一种斯特林发动机的燃烧加热系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于燃烧及换热装置，尤其是涉及一种斯特林发动机的燃烧加热系统。
【背景技术】
[0002]斯特林发动机是一种封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，运转特性好，噪音低等优点，并且在分布式能源领域、清洁燃气发电领域、太阳能发电领域有着重要的应用，越来越受到人们的关注。
[0003]外燃系统是斯特林发动机的重要组成部分，其主要功能是通过合理、高效地组织燃烧与换热，将燃料的化学能转化为热能并通过热交换器传递给加热器，再由加热器将热能通过热交换传递给机内工质，从而使得机内工质在发动机内膨胀做功，将热能转换成机械能。由此可见，一台发动机效率的高低，不仅取决于发动机本身的循环效率，而且与其外燃系统的燃烧转换效率的高低也有着很大的关系。为此，要设计出高效、可靠的斯特林发动机，外燃系统的设计至关重要。
[0004]斯特林的加热器内部的工质都处于加压状态，其密度较大；流速也比较高，所以内部换热是充分的。外部燃烧产物的密度小，流速低，以至于受有很大的温差才能传递必要的传热量，因此提高加热器管外的传热效果将会大大改善加热器的工作性能。同时，在很多加热器部分经常会发生受热不均匀现象即出现“热点”。为了防止加热管被烧毁，“热点”温度必须等于或低于金属所能承受的最高工作温度(冶金限)。事实上加热器部分的平均温度比冶金限要低得多(可低到100°c )，这么低的平均温度使发动机的功率和效率同时下降。
[0005]综上所述，为改进斯特林机的工作性能，对其燃烧室与加热器进行优化设计是必要的。因此，本发明通过采用多孔燃烧换热技术，设计了一种用于燃气型斯特林发动机的燃烧加热系统。充分利用多孔介质良好的蓄热能力、激烈的扰动、较强的导热及辐射能力，使得燃烧室内温度更加均匀，到达加热器表面平均温度高，从而提高发动机的功率和效率。该系统可应用于燃气型斯特林发动机，尤其是工作在分布式能源站内的主要以稳定工况运作的燃气型斯特林发动机。
[0006]现有技术中也公开了相关的斯特林装置，例如，中国矿业大学张保生、龚小茂、周凡等发明了一种储热式煤层气斯特林装置，专利号:201120056598.8。此实用新型利用多孔介质燃烧器产生的高温烟气通过盘绕在储热器中的盘管实现热量的高效率传递。实现了不稳定煤层气尤其低浓度煤层气发电，有效降低了煤层气气源不稳定尤其是浓度波动大对整个装置的冲击，同时具有热效率高、污染小、噪音低、移动方便、维修简便等优点。但其多孔介质燃烧器结构过于简单，容易产生燃烧不稳定现象，同时热头设计简单，也使传热性能有所限制。
[0007]浙江大学的岑可法、程乐鸣等设计了一种渐变型多孔介质燃烧器实用新型，专利号:01226080.0。具有燃烧器壳体及其保温层，在燃烧器壳体及其保温层内壁设有二次空气配气圈，燃烧器壳体及其保温层一端设有散热圈、预混室、燃气进口和空气进口，在散热器中心设有混合燃气均匀分配器，在二次空气配气圈内设有渐变空隙率非均匀多孔介质。该渐变型多孔介质燃烧器燃烧稳定，燃烧效率高，NOx排放低，污染物排放低的优点，体积小、结构紧凑、负荷调节范围广，具有明显经济效率。但由于该发明主要用于研宄实验，为了不改变燃烧器内部多孔介质层结构，故选择在燃烧室出口使用电火花引燃，这样的设计不利于在斯特林机上应用，并使得燃烧器的点火时间大大增加。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可供斯特林发动机使用，燃烧效率高、传热性能好、污染排放低的燃烧加热系统。
[0009]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0010]一种斯特林发动机的燃烧加热系统，由上下设置的直形渐变叠式多孔介质燃烧器及填充式多孔介质加热器构成，
[0011]所述的直形渐变叠式多孔介质燃烧器包括壳体，以及设置在壳体内从上到下依次设置的燃气进口、预混室、轴向隔热层、点火器引线保护管、点火器、渐变型陶瓷多孔介质层、催化层，
[0012]所述的填充式多孔介质加热器由外部保温层，设置在保温层内的金属网圆筒，及在金属网圆筒内呈中心对称布置的加热管，加热管的间隙内填充金属丝。
