CN101294554A - 利用变温热源的热声发动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用变温热源的热声发动机系统，包括谐振管，所述谐振管上有机械能输出装置，至少两级行波环路，所有的行波环路共用所述谐振管，每个所述行波环路有高温换热器，所述高温换热器具有用于载热流体介质输入和输出的输入口和输出口，前一级行波环路的所述高温换热器输出口与后一级行波环路的所述高温换热器输入口相连通，所述至少两级行波环路的所述高温换热器的工作温度从前一级行波环路开始到后一级行波环路依次降低。本发明提高了热量的转换效率并具有紧凑的结构。

Description

利用变温热源的热声发动机系统

技术领域

本发明涉及热声发动机，特别涉及利用变温热源的热声发动机系统。

背景技术

热声发动机是一种利用热声效应将热能转换为声能的能量转换装置，它具有以下优点：系统中没有运动部件，从根本上消除了常规机械所普遍存在的磨损与振动，运行稳定可靠，使用寿命长；使用热作为能源，可以利用太阳能、废热等作为驱动源，这对于解决偏远地区动力缺乏的问题非常有意义；以惰性气体作为工质，有利于环保，所以具有非常广阔的发展前景。目前，行波热声发动机的热声转换效率已经达到了30％，已经接近内燃机的转换效率。

在自然界和工程应用中，目前主要存在两类热源载体：一类热源载体是固体介质，另一类热源载体是流体介质。对于固体热源载体，其热量的利用可以在固定的温度下进行，例如，利用太阳能或者同位素放射材料等给固体加热并维持在一定的热平衡温度。对于流体热源载体，其热量的利用往往是在变化的温度下体现出来的，即热量的获得往往需要流体的降温来实现。目前的热声发动机系统是针对固定温度载热介质的。图1是现有的行波热声发动机结构示意图，它主要由一个行波环路5和一个谐振管6组成。行波环路高温换热器2必须维持在一定的温度，这样它与室温换热器3之间的回热器1才能保持一定的温度梯度，系统才能工作。维持高温换热器2处于恒定高温的方法很多，比如采用电加热器等等。但在采用流体热源载体的情况下，高温换热器不能够维持恒定的温度，都是通过燃料燃烧获得高温烟气形成流体热源载体，从高温换热器的入口进入，高温烟气在高温换热器内的换热为热声发动机提供热量，换热后的载热流体介质的温度降低并经过高温换热器的出口排出。在这种情况下，目前的热声发动机系统就不能高效率地利用载热流体介质的热量，比如如果高温烟气的温度为1000℃左右，高温换热器的设计平均温度在950℃左右，烟气流出高温换热器的温度为900℃左右，那么烟气热量仅仅被利用了很小的一部分，绝大部分将被排放，没有被利用，造成了极大的能量损失。因此，就希望有一种能够充分利用载热流体的热量、提高效率的热声发动机系统。

发明内容

本发明的目的在于克服目前热声发动机在利用变温热源时存在不能完全有效利用热量的不足，提供一种利用变温热源的热声发动机系统。

为此，本发明提供一种利用变温热源的热声发动机系统，包括谐振管，所述谐振管上有机械能输出装置；还包括至少两级行波环路，所有的行波环路共用所述谐振管，每个所述行波环路有高温换热器，所述高温换热器具有用于载热流体介质输入和输出的输入口和输出口，前一级行波环路的所述高温换热器输出口与后一级行波环路的所述高温换热器输入口相连通，所述至少两级行波环路的所述高温换热器的工作温度从前一级行波环路到后一级行波环路依次降低。

本发明在行波热声发动机的谐振管上安装两个或两个以上的行波环路，每个行波环路上的高温换热器的设计温度各不相同，设计温度从前一级环路向后一级依次递减；载热流体依次流入各级环路的高温换热器进行换热，发动机可以在不同的温度段吸收利用载热流体的热量。

在上述技术方案中，所述行波环路由反馈管、第一低温换热器、回热器、所述高温换热器、热缓冲管和第二低温换热器顺序连通构成，各级所述行波环路在各自的第二低温换热器处且在所述热缓冲器的外侧与共用的所述谐振管相连通。

在上述技术方案中，各级所述行波环路还包括低温换热器和反馈管，在所述高温换热器和所述低温换热器之间设置有回热器和热缓冲器，所述回热器和所述热缓冲器之间有一个隔板，所述隔板延伸经过所述低温换热器并在所述低温换热器的外侧作为所述反馈管的壁。

在上述技术方案中，各级所述行波环路共用一个低温换热器并分别还包括回热器和热缓冲管，在前一级行波环路的高温换热器、回热器和共用的低温换热器围绕出的空间中设置后一级行波环路。

