CN103017401A

CN103017401A - 采用冷能的声功放大装置

Info

Publication number: CN103017401A
Application number: CN2012105395554A
Authority: CN
Inventors: 刘东立; 王博; 王龙一; 甘智华; 张小斌; 张学军; 汪伟伟; 吴镁; 刘雨梦; 宋豫京; 赵胜颖
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: CN103017401B

Abstract

本发明公开了一种采用冷能的声功放大装置，包括依次串连设置的声功传输管热端换热器、声功传输管、冷端换热器、回热器、以及输出端与负载相连的回热器热端换热器；所述冷端换热器的温度低于所述回热器热端换热器的温度。本发明的采用冷能的声功放大装置可通过可采用低温液体或低温制冷机中的一种或多种方式对冷端换热器进行冷却，从而在回热器两端建立起温度梯度，进而实现压缩机输入的声功沿着回热器冷端向回热器热端的方向放大，且放大的声功在回热器热端输出。本发明可实现工业废冷的回收利用，提高能源利用率，提升能量品位，而且结构简单，可靠性高。

Description

采用冷能的声功放大装置

技术领域

本发明涉及一种冷能利用装置，具体涉及一种采用冷能的声功放大装置。

背景技术

由于对环境保护重视程度的不断提高，以及天然气的液化加工成本不断下降，LNG(Liquid Natural Gas，液化天然气)作为一种“环境友好”能源，地位日益上升，市场前景十分广阔。预计到2040年，世界天然气的供应量将超过石油和煤炭，天然气所占比例将由目前的约25％上升至51％。在世界LNG贸易迅猛发展的背景下，我国的LNG项目也进入了一个快速发展的时期。目前，我国已在广州大鹏湾、福建、上海五号沟、上海洋山港投产LNG接收站，这四个接收站一期设计规模已经超过了1000万吨/年。除此之外，国家已经规划的LNG项目还有海南、大连、青岛等十几个，一期项目规模将达到5000万吨/年以上。

LNG是天然气经净化、液化而成的-162℃低温液体混合物。当1吨LNG在1个标准大气压下从-162℃汽化升温到5℃时，约可放出230kWh的冷量。一个300万吨/年的LNG接收站扣除消耗于高压外输气体的压力能后可利用的LNG冷能为65MW，折合电能约为10亿kWh。若中国消耗天然气5000亿m³/年，到本世纪中叶，其中进口LNG1000亿m³/年(7700万吨/年计)，可用冷能折合电能为257亿kWh/年，相当于一个600万kW电站的年发电量。在使用中，液化天然气必须被加热气化至常温才能被用户终端利用，目前液化天然气的加热气化方式主要采用海水对LNG进行加热，LNG中携带的冷量直接排放至环境中，其中LNG所含的冷能没有任何的回收利用。如果将LNG如此巨大的冷能进行有效利用，不仅可以避免LNG汽化引起的环境问题，还能使能源循环利用，从而获得极大的社会效益和经济效益。

同样，空气分离制氧工业中大量的副产品——液氮(温度为77K)中也蕴含着大量的冷能，但是大多数的液氮被直接排放至环境中，其所含冷量大量浪费的同时还会对环境造成一些影响(局部环境温度改变造成生态和生物的生理机能的改变)。

近年来工业废热的回收利用得到了快速发展并取得了显著的技术进步，但是却缺乏有效的冷量回收利用装置，而冷量回收利用装置和废热回收利用装置一样，对于国家节能减排战略的顺利实施具有重要的推进作用。

发明内容

本发明提供了一种采用冷能的声功放大装置，利用该声功放大装置可利用工业中的废弃不用的冷能，实现压缩机输出声功的放大，实现冷能的回收和资源利用率的提高。

一种采用冷能的声功放大装置，包括：依次串连设置的声功传输管热端换热器、声功传输管、冷端换热器、回热器、以及输出端与负载相连的回热器热端换热器；所述冷端换热器的温度低于所述回热器热端换热器的温度。

所述冷端换热器可采用多种冷能进行冷却，为便于操作，作为优选，所述冷端换热器由低温液体或者低温制冷机中的一种或多种方式冷却至低温。

图4为采用冷能的声功放大装置的结构和各部件中的能量流示意图。在理想情况下，声功传输管各长度方向上各点视为绝热单元，对声功传输管进行热力学分析可知，在声功传输管中满足：

