热再生器的嵌入式结构中的传热方法及其设计技术

本发明专利技术的主题是一种热再生器的嵌入式结构中的传热方法及其设计。其涉及相关的热再生器，该热再生器根据所描述的方法的原理运行，并且能够降低由于流体流经该热再生器而引起的压降，从而提高功率密度。在根据本发明专利技术所述的热再生器的运行概念中，为了一级(第一)流体(P)的流动振荡，应用了机电元件。在壳体(1)中的用于一级(第一)流体(P)的振荡的元件(2)之间设置有一级热热交换器(PT)和一级冷热交换器(PH)。在箭头(A)的方向上，二级(第二)流体(S)的单向流从热沉流入一级冷热交换器(PH)。在箭头(B)的方向上，二级(第二)流体(S)的单向流从一级冷热交换器(PH)流出并流向热源。同时，在箭头(C)的方向上，二级(第二)流体(S)的单向流流入一级热热交换器(PT)，并且随着一级热热交换器(PT)中的二级(第二)流体S的单向流流向热沉，在箭头(D)的方向上流出。在两个一级热交换器(PT)和(PH)之间设置有多孔再生材料，该多孔再生材料是具有液压分离的段的再生器4的一部分。的一部分。的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热再生器的嵌入式结构中的传热方法及其设计
[0001]本专利技术涉及一种热再生器的嵌入式结构中的传热方法及其设计，即，涉及相关的热再生器的设计，该热再生器基于所描述的方法运行，并且能够降低由于流体流经该再生器引起的压降，同时能够提高使用热再生器的设备的功率密度。本专利技术引入了一种无源和有源热再生器的新运行方法，并且能够明显降低粘性(压力)损失并且能够明显降低流体泵送(粘性，压力)损失。这是由于在本专利技术的该特定方法中的流体不沿着再生器(在再生器中建立的温度梯度的方向上)振荡，而是大致垂直于再生器中的温度梯度的方向振荡。
[0002]热再生器是一种特殊形式的热交换器，用于进行间歇热存储和在工作(热传递)流体和再生器材料(基质)之间进行热传递。一般来说，我们区分两种热再生器：静态热再生器(图1)和移动热再生器。静态再生器具有多孔结构，工作流体通过该多孔结构振荡。该流体将热量传递到多孔结构或从多孔结构吸收所存储的热量。静态再生器的首次应用可以追溯到1816年Robert Stirling。因此，它是一项已知的技术。
[0003]在诸如斯特林或热声设备的技术中，工作流体(气体)通过再生器的多孔基质振荡(高达>＝60Hz)。在该情况下，再生器的一侧具有热沉(或热热交换器)，通过该热沉将热量传递到系统之外。再生器的另一侧具有热源(或冷热交换器)，通过该热源将热量传递到系统。在这里提到脉冲管技术是有意义的。例如，可以在以下专利中看到脉冲管：US2016281638(A1)、CN105841421(A)、CN105508077(A)、WO2016146580(A1)、JP2013167220(A)、US2012151912(A1)、US2011314805(A1)、W02010139316(A2)、JP2013117321(A)、US6560970(B1)、US2011100023(A1)、US2003196441(A1)、US2017045274(A1)、US2014238047(A1)、US2013291565(A1)。
[0004]可以在以下技术文献中找到几种不同的热再生器设计：R.K.Shah，D.E.Metzger(编)；再生式和回热式热交换器，美国机械工程师协会ASME，1981年，第86页；M.B.Ibrahim，R.C.Tew Jr.，斯特林转换器再生器，第一版，CRC出版社，2011年，第487页；D.Beck，D.G.Wilson，燃气轮机再生器，第一版，1996年，施普林格，第250页；F.W.Schmidt，J.A.Willmott，再生式和回热式热交换器，热和流体工程系列，ASME，1981年，第352页；B.S.Baclic，G.D.Dragutinovic，逆流再生器的运行，计算力学，传热学发展，第4卷，1998年，第208页。
[0005]热再生器的所有当前已知方案和设计都需要在热源和热沉之间建立温度差(通常是很大的差)。如果不满足此条件，则设备将无法运行。这需要对热再生器的多孔基质进行特定设计和构造，使得传热表面足够大以作用在再生器基质和工作流体之间，并使得热再生器的长度适当。
[0006]在所有已知示例中，工作流体的流动均采用沿着热再生器的长度振荡的形式(图1)。将热量传递到再生器或从再生器吸收热量的每单位时间(频率)内的热力学循环次数越多，工作流体的速率应该就越高。频率的增加会增加设备的功率密度，即再生器材料单位质量的比功率。由于再生器基质代表多孔结构，因此专家熟知工作流体通过多孔结构的快速振荡会导致更高的压力损失，该压力损失是由粘性力导致的(这对于液体形式的工作流体尤其有问题)。因此，压力损失也代表内部热量产生以及相对于该设备的能效的明显降低。
[0007]热再生器也用于热量技术，该热量技术可进一步分为磁热、电热、弹热、压热和多热技术。对于所有这些提到的热量技术，使用一种特殊的再生器，其特性是在施加的外力(即压力、应力)或场(即电场、磁场)变化的影响下，能使其温度降低或增加。我们将这些再生器称为有源热量再生器。1982年(US 4.332.135)，J.A.Barclay和W.A.Steyert首次引入有源(磁热)再生器的概念。
[0008]此外，在热量再生器中，工作流体在温度梯度的方向上，即沿着再生器，通过多孔基质振荡。在这个特定领域的长期研究得出的结论是，为了有效地传递热量(在液体作为工作流体的情况下)，多孔结构的孔隙率应该在20％和40％之间(A.Kitanovski，J.J.Tugreek，U.Tome，U.Plaznik，M.A.磁热能转换：从理论到应用，施普林格国际出版社，2015年，第456页)。
[0009]为了在热量再生器中有效地传递热量，通常将液体用作传热流体(即，水、具有防冻剂的水、油、液态金属、二次制冷剂、制冷剂等)。为了尽可能获得最高的功率密度，有源热量再生器中的工作流体应通过所述再生器尽可能快地振荡。再生器必须具有非常高的传热表面，因此意味着再生器的孔隙率低。由于液体具有比气体更高的粘度和密度，所以液体通过小孔隙率的有源热量再生器的振荡会存在与粘性损失有关的困难。这导致不希望的热量产生(由于能量耗散)，非常大的压降以及流体振荡所需的泵送功率的相应增加。泵送功率和能量耗散都限制了有源热量再生器的能效。为了保持热量再生器的较高能效，运行频率应限制在5Hz(即，每单位时间内的热力学循环次数)以下。