在上述技术方案中，在所述谐振腔的两端上，分别连接有所述至少两级行波环路。

在上述技术方案中，各级所述行波环路的所述热缓冲管共轴地处于所述回热器的内部。

在上述技术方案中，所有行波环路形成圆周对称形的多级行波环路嵌套，所有的所述回热器、所述热缓冲管和所述反馈管同轴布置。

在上述技术方案中，各级行波环路还包括回热器和一个共用的低温换热器，所有的行波环路的高温换热器形成一个整体高温换热器，所述整体高温换热器设置在所述回热器的内部。

在上述技术方案中，所述整体高温换热器是由至少一根流体导管形成的，设置在所述回热器的内部。

在上述技术方案中，所述回热器被弯曲成具有中空部的圆筒的形状，所述系统还包括热缓冲管，所述热缓冲管共轴地设置在所述回热器的中空部，所述热缓冲管在轴向上分成至少两段，在所述段与段之间具有用于使工作气体进入到所述热缓冲管的间隙，所述间隙宽度大于或等于所述热缓冲管长度的百分之一。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、本发明采用至少两个不同工作温度的行波环路，发动机系统可以在不同的温度段吸收利用载热流体的热量，提高了热量的转换效率；

2、本发明采用至少两个行波环路同轴或者嵌套布置，使得发动机系统在具有高的转换效率的同时具有紧凑的结构。

附图说明

图1为一典型的现有技术传统结构的行波热声发动机；

图2为本发明一实施例中热声发动机系统示意图，是装有三个行波环路的变温热源的行波热声发动机系统；

图3为本发明一实施例中热声发动机系统的某一级行波环路示意图；

图4为本发明一实施例中装有五个行波环路的变温热源的行波热声发动机系统的示意图，其中的每一级行波环路结构如图3所示；

图5为本发明一实施例中对称布置的变温热源的行波热声发动机系统；

图6为本发明一实施例中装有六个行波环路的变温热源的行波热声发动机系统；

图7为本发明一实施例中同轴的变温热源的行波热声发动机系统；

图8(a)-(c)为本发明一实施例中装有四个行波环路的变温热源的行波热声发动机系统；其中图8(a)表示同轴且高温换热器设置在回热器内部的变温热源的行波热声发动机系统；图8(b)表示本实施例的热声发动机系统可以等效地看作是四个共轴结构的热声发动机；图8(c)表示沿图8(b)中A-A线的剖面图。

附图标记一览表：

1----回热器，2----高温换热器，3----低温换热器，

4----热缓冲管，5----反馈管，6----谐振管，

7----端面，8----间隙，9----输入口，

10----输出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

为了便于技术人员理解本发明，在给出本发明的具体实施例之前，对本发明提出的在热声发动机的谐振管上安装在不同温度工作的多级行波环路，实现热能阶梯，以提高效率。下面将从理论上对其进行解释。

假设有质量为m的载热流体，其温度为1000K，比热容为C_p，室温换热器温度T₀为300K。如果热声发动机上只设计有一个行波环路，热端换热器的平均设计温度为950K，载热流体在流出换热器之后的温度为900K，并且热声发动机的热效率等于卡诺效率，则该热声发动机可以转换出的总声功可以表示为：

$W_1=m{C}_p\mathrm{\Δ}{T}_1\frac{T_h-T_0}{T_h}=m{C}_p(1000-900)\frac{950-300}{950}=68.4m{C}_p$

如果在行波热声发动机上安装两个行波环路，让从第一级环路的换热器流出的载热流体再流入第二级环路的换热器，并且第二级环路的高温换热器的平均设计温度为850K，流体流出的温度为800K，则第二级环路又可以转换出的声功为：

$W_2=m{C}_p\mathrm{\Δ}{T}_2\frac{T_h-T_0}{T_h}=100m{C}_p\frac{550}{850}=64.7m{C}_p$

所以在安装了两个不同设计温度的环路后，同样的载热流体可以转换出的总声功变为了133.1mC_p，效率已经大为提高。

同样的，如果安装第三个行波环路，热端换热器设计温度为750K，流体流出的温度为700K，则第三级环路又可以转换出的声功为：

$W_3=m{C}_p\mathrm{\Δ}{T}_3\frac{T_h-T_0}{T_h}=100m{C}_p\frac{450}{750}=60m{C}_p$

