专利名称：利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头。
背景技术：
随着能源危机与环境污染的压力日益严重，斯特林发动机(又称热气机)又重新受到人们的重视。斯特林机是一种外燃机，将外部供给的热量通过发动机的加热头管束传递到发动机内部封闭循环的工作介质，进一步转化为机械功，用于动力或发电等目的。斯特林机能够使用任何形式的外部热源，克服了内燃机必须使用高品位油、气能源的局限性，此外还有热效率高、污染少、振动小、噪音低、机构简单、可靠性高、寿命长等优点。在以燃烧火焰或烟气为热源的斯特林机加热头中，火焰或烟气的温度一般在 2000°C以下，并且火焰或烟气中的颗粒物含量通常较少，辐射能力不强，对流换热量一般都远高于辐射换热量，或者在高温、高颗粒物情况下对流换热量与辐射换热量相当[参考沈建平.热气机外燃系统换热计算.燃烧科学与技术，3 O) ,1997:150-1 .]。因此，强化热源气体与加热头管束之间的对流换热对于提高发动机性能具有更为重要的作用。在传统的利用烟气提供热量的斯特林机中，烟气直接沿加热头腔体径向流动，烟气仅一次性掠过加热头的内外两层管圈，不能与加热器管束充分接触，烟气在加热头腔体中的湍流程度低，对流换热边界层较厚，不利于对流换热，热能利用率较低，发动机的比功率(单位重量发动机的输出功率)也较低。因此需要发明一种能够强化热源气体与加热头管束之间对流换热的斯特林机加热头，这样才能更高效地回收气体余热，同时提高发动机的比功率。
实用新型内容本实用新型目的在于提供一种利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头，能够充分利用内燃机排气、工业废气、燃料燃烧产生的烟气等气体余热，同时提高发动机的比功率。为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是—种利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头，包括筒形加热头壳体、耐热筒、加热头管束、至少一个进气口及至少一个出气口 ；其中，加热头壳体的近端固接到斯特林机本体上，进气口固接到加热头壳体的远端面上，出气口固接到加热头壳体的侧面上，在工作时，热源气体从加热头壳体远端引入，从加热头壳体侧面引出；加热头管束和耐热筒套置于加热头壳体之内，耐热筒的内侧壁以一间隙围绕在加热头管束之外，形成加热腔，耐热筒的外侧壁与加热头壳体内壁有一间隙，耐热筒的远端固接到壳体内部的远端面上，耐热筒的近端为自由端，自由端与发动机本体有一间隙；还包括位于靠近加热腔入口处并位于加热头管束上游的第一气流导向装置，使气流在加热腔中旋转冲刷加热头管束，用于增强热源气体与加热头管束之间的对流换热，从而提高热源气体的能量利用率，并提高发动机的比功率。所述的斯特林机加热头，其所述第一气流导向装置为包括多个叶片的叶轮，叶片为平面形或三维曲面形，叶片固接在叶轮外毂上，叶轮外毂固接在气流通道壁上。所述的斯特林机加热头，其所述叶轮外毂与气流通道壁之间是可拆卸的固接。所述的斯特林机加热头，其所述多个叶片的朝向可调节，即叶轮开度可调节。所述的斯特林机加热头，其所述叶片与叶轮外毂之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。所述的斯特林机加热头，其所述第一气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片直接固接在气流通道壁上。所述的斯特林机加热头，其所述多个叶片的朝向可调节。所述的斯特林机加热头，其所述叶片与气流通道壁之间是可拆卸的固接，即叶片
数量可调节。所述的斯特林机加热头，其所述第一气流导向装置为具有多个切向缝隙的圆盘， 圆盘外毂固接在气流通道壁上。所述的斯特林机加热头，其所述圆盘外毂与气流通道壁之间是可拆卸的固接。所述的斯特林机加热头，其所述第一气流导向装置为多管，多管中的每根单管均沿切向角度固接在气流通道壁上，热源气体经多管进入气流通道后形成旋转气流。所述的斯特林机加热头，其还包括位于靠近加热腔出口处、并位于加热头管束下游的第二气流导向装置，进一步促使气流在加热腔中旋转，增强热源气体与加热头管束之间的对流换热。所述的斯特林机加热头，其所述第二气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片直接固接在耐热筒近端壁上。所述的斯特林机加热头，其所述多个叶片的朝向可调节。所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶片与耐热筒近端壁之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。