[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

权利要求书

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P_m，转速n，工质功率转换系数ζ，斜盘倾角θ，热腔温度T_E，冷腔温度T_C，计算斯特林热机比尔数B_n，气缸直径D_CY，热腔容积V_E，冷腔容积V_C；

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m_H和单位通流面积工质流量G_H，计算吸热器加热管内工质流场的雷诺数Re_H和努赛尔数Nu_H，进而计算得到对流换热系数h_H；

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Q_H通过单根热管的吸热量Q′_H和加热管数N_H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Q_H的公式联立，即可得到加热管管数N_H与管长l_H；

每根热管吸收热量Q′_H为：Q′_H＝Q_H/N_H，而单根加热管的吸热量依据传热学关系式可表示为：Q′_H＝πd_H·l_H·h_H·(T_HW-T_H)；可得加热管管数N_H与管长l_H计算公式：

然后计算加热管管数N_H与管长l_H；

式中：λ为管内工质的导热系数，η为热机循环效率，η＝1-T_C/T_E；D_op为活塞杆直径；S_p为活塞最大行程；T_HW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。

2.根据权利要求1所述的碟式太阳能斯特林热机管簇式吸热器设计方法，步骤2中还包括吸热器管数、管长的优化，其具体操作如下：

根据加热管的最佳长径比公式：得出考虑流阻和周期换热损失以及输出功率的加热管换热长度和管数的数学模型:

并计算最佳长径比的加热管的管数N_H与管长l_H；

式中：其中：F_Cr为回热器容积流率修正系数，F_Ck为冷却器容积流率修正系数，N_K为冷却管管数，N_H为吸热器加热管数，u_GH为氦气的动力粘度，F_Ck为冷却器容积流率修正系数，E₃、E₄为中间变量；f_βH、f_γH、f_δH为修正系数，其中：f_βH＝-356β_H+100，f_γH＝0.01·γ_H^-11，f_δH＝-75.7T_H/T_C+152；T_H为加热器温度，T_K为冷却器温度；

中间变量式中，为循环系统的相位领先角；

回热器容积流率修正系数

式中:

冷却器容积流率修正系数

式中：

χ_K为冷却器无益容积比，χ_R为回热器无益容积比；

中间变量

式中：γ为氦气的比热比，γ＝1.66；P_rk为冷却器中的水的普朗特数。