所以在安装了三个不同设计温度的环路后，同样的载热流体可以转换出的总声功变为了193.1mC_p，效率又有所上升。

在极限情况下，热声发动机上安装n个行波环路，第一个行波环路的设计温度为1000K，最后一个行波环路的设计温度为400K(该温度应该高于发动机的启振温度)，每个环路的温差为600/n，则该热声发动能够转换出的总声功量为：

当n→∞时，W_总＝325.11mC_p，此时系统的热能利用效率达到极限。

以上的计算说明通过多级行波环路阶梯式利用热能能够提高热声发动机热能的利用效率。下面将结合实施例进一步描述本发明。

实施例1：

如图2所示，作为举例，在热声发动机系统的谐振管上连接了三个行波环路。以图中所示的左侧第一个行波环路为第一级行波环路为例，每个行波环路的设计结构为：从谐振管6开始依次连接反馈管5、低温换热器3(比如采用与室温进行热量交换的室温换热器3)、回热器1、高温换热器2、热缓冲管4，热缓冲管4的另一端比如通过同样的另一个低温换热器3与谐振管6相连。每一级高温换热器都具有用于载热流体介质输入和输出的输入口9和输出口10，且第一级行波环路的高温换热器输出口10与第二级行波环路的高温换热器输入口相连通，依此类推，倒数第二级行波环路的高温换热器输出口与最后一级行波环路的高温换热器输入口相连通；高温换热器的工作温度从第一级行波环路开始到最后一级行波环路依次降低；因为行波环路各部件的最优化尺寸跟高温换热器的设计温度有关，所以各个环路的尺寸有所不同，完成各个环路尺寸的设计是本领域技术人员能够胜任的。第一级行波环路的高温换热器设计的平均换热温度约为600℃，第二级的平均换热温度约为500℃，第三级的平均换热温度约为400℃。载热流体流入第一级高温换热器的温度为650℃，流出时的温度为550℃，随后进入第二级环路的高温换热器，流出第二级高温换热器时的温度为450℃，紧接着载热流体再进入第三级环路的高温换热器，经过换热后，载热流体的温度降低到了350℃，此时再排放载热流体，损失的热量已经大为减少。采用本实施例的热声发动机系统就能够大大提高变温热源比如载热流体的热量的利用率。

实施例2：

图1中的单级行波热声发动机也可以设计成图3所示的结构。在图3中，回热器1、热缓冲管4、反馈管5和谐振管6采用了方形的结构，在高温换热器2和低温换热器3之间设置回热器1和热缓冲管4，回热器1和热缓冲管4之间由一个隔板隔开，该隔板延伸经过低温换热器3，并在低温换热器3的外侧作为反馈管5的内侧壁，反馈管5的外侧壁是由构成行波环路的整体外壳形成。如图4所示，为了使多个行波环路的结构更为紧凑，多级行波环路的隔板连成一个整体。单个环路采用图3所示的结构以后，可以将多个行波环路紧凑地安装在一起，如图4所示，并且各个环路的室温换热器3和高温换热器2可以直接连接在一起，做成一体的结构。每一级高温换热器都具有用于载热流体介质输入和输出的输入口和输出口，且第一级行波环路的高温换热器输出口与第二级行波环路的高温换热器输入口相连通，依此类推，倒数第二级行波环路的高温换热器输出口与最后一级行波环路的高温换热器输入口相连通；在本实施例中，各级高温换热器之间的用于输送载热流体的连接结构是很短的，总体上可以做成两级高温换热器是紧靠的，在高温换热器2内，载热流体由第一级环路往更高级环路方向流动，随着在高温换热器2内换热的进行，载热流体的温度将会逐步下降，这样各级回热器1的靠近高温换热器2的热端温度也将会逐步降低，图4中示出了共五级行波回路。比如载热流体进入高温换热器2的温度为1000℃，流出最后一级行波回路高温换热器的温度为400℃。本实施例的设计在充分利用热量的同时还可以使结构更加简单紧凑。

