CN1650101B - 包含再生加热器的斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

一种用于加热外燃机(2)的加热头部(3)的再生加热器(100)包括一具有部分地包围着燃烧室(1)的轴向流程段(11、12)的再生热交换器。燃烧产品经过再生热交换器进入一包围着轴向流程段(11、12)并且包括一由一水套(16)在外部环绕着的圆柱形废气通路(15)的冷凝废气热交换器。来自水套(16)的水可循环至一热负载。加热器的一顶盖(17)与加热头部(3)或发动机的热端相对。内气室和外气室(6、18)形成于燃烧室壁(5)与顶盖(17)之间，并且进入空气在其进入外气室(18)、经过轴向流程段、进入内气室(6)、然后进入燃烧室(1)时分阶段进行加热。

Description

包含再生加热器的斯特林发动机

技术领域

本发明整体涉及一种包含再生加热器的斯特林发动机，并且更特别而言，涉及一种带有一废气热交换器的再生加热器。最特别地，本发明涉及一种用于向在热电联合系统中所使用的斯特林发动机供应操作热量的加热器。

背景技术

许多闭合循环热动力机器利用来自一高级源的热来操作，该源通常呈矿物燃料燃烧炉的形式，用于直接加热一与机器形成一体的热交换器或加热头部。斯特林发动机就是这种外燃热动力机器的一个实例。

斯特林发动机良好地适用于热电联合(或者说热电联供)应用并且提供了显著的潜在优点。斯特林发动机具有一低排放外燃系统，因而容许使用多种燃料，防止了内部零件被燃烧产物污染，并且提供了安静的操作。然而，为了在大量销售的系统中实现这些优点，不仅工作使用期限、噪声和排放问题很重要，而且燃料使用效率和保持一冷的发动机舱也是关键因素。为了达到最大效率，需要回收一部分潜能，以及在燃烧过程中形成的水蒸气的显热。而且，特别是对于家庭应用来说，系统的尺寸、成本、结构简单性和维护都是非常重要的因素。

在专利WO/9940309中，描述了申请人设计的一种燃烧炉，其用于斯特林发动机中。在其中所用的加热系统中，来自燃烧炉的燃烧产物首先通过一热交换器或加热头部传送以便将热量传送至斯特林发动机的工作流体。这种紧凑型燃烧炉在设备中提供了再生热交换装置，其可以经济地制造。当使用于一微热电联合系统中时，来自燃烧炉的废气被送至一分离的(优选冷凝)废气热交换器中以便生产空间所用的热水和加热饮用水。

然而，这种类型的构型在使用常规型废气热交换器的这种及其它系统中引起了不少缺点。这些缺点主要源自将热交换器作为后来的加入物并入发动机中，而非作为一种一体式发动机设计元件。特别地，常规型系统中的缺点包括：

●热交换器需要通过某种形式的联接装置或管道连接至发动机废气。在一种典型构型中，一刚性地安装的热交换器被连接于一安装于隔振器上的发动机上并且因此需要一柔性废气联接装置。生产可靠的废气联接装置的复杂性和成本因为苛刻的环境条件而被增加，包括因为腐蚀性高温废气的作用。

