[发明专利]一种碟式太阳能斯特林热机管簇式吸热器设计方法

摘要

本发明公开了一种碟式太阳能斯特林热机管簇式吸热器设计方法，包括如下步骤：1）确定斯特林热机主要设计参数的计算；2）吸热器加热管的管数、管长的计算；3）对碟式太阳能斯特林热机管簇式吸热器的加热管的空间位置和形状进行设计。本发明为碟式太阳能斯特林热机管簇式吸热器设计提供了一套实用的计算方法，能够从斯特林热机主要设计参数出发，提供基于基本输入热与最佳长径比的管簇式吸热器加热管管数与管长计算；本发明设计出的管簇式吸热器可靠性高，可维修性好，且能保证加热管簇的换热量能够满足设计要求。

主权项

1.一种碟式太阳能斯特林热机管簇式吸热器设计方法，包括如下步骤：1)根据斯特林热机的有效功率P0，平均循环压力Pm，转速n，工质功率转换系数ζ，斜盘倾角θ，热腔温度TE，冷腔温度TC，计算斯特林热机比尔数Bn，气缸直径DCY，热腔容积VE，冷腔容积VC；按公式计算斯特林热机比尔数B_n；按公式：计算气缸直径D_CY；式中：ν_pm为活塞平均滑动速度，Z为斯特林热机缸体数，为工质的功率转化系数，ω为斯特林热机的循环频率；按公式：计算热腔瞬时容积，按公式：计算冷腔瞬时容积，对热腔瞬时容积和冷腔瞬时容积取最大值得到热腔容积V_E和冷腔容积V_C；式中：α为斜盘主轴转角，R为斜盘分度圆半径；2)吸热器管数、管长的计算：2.1)首先由热腔容积V_E、冷腔容积V_C计算斯特林热机循环功W_CE，然后计算考虑热损失后的总的基本输入热Q_H；根据公式计算斯特林热机的循环功，式中：τ为温度比，τ＝冷却器温度T_K/加热器温度T_H；κ为行程容积比，κ＝冷腔最大行程容积V_C/热腔最大行程容积V_E；为循环系统的相位领先角；β为角度变量，得到总的基本输入热的公式：并计算考虑热损失后的总的基本输入热Q_H；2.2)根据平均质量流率mH和单位通流面积工质流量GH，计算吸热器加热管内工质流场的雷诺数ReH和努赛尔数NuH，进而计算得到对流换热系数hH；按公式：计算平均质量流率m_H；式中：M_fhmax为热区工质的最大比例量；M_fhmin为热区工质的最小比例量；M为热区工质的摩尔量；M_W为工质的摩尔重量；F_ht为工质的流动时间比例；按公式：计算单位通流面积工质流量G_H，式中：m_H为加热管平均质量流率；A_H为加热管通流面积，A_H＝N_H·d_H²·π/4，N_H为吸热器的加热管管数；d_H为加热管的内径；按公式：计算雷诺数Re_H，式中：R_HH为加热管的液力半径，R_HH＝0.5d_H；G_H为加热管单位通流面积的工质流量；u_GH为加热管中工质的动力粘度；按公式：计算管内工质的努塞尔数；式中：f_H为加热管管内湍流流动的Darcy阻力系数，其表达式为：f_H＝(1.82lgRe_H‑1.64)^‑2；Pr_H为加热管内工质的普朗特数；l_H为加热管的长度；C_tH为格尼林斯基公式修正系数，C_tH＝(T_H/T_HW)^0.45,其中T_H/T_HW＝0.5～1.5，T_HW为热管外壁温度，C_tH＝0.965，T_H为加热器温度；2.3)依据传热学基本关系或单根热管的吸热量Q′H的计算公式，并获得总的基本输入热QH通过单根热管的吸热量Q′H和加热管数NH表达的另一计算公式，再与步骤2.1)得到的总的基本输入热QH的公式联立，即可得到加热管管数NH与管长lH；每根热管吸收热量Q′H为：Q′H＝QH/NH，而单根加热管的吸热量依据传热学关系式可表示为：Q′H＝πdH·lH·hH·(THW‑TH)；可得加热管管数NH与管长lH计算公式：然后计算加热管管数NH与管长lH；式中：λ为管内工质的导热系数，η为热机循环效率，η＝1‑TC/TE；Dop为活塞杆直径；Sp为活塞最大行程；THW为热管外壁温度；ΔQ'E为热机循环系统中的热损失；3)对碟式太阳能斯特林热机管簇式吸热器的加热管的空间位置和形状进行设计。