所述的斯特林机加热头，其所述第二气流导向装置为围绕流道中心线的多个具有切向角度的缝隙，多个缝隙是通过直接在耐热筒近端壁上开槽而形成的。所述的斯特林机加热头，其所述第二气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片固接到斯特林机本体上。—种利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头，包括筒形加热头壳体、耐热筒、加热头管束、至少一个进气口及至少一个出气口 ；其中，加热头壳体的近端固接到斯特林机本体上，进气口固接到加热头壳体的侧面上， 出气口固接到加热头壳体的远端面上，在工作时，热源气体从加热头壳体侧面引入，从加热头壳体远端引出；加热头管束和耐热筒套置于加热头壳体之内，耐热筒的内侧壁以一间隙围绕在加热头管束之外，形成加热腔，耐热筒的外侧壁与加热头壳体内壁有一间隙，耐热筒的远端固接到壳体内部的远端面上，耐热筒的近端为自由端，自由端与发动机本体有一间隙；还包括位于靠近加热腔入口处并位于加热头管束上游的第一气流导向装置，使气流在加热腔中旋转冲刷加热头管束，用于增强热源气体与加热头管束之间的对流换热，从而提高热源气体的能量利用率，并提高发动机的比功率。所述的斯特林机加热头，其所述第一气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片直接固接在耐热筒近端壁上，或直接固接在斯特林机本体上。所述的斯特林机加热头，其所述多个叶片的朝向可调节。所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶片与耐热筒近端壁之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。所述的斯特林机加热头，其所述第一气流导向装置为围绕流道中心线的多个具有切向角度的缝隙，多个缝隙是通过直接在耐热筒近端壁上开槽而形成的。所述的斯特林机加热头，其还包括位于靠近加热腔出口处并位于加热头管束下游的第二气流导向装置，进一步促使气流在加热腔中旋转，增强热源气体与加热头管束之间的对流换热。所述的斯特林机加热头，其所述第二气流导向装置为包括多个叶片的叶轮，叶片为平面形或三维曲面形，叶片固接在叶轮外毂上，叶轮外毂固接在气流通道壁上。所述的斯特林机加热头，其所述叶轮外毂与气流通道壁之间是可拆卸的固接。所述的斯特林机加热头，其所述叶轮的多个叶片的朝向可调节，即叶轮开度可调节。所述的斯特林机加热头，其所述叶片与叶轮外毂之间是可拆卸的固接，即叶片数
量可调节。所述的斯特林机加热头，其所述第二气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片直接固接在气流通道壁上。所述的斯特林机加热头，其所述多个叶片的朝向可调节。所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶片与气流通道壁之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。所述的斯特林机加热头，其所述第二气流导向装置为具有多个切向缝隙的圆盘， 圆盘外毂固接在气流通道壁上。所述的斯特林机加热头，其所述圆盘外毂与气流通道壁之间是可拆卸的固接。所述的斯特林机加热头，其所述第二气流导向装置为多管，多管中的每根单管均沿切向角度固接在所述气流通道壁上，来自加热头管束的气体经多管离开加热头，进一步促进气体在加热腔中旋转。所述的斯特林机加热头，其热源气体为内燃机排气、工业废气、燃料燃烧产生的烟
气其中之一。所述的斯特林机加热头，其所述加热头管束外壁面上设有肋片。所述的斯特林机加热头，其所述固接方式为法兰盘连接、螺栓连接、焊接、烧结、过盈配合其中之一。本实用新型的有益效果是，所提供的利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头， 其气流导向装置不同于常见燃烧器或燃烧室的旋流器，可充分利用气体余热，并提高发动机的比功率。
