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太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试方法及测试装置

阅读：1044发布：2020-12-04

IPRDB可以提供太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试方法及测试装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试方法：向整个封闭气体管路系统中充入工质气体，由漩涡气泵抽取储气瓶中的工质气体，使工质气体在整个闭式气体循环管路中循环流动；由热电偶测得管路中相应位置工质气体的温度；工质气体进入热头被加热光源进行加热，加热后的工质气体流出热头经过气体冷却器冷却。本发明还公开了实现上述测试方法的装置。，下面是太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试方法及测试装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试装置，主要包括：一拟测试的热头，热头进口连接至封闭气体管路系统中的气体加热器，热头出口连接至气体管路系统中的气体冷却器；

气体加热器通过流量调节阀门和气体流量计连接至漩涡气泵；

漩涡气泵连接储气瓶；

储气瓶通过循环气阀门连接气体冷却器；

热头进口安装有压力表；

热头本体置于一加热光源的光路中；

热头进口处、热头出口处、气体加热器和流量调节阀门之间、以及气体冷却器与循环气阀门之间分别安装有热电偶。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其中，气体冷却器与循环气阀门之间安装有充气/排气阀门。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其中，气体流量计的两端各安装有流量调节阀门。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其中，热头本体外面包裹有隔热层。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其中，加热光源为含有椭球形反光杯的大功率氙灯。

6.一种太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试方法：打开充气/排气阀门向整个封闭气体管路系统中充入工质气体至压力表显示为某一压力值；关闭充气/排气阀门，打开循环气阀门，由漩涡气泵抽取储气瓶中的工质气体，使工质气体在整个封闭气体管路中循环流动；

通过流量调节阀门调节进入拟测试的热头的流量至某一流量值，并由气体加热器和流量调节阀门之间的热电偶测得通过气体流量计后的工质气体温度；

工质气体流经气体加热器被加热后进入热头，由热头进口处的热电偶测得进入热头前工质气体的温度；

工质气体进入热头被加热光源进行加热，加热后的工质气体流出热头经过气体冷却器冷却，由热头出口处的热电偶测得经热头加热后气体工质的温度，由气体冷却器与循环气阀门之间的热电偶测得被冷却后的工质气体的温度。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其中，根据测得的被冷却后的工质气体的温度对气体加热器的功率进行反馈调节。

8.根据权利要求6所述的测试方法，其中，经气体加热器加热后的工质气体温度应处于从斯特林发动机的回热器流出、进入热头前的温度范围内。

说明书全文

太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试方法及测试装置

技术领域

[0001] 本发明涉及吸收聚光太阳能热量的集热器性能的测试方法及其测试装置，更具体地是涉及一种太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试方法及测试装置。

背景技术

[0002] 碟式聚光太阳能热发电是一种利用集中的太阳热量进行发电的技术。它具有光电转换效率高、对环境无污染、可应用地形范围广等优点，是面向未来的、绿色的、能够缓解能源危机的一种有效技术途径。

[0003] 碟式聚光太阳能热发电系统的动力转换及输出的核心装置为太阳能斯特林发动机。太阳能斯特林发动机的热头作为一种高温换热器，具有吸收聚光后的太阳能、并且加热内部工质的重要作用，是发动机上至为关键的部件；其换热性能的好坏，在某种意义上决定了一台太阳能斯特林发动机性能的优良程度。一些碟式聚光太阳能热发电系统的运行数据显示，用于其中的太阳能斯特林发动机的热头目前存在工作寿命短、可靠性不足等问题，而且由于其工作温度范围需要严格受到控制(既要防止其过热而烧坏，又不能温度过低而影响效率)，从而限制了整个系统的光电转换效率。因此，无论在选用材料还是结构设计方面，太阳能斯特林发动机的热头亟待进一步的改进。在改良热头的过程中，最好能使热头独立于斯特林发动机，并针对其工作特点，对其换热性能进行测试研究。将热头独立于斯特林机进行测试的好处在于：

[0004] 1、能够避免由于热头性能的不良而使整个斯特林机发挥不出良好的工作性能，节约斯特林发动机研制过程的成本；

[0005] 2、便于热头的优化。

[0006] 然而，将热头从太阳能斯特林发动机中独立出，单独对热头进行热性能测试方法或装置，尚未出现过记载，几乎所有关于太阳能斯特林发动机以及热头性能的测试研究，都是在整机上进行的。因此，一套独立于太阳能斯特林发动机整机、而且能够模拟聚光太阳能加热环境的、简便易行的热头换热性能的测试方法对于太阳能斯特林发动机的研制，具有十分重要的意义。发明内容：

[0007] 本发明目的在于提供一种太阳能斯特林发动机的热头换热性能的测试方法及其测试装置，使得热头能够独立于斯特林发动机本体，并能在模拟太阳能斯特林发动机工作状况的条件下对其进行换热性能的测试与研究。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供的太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试装置，主要包括：