●热量直接从联接装置处损失。非一体式柔性废气联接装置的固有设计约束妨碍了热损失的有效防止。

●受约束和/或非均匀的气体流。

●制造和操作系统复杂性进而成本增加。

●热量只能从废气回收而不能从其它热的发动机表面/部件回收。

●需要使用包围着发动机的分离热绝缘装置来防止热损失以及防止外表面温度不合要求地升高。

●需要附加的热交换器流体连接。

●系统尺寸增加。

●系统重量增加。

本发明的一个目的是解决前述问题或者至少向公众提供一种有用的选择。

通过阅读仅通过举例说明给出的随后描述，将可以清楚本发明的更多方面及优点。

本说明书中引用的任何出版物在此都引入作为参考，然而这并不意味着承认本文件形成了本发明所述领域中的部分普通常识，无论是在新西兰还是任何其它国家。申请人保留权利来质询此处所引用的任何出版物的相关性，或者质询在所引用的出版物中做出的任何主张的准确性。在本文中使用时，词“包括”意味着“包括但并不限于”，并且其派生词也具有与此相应的意义。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种斯特林发动机，包括：用于在一构制成将热传送至发动机的一加热头部的燃烧室中燃烧燃料的装置；一适用于接纳来自燃烧室的燃烧产物的再生热交换器，这种再生热交换器迫使进入空气与燃烧产物形成热交换关系，以便在进入空气被送至燃烧室之前通过来自燃烧产物的传热来加热进入空气；以及一适用于接纳来自再生热交换器的燃烧产物的废气热交换器，这种废气热交换器迫使所述进入空气之外的另一流体与燃烧产物形成热交换关系，以便通过来自燃烧产物的传热来加热该另一流体，燃烧室在外面由燃烧室壁定界，在里面由发动机的加热头部定界，该再生热交换器在发动机的加热头部的上方延伸，该再生热交换器至少部分地包围着燃烧室，并且废气热交换器至少部分地包围着再生热交换器，这样，燃烧产物经过燃烧室到达再生热交换器，以加热进入空气，并接着到达废气热交换器以加热所述另一流体，其中，废气热交换器包括所述另一流体流过的套，该套至少部分地包围着废气通路，燃烧产物经过该废气通路来加热该另一流体。

还应当理解，所述流体可为任何能够将热从热燃烧部分传走的可流动气体或液体，包括但并不限于水、油和空气。

优选地，所述流体热交换器适于接纳来自热燃烧部分的燃烧产物以与所述流体形成热交换关系。

通过根据以上构型将废气热交换器并入一斯特林发动机中，就实现了许多优点。

首先，实际上所有在燃烧部分中产生的热都可流入交换器流体中，因而显著增加了从燃料中回收能量的效率。

其次，由于热交换器可作为发动机结构的一个刚性固定的部分形成，因此在热交换器与来自燃烧部分的燃烧产物出口之间就不需要柔性联接装置。这可以降低制造和系统成本及复杂性，同时提高可靠性。

而且，热交换器可构制成将一均匀负载加于发动机上，而不是由于利用或者不用一柔性联接装置来将外部热交换器连接于高温燃烧废气出口上而造成一不对称重量负载被加于发动机上。

因此，根据本发明的另一个方面，所述流体热交换器位于环绕着所述燃烧部分的位置以便将一对称重力负载加于发动机上。

本发明优于现有技术的更多优点包括：

■排出热交换器的废气处于低温并且仍然需要的任何柔性管道/联接装置可由便宜的适用材料如柔性聚合物形成；

■燃烧废气流可构制成均匀地分布；以及

■一再生加热器(即，一使用燃烧产物来预热一种或更多预燃烧组分例如空气的热交换器)可容易地并入发动机设计中。

通过至少部分地包围着燃烧室和再生热交换器，套中的流体就能够吸收否则可能就会损失的热。流体优选地为一在套内循环流通的液体(例如水)。废气热交换在燃烧产物送往管道之前，在单次轴向流程中进行。优选地这个单程近似于与通过套内的流体流进行的逆流作用。燃烧产物优选地经过一与套的内壁相邻的圆柱形通路。提供了用于改善从燃烧产物传热的装置，优选地包括形成于水套内壁中并且伸入废气通路中的翼片。

优选地，再生热交换器包括多个平行的长通道，它们包括相交替的燃烧产物通道和与其相邻的进入空气通道，以便在其间进行热交换。通道至少部分地包围着燃烧室，并且每个燃烧产物通道的第一端从燃烧室接纳燃烧产物，而每个燃烧产物通道的相对另一端向废气热交换器提供燃烧产物。通道形成于两个邻接着带波纹的薄传热导向器的波峰的同轴柱形表面之间。