< \overset{\cdot}{S} > = 0 - - - (1)

其中

为时均焓流，

为时均熵流。

理想情况下，回热器长度方向各点视为等温单元，且回热器不存在流阻，此时回热器内满足

< \overset{\cdot}{H} > = 0,

且回热器内声功满足

< P \overset{\cdot}{V} > = < \overset{\cdot}{H} > - T_{m} < \overset{\cdot}{S} > - - - (3)

其中

为声功放大装置内长度方向上某点声功的时均流，T_m为声功放大装置内长度方向上某点平均温度。

由压缩机输入功开始，由式(1)、式(3)可得声功传输管内状态为

< \overset{\cdot}{S} > = 0 - - - (4)

由式(2)、式(3)式可得回热器内状态为

< P \overset{\cdot}{V} > = - T_{m} < \overset{\cdot}{S} >,

< \overset{\cdot}{H} > = 0,

由上式可得

与T_m成正比，且

为负，因此声功

在回热器内得到放大并在回热器热端输出，且由(5)式可得理想情况下，声功放大倍数为声功放大装置回热器热端平均温度与冷端平均温度之比。

利用本发明的声功放大装置，通过低温流体或者低温制冷机中的一种或多种方式对冷端回热器进行冷却，在回热器两端建立起温度梯度，从而实现压缩机输入声功沿着回热器冷端向回热器热端的方向放大，且放大的声功在回热器热端输出。

实际安装过程中，所述声功传输管和回热器可设置在所述冷端换热器同一侧或者设置在两侧。对于空间较小的使用场合，作为优选，所述声功传输管和回热器布置在冷端换热器的同一侧，此时，整个声功放大装置的结构较为紧凑，占用空间较少。

当声功传输管和回热器布置在冷端换热器的同一侧时，同样有两种优选的布置方式。其中一种布置方式是：所述声功传输管和回热器同轴布置，回热器为环形结构，且套设在声功传输管外侧。采用该种布置方式，声功放大装置的占用空间最小，对空间的要求最低，实用性最强。

另外一种布置方式是：所述声功传输管和回热器相互平行，且并排布置。采用这种布置方式，声功传输管和回热器的加工和安装均较为简单，且声功放大装置整体占用空间也相对较少，安装时要求较低，可根据实际需要进行适当调整。

当声功传输管和回热器布置在冷端换热器两侧时，作为优选，所述声功传输管和回热器同轴设置，且设于冷端换热器的两侧，采用这种方式布置声功传输管和回热器，声功传输管和回热器布置过程较为简单，安装成本较低。

本发明的声功放大装置中可直接采用工业中废弃不用的冷能，例如所述冷端换热器可以为液化天然气或液氮气化系统中的蒸发器。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的采用冷能的声功放大装置，通过低温流体或者低温制冷机中的一种或多种方式对冷端回热器进行冷却，在回热器两端建立起温度梯度，从而实现压缩机输入的声功沿着回热器冷端向回热器热端的方向放大，且放大的声功在回热器热端输出。

附图说明

图1为本发明的采用冷能的声功放大装置的第一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明的采用冷能的声功放大装置的第二种实施方式的结构示意图。

图3为本发明的采用冷能的声功放大装置的第三种实施方式的结构示意图。

图4为采用冷能的声功放大装置的结构和其中能量流分布示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示：一种采用冷能的直线型声功放大装置，包括：与压缩机C连通的声功传输管热端换热器HX1、声功传输管WT、冷端换热器HX2、回热器RG、与负载L连接的回热器热端换热器HX3，其中压缩机C、声功传输管热端换热器HX1、声功传输管WT、冷端换热器HX2、回热器RG、回热器热端换热器HX3和负载L依次直线连接。

冷端换热器HX2可采用低温液体或低温制冷机中的一种或多种方式实现其冷却，例如可回用液态天然气或者液氮中携带的冷量进行冷却。

系统安装完毕后，冷端换热器HX2由低温冷源冷却至某一较低温度，回热器热端换热器HX3由较高温区热源(如大气环境)维持在某一较高温度，使回热器RG内产生稳定温度梯度，对系统内部抽真空至10^-1Pa左右，然后充入高纯氦气，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10^-1Pa左右。如此反复抽真空充气3-4次后，最终充入工作压力的高纯氦气，即可保证系统中氦气工质的纯度。调节压缩机C的运行频率至声功放大装置的最佳工作频率，打开压缩机C的电源，便可以在回热器热端实现声功的放大。

