CN220541811U - 高压氦气换热系统及回热式热机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及回热式热机技术领域，提供一种高压氦气换热系统及回热式热机系统，高压氦气换热系统的一侧与外部热源连通，另一侧与回热式热机的高温换热器的壳程连通；包括：换热环路，换热环路内部充入高压氦气；轴流式风机，设置于换热环路上，轴流式风机用于换热环路中产生一股氦气直流与外部热源耦合换热。本实用新型提供的高压氦气换热系统及回热式热机系统，通过在换热环路内充入高压氦气，且换热环路上设置有轴流式风机，轴流式风机用于换热环路中产生氦气直流并与外部热源耦合换热，不需要考虑液态金属等腐蚀性传热介质与热头承压结构的材料兼容性，具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高等优点。

Description

高压氦气换热系统及回热式热机系统

技术领域

本实用新型涉及回热式热机技术领域，尤其涉及一种高压氦气换热系统及回热式热机系统。

背景技术

热机是指各种利用内能做功的机械，通常以气体作为工质，利用气体受热膨胀对外做功。以自由活塞斯特林发电机为例。

自由活塞斯特林发电机是一种高效率、长寿命的热电转换装置，它由自由活塞斯特林发动机和直线振荡电机耦合而成，通过热声效应将热能转换成可压缩流体在往复振荡中具有的声能，从而驱动动力活塞带动磁铁往复切割磁力线产生交流电。

随着空间探测需求的不断增长，自由活塞斯特林发电机由于具有高效率、高可靠、长寿命等优点而逐渐受到重视。自由活塞斯特林发电机通常采用氦气等惰性气体作为内部工质，并且属于外燃式热机，具有极其广泛的热源适用性，可利用的热源包括核热、太阳能、工业废热、燃料燃烧等。

图1为现有自由活塞斯特林发电系统的典型结构示意图，通常需要增加高比热流体的二回路传热循环(例如熔盐、液态金属等)用于吸收外部高温热源(例如核反应堆)的热量，再通过发电机内部的高温换热器61(间壁式换热器)将热量传递给系统内部的高压氦气用于膨胀做功。

但是，二回路传热循环的引入不仅增加了系统的复杂程度，还需要额外耗功的第一驱动泵13用于驱动传热流体完成吸热和放热循环。此外，若采用钠、锂等液态金属作为循环介质，由于液态金属对目前常用的金属合金具有严重的腐蚀性，这给发电机热头的承压结构设计带来了更加严峻的挑战，同时液态金属必须采用电磁泵进行驱动，而目前电磁泵的效率水平极低(≤5％)，因此电磁泵的耗功也极大降低了该系统的运行经济性。

实用新型内容

本实用新型提供一种高压氦气换热系统及回热式热机系统，用以解决现有技术中回热式热机增加二回路传热循环实现传热，不仅增加了系统的复杂程度，而且当采用液态金属作为循环介质时，液态金属容易对目前常用的金属合金具有严重的腐蚀性，给发电机热头的承压结构设计带来严峻挑战的缺陷。

本实用新型提供一种高压氦气换热系统，用于回热式热机中，所述高压氦气换热系统的一侧与外部热源连通，另一侧所述回热式热机的高温换热器的壳程连通，包括：

换热环路，所述换热环路内部充入高压氦气；

轴流式风机，设置于所述换热环路上，所述轴流式风机用于所述换热环路中产生氦气直流与所述外部热源耦合换热。

根据本实用新型提供的一种高压氦气换热系统，所述外部热源为核反应堆、太阳能、工业废热或燃烧生物质能的其中一种。

本实用新型还提供一种回热式热机系统，包括：

外部热源，用于提供热量；

回热式热机，内部采用氦气为气体工质，通过热声效应将热量转换成气体工质在往复振荡中具有的声能，从而对外做功；

如上所述的高压氦气换热系统，一侧与所述外部热源连通，另一侧与所述回热式热机的高温换热器的壳程连通。

根据本实用新型提供的一种回热式热机系统，所述回热式热机为自由活塞斯特林发电机，所述自由活塞斯特林发电机包括：

缸体，一端形成有膨胀腔；

定位法兰和调相器，设置于所述缸体内，所述调相器设置于所述定位法兰靠近所述膨胀腔的一侧；所述调相器的外周侧设置有热声单元，所述热声单元用于产生声功，所述定位法兰远离所述膨胀腔的一侧形成安装腔；

