斯特林热机逆流换热式回热器
本文介绍的一种斯特林热机逆流换热式回热器，包括一个换热芯、一个隔热层、一个承压壳、一个绝热层和两端各有的多个连接管，由里到外，分别为换热芯、隔热层、承压壳。换热器的换热壁与隔热层内壁形成多个呈中心对称状、结构相同的换热通道，换热通道的两端各有一连接管。该回热器合理利用了多个工作腔斯特林热机处于放热过程的工作腔内工质流动方向与处于吸热过程的工作腔内工质流动方向相反的特点，采用逆流换热方式，高效回收热量。因为一个逆流换热式回热器取代了多个蓄热式回热器，成本大幅度降低。该逆流换热式回热器双向换热、高频切换、压力急变的换热模式是传热研究的新课题。
关键词 斯特林发动机；回热器
TK441
0 引言
斯特林热机的主体结构确定后，回热器就成了影响整机性能的关键部件。斯特林热机由单个工作腔发展起来的，按传统思维，多个工作腔只是单个工作腔的简单组合。受这种传统设计理念的影响，现代的斯特林热机，无论是单个工作腔还是多个工作腔，蓄热式回热器仍然是唯一选择[1] [2] [3]。
单个工作腔斯特林热机只能选用蓄热式回热器。但是，只要是两个以上的多个工作腔斯特林热机既可以选用蓄热式回热器，也可以选用逆流换热式回热器。然而，从菲利浦公司设计的4-235型四工作腔菱形传动斯特林发动机、4-65DA斜盘传动四工作腔斯特林发动机，到联合斯特林发动机公司研制的双曲轴传动四工作腔斯特林发动机，都是采用蓄热式回热器[1] [4]。2007年申请中国专利的多工作腔斯特林可逆热机，也沿用蓄热式回热器[5]。
上述各类多个工作腔斯特林热机都是四个工作腔，本文就以四个工作腔斯特林热机的逆流换热式回热器为例作介绍。
多个工作腔斯特林热机各工作腔，在同一时间处于不同热力学过程，有正在放热的工作腔；也有正在吸热的工作腔，而且工质流向正好相反。逆流换热式回热器就是利用多工作腔斯特林热机的这一特点，使正在放热的工作腔所放出的热量，直接传到正在吸热的工作腔。达到热量的合理利用。而蓄热式回热器只是将本工作腔工质放出的热量储存在本工作腔回热器金属丝网，工质回流时又从金属丝网吸收。不和其他工作腔进行热交换。
国内出版的多种斯特林热机技术专著对蓄热式回热器的结构和制作工艺作了详细介绍[1] [4]；对蓄热式回热器的工作机理进行探讨的理论文献也很多[6] [7]。
蓄热式回热器的工作模式，决定了其体积大、回热损失大、工质流动阻力大，严重影响整机性能[6]。多个工作腔斯特林热机用一个逆流换热式回热器取代现有的多个蓄热式回热器，在整机性能提高的同时，成本降低数倍。蓄热式回热器的金属丝网烧结的工艺难度极大，从材料成本、加工工艺等方面综合对比，一个蓄热式回热器的成本甚至要高于一个逆流换热式回热器的成本。
1 逆流换热式回热器
逆流换热式回热器解决了多个工作腔斯特林热机现有蓄热式回热器在本工作腔内蓄热，导致回热器体积大、回热损失大、工质流动阻力大、制作难、成本高等问题；提供一种结构简单，并能及时将放热工作腔放出的热量直接传入吸热工作腔的回热器。
其结构包括一个换热芯、一个隔热层或多个隔热块、一个承压壳、一个绝热层和两端各有的多个连接管。一个换热芯置于回热器中央，换热芯的所有换热壁的一边都交汇于对称中心，另一边和两端交于隔热层或承压壳，形成多个呈中心对称状、结构相同的换热通道，每个换热通道的两端各有一连接管，承压壳及连接管都外包绝热层，换热通道的个数和斯特林热机工作腔个数相等。
图1是除去绝热层的四工作腔斯特林热机逆流换热式回热器，换热壁交于承压壳，由里到外是换热芯、隔热块、承压壳；换热芯的四个换热壁与承压壳相交
图1 逆流换热式回热器 图2 换热芯
Fig.1 Thecountercurrent heat exchange regenerator Fig.2 Theheat exchanger core
图3 隔热块 图4 承压壳
Fig.3 Theinsulation block Fig.4 Thepressure shell
于四条棱和两端，形成四条换热通道；隔热块的外壁紧贴承压壳内壁，隔热块的内壁与相邻两个换热壁构成换热通道。图2是换热芯，图3是隔热块，图4是承压壳总体四分之一的局部图。
换热芯的所有换热壁交于隔热层，隔热层封闭完整；交于承压壳，隔热层被分隔成多个隔热块。
