複合熱源斯特林發動機加熱系統

2024-04-13 03:27:05

1.本發明涉及斯特林發動機，具體地，涉及一種複合熱源斯特林發動機加熱系統。


背景技術：

2.斯特林發動機是一種外燃機，工質在循環過程中與外部燃燒系統沒有質量交換，對燃料的品質要求低，不僅可以利用傳統化石能源，還可以利用太陽能、生物質能、地熱能等多種可再生能源，此外斯特林發動機還具有結構簡單、噪音低、體積小、理論效率高、汙染物易於控制等優點，在動力工程及能源利用領域有廣闊的應用前景。
3.太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，具有清潔、安全、分布廣泛等優點，是斯特林發動機最具應用潛力的熱源之一。但同時太陽能還具有能量密度低、不連續和不穩定等缺點，是阻礙其大規模發展的重要原因。為了克服其能量密度低的問題，太陽能斯特林發動機在工作過程中，通常採用聚光裝置，提升其輻射效果，增加輻射強度。但是，太陽能不穩定、不連續的缺點聚光裝置無法解決，尤其是在夜晚和陰天，以太陽能為單一熱源的斯特林發動機很難連續運行，可靠性大幅降低，因此同時利用太陽能和其它外部熱源的複合熱源斯特林發動系統是一種合理的選擇，但是現有技術的斯特林發動機加熱器一般採用內側為太陽能熱源，外側為輔助熱源，內側體積小，太陽能吸熱面積小，太陽能利用效率低，且外側輔助熱源的散熱面積大，不利於充分利用輔助熱源的能量。
4.因此，本發明提供了一種複合熱源斯特林發動機加熱系統以解決或緩解現有技術存在的問題。


技術實現要素：

5.本發明所要解決的技術問題是提供一種複合熱源斯特林發動機加熱系統，該複合熱源斯特林發動機加熱系統能夠使斯特林發動機全天候工作，彌補了太陽能不穩定、不連續的特點，提高了斯特林發動機的可靠性。
6.為了解決上述技術問題，本發明提供了一種複合熱源斯特林發動機加熱系統，包括加熱腔體、加熱管簇、燃燒加熱裝置和煙氣出口，所述加熱管簇被設置在其外部的所述加熱腔體環繞包圍，所述加熱腔體的外壁為透光層，所述透光層外側布置有太陽能聚光集熱裝置，以對太陽光匯聚並使其能夠透過所述透光層對所述加熱管簇內的工質進行加熱，所述加熱腔體設置有所述燃燒加熱裝置與所述煙氣出口，所述加熱管簇由若干加熱管排布形成，所述加熱管簇的工質入口連接回熱器，所述加熱管簇的工質出口連接膨脹腔。
7.優選地，所述加熱腔體形狀設置為蘑菇狀。
8.優選地，若干所述加熱管對應所述加熱腔體的形狀排布形成為蘑菇狀的所述加熱管簇。
9.優選地，所述燃燒加熱裝置設置於透光層上，所述煙氣出口與所述燃燒加熱裝置相對設置，所述燃燒加熱裝置包括燃燒器、燃料入口和助燃氣體入口，所述燃料入口和所述助燃氣體入口均連通所述燃燒器，所述燃燒器連通所述加熱腔體內部。
10.優選地，所述燃燒加熱裝置還包括遮光板，所述遮光板設置在所述燃燒器外側面上，以能夠避免所述燃燒器被太陽光過度照射。
11.優選地，所述透光層為雙層玻璃罩，所述雙層玻璃罩的夾層為真空層。
12.優選地，所述加熱管的外壁布置有翅片或肋片。
13.優選地，所述太陽能聚光集熱裝置包括聚光鏡，所述聚光鏡為拋物面反射鏡，所述聚光鏡的反射面與所述透光層外表面對應設置。
14.具體地，所述聚光鏡為單塊拋物面反射鏡或多塊拋物面反射鏡拼接組成。
15.優選地，還包括太陽光跟蹤轉動設備，所述太陽光跟蹤轉動設備與所述太陽能聚光集熱裝置連接，以驅動所述太陽能聚光集熱裝置追蹤太陽光。
16.通過上述方案，本發明的有益效果如下：
17.本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的加熱腔體的外壁為透光層，通過太陽能聚光集熱裝置對太陽光匯聚並使太陽光透過透光層對加熱管簇進行加熱，使加熱管簇內的工質受熱，進行膨脹做功，且在太陽能不足的情況下，能夠通過燃燒加熱裝置燃燒燃氣產生高溫煙氣作為輔助熱源，從而對加熱管簇內的工質進行加熱，太陽能與輔助熱量的複合熱源設置，使得在使用清潔能源，節省燃氣供熱所需燃料的同時，確保斯特林發動機能夠高效率、全天候工作，提高可靠性，且將透光層設置在加熱腔體的外壁上，能夠增大太陽能的吸熱面積，提高太陽能的利用效率。
18.本發明的其他特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。
附圖說明
19.附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中：
20.圖1是本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的一種具體實施例的結構示意圖；
21.圖2是本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的一種具體實施例的外觀輪廓示意圖；