实施例2

如图2所示：一种采用冷能的同轴型声功放大装置，包括：与压缩机C连通的声功传输管热端换热器HX1、声功传输管WT、冷端换热器HX2、回热器RG、和与负载L连接的回热器热端换热器HX3，其中压缩机C与声功传输管热端换热器HX1、声功传输管WT、冷端换热器HX2依次连接，冷端换热器HX2与回热器RG、回热器热端换热器HX3、负载L依次连接，声功传输管WT与回热器RG同轴布置，回热器RG为环形结构，套设在声功传输管WT的外侧，相互封闭，声功传输管WT两端分别与声功传输管热端换热器HX1和冷端换热器HX2连接，回热器RG两端分别与回热器热端换热器HX3和冷端换热器HX2连接，回热器热端换热器HX3为环形结构，且声功传输管热端换热器HX1嵌套在回热器热端换热器HX3中，且相互封闭。

冷端换热器HX2可采用低温液体或低温制冷机中的一种或多种方式实现其冷却，回热器热端换热器HX3由较高温度热源维持在某一较高温度，使回热器RG内产生稳定温度梯度。该装置能实现将压缩机输出声功放大的效果。

系统安装完毕后，冷端换热器HX2由低温冷源冷却至某一较低温度，回热器热端换热器HX3由较高温度热源(如大气环境)维持在某一较高温度，使回热器RG内产生稳定温度梯度，对系统内部抽真空至10^-1Pa左右，然后充入高纯氦气，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10^-1Pa左右。如此反复抽真空充气3-4次后，最终充入工作压力的高纯氦气，即可保证系统中氦气工质的纯度。调节压缩机C的运行频率至声功放大装置的最佳工作频率，打开压缩机C的电源，便可以在回热器热端实现声功的放大。

实施例3

如图3所示：一种采用冷能的“U”型声功放大装置包括：与压缩机连通的声功传输管热端换热器HX1、声功传输管WT、冷端换热器HX2、回热器RG、与负载L相连的回热器热端换热器HX3，其中压缩机C、声功传输管热端换热器HX1、声功传输管WT、冷端换热器HX2、回热器RG、回热器热端换热器HX3和负载L依次连接，回热器RG与声功传输管WT平行并排放置。冷端换热器HX2由低温冷源冷却至某一较低温度，回热器热端换热器HX3由较高温度热源(如大气环境)维持在某一较高温度，使回热器RG内产生稳定温度梯度。系统安装完毕后，冷端换热器HX2由冷源冷却至某一较低温度，回热器热端换热器HX3由热源维持在某一较高温度，使回热器RG内产生稳定温度梯度，对系统内部抽真空至10^-1Pa左右，然后充入高纯氦气，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10^-1Pa左右。如此反复抽真空充气3-4次后，最终充入工作压力的高纯氦气，即可保证系统中氦气工质的纯度。调节压缩机C的运行频率至声功放大装置的最佳工作频率，打开压缩机C的电源，便可以在回热器热端实现声功的放大。

Claims

1.一种采用冷能的声功放大装置，其特征在于，包括依次串连设置的声功传输管热端换热器(HX1)、声功传输管(WT)、冷端换热器(HX2)、回热器(RG)、以及输出端与负载(L)相连的回热器热端换热器(HX3)；所述冷端换热器(HX2)的温度低于所述回热器热端换热器(HX3)的温度。

2.根据权利要求1所述的采用冷能的声功放大装置，其特征在于，所述冷端换热器(HX2)由低温液体或低温制冷机中的一种或多种方式冷却至低温。

3.根据权利要求1或2所述的采用冷能的声功放大装置，其特征在于，所述声功传输管(WT)和回热器(RG)布置在冷端换热器(HX2)的同一侧。

4.根据权利要求3所述的采用冷能的声功放大装置，其特征在于，所述声功传输管(WT)和回热器(RG)同轴布置，回热器(RG)为环形结构，套设在声功传输管(WT)外侧。

5.根据权利要求3所述的采用冷能的声功放大装置，其特征在于，所述声功传输管(WT)和回热器(RG)相互平行，且并排布置。

6.根据权利要求1或2所述的采用冷能的声功放大装置，其特征在于，所述声功传输管(WT)和回热器(RG)同轴设置，且设于冷端换热器(HX2)的两侧。