图1是一台典型的利用烟气加热的斯特林机加热头对流换热量和辐射换热量随烟气平均温度的变化情况示意图；图2是本实用新型的一种利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头第一种实施方式的结构示意图；其中图加为外观俯视图；图沘为外观立体图；图2c为正视剖面图；图2d为侧视图；图3是图2所示本实用新型加热头的分解示意图；图4为图3所示本实用新型加热头中的一种叶轮式气流导向装置示意图；其中图如为俯视图；图4b为外观立体图；图如为正视剖面图；图4d为侧视图；图5为图3所示本实用新型加热头中的围绕热头管束的耐热筒示意图；其中图fe为剖视图；图恥为仰视图；图6为图3所示本实用新型加热头壳体示意图；其中图6a为俯视图；图6b为正视剖面图；图7为图3所示本实用新型中的加热头管束示意图；其中图7a为俯视图；图7b为正视图；图8为图3所示本实用新型加热头中固接在加热头壳体远端面上的一种多管式气流导向装置示意图；其中图fe为俯视图；图汕为外观立体图；图8c为正视剖面图；图9为图3所示本实用新型加热头中固接在加热头壳体远端面上的一种多缝式气流导向装置示意图；其中图9a为俯视图；图9b为外观立体图；图9c为正视图；图10为图3所示本实用新型加热头中固接在耐热筒近端壁上的一种多叶片式气流导向装置；其中图IOa为仰视图；图IOb为外观立体图；图11为图3所示本实用新型加热头中固接在斯特林机本体上的一种多叶片式气流导向装置示意图；其中图Ila为俯视图；图lib为外观立体图；图12是本实用新型加热头另一种实施方式的示意图；其中图12a为分解组装图；图12b为装配后的外观立体图；图12c为其中从斜下方观察时靠近加热腔入口的固接到耐热筒近端壁上的多叶片式气流导向装置的外观立体图。
具体实施方式
以下结合附图来详细说明本实用新型的第一实施方式。图1是一台典型的以烟气为热源的斯特林机加热头对流换热量和辐射换热量随平均烟温的变化情况。当平均烟温为1200°C时，对流换热量约是辐射换热量的4倍；而当平均烟温为400°C时，对流换热量约是辐射换热量的19倍。由简单的理论分析可知，增强对流换热对于充分利用烟气余热，提高机器的比功率有着特别重要的意义，尤其对于中低温烟气，效果将更加明显。图2和图3分别是本实用新型第一实施方式的斯特林机加热头的装配图和分解装配图。图4-7示出了各个零件图。加热头由加热头壳体5、连接在加热头壳体5远端面上的烟气入口 1、由耐热材料如陶瓷等制成的叶轮2、加热头管束3、由耐热材料如陶瓷等制成的耐热筒4以及设置在加热头壳体侧面上的烟气出口 6组成。叶轮2即为本实施方式的第一气流导向装置，其中多个流线形叶片固接在叶轮外毂上，叶轮外毂固接在位于靠近加热腔入口处并位于加热头管束上游的气流通道壁上。耐热筒4包围在管束3的周围，其远端为环形板片7，用于固定到壳体5上，该板片7的下缘与管束3的上缘保持大约Imm的间隙，作为容许管束膨胀的空间，并避免烟气不经内圈管束而直接短路流入管束外圈之外。耐热筒 4的圆柱形内壁面与管束3的外缘保持25mm左右的间隙，引导烟气沿加热头轴向从一端向另一端旋转流动，并能够起到反射辐射和保温的作用。耐热筒4的近端开有许多斜缝8，形成第二气流导向装置，用于引导烟气由内向外旋转流出耐热筒4，并进入筒外的壳体间隙9 中。壳体5和出口 6的设计应当保证烟气在壳体间隙9中均勻混合，使烟气沿周向各个角度的气流阻力和流量大致均勻。具有一定流速的烟气从烟气入口 1处进入加热头，如图中箭头所示。在流经叶轮后，气流发生旋转。旋转气流在沿加热头轴向流动的同时，旋转冲刷加热头管束，如图中箭头所示。烟气与管束3之间发生对流换热与辐射换热，热量进一步通过管壁传递到管内的斯特林机内部工质，如氦气或氢气等，一部分热量转换成机械功。放热后温度下降的烟气在加热头的另一端经由耐热筒4上的斜槽8旋转流入壳体间隙9中，然后在壳体间隙9中均勻混合后经由烟气出口 6排出系统，如图中箭头所示。本实用新型中的气流导向装置使得旋转烟气流在离开加热头腔体之前，在其行程上能够沿加热头周向掠过多排加热头管束，其强化对流传热的机理可作如下解释可以简单理解为在换热系数大致不变的前提下，每股烟气能够冲刷到更多排管束，即大幅度提高了对流换热面积；也可理解为总的对流换热面积(即整个加热头管束外表面积)是不变的，但旋转气流增强了加热头腔体中的湍流程度，气流扰动有助于破坏和减薄对流换热的边界层，从而能够大幅度提高全部烟气的整体对流换热系数。表1显示了一台利用汽油机排出废气作为热源的余热利用斯特林机在进气温度为800 V时，在加装本实用新型烟气导流叶轮前后的性能对比。表1有、无本实用新型叶轮导流装置情况下斯特林机性能对比
权利要求1.一种利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头，包括筒形加热头壳体、耐热筒、加热头管束、至少一个进气口及至少一个出气口 ；其特征在于，加热头壳体的近端固接到斯特林机本体上，进气口固接到加热头壳体的远端面上，出气口固接到加热头壳体的侧面上；加热头管束和耐热筒套置于加热头壳体之内，耐热筒的内侧壁以一间隙围绕在加热头管束之外，形成加热腔，耐热筒的外侧壁与加热头壳体内壁有一间隙，耐热筒的远端固接到壳体内部的远端面上，耐热筒的近端为自由端，自由端与发动机本体有一间隙；还包括位于靠近加热腔入口处并位于加热头管束上游的第一气流导向装置，使气流在加热腔中旋转冲刷加热头管束。