22.圖3是加熱腔體的一種具體實施方式的形狀示意圖；
23.圖4是加熱腔體的另一種具體實施方式的形狀示意圖；
24.圖5是加熱管簇的一種具體實施方式的排布示意圖；
25.圖6是加熱管簇的另一種具體實施方式的排布示意圖；
26.圖7是加熱管簇的一種具體實施方式的結構示意圖；
27.圖8是加熱管簇的另一種具體實施方式的結構示意圖；
28.圖9是煙氣出口的排布示意圖；
29.圖10是聚光鏡的一種具體實施方式的太陽能聚光方式示意圖；
30.圖11是聚光鏡的另一種具體實施方式的太陽能聚光方式示意圖。
31.附圖標記說明
32.1加熱腔體
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101透光層
33.2加熱管簇
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3燃燒加熱裝置
34.301燃燒器
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302燃料入口
35.303助燃氣體入口
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304遮光板
36.4煙氣出口
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5工質入口
37.6工質出口
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7回熱器
38.8膨脹腔
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9聚光鏡
39.10活塞
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11冷卻器
40.12太陽光線
具體實施方式
41.以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明，應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，本發明的保護範圍並不局限於下述的具體實施方式。
42.在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「形成」、「連通」、「設置」、「連接」等應做廣義理解，例如，連接可以是直接連接，也可以是通過中間媒介進行間接的連接，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或者是一體連接；可以是直接連接，也可以是通過中間連接件間接連接，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
43.在本發明中，在未作相應說明的情況下，採用的方位詞「頂部」、「底部」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，所接觸的僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制；對於本發明的方位術語，應當結合實際安裝狀態進行理解。
44.本發明提供了一種複合熱源斯特林發動機加熱系統，參見圖1，本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統包括加熱腔體1、加熱管簇2、燃燒加熱裝置3和煙氣出口4，加熱管簇2被設置在其外部的加熱腔體1環繞包圍，加熱腔體1的外壁為透光層101，透光層101設置在外壁上，能夠增大太陽能的吸熱面積，提高太陽能的利用效率，該透光層101外側布置有太陽能聚光集熱裝置(圖1中未示出)，太陽能聚光集熱裝置能夠將太陽光匯聚，並將匯聚之後的太陽光透過透光層101對加熱管簇2內的工質進行加熱，加熱腔體1設置有燃燒加熱裝置3與煙氣出口4，加熱管簇2由若干加熱管排布形成，加熱管簇2的工質入口5連接回熱器7，加熱管簇2的工質出口6連接膨脹腔8，經過冷卻器11的工質進入回熱器7內初步加熱，再進入加熱管簇 2內進行完全加熱，經過完全加熱後的工質升溫進入膨脹腔8內膨脹，從而驅動活塞10做功，維持斯特林發動機的運行。在太陽光充足時，完全利用太陽能對加熱管簇2內的工質加熱，節省燃料成本；在太陽光存在但不充足時，能夠利用燃燒加熱裝置3產生高溫煙氣，高溫煙氣進入加熱腔體1內與加熱管簇2內的工質熱交換，放熱後的煙氣通過煙氣出口4排出，高溫煙氣與太陽能共同對加熱管簇2內的工質進行加熱，從而使加熱管簇2內的工質升溫，彌補太陽能不足的缺點，滿足斯特林發動機做功的連續性和穩定性；在沒有太陽光的情況下，可以完全利用燃燒加熱裝置3產生的高溫煙氣對加熱管簇2內的工質進行加熱，使斯特林發動機能夠全天候工作運行。需要說明的是，加熱管簇2內的工質類型不限定，優選為惰性氣體氦氣，還可以為氫氣、空氣和氮氣等氣體。還需要說明的是，工質入口5可以是構成加熱管簇2的加熱管的管口直接連接回熱器7形成，也可以是加熱管的管口共同連接集氣