动力活塞，设置于所述安装腔内；所述动力活塞的外周设置有发电单元；所述动力活塞在声功作用下相对所述定位法兰往复运动；

所述定位法兰与所述缸体形成压缩腔，所述压缩腔位于所述热声单元和所述发电单元之间且与所述安装腔连通。

根据本实用新型提供的一种回热式热机系统，所述调相器包括：

调相器本体，所述调相器本体的外周设置有所述热声单元；

调相器杆，连接于所述调相器本体远离所述膨胀腔的一端；且所述调相器杆从所述动力活塞内部穿过。

根据本实用新型提供的一种回热式热机系统，所述缸体内还设置有板弹簧，所述板弹簧与所述调相器杆连接。

根据本实用新型提供的一种回热式热机系统，所述热声单元包括依次连接的高温换热器、回热器和低温换热器，所述高温换热器靠近所述膨胀腔的一侧设置；

所述定位法兰上设置有连接孔，所述连接孔用于将所述热声单元产生的声功传输至所述动力活塞。

根据本实用新型提供的一种回热式热机系统，所述发电单元为直线电机。

根据本实用新型提供的一种回热式热机系统，所述回热式热机为热声发动机、热声制冷机、斯特林热泵或斯特林制冷机中的其中一种。

本实用新型提供的高压氦气换热系统，通过在换热环路内充入高压氦气，且换热环路上设置有轴流式风机，轴流式风机用于换热环路中产生氦气直流并与外部热源耦合换热，不需要考虑液态金属等腐蚀性传热介质与热头承压结构的材料兼容性，具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高等优点。

本实用新型还提供了一种回热式热机系统，由于包括如上所述的高压氦气换热系统，因此包括如上所述的各种优势。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是现有技术中自由活塞斯特林发电机的结构示意图；

图2是本实用新型提供的一个实施例的自由活塞斯特林发电机的结构示意图；

图3是本实用新型提供的又一实施例的自由活塞斯特林发电机的结构示意图；

图4是本实用新型提供的再一实施例的自由活塞斯特林发电机的结构示意图；

附图标记：

1、换热环路；2、轴流式风机；3、缸体；4、膨胀腔；5、定位法兰；6、热声单元；7、动力活塞；8、发电单元；9、压缩腔；10、调相器本体；11、调相器杆；12、板弹簧；13、第一驱动泵；14、外部热源；61、高温换热器；62、回热器；63、低温换热器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合图2至图4描述本实用新型的高压氦气传热系统及回热式热机系统。

本实用新型的实施例提供一种高压氦气换热系统，用于回热式热机中，高压氦气换热系统的一侧与外部热源14连通，另一侧与回热式热机的高温换热器的壳程相连通；包括换热环路1和轴流式风机2，换热环路1内部充入高压氦气；轴流式风机2设置于换热环路1上，轴流式风机2用于换热环路1中产生一股氦气直流与外部热源14耦合换热。

其中，对于管壳式换热器来说，壳程指的是介质流经换热管外的通道及与其相贯通的部分。

本实用新型通过在换热环路上设置轴流式风机，在换热环路上能够通过轴流式风机产生一股高压氦气直流与外部热源14直接耦合换热，不需要考虑液态金属等腐蚀性传热介质与热头承压结构的材料兼容性，具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高等优点。

在本实用新型的一个实施例中，外部热源14为核反应堆、太阳能、工业废热或燃烧生物质能的其中一种，只要能提供热源即可。

因此，本实用新型提供的高压氦气换热系统，在换热环路中通过轴流式风机产生一股高压氦气直流与外部热源14直接耦合换热，不需要考虑液态金属等传热介质与热头承压结构的材料兼容性，具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高等优点。外部热源14可以根据实际需要自行选择。

下面对本实用新型提供的回热式热机进行描述，下文描述的回热式热机与上文描述的换热系统可相互对应参照。

本实用新型的另外一方面实施例在于提供一种采用高压氦气传热的回热式热机系统，包括外部热源14、回热式热机和如上所述的换热系统，外部热源14用于提供热量，回热式热机内部采用氦气等惰性气体为工质，利用气体受热膨胀对外做功；如上所述的高压氦气换热系统一侧与外部热源14连通，另一侧与回热式热机的高温换热器的壳程相连通。

其中，回热式热机可以为自由活塞斯特林发电机、热声发动机、热声制冷机、斯特林热泵或斯特林制冷机中的其中一种。

下面以自由活塞斯特林发电机为例进行说明。

自由活塞斯特林发电机包括：缸体3一端形成有膨胀腔4；定位法兰5和调相器，设置于缸体3内，调相器设置于定位法兰5靠近膨胀腔4的一侧；调相器的外周侧设置有热声单元6，热声单元6用于产生声功，定位法兰5远离膨胀腔4的一侧形成安装腔；动力活塞7，设置于安装腔内；动力活塞7的外周设置有发电单元8；动力活塞7在声功作用下相对定位法兰5往复运动；定位法兰5与缸体3形成压缩腔9，压缩腔9位于热声单元6和发电单元8之间且与安装腔连通。

调相器包括调相器本体10和调相器杆11，调相器本体10的外周设置有热声单元；调相器杆11连接于调相器本体10远离膨胀腔4的一端；且调相器杆11从动力活塞7内部穿过。缸体3内还设置有板弹簧12，板弹簧12与调相器杆11连接。热声单元6包括依次连接的高温换热器61、回热器62和低温换热器63，高温换热器61靠近膨胀腔4的一侧设置；定位法兰5上设置有连接孔，连接孔用于将热声单元6产生的声功传输至动力活塞7。发电单元8为直线电机。

