專利名稱：太陽能斯特林發(fā)動機用u形通道腔式吸熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種太陽能斯特林發(fā)動機用的u形通道腔式吸熱器。
背景技術(shù)：
碟式聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)屬于太陽能高溫?zé)崂妙I(lǐng)域，是一種利用 太陽能進行熱發(fā)電的先進技術(shù)。該技術(shù)由于采用斯特林發(fā)動機作為動力機 械所以又稱為斯特林太陽能熱發(fā)電，它具有光熱轉(zhuǎn)換效率高，使用靈活， 單體能夠獨立發(fā)電等優(yōu)點，還具有規(guī)?；l(fā)電的潛力，如文獻[l]王亦楠.對
我國發(fā)展太陽能熱發(fā)電的一點看法.中國能源，2006， 28 (08): 5-10。
太陽能吸熱器作為太陽能斯特林發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，起著把聚焦 后的太陽能輸送到斯特林機內(nèi)部，進而加熱循環(huán)工質(zhì)的重要作用。 一個性 能優(yōu)良的太陽能斯特林發(fā)動機，其吸熱器應(yīng)該具有在高溫工作環(huán)境下熱傳 輸效率高，周向溫度場分布均勻，出口工質(zhì)溫度較高，能承受較高的工質(zhì) 壓力，使用壽命較長等特點。太陽能吸熱器性能的優(yōu)劣，是決定一臺太陽 能斯特林發(fā)動機工作性能好壞的關(guān)鍵因素之一。因此，如何設(shè)計一個吸熱 器，使其在最大限度的利用聚焦后的太陽能的基礎(chǔ)上，能盡可能的達到上 述要求，對于太陽能斯特林發(fā)動機的發(fā)展，具有十分重要的意義。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔 式吸熱器，該U形通道加熱結(jié)構(gòu)適用于太陽能斯特林發(fā)動機的吸熱器，在 高溫條件下工作時，具有周向溫度場較均勻，工質(zhì)出口溫度較高，能承受 較大的工質(zhì)壓力等優(yōu)點。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供的太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道 腔式吸熱器，其本體主要由圓柱腔體、吸熱器底板、下層頂蓋、中層頂蓋 和上層頂蓋組成，其中一圓柱腔體，在該圓柱腔體截面的壁內(nèi)開有若干個氣道，這些氣道在
垂直于氣體流動的方向上僅厚2mm。在每兩個氣道中間位置有一間隔肋， 該間隔肋的高度小于氣道的長度，將兩個氣道之間隔成一組U形通道，每
組U型通道的底部有一個進氣口和一個出氣口；
該圓柱腔體的上端與吸熱器底板連接固定；
一下層頂蓋，其一面為平面，另一面設(shè)有若干個由邊緣向中心延伸的 凹形的引氣槽道，且下層頂蓋的邊緣處開有若干個通氣口，該通氣口的位 置和數(shù)量與腔體上U形通道的進、出氣口的位置和數(shù)量相對應(yīng)；
所述的通氣口間隔地為進氣口和出氣口，其中，下層頂蓋的每一個進
氣口對應(yīng)于一組u型通道底部的進氣口，下層頂蓋的每一個出氣口對應(yīng)于
一組U型通道底部的出氣口；
該圓柱腔體的下端與下層頂蓋的平面相對地連接固定；
一中層頂蓋，其一面為平面，另一面設(shè)有若干個由邊緣向中心延伸的 凹形的引氣槽道，及氣體匯集的圓形區(qū)域，在圓形區(qū)域的中間開有圓孔，
連接固定一入口段；在每一引氣槽道的邊緣處各開有一通氣口；
該中層頂蓋的平面與下層頂蓋開有凹形引氣槽道的一面相對地連接 固定，中層頂蓋的各通氣口分別與下層頂蓋的出氣口對應(yīng)相連，該中層頂 蓋與下層頂蓋之間形成有氣道；
一上層頂蓋，與中層頂蓋設(shè)有若干個凹形的引氣槽道的一面相對地連 接固定，該上層頂蓋與中層頂蓋之間形成有氣道；由下層頂蓋、中層頂蓋 和上層頂蓋之間形成有把進入和流出圓柱腔體的氣體分開的兩層氣道；