管，再通過集氣管連接回熱器7形成；同理，工質出口6可以是構成加熱管簇2的加熱管的管口直接連接膨脹腔8形成，也可以是加熱管的管口共同連接集氣管，再通過集氣管連接膨脹腔8形成。
45.為了在不增加斯特林發動機加熱腔體1體積的前提下，增加太陽光吸收面的佔比，以及減少散熱面的比例，參見圖1和圖2，加熱腔體1的形狀設置為蘑菇狀，基於圖1和圖2所示方位，加熱腔體1的頂部和側部為透光層 101，即透光層101為蘑菇狀加熱腔體1的傘部外壁，加熱腔體1的頂部和側部均可以供太陽光透過以對加熱管簇2內的工質進行加熱，在加熱腔體1 外壁總表面面積一定的情況下，增加了有效吸熱面的佔比，減少了散熱面的佔比，從而增加管內工質的吸熱量，工質出口溫度提高，做功能力增強，提升了斯特林發動機的效率。
46.進一步地，作為本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的一種優選實施方式，參見圖1，若干加熱管對應加熱腔體1的形狀排布形成為蘑菇狀的加熱管簇2，基於加熱腔體1外形(類似蘑菇狀)的加熱管排布形式，能夠使加熱管充分利用加熱腔的體積，在加熱腔體1體積一定的條件下增加工質吸熱量，或在工質吸熱量一定的條件下減少加熱腔體1的體積，提升了加熱腔體1的空間利用效率，更加符合斯特林發動機緊湊性的特點，且在使用燃燒加熱裝置3產生高溫煙氣進行加熱時，蘑菇狀排布形式的加熱管簇2對煙氣的擾動能力強，提高熱交換率。具體地，加熱管的形狀為類「u」形，由內管段和外管段相互連接形成，外管段相比於內管段更加靠近加熱腔體1的外壁，外管段形成的加熱管簇2的外圍和內管段形成的加熱管簇2的內圍均對應加熱腔體1的形狀呈蘑菇狀排布。需要說明的是，上述技術方案中所述的「蘑菇狀」可以為「類蘑菇狀」，例如，圖3所示的加熱腔體1的形狀為圓蘑菇狀，加熱腔體1的底部與側部的連接處截面為圓弧，圖5所示的加熱管簇2的排布形式對應該加熱腔體1的形狀，加熱管簇2的內管段對應加熱腔體1的底部與側部的連接處為圓弧彎曲管段，加熱管簇2的外管段對應加熱腔體1的底部與側部的連接處為圓弧彎曲管段；圖4所示的加熱腔體1的形狀為方蘑菇狀，加熱腔體1的底部與側部的連接處截面為直角，圖6所示的加熱管簇2排布形式對應該加熱腔體1的形狀，加熱管簇2的內管段對應加熱腔體1的底部與側部的連接處為直角彎曲管段，加熱管簇2的外管段對應加熱腔體1的底部與側部的連接處為直角彎曲管段。
47.作為本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的一種優選實施方式，參見圖1，燃燒加熱裝置3設置與透光層101上，煙氣出口4與燃燒加熱裝置3 相對設置，基於圖1中的所示方位，具體地，燃燒加熱裝置3設置在透光層 101的頂部，且位於加熱腔體1的中心軸線上，煙氣出口4設置在加熱腔體 1的底部，使燃燒加熱裝置3產生的高溫煙氣能夠貫穿整個加熱腔體1，對加熱管簇2內的工質進行充分加熱，更優選地，參見圖9，煙氣出口4設置有多個，煙氣出口4的數量應滿足煙氣排量的需求，煙氣出口4沿加熱腔體 1的中心軸線周向均勻分布，以能夠確保煙氣排出的流暢性，及時排出放熱後的煙氣，避免與新進入的高溫煙氣產生熱交換。具體地，燃燒加熱裝置3 包括燃燒器301、燃料入口302和助燃氣體入口303，燃料入口302和助燃氣體入口303均連通燃燒器301，可燃氣體通過燃料入口302進入燃燒器301，助燃氣體通過助燃氣體入口303進入燃燒器301，燃燒器301點火燃燒，從而產生高溫煙氣，燃燒器301連通加熱腔體1內部，高溫煙氣進入加熱腔體 1內部對加熱管簇2內的工質進行加熱升溫。需要說明的是，上述可燃氣體優選為天然氣，也可以為其它清潔燃料，例如：液化石
油氣、煤氣、酒精等；上述助燃氣體優選為空氣，空氣中含有氧氣，且容量大，獲得途徑方便，為了使燃燒更加充分，也可以使用氧氣含量高的混合氣體或純氧氣。
48.另外，在使用太陽能進行加熱時，由於太陽光是經過太陽能聚光集熱裝置匯聚再透過透光層101對加熱管簇2內的工質進行加熱，因此為了避免太陽光長時間對燃燒器301進行照射，造成燃燒器301的損壞，參見圖1，燃燒加熱裝置3還包括遮光板304，遮光板304設置在燃燒器301外側面上，能夠對太陽光進行遮擋。
