用于斯特林发动机的加热器及斯特林循环系统技术方案

本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术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。

Heater and Stirling Cycle System for Stirling Engine

【技术实现步骤摘要】
用于斯特林发动机的加热器及斯特林循环系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有以下优点：本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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是应用本专利技术加热器的α型斯特林发动机的结构示意图。图2是实施例1中本专利技术用于斯特林发动机的加热器的示意图；图3是实施例2中本专利技术用于斯特林发动机的加热器的示意图；图4是实施例3中本专利技术用于斯特林发动机的加热器的示意图；图5是实施例4中本专利技术用于斯特林发动机的加热器的示意图；图6是实施例5中应用本专利技术加热器的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中应用本专利技术加热器的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，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术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专利技术技术构思下的各种变形、变换、组合和改进均属于本专利技术的保护范围。图1所示为将本专利技术的加热器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，再进入加热器本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖刚，倪明江，骆仲泱，岑可法，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33