实施例3：

如图5所示，本实施例中的每一级的回热器1、高温换热器2、热缓冲管4、反馈管5和共用的低温换热器采用了方形的结构，但与实施例2不同的是前一级的回热器和热缓冲管不是靠近的而是彼此离开并与高温换热器以及共用的低温换热器形成一定的空间，在该空间中容纳后一级的高温换热器、回热器和热缓冲管，各级的回热器和热缓冲管紧挨在一起，并共用同一个低温换热器3，后一级的环路被包裹在前一级的环路内部，每一级的回热器之间由隔板隔开，隔板延伸一部分到谐振腔6内形成各级反馈管5的壁，这样的结构也是比较紧凑的。本实施例的另一个特点就是在谐振管的另一端也布置了与上述相同的多级行波环路，这样的对称布置可以有效地减少系统的振动，降低噪音。每一级高温换热器都具有用于载热流体介质输入和输出的输入口(比如可以设置位于高温换热器的上方表面)和输出口(比如可以设置位于高温换热器的下方表面)，且第一级行波环路的高温换热器输出口与第二级行波环路的高温换热器输入口通过连接管相连通，依此类推，倒数第二级行波环路的高温换热器输出口与最后一级行波环路的高温换热器输入口通过连接管相连通；高温换热器的工作温度从第一级行波环路开始到最后一级行波环路依次降低；图中谐振腔的每端示出了四级行波环路，设计每级的工作温度比如为从第一级到第四级的环路的高温换热器的平均温度分别为500℃，400℃，300℃，200℃，载热流体的初始温度为550℃，每经过一个高温换热器其温度下降100℃，流出最后一个高温换热器时的温度为150℃，这样就大大提高了热源的利用率。另外，如图5中所示，各级回热器与高温换热器和低温换热器之间的连接是倾斜安装的，这样做的好处就是增大了回热器与高温换热器和低温换热器的接触面积，更加有利于换热。

实施例4：

如图6所示，本实施例中，在发动机的谐振管上连接了6个同轴结构的行波环路。以图中左侧的第一级行波环路为例，每个同轴结构的行波环路的设计结构为：从谐振管6开始依次连接反馈管5、低温换热器3、回热器1、高温换热器2，将热缓冲管4设置在回热器1内部与其同轴安装，热缓冲管4的两端分别与高温换热器2和低温换热器3相连。每一级高温换热器都具有用于载热流体介质输入和输出的输入口(比如可以设置位于高温换热器的图中的左侧)和输出口(比如可以设置位于高温换热器的图中的右侧)，且第一级行波环路的高温换热器输出口与第二级行波环路的高温换热器输入口通过连接管相连通，依此类推，倒数第二级行波环路的高温换热器输出口与最后一级行波环路的高温换热器输入口通过连接管相连通；高温换热器的工作温度从第一级行波环路开始到最后一级行波环路依次降低，各级行波环路的工作温度设计为比如从第一级到第六级的环路的高温换热器的平均温度分别为900℃，800℃，700℃，600℃，500℃，400℃，载热流体的初始温度为950℃，每经过一个高温换热器其温度下降100℃，流出最后一个高温换热器时的温度为350℃，这种同轴的行波环路级联形成的热声发动机不仅大大提高了热源的利用率，并且多级环路共用谐振管使得整个结构紧凑。

实施例5：

如图7所示，为多个行波环路同轴布置的形式，即所有回热器1、热缓冲管4和反馈管5同轴布置。第一级环路的回热器1和反馈管5位于整个同轴结构的最外层，第一级环路的热缓冲管4位于整个同轴结构的最中心；后一级环路的回热器和反馈管位于前一级环路的内部，而后一级环路的热缓冲管位于前一级环路的外层，这样多级行波环路形成嵌套的形式。相比图5和6而言，该结构显然更加紧凑。每一级高温换热器都具有用于载热流体介质输入和输出的输入口(比如可以设置位于高温换热器的上方表面)和输出口(比如可以设置位于高温换热器的下方表面)，且第一级行波环路的高温换热器输出口与第二级行波环路的高温换热器输入口通过管道(图中未示出)相连通，依此类推，倒数第二级行波环路的高温换热器输出口与最后一级行波环路的高温换热器输入口相连通；高温换热器的工作温度从第一级行波环路开始到最后一级行波环路依次降低，比如对于图7中的四级环路来说，从第一级到第四级的环路的高温换热器的平均温度分别为900℃，800℃，700℃，600℃，载热流体的初始温度为950℃，每经过一个高温换热器其温度下降100℃，流出最后一个低温换热器时的温度为550℃。另外，如图7中所示，各级回热器与高温换热器和低温换热器之间的连接是倾斜安装的，这样做的好处就是增大了回热器与高温换热器和低温换热器的接触面积，更加有利于换热。