2.如权利要求1所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第一气流导向装置为包括多个叶片的叶轮，叶片为平面形或三维曲面形，叶片固接在叶轮外毂上，叶轮外毂固接在气流通道壁上。
3.如权利要求2所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶轮外毂与气流通道壁之间是可拆卸的固接。
4.如权利要求2所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述多个叶片的朝向可调节，即叶轮开度可调节。
5.如权利要求2所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶片与叶轮外毂之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。
6.如权利要求1所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第一气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片直接固接在气流通道壁上。
7.如权利要求6所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述多个叶片的朝向可调节。
8.如权利要求6所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶片与气流通道壁之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。
9.如权利要求1所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第一气流导向装置为具有多个切向缝隙的圆盘，圆盘外毂固接在气流通道壁上。
10.如权利要求10所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述圆盘外毂与气流通道壁之间是可拆卸的固接。
11.如权利要求1所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第一气流导向装置为多管，多管中的每根单管均沿切向角度固接在气流通道壁上，热源气体经多管进入气流通道后形成旋转气流。
12.如权利要求1所述的斯特林机加热头，其特征在于，还包括位于靠近加热腔出口处、并位于加热头管束下游的第二气流导向装置，进一步促使气流在加热腔中旋转，增强热源气体与加热头管束之间的对流换热。
13.如权利要求12所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第二气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片直接固接在耐热筒近端壁上。
14.如权利要求13所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述多个叶片的朝向可调节。
15.如权利要求13所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶片与耐热筒近端壁之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。
16.如权利要求12所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第二气流导向装置为围绕流道中心线的多个具有切向角度的缝隙，多个缝隙是通过直接在耐热筒近端壁上开槽而形成的。
17.如权利要求12所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第二气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片固接到斯特林机本体上。
18.一种利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头，包括筒形加热头壳体、耐热筒、加热头管束、至少一个进气口及至少一个出气口 ；其特征在于，加热头壳体的近端固接到斯特林机本体上，进气口固接到加热头壳体的侧面上，出气口固接到加热头壳体的远端面上；加热头管束和耐热筒套置于加热头壳体之内，耐热筒的内侧壁以一间隙围绕在加热头管束之外，形成加热腔，耐热筒的外侧壁与加热头壳体内壁有一间隙，耐热筒的远端固接到壳体内部的远端面上，耐热筒的近端为自由端，自由端与发动机本体有一间隙；还包括位于靠近加热腔入口处并位于加热头管束上游的第一气流导向装置，使气流在加热腔中旋转冲刷加热头管束。
