[發明專利]斯特林發動機及其熱交換方法

有效

• 申請號: 202010019939.8
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN110821706B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 張孔明;張立
• 申請（專利權）人: 北京福典工程技術有限責任公司
• 主分類號: F02G1/044
• 分類號: F02G1/044;F02G1/055;F02G1/057
• 代理公司: 北京律智知識產權代理有限公司 11438
• 代理人: 龍威壯;孫寶海

本發明提出了一種斯特林發動機及其熱交換方法。該斯特林發動機包括曲軸；膨脹缸；壓縮缸；換熱器，包括熱腔、多個工質腔以及轉動柱體，且冷熱工質互為逆流，熱腔和工質腔至少共用同一個轉動柱體的外側壁作為各自的內壁，空氣冷卻器，包括第一冷卻通道；在曲軸轉動時第一膨脹缸與第一壓縮缸能交替地被壓縮。做功工質在工質腔中進行表面換熱，不需要蓄熱體材料填充，則可實現回熱器所具有的的蓄、放熱功能。無因蓄熱體間隙過小引起的工質流動阻力較大而造成的諸多問題。同時，高溫熱氣能量因逆流換熱得到充分利用。此種斯特林發動機及其熱交換方法適合于斯特林發動機在高溫下的換熱且綜合熱效率高。

技術領域

本發明涉及特種工程傳熱方面的高溫換熱領域，具體涉及一種斯特林發動機及其熱交換方法。

背景技術

斯特林發動機是一種外部燃燒加熱的閉式循環發動機，其有五大突出優點：

①.燃料的廣譜性，由于是外部燃燒加熱，因此它可適應各種氣體、液體、固體燃料及太陽能和廢熱等。

②.理論循環熱效率高，最接近卡諾循環熱效率。

③.結構簡單，無進排氣閥系統。

④.噪音低，既無內燃機的爆燃噪聲，又無汽輪機氣流尖叫噪音。

⑤.由于屬于密閉循環工質，可以帶壓運行，可有效減少發動機體積。

斯特林發動機主要有以下五部分按順序串聯組成：

高溫膨脹缸（主要負責對外做功）→加熱器（主要吸收外部熱量，加熱做功工質）→回熱器（主要吸收做功后的乏熱，實現部分熱量的回收利用）→空氣冷卻器（保證預做功工質在低溫下被壓縮，減少壓縮功）→低溫壓縮缸（提高單位工質做功能力）。

其中，加熱器和回熱器是斯特林發動機核心部件，對發動機性能（單位工質做功能力、發動機速度、功率、循環效率）影響甚大，是高性能、大功率斯特林發動機發展的關鍵制約因素。目前，斯特林發動機常用的加熱器大多是金屬管式加熱器，這類加熱器雖然能夠實現加熱功能，但受金屬材料耐熱性限制，無論外部熱源有多高溫度（通常≧1500℃），對工質的加熱也只能達到600℃-700℃，而且僅能實現橫流加熱，致使大量高品位熱能無法有效充分利用；另一方面，斯特林發動機工質膨脹做功溫度越高，其循環效率越高，且其單位工質做功能力越強。外部燃料（熱源）有可以達到1500℃的有利于發動機性能提高的高溫，但受金屬材料耐熱性能的限制，僅能實現600℃-700℃的換熱。這是制約斯特林發動機發展的重要因素之一。

斯特林發動機的回熱器，其作用是提高廢氣能量利用率和循環熱效率，減少熱損失。回熱器功能的實現取決于回熱器機體內裝載的蓄熱材料的作用效果。常用的蓄熱體材料為金屬絲網壓制而成的載熱體，每層金屬絲網的疏密程度以其孔隙率來衡量，孔隙率的大小決定了工質通過回熱器芯的阻力大小。回熱器的設計要求包括：回熱器的材料具有高的熱容量，同時具有良好的換熱能力（即較高的導熱系數）以及要求回熱器的通流容積要小，工質的流動阻力要小。為了盡可能減小回熱器基體的溫度變化，改善回熱器的回熱效果，基體與氣體的熱容量比應采用最大值，即采用大尺寸、緊密（孔隙率小）的基體；但是如果要求回熱器中的工質流動阻力要小，則應選取孔隙率大的基體；如果要減小無益容積，應采用小型、緊密（孔隙率小）的基體。顯然上述要求不但在實踐中無法同時實現，就是在設計理論上也是相互矛盾的，無法同時得到滿足，所以回熱器是制約斯特林發動機性能的另一關鍵要素。

自1816年以來的200多年間，斯特林發動機雖然經歷了無數專家的不懈努力 ，但始終沒有解決制約斯特林發動機發展的加熱器、回熱器問題，仍未獲得重大應用突破，主要表現在發動機功率≦100KW,綜合熱效率≤35％。

發明內容

為了解決斯特林發動機加熱器、回熱器存在的上述現實問題，本發明提供一種適應于超高溫、逆流換熱熱交換方法，并可將加熱、回熱功能合并在一起，即提供一種新型的斯特林發動機及其熱交換方法。