[0009] 一拟测试的热头，热头进口连接至封闭气体管路系统中的气体加热器，热头出口连接至气体管路系统中的气体冷却器；

[0010] 气体加热器通过流量调节阀门和气体流量计连接至漩涡气泵；

[0011] 漩涡气泵连接储气瓶；

[0012] 储气瓶通过循环气阀门连接气体冷却器；

[0013] 热头进口安装有压力表；

[0014] 热头本体置于一加热光源的光路中；

[0015] 热头进口处、热头出口处、气体加热器和流量调节阀门之间、以及气体冷却器与循环气阀门之间分别安装有热电偶。

[0016] 所述的测试装置中，气体冷却器与循环气阀门之间安装有充气/排气阀门。

[0017] 所述的测试装置中，气体流量计的两端各安装有流量调节阀门。

[0018] 所述的测试装置中，热头本体外面包裹有隔热层。

[0019] 所述的测试装置中，加热光源为含有椭球形反光杯的大功率氙灯。

[0020] 本发明提供的利用上述测试装置进行太阳能斯特林发动机的热头换热性能测试方法：

[0021] 打开充气/排气阀门向整个封闭气体管路系统中充入工质气体至压力表显示为某一压力值；关闭充气/排气阀门，打开循环气阀门，由漩涡气泵抽取储气瓶中的工质气体，使工质气体在整个封闭气体管路中循环流动；

[0022] 通过流量调节阀门调节进入拟测试的热头的工质气体流量至某一流量值，并由气体加热器和流量调节阀门之间的热电偶测得通过气体流量计后的工质气体温度；

[0023] 工质气体流经气体加热器被加热后进入热头，由热头进口处的热电偶测得进入热头前工质气体的温度；

[0024] 工质气体进入热头被加热光源进行加热，加热后的工质气体流出热头经过气体冷却器冷却，由热头出口处的热电偶测得经热头加热后气体工质的温度，由气体冷却器与循环气阀门之间的热电偶测得被冷却后的工质气体的温度。

[0025] 所述的测试方法中，根据测得的被冷却后的工质气体的温度对气体加热器的功率进行反馈调节。

[0026] 所述的测试方法中，经气体加热器加热后的工质气体温度应处于从斯特林发动机的回热器流出、进入热头前的温度范围内。

[0027] 本发明的有益效果是：

[0028] 本发明利用氙灯模拟聚焦后的真实太阳光，并搭建一套闭式循环工质气体管路，选择恰当的测试参数对热头性能进行评价，由此可以使热头完全脱离太阳能斯特林发动机本体而对其性能进行单独研究；该方法利用较为简便的装置模拟出与真实工况相似的工作环境，达到相似的工作效果，避免了以往研究热头必须在太阳能斯特林发动机整机以及碟式聚光镜上进行测试的一系列繁琐工作，节约了研发过程中的时间和经济成本；使用该方法可以在较短时间内对热头进行拆装，因此应用本发明可以方便的对热头性能进行测试，便于在结构、材料方面进行优化和改良工作。

附图说明

[0029] 图1是本发明的测试装置示意图.

[0030] 图2是拟测试热头的示意图.

[0031] 附图中主要组件符号说明：

[0032] 1含有椭球形反光杯的大功率氙灯；2拟测试的热头；3气体冷却器；4充气/排气阀门；5循环气阀门；6储气瓶；7漩涡气泵；8流量调节阀门；9气体流量计；10流量调节阀门；11气体加热器；12压力表；201工质进口；202工质出口；203热头本体；204隔热层；205采光口；A、B、C、D均为热电偶测点。

具体实施方式

[0033] 本发明是通过以下技术方案进行实现的：

[0034] 采用一个大功率氙灯作为加热光源替代真实的太阳光对拟测试的热头加热，该氙灯安装于一个椭球形的反光杯中。所述的反光杯是在一个椭球形的玻璃表面镀银做成；该反光杯具有两个几何(光学)焦点，大功率氙灯安装在其中一个焦点位置上，于是在该椭球形反光杯的另一个焦点位置附近会形成点聚焦光斑，由此实现对碟式抛物面聚光镜聚集阳光形成的点聚焦太阳光斑的模拟。拟测试的热头安装于该光斑位置附近，即椭球形反光杯的另一个焦点位置附近。

[0035] 搭建一套包含拟测试的热头、一个储气瓶、一台漩涡气泵(吸吹气泵)、一个气体冷却器、若干个阀门、一个气体流量计、一支压力表以及若干支热电偶在内的闭式循环气体管路。