[0010]这就是为什么大多数热量再生器都在低频下运行的原因。这也可以从图2中看出。常规类型的磁热再生器不能在高频(单位时间内的热力学循环次数)下实现高能效运行。根据磁热材料单位质量的比功率的曲线，其将在较高的运行频率下开始下降，在图2的理论示例中，频率在8Hz和10Hz之间。这是由于已经提到的流体摩擦和由于能量耗散而产生的热量导致的。如果再生器的孔隙率增加，粘性损失会减小；然而，传热表面也会减小。与冷却功率相比，在冷却循环的性能系数(COP)(冷却系统的冷却功率与总输入功率之比)减小时，可以观察到更明显的损耗影响。不考虑泵送功率，COP可以明显提高。因此，这种明显的能效降低的原因是泵送损失，该泵送损失是由于工作流体沿着有源再生器的多孔结构振荡而引起的粘性损失的结果。频率越高，损失越大。
[0011]包括专利和专利申请(即，A.Kitanovski，J.U.Tome，U.Plaznik，M.U.Tome，U.Plaznik，M.A.磁热能转换：从理论到应用，施普林格国际出版社，2015，第456页；DE 3833251 C1，EP 2615393 A2，SI24240 A，US5743095，US6022486，US2004/0093877 A1，US2010/0107654 A1，US2012/0079834 A1，US2012/0222427 A1，US2013/0247588 A1，US2016/0069596 A1，US2017/0130999 A1，WO2017/162768A1)的技术文献概述指出，所有热量再生器的设计和构造都应使流体沿着再生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种热再生器的嵌入式结构中的传热方法，其特征在于，基于
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大量由多孔再生材料构成的段，其中，所述段被液压分离，并且通过所述特别液压分离的段的温度梯度小于沿着热再生器(4)的嵌入式结构建立的温度梯度；
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一级(第一)流体(P)的流动，其通过由多孔再生材料构成的每个所述液压分离的段振荡，所述振荡的方向大致垂直于沿着所述热再生器(4)的嵌入式结构建立的所述温度梯度的方向，而所述一级(第一)流体(P)传递或吸收来自第一和第二热交换器的热通量；
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第一热交换器，其与由多孔再生材料构成的所述液压分离的段的第一侧液压连接；
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第二热交换器，其与由多孔再生材料构成的所述液压分离的段的第二侧液压连接；
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代表与热源的连接的热交换器；
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代表与热沉的连接的热交换器；
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二级(第二)流体(S)，其流经所述代表与热源的连接的热交换器，流经所述第一热交换器，流经所述代表与热沉的连接的热交换器，并且流经所述第二热交换器；
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能够实现所述一级(第一)流体(P)和所述二级(第二)流体(S)流动的机制、设备或物理现象。2.一种基于权利要求1所述的方法运行的热再生器，其特征在于，包括：
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所述再生器的多孔结构，由液压分离的段构成，其中，所述液压分离的段阻止所述一级流体的纵向流动，所述一级流体是所述再生器中的工作流体；
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一级热热交换器(PT)，其能够在所述再生器的多孔结构的热侧实现从所述一级(第一)流体(P)的振荡流到所述二级(第二)流体(S)的单向流的热传递；
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一级冷热交换器(PH)，其能够在所述再生器的多孔结构的冷侧实现从所述二级(第二)流体(S)的单向流到所述一级(第一)流体(P)的振荡流的热传递；
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二级冷热交换器(SH)，其位于热源侧并用于将热量传递到所述二级(第二)流体(S)中；
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二级热热交换器(ST)，其位于热沉侧并用于从所述二级(第二)流体(S)中吸收热量；
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二级(第二)流体(S)，其通过所述热交换器(PT)和(PH)连接所述热源和所述热沉；
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所述二级(第二)流体(S)通过所述一级热热交换器(PT)的流动，其逆向于所述二级(第二)流体(S)在所述一级冷热交换器(PH)中的流动；
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用于泵送所述二级(第二)流体(S)的系统；
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用于振荡所述一级(第一)流体(P)的系统。3.一种基于权利要求1和权利要求2所述的方法运行的热再生器，其特征在于，所述再生器(4)的液压分离的段中的多孔再生材料是热量(磁热、压热、弹热、电热、多热)材料。4.一种基于权利要求1和权利要求2所述的方法运行的热再生器，其特征在于，所述再生器(4)的液压分离的段中的多孔再生材料是与选自以下一组的至少一种其他材料组合的热量(磁热、压热、弹热、电热、多热)材料：金属、陶瓷、玻璃、碳或碳材料的复合物、聚合物或聚合物材料的复合物、超材料和液晶。5.一种基于权利要求1和权利要求2所述的方法运行的热再生器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈，
申请(专利权)人：戈兰尼亚家用电器有限公司，
类型：发明
国别省市：