换热芯的换热壁上都有多层垂直于换热通道的横向换热片。
隔热层或隔热块的外壁紧贴承压壳，内壁与相邻的两个换热壁形成工质流动通道，内壁上有多层垂直于换热通道的横向隔片。
换热通道内，横向换热片与横向隔片错层、交错布置，横向换热片与横向隔片之间、横向换热片与隔热层或隔热块内壁之间、横向隔片与换热壁之间都有间隙，所形成的工质横向流动通道和纵向流动通道相间连通，构成整条工质流动通道。
换热芯的材质要求耐高温、耐高压、导热性好；隔热层或隔热块的材质要求耐高温、耐高压、绝热性好；承压壳的材质要求耐高温、耐高压、导热性差；绝热层的材质要求耐高温、绝热性好。
上述结构和材质的回热器的优点在于：一是合理利用了多个工作腔斯特林热机处于放热过程的工作腔内工质流动方向与处于吸热过程的工作腔内工质流动方向相反的特点，采用逆流换热方式，实现高效回收热量；二是一个逆流换热式回热器取代多个蓄热式回热器，保证斯特林热机运行更可靠，也降低了成本；三是尤其适用于热量流入端和热量流出端相距较远的斯特林可逆热机。
2 逆流换热式回热器用于斯特林可逆热机
斯特林可逆热机的回热器从热量流入端到热量流出端，路径长而直、裸露在外，用蓄热式回热器的回热损失很大[6]；而逆流换热式回热器热量由吸热工作腔工质吸收，基本不在回热器内蓄存，回热损失很小。将图1所示回热器一端的四个换热通道连接口与四个工作腔斯特林可逆热机的四个加热器分别连通，另一端的四个换热通道连接口与斯特林热机的四个散热器分别连通，且同一工作腔的加热器和散热器连在同一换热通道的两端；四个工作腔斯特林热机位置相对的两个工作腔，一个处于等容放热过程，另一个就处于等容吸热过程；一个处于等温膨胀过程，另一个就处于等温压缩过程；处于等容放热过程和等容吸热过程这两个工作腔内的工质在逆流换热式回热器内流动方向相反，将两者连接到相邻换热通道，而将此时处于等温压缩过程的工作腔连接在处于等容放热过程工作腔相对位置的换热通道。这样连接后，在回热器内，处于等容吸热过程工作腔的换热通道在处于等温膨胀过程工作腔的换热通道的相对位置，都与处于等容放热过程工作腔的换热通道和处于等温压缩过程工作腔的换热通道相邻，四个工作腔内的工质实现逆流换热。
在逆流换热式回热器的工作过程中，处于等容吸热过程工作腔内的工质由热量流出端气缸流入热量流入端气缸，吸热；处于等温膨胀过程工作腔内的工质在工作腔内膨胀，吸热；处于等容放热过程工作腔内的工质由热量流入端气缸流入热量流出端气缸，放热；处于等温压缩过程工作腔内的工质在工作腔内压缩，放热。所以，处于等容吸热过程工作腔内的工质，在与处于等容放热过程工作腔内的工质逆流换热的同时，还吸收处于等温压缩过程工作腔内的工质放出的热量；处于等温膨胀过程工作腔内的工质，也吸收处于等容放热过程工作腔内的工质和处于等温压缩过程工作腔内的工质放出的热量，基本上没有逆流换热，吸收的热量远远少于处于等容吸热过程工作腔内的工质吸收的热量。
该逆流换热式回热器有两种逆流换热方式：一是换热壁两侧纵向逆流换热；二是换热壁两侧同层横向换热片一侧吸热，另一侧放热；相似但不等同于板翅式回热器[7] [8]，能最大限度地梯级换热[9] 。蓄热式回热器热量流失时间长、热损失大，工质从回热器吸收的热量大于放给回热器的热量，导致热机输出功和效率降，导致热机输出功和效率降低[6]。逆流换热式回热器能缩短热量流失时间，减少热损失，保持较高的热机输出功和效率。
3 结论
本文给出的斯特林热机逆流换热式回热器，是利用多工作腔斯特林热机各工作腔吸热放热不同时，和逆流换热效益高的客观规律，将放热工作腔工质的热量及时传到吸热工作腔工质。这种逆流换热方式，与现代燃气轮机和核反应堆单向换热、压力稳定的逆流换热方式不同[10] [11]，是双向换热、高频切换、压力急变的逆流换热方式。目前还没见到国内外有相关理论研究的报道。
斯特林热机技术的现状是，解决了主体结构问题后 [5]，控制系统、高效回热器、固态润滑剂仍然是必须攻克的三大难题！2010年3月，笔者以《车用斯特林发动机控制系统》一文提出了控制系统解决方案；本文介绍了高效回热器设计方案；固态润滑剂需要有识之士去研发。
控制系统、高效回热器、固态润滑剂都开发成功并规模化生产，斯特林热机的制造使用成本将低于内燃机，性能将优于内燃机，取而代之成为必然。