[0036] 热头的换热性能可以通过有效换热量和换热效率这两个参数进行评价。这两个参数通过利用上述的氙灯和闭式循环气体管路测试热头性能时获得。测试热头性能时，首先向上述闭式循环气体管路中的储气瓶内预充一定量的气体，所使用的气体为斯特林机常用工质(空气、氦气、氢气)的一种；整个封闭管路内达到某一压力值，该压力值对应斯特林机的某一个运行工况的压力，并由压力表显示；充入封闭管路中的气体由一台漩涡气泵驱动；拟测试的热头表面受到上述氙灯聚光加热，于是管路中的气体在流经热头内部时被加热，之后流经气体冷却器被冷却至常温。气体在该闭式管路中不断被加热、冷却，循环流动；由阀门和所述的气体流量计对流经热头内部的气体进行流量监控，由热电偶对热头进出口处的工质气体温度进行测量。假设由气体流量计测得的工质体积流量为V，热头进口处的工质温度为Tin，热头出口处工质的温度为Tout，工质的比热为C，对应热头进口处温度压力状态下的工质密度为ρ，则管路中的气体工质通过热头吸收的有效换热量Q＝ρVC(Tout-Tin)；
假设氙灯发出的热功率为Q0(该功率与氙灯的额定供电功率具有一定的比例关系，可以获得)，则换热效率η＝Q/Q0。

[0037] 下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

[0038] 如图1所示，将含有椭球形反光杯的大功率氙灯1和拟测试的热头2接入一套封闭的气体管路系统中，该管路采用不锈钢管搭建。压力表12安装在拟测试的热头2的进口位置之前，监测来流工质气体的压力；通过流量调节阀门8、气体流量计9以及流量调节阀门10调节和监控管路中工质气体的流量；在A、B、C、D四处布置热电偶，监测管路中相应位置工质气体的温度，气体加热器11对进入热头前的气体加热至一定的温度，气体冷却器3将流出热头之后的工质气体冷却至室温。

[0039] 使用如图1所示的测试装置测试太阳能斯特林发动机热头的换热性能时，首先打开充气/排气阀门4向整个封闭管路中充入一定量的工质气体至压力表12显示为某一压力值。若不使用空气作为流经拟测试的热头2的工质气体，则应先对管路抽真空，之后再充入工质气体至某一压力值。关闭充气/排气阀门4，打开循环气阀门5，由漩涡气泵7抽取储气瓶6中的工质气体，并使其在整个闭式气体循环管路中循环流动(图1中的箭头所示)。通过流量调节阀门8、气体流量计9以及流量调节阀门10调节进入拟测试的热头的流量至某一流量值V，由A点的热电偶测出通过流量计后的工质气体温度TA，工质气体流经气体加热器11被加热，该加热过程模拟太阳能斯特林发动机中的工质气体进入热头之前在回热器中被加热的过程，而且被加热后的工质气体温度应处于从斯特林发动机的回热器流出、进入热头前的温度范围内。之后工质气体进入如图2所示的拟测试的热头2，被含有椭球形反光杯的大功率氙灯1进行聚光加热，该加热情形模拟真实的太阳能斯特林机热头在工作时的情形。氙灯发射出的经过聚焦的光通过采光口205辐射到热头本体203上，气体工质不断的从工质进口201进入热头，受热后由工质出口202流出热头，热头本体203的外面包裹有隔热层204，能够减少热头向环境散失的热量，提高热头对工质气体的加热性能。在B点处由热电偶测得进入热头前工质气体的温度Tin，在C点处由热电偶测得经热头加热后气体工质的温度Tout；被热头加热后的工质气体经过气体冷却器3被冷却，D点处布置有热电偶，监控被冷却后的工质气体温度是否降至接近常温的范围内；由该处测得的温度，可以对气体加热器11的功率进行反馈调节。当上面提及的数据被充分采集后，即可停止该测试实验。实验停止之后，打开阀门4，则工质气体由该阀门排出。

[0040] 用上述测试实验中采集到的相关实验数据对热头的换热性能进行评价，设实验中工质气体的比热容为C，密度为ρ，这两个参数可以通过查物性表获得，则管路中的气体工质通过热头吸收的有效换热量Q＝ρVC(Tout-Tin)；假设氙灯发出的热功率为Q0，则热头的换热效率η＝Q/Q0。在测试工况不变的情况下，热头的换热效率越高，则表征其换热性能越好。由此形成了一套完备的太阳能斯特林发动机热头换热性能的测试方法和测试装置。

标题	发布/更新时间	阅读量
斯特林发动机-专利编号CN1826497A	2020-05-14	182
斯特林发动机-专利编号CN1965200A	2020-05-14	1026
斯特林发动机-专利编号CN1230652C	2020-05-15	392
斯特林发动机-专利编号CN101107484A	2020-05-13	657
斯特林发动机-专利编号CN109236489A	2020-05-11	429
斯特林发动机-专利编号CN102356226A	2020-05-12	166
斯特林发动机-专利编号CN100434685C	2020-05-13	403
斯特林发动机-专利编号CN105658939A	2020-05-11	589
斯特林发动机-专利编号CN103210199B	2020-05-11	375
斯特林发动机-专利编号CN103210199A	2020-05-12	513

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