該上層頂蓋的中間位置開設(shè)有圓口，連接一出口端，該出口端套在入 口段的外面，且出口端連接到上層頂蓋的一個端面上。
本實用新型的太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔式吸熱器中，圓柱腔 體截面的壁內(nèi)的若干個氣道，以及每兩個氣道中間位置的間隔肋為等距離 排列。
本實用新型的太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔式吸熱器中，吸熱器 本體固定在一外殼內(nèi)，吸熱器底板與外殼通過螺栓連接，該外殼與吸熱器 本體之間填充保溫材料。外殼為對稱的兩部分相扣而成，兩部分之間通過 螺栓連接固定為一體。本實用新型的效果是
本實用新型的吸熱器垂直于氣體流動方向的的氣道為等截面設(shè)計，這 種設(shè)計使得氣體在加熱過程中能盡可能流得平穩(wěn)，減小由于流道截面的收 縮與擴張帶來的壓力損失。在利用聚焦后的太陽能進行加熱氦氣或者空氣 的過程中，其內(nèi)部的U形通道加長了氣體的有效受熱路徑。加上保溫材料 良好的保溫效果，能夠使得出口氣體在壓力損失較小的情況下被加熱到較
高的溫度。同時，由于吸熱器本體的每一層固壁均采用2mm壁厚的不銹
鋼設(shè)計，因此在保證了高溫條件下具有較強的承壓能力的基礎(chǔ)上，還具有 很小的熱阻，從而使得本吸熱器的周向溫度場比較均勻。


圖la為本實用新型吸熱器的立體剖視圖，圖lb是圖la中的a部分放大圖。
圖2a為本實用新型吸熱器的圓柱腔體的立體示意圖，其中圖2b是圖 2a中的b部分放大圖。
圖3a為本實用新型吸熱器的下層頂蓋的立體示意圖，其中圖3b為圖 3a中的c部分放大圖。
圖4a為本實用新型吸熱器的中層頂蓋的立體示意圖，其中圖4b為圖 4a中d部分的放大圖。
圖5為本實用新型吸熱器安裝在外殼內(nèi)的剖面示意圖。
附圖中主要標(biāo)示說明
l吸熱器底板；2圓柱腔體；3下層頂蓋；4中層頂蓋；5上層頂蓋；6 入口段；7出口端；8入口蓋；9保溫材料；10吸熱器外殼。
具體實施方式
本太陽能斯特林發(fā)動機用u形通道腔式吸熱器，由吸熱器本體、保溫
材料層和吸熱器外殼三大部件組成。而其中核心的吸熱器本體部分又由吸 熱器底板、圓柱腔體、下層頂蓋、中層頂蓋、上層頂蓋、入口段、出口端 和入口蓋依次焊接而成。吸熱器本體的底板和外殼用螺栓連接，從而吸熱 器本體被支撐固定在外殼上。兩者之間是具有一定厚度的保溫材料層。吸熱器本體部分包括吸熱器底板、圓柱腔體、下層頂蓋、中層頂蓋、 上層頂蓋、入口段、出口端和入口蓋八個部件，全部采用耐高溫合金鋼材
料lCrl8Ni9Ti加工，采用無縫焊接技術(shù)依次焊接而成。
吸熱器底板為帶有IO個螺紋孔的環(huán)形擋板，厚2mm，中間的幵孔使 陽光入射進來。該吸熱器底板通過螺栓連接到吸熱器外殼上。
圓柱腔體非進出氣的一端焊接到吸熱器底板上，內(nèi)部開槽，在緊貼內(nèi) 壁的周向位置形成IO組完全相同的U形氣道，從而加長了氣體的有效受 熱路徑。氣道和單層固壁沿徑向的厚度均為2mm。腔體的內(nèi)徑視入射進來 的聚光斑的大小而定。每一個U形加熱氣道可分為兩條，其中一條是進氣 通道，而另一條則作為出氣通道。
下層頂蓋分為兩層，其下層部分作為本吸熱器腔體反射陽光的頂蓋而 直接焊接到圓柱腔體的頂部；其上層部分開有引氣槽道，并具有分氣作用 進來的氣體沿槽道邊緣的進氣通道分散流入圓柱腔體的U形通道的進氣 口，而從U形通道受熱之后出來的氣體由邊緣的IO個出氣通道直接通往 中層頂蓋。
中層頂蓋直接焊接在下層頂蓋的上面。中層頂蓋有兩層，其下層部分 直接焊接在下層頂蓋的上層表面；其上層部分有匯集從下層頂蓋流出氣體 的槽道，其槽道的邊緣部分開有狹長的進氣口。
上層頂蓋焊接在中層頂蓋上，并與中層頂蓋、下層頂蓋一起形成了兩 層氣道，把進入和流出本吸熱器的氣體分開。
入口段剛好穿過上層頂蓋中間的圓口，直接焊接在中層頂蓋的進氣口 的周邊上。出口端焊接在上層頂蓋上，與進口段一起組成了環(huán)形的出氣通 道，并將加熱后的氣體從垂直的方向引出。入口蓋直接焊接到入口段與出 口端相平齊的端面上。
保溫材料層采用進口石棉，最高耐溫在1300。C，保溫層厚50mm。