实施例6：

如图8(b)所示，本实施例中行波环路为同轴结构，从谐振管6开始依次连接反馈管5、共用的低温换热器3、回热器1，回热器1是被弯曲成具有中空部的圆筒的形状，热缓冲管4共轴地设置在回热器1的中空部；高温换热器2采用流体导管的形式来使流体通过并与回热器1进行换热，该流体导管从回热器1的一端进入回热器1，穿过回热器1后，在回热器1的另一端出来，在本实施例中该换热管路还延伸到从低温换热器3出来。在本实施例中，比如热缓冲管4的纵向总长度为10厘米，可以被分成四段，在段与段之间留有间隙8，间隙宽度不小于热缓冲管4长度的百分之一，比如间隙8的宽度为1cm；热缓冲管4与端面7之间的间隙为1cm。该结构实际上是将多个同轴结构的行波环路合并到了一起，如图8(a)所示，因为每个环路中回热器和热缓冲管的温度都是线型分布，因此可以把各个回热器和热缓冲管按照温度对应相等的原则合并到一起，把热缓冲管分成几段每两段之间留有间隙的设计结构是为了保持原来各个行波环路的流动特征，图8(a)结构就等效为图8(b)中四个行波环路的级联，其工作温度比如分别设计为1000K，900K，800K，700K，图8(a)中的各级行波环路的反馈管5和谐振管6也进行了合并形成图8(b)的结构。考虑到高温换热器内载热流体经过换热后温度是逐步降低的，只要换热充分就可以直接将高温换热器的换热管路安装在回热器内，这样载热流体在经过回热器后温度直接降低到低温温度(比如室温)，最大限度的利用了热能。图8(c)表示图8(b)中沿A-A线的剖面图，可以看出高温换热器的换热管路2基本上是均匀地分布在回热器1的内部，本实施例中是采用多根直线形的换热管路嵌入在回热器中，当然也可以其他手段实现换热管路嵌入回热器，比如采用至少一根螺旋形换热管路嵌入回热器。

实际上本实施例6中，如果不考虑保持各级行波环路的流动特征，就不用在热缓冲管4上留出间隙，而是将热缓冲管4的整个壁全部开放(或者说就是在本实施例的结构中去掉了由其四周壁形成的热缓冲管4，而是保留回热器1围成的内部空间作为起热缓冲作用的构造)，这样的热声发动机构造实际上将无限多个行波环路级联而成，可以将从高温热源到低温热源的热量的高利用率达到极限。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种利用变温热源的热声发动机系统，包括谐振管，所述谐振管上有机械能输出装置，其特征是，还包括至少两级行波环路，所有的行波环路共用所述谐振管，每个所述行波环路有高温换热器，所述高温换热器具有用于载热流体介质输入和输出的输入口和输出口，前一级行波环路的所述高温换热器输出口与后一级行波环路的所述高温换热器输入口相连通，所述至少两级行波环路的所述高温换热器的工作温度从前一级行波环路到后一级行波环路依次降低。

2、根据权利要求1所述的热声发动机系统，其特征是，所述行波环路由反馈管、第一低温换热器、回热器、所述高温换热器、热缓冲管和第二低温换热器顺序连通构成，各级所述行波环路在各自的第二低温换热器处且在所述热缓冲器的外侧与共用的所述谐振管相连通。

3、根据权利要求1所述的热声发动机系统，其特征是，各级所述行波环路还包括低温换热器和反馈管，在所述高温换热器和所述低温换热器之间设置有回热器和热缓冲器，所述回热器和所述热缓冲器之间有一个隔板，所述隔板延伸经过所述低温换热器并在所述低温换热器的外侧作为所述反馈管的壁。

4、根据权利要求1所述的热声发动机系统，其特征是，各级所述行波环路共用一个低温换热器并分别还包括回热器和热缓冲管，在前一级行波环路的高温换热器、回热器和共用的低温换热器围绕出的空间中设置后一级行波环路。

5、根据权利要求4所述的热声发动机系统，其特征是，在所述谐振腔的两端上，分别连接有所述至少两级行波环路。

6、根据权利要求3所述的热声发动机系统，其特征是，各级所述行波环路的所述热缓冲管共轴地处于所述回热器的内部。

7、根据权利要求4所述的热声发动机系统，其特征是，所有行波环路形成圆周对称形的多级行波环路嵌套，所有的所述回热器、所述热缓冲管和所述反馈管同轴布置。

8、根据权利要求1所述的热声发动机系统，其特征是，各级行波环路还包括回热器和一个共用的低温换热器，所有的行波环路的高温换热器形成一个整体高温换热器，所述整体高温换热器设置在所述回热器的内部。

9、根据权利要求8所述的热声发动机系统，其特征是，所述整体高温换热器是由至少一根流体导管形成的，设置在所述回热器的内部。

10、根据权利要求8或9所述的热声发动机系统，其特征是，所述回热器被弯曲成具有中空部的圆筒的形状，所述系统还包括热缓冲管，所述热缓冲管共轴地设置在所述回热器的中空部，所述热缓冲管在轴向上分成至少两段，在所述段与段之间具有用于使工作气体进入到所述热缓冲管的间隙，所述间隙宽度大于或等于所述热缓冲管长度的百分之一。

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