或螺纹结构，从而加强加热器1内的气体工质与套管7内蓄热材料的换热效果。
实施例5
如图1所示，以α型斯特林发动机为例说明本实用新型加热器在斯特林发动机中的应用。α型斯特林发动机由膨胀腔10、加热器1、回热器11、冷却器12和压缩腔13组成，气体工质在加热器1内吸收热量，在膨胀腔10内膨胀做功后，流经回热器11，储存一部分气体工质携带的热量，并于冷却器12和压缩腔13中冷却压缩，之后反向流经回热器11，吸收回热器11中的热量，并在加热器1和膨胀腔10内吸热膨胀，如此往复。
气体工质在气体循环中被压缩的过程中，会产生压缩热，导致气体工质温度升高。在加热器1部分，气体工质压缩产生的热量由蓄热部件a吸收，避免气体工质温度过高而导致加热器1的管体b反而被气体工质加热甚至温度过高引发爆管。而当气体工质膨胀后，气流温度降低，此时加热器1的内的蓄热部件a释放热量，气流吸收热量而升温，避免气流温度过低，从而避免加热器1管内外壁温差过大而导致的热应力损坏。因而，本实用新型通过在加热器1中设置蓄热部件a能够减小气体工质在压缩和膨胀过程中带来的温度波动，避免加热器1的管体b因温度过高而爆管，或因热疲劳及热应力而损失。
此外，在加热器1的管体b的金属材料最高承受温度相同的情况下，增设采用合适形式的蓄热材料制成的蓄热部件a，使加热器1的管体b能承受的热流更大；或是加热器1可以在更高温度的外部热源下工作，均显著提高整机输出功和效率。
针对加热器爆管问题，本实用新型研究人员经模拟实验发现，在采用等温壁面设置，使壁面保持在900K的条件下，气体工质刚进入加热器的温度是871K。由于压缩热的存在，内部气体工质最高温度能够达到951K，超过系统额定的壁面工作温度。将实施例3中金属丝形式的蓄热部件a加入设置于加热器1中后，经过数值计算发现气体工质的最高温度由上述951K下降到908K，超温时间所占循环比例从0.25降至0.119，减少了一半，温度波动幅度从160K降低至58K，如图6所示。由此可见，将本实用新型蓄热式加热器应用于斯特林发动机中，大大降低了加热器及其管体热疲劳的风险，提高了加热器的使用寿命。设置蓄热部件的加热器的管体平均温度得到提升，从852K上升至872K(图6)；相应的循环指示功也从1.72kW增加至2.23kW，增加了29.7％，热效率增加3.1％，如图7所示。
以上对本实用新型所提供的具有蓄热部件的斯特林发动机的加热器及其工作过程进行了详细说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本实用新型专利权的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于斯特林发动机的加热器，其特征在于，包括
管体以及由管体形成的腔室，所述腔室中设置有蓄热部件，
所述管体的一端连接斯特林发动机的膨胀腔，另一端连接斯特林发动机的回热器，
所述蓄热部件与气体工质接触而改变其流动特性，强化气体工质与所述管体的壁面之间的换热，促进气体工质在所述加热器中的吸热；同时所述蓄热部件吸收并储存所述膨胀腔中的气体工质所携带的由于被压缩而产生的压缩热。
2.如权利要求1所述的用于斯特林发动机的加热器，其特征在于，所述蓄热部件为多孔介质，至少包括堆叠丝网、金属纤维、泡沫金属或烧结金属中的一种。
3.如权利要求1所述的用于斯特林发动机的加热器，其特征在于，所述蓄热部件包括由相变材料构成的相变部件，以及用于将所述相变部件固定在所述腔室内的丝网。
4.如权利要求1所述的用于斯特林发动机的加热器，其特征在于，所述蓄热部件为金属丝。
5.如权利要求4所述的用于斯特林发动机的加热器，其特征在于，所述金属丝以与所述管体平行并且不相接触的方式设置于所述腔室中。
6.如权利要求4所述的用于斯特林发动机的加热器，其特征在于，所述金属丝呈螺旋形或在其表面具有螺纹结构和/或凸起和/或凹槽。
7.如权利要求1所述的用于斯特林发动机的加热器，其特征在于，所述蓄热部件包括套管和配置在所述套管内的蓄热材料；所述套管安装在所述腔室内，在腔室内壁与套管外壁之间形成供所述气体工质流动的流路。
8.如权利要求7所述的用于斯特林发动机的加热器，其特征在于，所述蓄热材料为多孔介质或相变材料或化学储热材料。
9.如权利要求7所述的用于斯特林发动机的加热器，其特征在于，所述套管的外壁具有凸起或螺纹结构。
10.一种斯特林循环系统，使用如权利要求1-9之任一项所述的加热器，其特征在于，所述斯特林循环系统还包括膨胀腔和压缩腔，在所述膨胀腔和所述压缩腔之间设置有回热器，在膨胀腔一侧设置所述加热器，在压缩腔一侧设置冷却器；所述蓄热部件用于吸收并储存所述膨胀腔中的气体工质所携带的由于被压缩而产生的压缩热。
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