49.作為本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的一種優選實施方式，透光層101為雙層玻璃罩，太陽光能夠很好的穿過雙層玻璃罩射入加熱腔體1內部，且為了增強透光層101的隔熱性，減少加熱腔體1的熱量流失，雙層玻璃罩的夾層為真空層。另外，為了滿足加熱量的需求，可以在雙層玻璃罩的表面塗有吸收塗層，例如電鍍黑鉻塗層、黑鎳塗層、mo-al2o3金屬陶瓷塗層和mo-sio2塗層等，以加強對太陽光的吸收。
50.作為本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的一種優選實施方式，參見圖8，在加熱管的外壁布置有翅片或肋片，以增加加熱管的外表面換熱面積，提升換熱效果。需要說明的是，加熱管也可以為圖7所示的光滑加熱管。
51.作為本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的一種優選實施方式，參見圖10和圖11，太陽能聚光集熱裝置包括聚光鏡9，聚光鏡9為拋物面反射鏡，聚光鏡9的反射面與透光層101外表面對應設置，在本發明的複合熱源斯特林發動機加熱系統進行運行時，聚光鏡9的反射面應正對太陽光線12 入射方向，從而將太陽光線12進行收集並反射，拋物面反射鏡依靠自身形狀的特性將反射的太陽光線12進行匯聚，並透過透光層101射入加熱腔體1 的內部，對加熱管簇2內的工質進行加熱。需要說明的是，聚光鏡9還可以為菲涅爾反射鏡，將太陽光線12進行匯聚，以增強射入加熱腔體1內的太陽光強度。
52.參見圖10，聚光鏡9可以為單塊拋物面反射鏡，以對太陽光匯聚並將其反射進加熱腔體1內對加熱管簇2內的工質進行加熱；聚光鏡9也可以為多塊拋物面反射鏡拼接組成，參見圖11，多塊拋物面發射鏡可以根據透光層 101的外表面形狀進行布置，從而能夠使經過匯聚並反射的太陽光線12更多的射入加熱腔體1的內部。
53.作為本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的一種優選實施方式，本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統還包括太陽光跟蹤轉動設備(圖中未示出)，該太陽光跟蹤轉動設備與太陽能聚光聚熱裝置連接，以驅動太陽能聚光集熱裝置追蹤太陽光，太陽光跟蹤轉動設備為現有技術，具體地，太陽光跟蹤轉動設備由傳感器、控制器和轉動裝備組成，傳感器包括跟蹤傳感器和照度傳感器，跟蹤傳感器用於檢測太陽的方位角和高度角，傳感器由5隻光電二極體和指日棒組成，其中用於檢測方位角的一對光電二極體對稱安裝在指日棒的東西兩側，用於檢測太陽由東向西運動的偏轉角度；用於檢測高度角的一對光電二極體對稱安裝在指日棒的南北兩側，用於檢測太陽的高度，在指日棒的頂端安裝一隻光電二極體構成照度傳感器，用於檢測太陽的輻射強度，當太陽光線12發生傾斜時，跟蹤傳感器輸出方位角偏離信號和高度信號共同構成的傾斜信號，並將該傾斜信號放大傳輸給控制器，控制器接收信號，並控制轉動設備驅動太陽能聚光集熱裝置轉動調整角度，使其正對太陽光，確保光照強度。需要說明的是，在太陽能聚光集熱裝置轉動時，加熱腔體1應隨之轉動，確保經太陽能聚光集熱裝置匯聚後的太陽光能夠透過所述透光層101對所述加熱管簇2內的工質進行加熱。
54.為了更好地理解本發明的技術方案以及技術效果，以下對結合相關試驗數據和優選技術特徵進行說明。
55.在本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的具體實施例中，加熱腔體1 形狀設置為蘑菇狀，最大徑向截面直徑為285mm(該徑向截面垂直於加熱腔體1的中心軸線)，頂部到底部高為170mm，體積約為871136mm3，透光層101為雙層玻璃罩，其中間的真空層的厚度為10mm，透光層101的外壁面積為510900mm2，其中，太陽能集熱面積約為510000mm2，相對於同體積下的立方體加熱腔體，本發明的加熱腔體1的太陽吸熱面積佔比可提高約 83％，相對於同體積下的高與直徑相等的圓柱形加熱腔體，佔比可提高約為 67％。本發明複合熱源斯特林發動機加熱系統的加熱腔體1在同體積的情況下，具有更大的太陽能吸熱面積，提高太陽能的利用效率，斯特林發動機能夠高效率的運行，節省燃氣供熱所需的燃料，為「碳中和」和「碳達峰」做出了貢獻，同時設置有燃燒熱源作為第二熱源，解決太陽能不穩定、不連續的特點，使得斯特林發動機能夠全天候工作，提高斯特林發動機的可靠性。
56.以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。
57.另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。
58.此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。