一种斯特林热机环形换热器
所属技术领域
本发明涉及一种换热器，具体为一种斯特林热机环形换热器。
背景技术
换热器是斯特林热机的重要部件，加热、冷却、回热都需要换热器。目前，斯特林热机加热普遍采用管式换热器或翅片式换热器；冷却主要是用水冷换热器；回热都用蓄热式换热器。综合平衡换热器通流容积、工质流阻损失、热交换能力三者的矛盾，是各类换热器必须遵循的原则。
现有斯特林热机的支管式加热器，以多管并联方式，相同通流容积比全管式加热器工质流阻小，热交换能力增强，同时也产生了各管工况容易失衡的新问题；现有斯特林热机的冷却器，要满足热交换能力的需求，又受通流容积和工质流阻限制，只好采用传热能力大的水冷方式。形成这种局面的原因，一是现有斯特林热机的主体结构不合理，提供的换热表面不够；二是现有换热器设计理念上，没有多工作腔换热器表面共用的意识，利用处于非吸热或放热过程工作腔换热器的吸热或放热表面的传热能力。
对于加热器，热量从外部热源传到工质，要经外部热源与加热器外表面换热、加热器外表面到内表面传热、加热器内表面与工质换热这三个过程。外部热源与加热器外表面换热决定了加热器的换热能力。对于冷却器，热量从工质传到外部热源，要经工质与冷却器内表面换热、冷却器内表面到外表面传热、冷却器外表面与外部热源换热这三个过程。冷却器外表面与外部热源换热决定了冷却器的换热能力。所以，无论是加热器还是冷却器，通流容积和工质流阻一定的前提下，外表面的换热面积是换热能力的决定因素。
2007年12月申请中国专利的斯特林可逆热机，通过冷却器向二级密封腔内的高密度工质散热，再由二级密封腔内的高密度工质，经散热表面很大的二级密封腔壁及其外表面向空气散热，直接采用风冷。这就是通过改变主体结构增强换热能力实例。多工作腔斯特林热机，完全可以将所有加热器，或所有冷却器设计为一个整体，为各工作腔轮流换热。然而，从菲利浦公司设计的4-235型四工作腔菱形传动斯特林发动机、4-65DA斜盘传动四工作腔斯特林发动机，到联合斯特林发动机公司研制的双曲轴传动四工作腔斯特林发动机，其加热器和冷却器都是各自独立运行。
发明内容
本发明的目的是解决多个工作腔斯特林热机现有加热器或现有冷却器各自独立运行，导致换热能力不足、冷却器不能实行风冷、制作难、成本高等问题。提供一种所有加热器或换热器一体、及时吸热或放热、直接风冷、造价低廉的换热器。
为了实现上述目的，本发明的方案是：其结构包括一个环形换热器主体及其两端各有的多个连接管。环形换热器内呈中心对称分布换热通道两条以上，对称中心是中央通道中心，各换热通道两端各有一个连接管，换热通道之间的换热壁内有多个换热孔，环形换热器表面布满换热片。
所述环形换热器的换热通道数与斯特林热机工作腔数相等。
所述环形换热器中央通道内可安置热机转子轴，也可作换热流体流动通道。
所述环形换热器换热壁内的换热孔，是换热流体流动通道。
所述环形换热器的换热通道是直线型或螺旋型，直线型换热通道平行于中央通道，螺旋型换热通道在环形换热器内呈螺旋状。
所述环形换热器的换热通道内有多层错层、交错的换热片，增大了工质换热面积，减小了通流容积。
所述环形换热器的换热通道内的连通空间是工质流动通道。
所述环形换热器的侧面与气缸接触面的形状与气缸外形吻合，或两者做成一个整体，使换热器能直接与气缸内的工质换热。
所述环形换热器的材质要求耐高温、耐高压、导热性好。
本发明的优点在于： 一是将多个工作腔斯特林热机各自独立的换热器合为一体，满足了处于各热力学过程的工作腔的换热需求。二是有效增大了换热器与热源间的换热面积，增强了换热能力，完全可以用风冷系统取代现有的水冷系统，运行更可靠。三是用于太阳能热发电的斯特林热机，阳光直接照射换热器端面，换热效果比加热管好。四是尤其适用于斯特林可逆热机，空间利用充分，整机体积更小。作为冷却器，环形换热器中央通道内正好安装热机转子轴，冷却工质正好沿热机转子轴向流动；作为加热器，环形换热器中央通道可作加热流体的主要通道。
附图说明
为便于比较和理解，就以四工作腔斯特林热机环形换热器为例阐述。
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明中心部份结构示意图；
图3是本发明换热通道局部示意图。
图1是四工作腔斯特林热机环形换热器，两端各有四个连接管。环形换热器内呈中心对称分布四条换热通道，各换热通道两端各有一个连接管，换热通道之间的换热壁内有三个换热孔，环形换热器表面布满换热片，环形换热器的换热通道内，是工质纵向流动通道和工质横向流动通道相间连通形成的工质流动通道。
图2是四工作腔斯特林热机环形换热器，沿换热壁剖除部分换热通道后的中心部份结构示意图。
图3是四工作腔斯特林热机环形换热器，沿换热壁剖切下来的换热通道局部示意图。
具体实施方式
图1所示的斯特林热机环形换热器，可用作斯特林可逆热机的加热器和冷却器。作为加热器，布置在热量流入端的四个气缸中间，对称中心线和热机转子轴线重合，外侧和气缸面接触。加热器一端的四个连接管分别与热量流入端的四个气缸连通，另一端的四个连接管分别与回热器一端的四个连接管连通。作为冷却器，布置在热量流出端的四个气缸中间，外侧和气缸面接触。对称中心线和热机转子轴线重合，热机转子轴正好从换热器中央通道内通过，与电机转轴相联。冷却器一端的四个连接管分别与热量流出端的四个气缸连通，另一端的四个连接管分别与回热器另一端的四个连接管连通。形成了四个工作腔。工作腔的容积为热量流入端气缸、加热器工质流动通道、回热器工质流动通道、冷却器工质流动通道、热量流出端气缸连通后的容积之和；工作腔的通流容积只包含加热器工质流动通道、回热器工质流动通道、冷却器工质流动通道的容积之和，是固定不变的。
环形换热器作加热器和冷却器，通流容积较现有加热器和冷却器大幅减小，回热器采用通流容积较小的逆流换热式回热器（中国专利 201110006278.6），整个工作腔的通流容积变得更小，热机性能更好。
本发明的工作过程是：热源流体沿热机轴线垂直流向加热器一个端面，并经中央通道、换热孔、加热器侧面流向另一端。在此过程中，热源流体将热量传到加热器表面，完成加热。处于等容吸热过程工作腔和处于等温膨胀过程工作腔在吸热，处于等容放热过程工作腔和处于等温压缩过程工作腔不吸热。整个加热器表面吸收的热量主要供给吸热量大的等容吸热过程工作腔。冷却器工作过程和加热器正好相反，热机转子上的涡轮将工质沿热机轴线垂直吹向冷却器一个端面，并经中央通道、换热孔、冷却器侧面流向另一端。在此过程中，工质将热量从冷却器表面带走，完成冷却。