如图2所示，本实用新型的一个实施例中，气体采用高压氦气，外部热源14采用核反应堆。

本实用新型提供的上述实施例，系统在正常工作时，换热环路1中充入高压氦气，通过轴流式风机2在换热环路1中产生一股稳定的高压氦气直流，从而进入核反应堆(属于氦气冷堆)吸收热量，并通过高温换热器61的间壁式换热将携带的热量传递给系统内部氦气，最终在回热器中实现热能到声功的转换。该实施例中换热环路与自由活塞斯特林发电机内部的工作气体并不连通，由高温轴流式风机2提供驱动力完成循环，由此省略了额外的二回路，降低了系统的复杂程度和运行成本。此外，由于采用高压氦气进行传热，因此发电机本体设计时无需考虑液体金属与热头承压结构的材料兼容性的问题，极大地降低了自由活塞发电机的设计难度。

如图3所示，在本实用新型的另外一个实施例中，气体采用高压氦气，工作原理与上个实施例相近，区别在于外部热源14采用的是燃烧生物质能，相比于直接在高温换热器61外壁面燃烧，该结构允许获得更大的燃烧-流动耦合传热面积，具有更高的传热效率。

如图4所示，在本实用新型的再一实施例中，气体采用高压氦气，工作原理与上个实施例相近，区别在于外部热源14采用的是太阳能，该结构允许获得足够大的太阳能传热面积，结构简单紧凑且具有较高的传热效率。

综上，本实用新型提供的自由活塞斯特林发电系统，在一回路中通过轴流式风机产生一股高压氦气直流与外部热源14直接耦合换热，不需要考虑其他传热介质与热头承压结构的材料兼容性，具有结构简单、热源适应性广以及热电效率高等优点。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“方式”、“具体方式”、或“一些方式”等的描述意指结合该实施例或方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或方式中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或方式以及不同实施例或方式的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种高压氦气换热系统，用于回热式热机中，所述高压氦气换热系统的一侧与外部热源连通，另一侧与所述回热式热机的高温换热器的壳程连通；其特征在于，包括：

换热环路(1)，所述换热环路(1)内部充入高压氦气；

轴流式风机(2)，设置于所述换热环路(1)上，所述轴流式风机(2)用于所述换热环路(1)中产生氦气直流与所述外部热源耦合换热。

2.根据权利要求1所述的高压氦气换热系统，其特征在于，所述外部热源(14)为核反应堆、太阳能、工业废热或燃烧生物质能的其中一种。

3.一种回热式热机系统，其特征在于，包括：

外部热源(14)，用于提供热量；

回热式热机，内部采用氦气为气体工质，通过热声效应将热量转换成气体工质在往复振荡中具有的声能，从而对外做功；

权利要求1或2所述的高压氦气换热系统，一侧与所述外部热源(14)连通，另一侧与所述回热式热机的高温换热器的壳程连通。

4.根据权利要求3所述的回热式热机系统，其特征在于，所述回热式热机为自由活塞斯特林发电机，所述自由活塞斯特林发电机包括：

缸体(3)，一端形成有膨胀腔(4)；

定位法兰(5)和调相器，设置于所述缸体(3)内，所述调相器设置于所述定位法兰(5)靠近所述膨胀腔(4)的一侧；所述调相器的外周侧设置有热声单元(6)，所述热声单元(6)用于产生声功，所述定位法兰(5)远离所述膨胀腔(4)的一侧形成安装腔；

动力活塞(7)，设置于所述安装腔内；所述动力活塞(7)的外周设置有发电单元(8)；所述动力活塞(7)在声功作用下相对所述定位法兰(5)往复运动；

所述定位法兰(5)与所述缸体(3)形成压缩腔(9)，所述压缩腔(9)位于所述热声单元(6)和所述发电单元(8)之间且与所述安装腔连通。

5.根据权利要求4所述的回热式热机系统，其特征在于，所述调相器包括：

调相器本体(10)，所述调相器本体(10)的外周设置有所述热声单元；

调相器杆(11)，连接于所述调相器本体(10)远离所述膨胀腔(4)的一端；且所述调相器杆(11)从所述动力活塞(7)内部穿过。

6.根据权利要求5所述的回热式热机系统，其特征在于，所述缸体(3)内还设置有板弹簧(12)，所述板弹簧(12)与所述调相器杆(11)连接。

7.根据权利要求4所述的回热式热机系统，其特征在于，所述热声单元(6)包括依次连接的高温换热器(61)、回热器(62)和低温换热器(63)，所述高温换热器(61)靠近所述膨胀腔(4)的一侧设置；

所述定位法兰(5)上设置有连接孔，所述连接孔用于将所述热声单元(6)产生的声功传输至所述动力活塞(7)。

8.根据权利要求4所述的回热式热机系统，其特征在于，所述发电单元(8)为直线电机。

9.根据权利要求3所述的回热式热机系统，其特征在于，所述回热式热机为热声发动机、热声制冷机、斯特林热泵或斯特林制冷机中的其中一种。