优选地，废气热交换器通过一隔热体与再生加热器轴向流段相隔离。

优选地，再生热交换器还包括一外侧空间或气室，其位于与加热器的外表面相邻的位置处并且适于使得被引入外气室中的进入空气冷却外表面。外表面可为一与加热头部或发动机的热端相对的顶盖，水套为侧面定界而顶盖为加热器的顶部定界。优选地，再生热交换器还包括一内封罩或气室，其通过一传热壁与外气室相隔离，内气室位于外气室内侧，位于一基本上由燃烧室的壁和传热壁所定界的空间中，并且适于使得来自外气室的进入空气流过通道进入内气室中，然后由其进入燃烧室。在位于外气室与内气室中的燃烧空气之间，以及在位于内气室中的燃烧空气与燃烧室中的燃烧产物之间的成对的流路是逆流流程。

优选地，在废气热交换器中，燃烧产物受到冷却以便引起至少一部分燃烧产物冷凝。

最优选地，加热器被安装于一形成了一用于提供热和电的热电联合系统的一部分的斯特林发动机上，发动机驱动着一发电机并且将由发动机和废气热交换器加热的流体供至一加热回路。替代地，加热器可用于其它外燃机中以便提高单个紧凑型设备中的能量效率。

加热器为紧凑型并且容易制造。在不带外部绝热的情况下，所有的外部部件都不会存在烧着用户的危险，水套冷却侧面而气室设置结构冷却顶盖。其在操作使用时非常高效，可以经济地进行构造，并且具有简单的总体设计从而将制造成本减至最小而将性能提至最高，并且通过提供一基本上模块化的设计而简化了维护工作。

在一个替代实施例中，来自发动机外部的附加热产物(通常为空气和/或燃烧产物)可以被引入从再生加热器送至废气热交换器的来自发动机燃烧产物的流中。

这种构型特别适用于家庭环境中，这里由废气热交换器所产生的热流体需要由附加燃烧炉补充以便提供全部家庭需求。

附图说明

通过阅读仅通过举例说明给出的以下详细描述并参照附图，将可以清楚了解本发明的更多方面，图中：

图1为穿过本发明的再生加热器的中心平面的半剖视图；以及

图2为沿图1的线X-X剖开的一小部分剖视图。

具体实施方式

参看图1和2，本发明的再生加热器100的第一优选实施例被安装于一斯特林发动机2上。

在优选实施例中所示的确切构型仅为本发明范围内的众多可能实现方式的一个实例。

如图中所示，本发明被集成于一具有一轴线A的斯特林发动机2的结构中，其带有按正方形设置的四个立式气缸30。加热器100的主要部件基本上关于平行于气缸30的轴线C延伸的轴线A对称。加热器100包围着发动机2的热端或加热头部3并且用于加热一燃烧室1以便向发动机2供应工作热量。优选地，加热器100形成一微热电联合系统(未示出)的部分，其中电能来自于发动机2并且加热器100还向一负载(未示出)供热。

在加热器100的顶部的中心位置上，提供有一燃料分配器4(示意性示出)，燃料(例如天然气、柴油之类)可以通过其供向燃烧室1。燃烧室1在外面由一圆盖形燃烧室壁5a定界，而在里面由发动机2的加热头部3和一位于中心的绝热体31定界。燃烧室壁5a为一壳体5的一段，壳体5还包括一被一更大直径的同轴外围部分5c所包围的中间圆柱形部分5b。

一进入空气在其被预热时穿过其中的再生热交换器(未单独编号)包括一内室或气室6、一外壳或气室18和一包括相应地交替的进入空气和废气通道11和12的沿轴向延伸的单程空气/废气逆流段(在图2中看得最清楚)。

内气室6为一位于燃烧室1外侧的空间。内通道11的圆柱形壁8沿径向与圆柱形部分5c相隔开，并且连于传热壁7，即立式圆锥形气室壁7上，以便将壁8相应地分成下段8a和上段8b。内气室6基本上由壳体段5a和5b、下圆柱形段8a和圆锥形气室壁7定界。

进入空气和废气通道11和12由容纳于一位于圆柱形壁8与沿径向相隔离的圆柱形绝热体27之间的空间中的波纹导向器26形成。进入空气通道11形成于导向器26的内侧上，波纹的波峰与圆柱形壁8相接触以便在其间封装一通路11。燃烧产物通道12类似地形成于导向器26的外侧上并且由绝热体27限定，以便使得通道11和12沿径向方向相交替并且形成一环绕着燃烧室1的环。波纹导向器26的上端固定于一圆盘形顶盖17上而其下端由一环9连接于壳体5的下外围边缘。