吸熱器外殼采用結(jié)構(gòu)鋼做成，由對稱的兩部分扣在一起，相接觸的安 裝邊用螺栓連接。
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的描述
如圖la所示，本實用新型的吸熱器本體部分由吸熱器底板1、圓柱腔 體2、下層頂蓋3、中層頂蓋4、上層頂蓋5、入口段6、出口端7和入口蓋8這八個部件自上而下依次焊接而成，這些零件均用耐高溫合金鋼材料
1Crl8Ni9Ti加工而成。
圖2a所示的圓柱腔體2的內(nèi)表面被陽光照射，其內(nèi)部被加工成10組 U形的氦氣通道(每兩條相鄰的長肋22和其間的一條短肋23以及它們之 間形成的氣道24構(gòu)成一組U形氣體通道)，這些氦氣通道是夾層式的，其 沿徑向的氣道厚度均為2mm。由圖2b可以看出，每組U型通道的底部有 兩個通氣口，其中一個是進氣口25，而另一個是出氣口26，則10組U形 通道共有IO個進氣口 25和IO個出氣口 26。如圖2a中所示，氦氣在每組 U形通道里走過一個U形的加熱路程。
下層頂蓋3、中層頂蓋4以及上層頂蓋5構(gòu)成吸熱器的完整頂蓋，如 圖lb所示，其相鄰的下層頂蓋3、中層頂蓋4以及上層頂蓋5之間構(gòu)成兩 個夾層氣道，分別是氦氣進入圓柱腔體之前的氣道11和流出圓柱腔體之 后的氣道12。如圖3a所示，下層頂蓋3的上表面加工有凹下去2mm的圓 形區(qū)域和IO個引氣槽道11，靠近下層頂蓋3的邊緣處開有20個狹長形的 通氣口，其中開在IO個引氣槽道11上的IO條狹長形通氣口為氦氣流入 圓柱腔體2的進氣口 32，而剩下的被引氣槽道11隔開的10條為氦氣從圓 柱腔體2流出的出氣口 33(請參閱圖3b所示)。這IO條進氣口 32和10條 出氣口 33與圓柱腔體2底部的10條進氣口 25和10條出氣口 26分別對 應(yīng)連接，下層頂蓋3的下表面(即開設(shè)有引氣槽道一面的背面)焊接在圓 柱腔體2底部的固壁上。從圖la可以看出，由進口段6流入加熱器內(nèi)的 氦氣直接到達下層頂蓋3中間凹下的圓形區(qū)域，然后會被引氣槽道11分 流為10股，經(jīng)由其邊緣處相對應(yīng)的10條進氣口 32，流向圓柱腔體2中 IO組U形通道的IO個進氣口 25。
如圖4a所示，中層頂蓋4的上表面開有凹下去2mm的10條引氣槽 道12以及它們匯集的圓形區(qū)域42，圓形區(qū)域42的中間開有圓孔43，該 圓孔43的直徑與入口段6的內(nèi)徑完全相同，入口段6焊接在該圓孔43周 圍的固壁上。由圖4b中可以看出，中層頂蓋4的每條引氣槽道12的邊緣 分別開有狹長形的通氣口，是該層頂蓋4的出氣口 44， 一共10條，它們 與下層頂蓋3的IO條出氣口 33分別對應(yīng)相連。氦氣由圓柱腔體2流出后， 經(jīng)過下層頂蓋3的出氣口 33和中層頂蓋4的出氣口 44，匯入中層頂蓋4中間的圓形區(qū)域42，流向由入口段6的管道外壁和出口端7的管道內(nèi)壁所形成的環(huán)形夾層氣道(請參閱圖lb)，然后氦氣由出口端7右側(cè)的直管流
出加熱器。
如圖5所示，吸熱器本體與外殼10通過吸熱器底板1用螺栓固定在一起，其間填有進口石棉保溫材料9。
本實用新型工作時，聚焦后的太陽光照射到圓柱腔體2的內(nèi)表面和上層頂蓋3的下表面，斯特林發(fā)動機的工質(zhì)氦氣由入口段6進入吸熱器本體，，到達下層頂蓋3中間的圓形區(qū)域之后，分流進入夾層氣道ll，然后由通氣口 32，經(jīng)過進氣口 25進入圓柱腔體2的U形加熱通道繼續(xù)受熱。當(dāng)氦氣從圓柱腔體2的U形加熱通道的出氣口 26流出時，經(jīng)由下層頂蓋3的通氣口 33和中層頂蓋4的出氣口 44,匯入中層頂蓋4中間的圓形區(qū)域42之后流向由入口段6的管道外壁和出口端7的管道內(nèi)壁所形成的環(huán)形夾層通道，最后氦氣由出口端7右側(cè)的直管道流出加熱器，完成氦氣的整個加熱過程。
9
