[发明专利]高压氦气换热系统、换热方法及回热式热机系统

说明书

本发明涉及回热式热机技术领域，提供一种高压氦气换热系统、换热方法及回热式热机系统，高压氦气换热系统的一侧与外部热源连通，另一侧与回热式热机的高温换热器的壳程连通；包括：换热环路，换热环路内部充入高压氦气；轴流式风机，设置于换热环路上，轴流式风机用于换热环路中产生一股氦气直流与外部热源耦合换热。本发明提供的高压氦气换热系统及回热式热机系统，通过在换热环路内充入高压氦气，且换热环路上设置有轴流式风机，轴流式风机用于换热环路中产生氦气直流并与外部热源耦合换热，不需要考虑液态金属等腐蚀性传热介质与热头承压结构的材料兼容性，具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高等优点。

技术领域

本发明涉及回热式热机技术领域，尤其涉及一种高压氦气换热系统、换热方法及回热式热机系统。

背景技术

热机是指各种利用内能做功的机械，通常以气体作为工质，利用气体受热膨胀对外做功。以自由活塞斯特林发电机为例。

自由活塞斯特林发电机是一种高效率、长寿命的热电转换装置，它由自由活塞斯特林发动机和直线振荡电机耦合而成，通过热声效应将热能转换成可压缩流体在往复振荡中具有的声能，从而驱动动力活塞带动磁铁往复切割磁力线产生交流电。

随着空间探测需求的不断增长，自由活塞斯特林发电机由于具有高效率、高可靠、长寿命等优点而逐渐受到重视。自由活塞斯特林发电机通常采用氦气等惰性气体作为内部工质，并且属于外燃式热机，具有极其广泛的热源适用性，可利用的热源包括核热、太阳能、工业废热、燃料燃烧等。

图1为现有自由活塞斯特林发电系统的典型结构示意图，通常需要增加高比热流体的二回路传热循环(例如熔盐、液态金属等)用于吸收外部高温热源(例如核反应堆)的热量，再通过发电机内部的高温换热器61(间壁式换热器)将热量传递给系统内部的高压氦气用于膨胀做功。

但是，二回路传热循环的引入不仅增加了系统的复杂程度，还需要额外耗功的第一驱动泵13用于驱动传热流体完成吸热和放热循环。此外，若采用钠、锂等液态金属作为循环介质，由于液态金属对目前常用的金属合金具有严重的腐蚀性，这给发电机热头的承压结构设计带来了更加严峻的挑战，同时液态金属必须采用电磁泵进行驱动，而目前电磁泵的效率水平极低(≤5％)，因此电磁泵的耗功也极大降低了该系统的运行经济性。

发明内容

本发明提供一种高压氦气换热系统、换热方法及回热式热机系统，用以解决现有技术中回热式热机增加二回路传热循环实现传热，不仅增加了系统的复杂程度，而且当采用液态金属作为循环介质时，液态金属容易对目前常用的金属合金具有严重的腐蚀性，给发电机热头的承压结构设计带来严峻挑战的缺陷。

本发明提供一种高压氦气换热系统，用于回热式热机中，所述高压氦气换热系统的一侧与外部热源连通，另一侧与回热式热机的高温换热器的壳程连通，包括：

换热环路，所述换热环路内部充入高压氦气；

轴流式风机，设置于所述换热环路上，所述轴流式风机用于所述换热环路中产生氦气直流与所述外部热源耦合换热。

根据本发明提供的一种高压氦气换热系统，所述外部热源为核反应堆、太阳能、工业废热或燃烧生物质能的其中一种。

本发明还提供一种换热方法，包括以下步骤：

将换热环路的一侧与外部热源连通，另一侧与回热式热机的高温换热器的壳程连通；

在换热环路的内部充入高压氦气；

通过轴流式风机形成沿固定方向的气体驱动力，以使换热环路中产生氦气直流并经过外部热源进行吸热；

吸热升温后的高压氦气经过回热式热机的高温换热器的壳程以加热换热管内的氦气工质；

所述回热式热机从高温换热器吸收管外氦气直流的热量最终实现做功。