外气室18为一形成于圆锥形气室壁7、上圆柱形段8b和顶盖17之间的空间。顶盖17封装着加热器100的顶部并且容纳着燃料分配器4。顶盖17在内水套壁13之间延伸并且带有一环绕着其周长的密封件19。燃烧空气通过一位于顶盖17中的开口20供应至外气室18中。

一用于从废气中排出热的废气热交换器(未单独编号)呈一沿轴向延伸的单程废气/水逆流段的形式，其包括一带翅片的废气通路15和一相邻的圆柱形水套16。废气热交换器至少部分地包围着燃烧室1和再生热交换器以便截获沿径向向外流出的热。

燃烧室1和再生热交换器位于部分地包围着它们的水套16内。圆柱形水套16环绕着加热器100，并且相应地具有内壁13和外壁14。水入口23和水出口24分别位于水套16的下端和上端。水入口和出口23、24连接于一用于向负载(例如用于空间或饮用水加热)供热的回路(未示出)上。挡板(未示出)引导水流均匀地流过水套16。

环形通路15形成于内水套壁13与一毗邻着绝热体27的外面的圆柱形废气通路壁10之间。热交换翼片25形成于内水套壁13上，延伸入通路15中。一具有管道22的冷凝物和废气室21在通路15的底部环绕着加热器100。

废气热交换器安装于发动机2的顶部上并且由铸铝水套16和分别制造的废气通路壁10装配而成。再生热交换器为一焊件，其中壳体5、圆柱形壁8、环9和波纹导向器26由不锈钢板形成。这个装置随后被沿轴向容纳于废气热交换器之内，在绕着加热头部3密封的绝热体31的外环上支承于一在部分5b与5c之间形成的肩部上。

从冷停止状态开始进行，首先是在起动操作中，燃料在燃料分配器4的底部处沿着路径F通过燃料分配器4供应，燃料和空气混合并被引至燃烧室1，在这里空气/燃料混合物被点燃并燃烧。

进入燃烧空气流入再生热交换器中并且沿着由图1中的线I示意性表示的路径前行。通过开口20供应的空气进入外气室18，冷却圆锥形气室壁7和顶盖17并且经过位于导向器26与圆柱形壁段8b顶部之间的沿圆周延伸的间隙进入通路11。在通路11中，空气由经过通路12中的逆流废气加热。在通路11的下端，空气流过位于下壁段8a与壳体部分5c之间的圆周开口进入内气室6。内气室6中的空气在燃烧室壁5a的一侧上方流过，对壁施加一冷却作用。空气通过燃烧室壁5a部分得到加热，然后被引导通过位于燃料分配器4的底部中的开口，在这里其与燃料在进入进行燃烧的燃烧室1之前混合。

图1中的线E示意性地表示了燃烧产物所遵循的路径。在从加热头部3上方流过之后，燃烧产物首先流过再生热交换器然后流过废气热交换器。从燃烧室1开始，燃烧产物沿径向流出，然后轴径向流动，在进入气室32之前对发动机2的加热头部3施加一加热作用，然后通过位于绝热体27与导向器26之间的圆周间隙进入通道12的下端。气室32直接位于一跨过燃烧室1的宽度的下部陶瓷绝热体33的上方，并且用于保护发动机免受腐蚀性燃烧产物和高温的影响。

壁10的上端沿轴向与顶盖17相隔离，从而提供了一空间，废气经过该空间进入通路15中。废气中的水蒸气向下流过通路15，在水套16中的水的冷却作用下至少部分地冷凝。冷凝物(未示出)和废气被收集于气室21中，它们通过管道22从气室21中排出。