[0013]所述的预混室内填充细丝状多孔介质材料，一方面可以形成紊流流动气流使燃气与预热风空气进行很好的混合，另一方面，防止由于回火或者预热风温度过高等原因，导致预混气温度超过燃气燃点，造成预混室爆炸。当由于某些因素造成预混室局部空间温度过高而引起突然着火时，其周围温度较低的多孔介质材料可以迅速吸收燃烧热量，使燃烧热损失大于燃烧产生的反应热；同时分析链式反应机理可知，由于与混乱的多孔介质材料接触，火焰中的部分活性基团(自由基)失去活性而销毁，使链式自由基反应中止，产生间隙消焰，保障预混室不会发生爆炸危险。
[0014]所述的壳体为内壳及外壳组成的双层结构，所述的内壳为耐高温的刚玉材料，所述的外壳包括内层保温材料与外层结构钢材料，内壳及外壳之间留有空气预热夹层。
[0015]所述的壳体下方设有空气进口，新鲜空气从空气进口被外接鼓风机吹入空气预热夹层，形成预热风，同时也可对内壳进行冷却，避免其温度过高。
[0016]所述的轴向隔热层的中央为混合气体喷气孔，四周设有预热风通道。
[0017]所述的点火器为圆锥形电加热型点火器，在点火器附近留有一定自由空间，做成微型钝体稳燃器，并置于燃烧主区域上游。相对于电火花型点火器，电加热型点火器点火可靠。圆锥形状的钝体稳燃器，可以在钝体尾部形成回流区，达到稳定火焰的目的。位于燃烧主区域上游可以很好地预热燃烧区域的多孔介质，提高点火速度。当燃烧稳定后，相对于多孔介质传热性较差的自由空间有效地阻隔热量及火焰向上游传播，保护点火器不被烧坏并可以防止回火的发生。
[0018]所述的渐变型陶瓷多孔介质层为自上而下孔径逐渐增大的多层泡沫陶瓷组成的介质层。
[0019]所述的催化层为多孔介质催化层，一方面该位置处于燃烧区域下游，可以催化燃烧过程产生的NOx、CO、HO发生反应转化为无害的C02、H20、N2;另一方面，该位置接近燃烧区域，温度相对较高，可以使反应速度保持在很高的水平，使催化过程更加完全。
[0020]所述的金属网圆筒中心位置设置气流旋流器，在旋流器四周中心对称布置46根倒U形加热管，使用气流旋流器将烟气气流分割为八股不同方向的等流量切向气流，可以使各个方向的气流更加均匀，并且使气流切向的通过换热管区域，增加气流冲刷换热管的时间，提尚传热效率。
[0021]金属网圆筒与外部保温层之间留有一定厚度自由空间，使网筒四周各个位置气压大致相同，从而保证筒内各个方向充分换热的气流分布均勾。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0023]1.使用电加热型点火器(形状为圆锥形)在燃烧室上游处引燃预混气体并稳燃火焰大大缩减了多孔介质燃烧器的启动时间，同时此时排出的烟气也可以预热斯特林机加热器，从而尽量减少多孔介质燃烧器启动阶段的热量浪费。并且掏空中心位置的多孔介质有效地阻隔稳定燃烧后热量及火焰向上游传播，保护了点火器不被烧坏并可以防止回火的发生。
[0024]2.降低燃烧室的热不均匀性，减少局部高温范围并有效降低其温度，从而减少NOx等污染气体的排放。
[0025]3.提高整个燃烧区域的平均温度，改善燃烧状况，燃烧区域末端的催化层进一步催化可燃气体燃尽。使燃烧更完全，减少了不完全燃烧所造成的CO等污染物的排放；并减少了过量空气系数从而减少废气热的排放，提高机器效率。
[0026]4.通过合理的布置气流流向，及多孔介质温度均匀的特性，均匀加热管附近温度分布，改善加热管的热应力状况，降低加热管对金属材料的高温性能要求，可使用更为廉价的材料制作加工，降低斯特林机的制造成本有利于斯特林机商品化推广。
[0027]5.利用多孔介质良好的辐射、对流、导热增大加热器与外部烟气的换热效果，优化加热器换热性能，提高发动机燃烧室及加热器单位体积功率及效率。
[0028]6.增强斯特林发动机加热器的蓄热性能，使加热器温度更容易保持稳定，优化了发动机各种运行性能(如转速更容易保持稳定，适应相对苛刻的负载变化与燃气不稳定，优化启动性能等)提高了斯特林机的实用性。
【附图说明】
[0029]图1为本发明的结构示意图；
[0030]图2为本发明应用在斯特林发动机上的结构示意图；
[0031]图3为气流旋流器的结构示意图。
[0032]图中，1-燃气进口，2-点火器引线保护管，3-预混室，