權(quán)利要求1、一種太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔式吸熱器，該吸熱器本體主要由圓柱腔體、吸熱器底板、下層頂蓋、中層頂蓋和上層頂蓋組成，其特征在于一圓柱腔體，在圓柱該腔體截面的壁內(nèi)開有若干個氣道，這些氣道在垂直于氣體流動的方向上；在每兩個氣道中間位置有一間隔肋，該間隔肋的高度小于氣道的長度，將兩個氣道之間隔成一組U形通道，每組U型通道的底部有一個進氣口和一個出氣口；該圓柱腔體的上端與吸熱器底板連接固定；一下層頂蓋，其一面為平面，另一面設(shè)有若干個由邊緣向中心延伸的凹形的引氣槽道，且下層頂蓋的邊緣處開有若干個通氣口，該通氣口的位置和數(shù)量與圓柱腔體上U形通道的進氣口和出氣口的位置和數(shù)量相對應(yīng)；所述的通氣口間隔地為進氣口和出氣口，其中，下層頂蓋的每一個進氣口對應(yīng)于一組U型通道底部的進氣口，下層頂蓋的每一個出氣口對應(yīng)于一組U型通道底部的出氣口；該圓柱腔體的下端與下層頂蓋的平面相對地連接固定；一中層頂蓋，其一面為平面，另一面設(shè)有若干個由邊緣向中心延伸的凹形的引氣槽道，及氣體匯集的圓形區(qū)域，在圓形區(qū)域的中間開有圓孔，連接固定一入口段；在每一引氣槽道的邊緣處各開有一通氣口；該中層頂蓋的平面與下層頂蓋開有凹形引氣槽道的一面相對地連接固定，中層頂蓋的各通氣口分別與下層頂蓋的出氣口對應(yīng)相連，該中層頂蓋與下層頂蓋之間形成有氣道；一上層頂蓋，與中層頂蓋設(shè)有若干個凹形的引氣槽道的一面相對地連接固定，該上層頂蓋與中層頂蓋之間形成有氣道；由下層頂蓋、中層頂蓋和上層頂蓋之間形成有把進入和流出圓柱腔體的氣體分開的兩層氣道；該上層頂蓋的中間位置開設(shè)有圓口，連接一出口端，該出口端套在入口段的外面；吸熱器本體固定在一外殼內(nèi)，該外殼與吸熱器本體之間填充保溫材料。
2、 如權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔式吸熱器， 其特征在于圓柱腔體截面的壁內(nèi)的若干個氣道，以及每兩個氣道中間位 置的間隔肋為等距離排列。
3、 如權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔式吸熱器， 其特征在于外殼為對稱的兩部分相扣而成，兩部分之間通過螺栓連接固 定為一體。
4、 如權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔式吸熱器， 其特征在于氣道的厚度為2毫米。
5、 如權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔式吸熱器， 其特征在于出口端套在入口段的外面，并且連接在上層頂蓋的一個端面 上。
6、 如權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔式吸熱器， 其特征在于吸熱器底板與外殼通過螺栓連接。
7、 如權(quán)利要求1所述的太陽能斯特林發(fā)動機用U形通道腔式吸熱器， 其特征在于圓柱腔體為耐高溫合金鋼材料。
專利摘要本實用新型涉及一種太陽能斯特林發(fā)動機用的吸熱器，包括吸熱器底板、圓柱腔體、下層頂蓋、中層頂蓋、上層頂蓋、入口段、出口端、入口蓋、保溫材料層和吸熱器外殼。工作時，圓柱腔體的內(nèi)表面和下層頂蓋的下表面受到光照，從而加熱內(nèi)部流動的氣體。圓柱腔體中開有U形加熱通道，加長了氣體的受熱路徑。下層頂蓋和中層頂蓋起到把進出吸熱器的氣體分開的作用。該吸熱器的加熱氣道設(shè)計的很薄，有利于使氣體在流動過程中受熱完全。直接受光照加熱的吸熱器部分在幾何結(jié)構(gòu)上呈周向完全對稱，有利于減小吸熱器內(nèi)部溫度場的不均勻性，從而延長使用壽命。
文檔編號F02G1/055GK201433829SQ20092010853
公開日2010年3月31日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者唐大偉, 璟 張, 鐵 李 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所