19.如权利要求18所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第一气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片直接固接在耐热筒近端壁上， 或直接固接在斯特林机本体上。
20.如权利要求19所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述多个叶片的朝向可调节。
21.如权利要求19所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶片与耐热筒近端壁之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。
22.如权利要求18所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第一气流导向装置为围绕流道中心线的多个具有切向角度的缝隙，多个缝隙是通过直接在耐热筒近端壁上开槽而形成的。
23.如权利要求18所述的斯特林机加热头，其特征在于，还包括位于靠近加热腔出口处并位于加热头管束下游的第二气流导向装置，进一步促使气流在加热腔中旋转，增强热源气体与加热头管束之间的对流换热。
24.如权利要求23所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第二气流导向装置为包括多个叶片的叶轮，叶片为平面形或三维曲面形，叶片固接在叶轮外毂上，叶轮外毂固接在气流通道壁上。
25.如权利要求M所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶轮外毂与气流通道壁之间是可拆卸的固接。
26.如权利要求M所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶轮的多个叶片的朝向可调节，即叶轮开度可调节。
27.如权利要求M所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶片与叶轮外毂之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。
28.如权利要求23所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第二气流导向装置为围绕流道中心线的多个叶片，叶片为平面形或三维曲面形，叶片直接固接在气流通道壁上。
29.如权利要求观所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述多个叶片的朝向可调节。
30.如权利要求观所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述叶片与气流通道壁之间是可拆卸的固接，即叶片数量可调节。
31.如权利要求22所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第二气流导向装置为具有多个切向缝隙的圆盘，圆盘外毂固接在气流通道壁上。
32.如权利要求31所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述圆盘外毂与气流通道壁之间是可拆卸的固接。
33.如权利要求23所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述第二气流导向装置为多管，多管中的每根单管均沿切向角度固接在所述气流通道壁上，来自加热头管束的气体经多管离开加热头，进一步促进气体在加热腔中旋转。
34.如权利要求1或18所述的斯特林机加热头，其特征在于，其热源气体为内燃机排气、工业废气、燃料燃烧产生的烟气其中之一。
35.如权利要求1或18所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述加热头管束外壁面上设有肋片。
36.如权利要求1或18所述的斯特林机加热头，其特征在于，所述固接方式为法兰盘连接、螺栓连接、焊接、烧结、过盈配合其中之一。
专利摘要本实用新型公开了一种利用旋流强化对流换热的斯特林机加热头，涉及斯特林机加热头技术，配置有气流导向装置，用于引导气流在加热腔中旋转冲刷加热头管束，能够增强热源气体与加热头管束之间的对流换热，从而提高气体热源的能量利用率，并提高发动机的比功率。
文档编号F02G1/055GK202055933SQ20112009771
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者周天, 唐大伟, 曾秒, 李志刚, 李铁, 杜景龙 申请人:中国科学院工程热物理研究所