水流过回路中的水套16(例如流至一负载——未示出)，其路径由在入口和出口23、24之间延伸的线W示意性地表示。

应当理解，加热器100中的辐射和对流传热在再生和废气热交换器中按照近似的逆流方式进行，热从内气室6流向外气室18，从燃烧室流向内室6，以及从通道11流向通道12(以便采用再生换热方式加热进入空气)，以及从通路15流向水套(以便从废气中回收热)。

尽管示出的为基本上封闭着发动机2的顶部，但应当理解，这主要是因为存在于申请人自己的斯特林发动机设计(如专利WO/9940309中所述)中的更多部件的构型。因此，废气热交换器可以设计成基本包围着发动机的较大部分或者甚至将其完全封闭。尽管还可以从位于更加远离燃烧过程的区域回收热量，但最大的热量自然地产生于邻近发动机的燃烧部分的区域中。

以上仅通过举例说明描述了本发明的方面，并且应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以对其做出改动和添加。

Claims (10)

1.一种斯特林发动机，包括：用于在一构制成将热传送至发动机的一加热头部(3)的燃烧室(1)中燃烧燃料的装置(4)；

一适用于接纳来自燃烧室(1)的燃烧产物的再生热交换器，这种再生热交换器迫使进入空气与燃烧产物形成热交换关系，以便在进入空气被送至燃烧室之前通过来自燃烧产物的传热来加热进入空气；以及

一适用于接纳来自再生热交换器的燃烧产物的废气热交换器，这种废气热交换器迫使所述进入空气之外的另一流体与燃烧产物形成热交换关系，以便通过来自燃烧产物的传热来加热该另一流体，

其特征在于，燃烧室在外面由燃烧室壁(5a)定界，在里面由发动机的加热头部(3)定界，该再生热交换器在发动机的加热头部(3)的上方延伸，该再生热交换器至少部分地包围着燃烧室，并且废气热交换器至少部分地包围着再生热交换器，这样，燃烧产物经过燃烧室到达再生热交换器，以加热进入空气，并接着到达废气热交换器以加热所述另一流体，其中，废气热交换器包括所述另一流体流过的套(16)，该套(16)至少部分地包围着废气通路(15)，燃烧产物经过该废气通路(15)来加热该另一流体。

2.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中热交换翼片(25)提供于套(16)的内壁(13)中，伸入废气通路(15)中。

3.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中再生热交换器包括多个平行的长通道(11，12)，它们包括相交替的燃烧产物通道(12)和与其相邻的进入空气通道(11)以便在其间进行热交换。

4.根据权利要求3所述的斯特林发动机，其中通道(11，12)至少部分地包围着燃烧室(1)，并且每个燃烧产物通道(12)的第一端从燃烧室接纳燃烧产物，而每个燃烧产物通道(12)的相对另一端向废气热交换器提供燃烧产物。

5.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中再生热交换器至少部分地被一绝热体(27)包围。

6.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中再生热交换器还包括一外气室(18)，其位于与加热器的外表面相邻的位置处并且适于使得被引入外气室中的进入空气冷却外表面。

7.根据权利要求6所述的斯特林发动机，还包括一内气室(6)，其通过一传热壁(7)与外气室(18)相隔离，内气室位于外气室内侧，位于一基本上由燃烧室(5a，5b，5c)的壁和传热壁(7)所定界的空间中，并且适于使得来自外气室(18)的进入空气流过通道(11，12)进入内气室(6)中，然后由其进入燃烧室(1)。

8.根据权利要求6所述的斯特林发动机，其中在位于外气室与内气室中的进入空气之间，以及在位于内气室中的进入空气与燃烧室中的燃烧产物之间的成对的流路是逆流流程。

9.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其还包括一可连接于一位于所述发动机外部的热源上的联接装置，所述联接装置允许外部加热的产物被加入到进入流体热交换器的来自燃烧室的所述燃烧产物中。

10.一种提供热和电的热电联合系统，该系统包括：如权利要求1所述的斯特林发动机，其中该系统包括：一源自废气热交换器的出口，用于将该另一流体供应到一加热回路；一位于废气热交换器中的进口，用于接收来自于该回路的另一流体；以及一发电机，该发电机可操作地连接于该斯特林发动机以发电。

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