CN103161712A - 一种双作用热声压缩机系统 - Google Patents

Abstract

一种双作用热声压缩机系统，其有至少三级基本单元，每级基本单元均由一热声转换装置和一压缩管路系统组成，热声转换装置由依次相连的第一室温换热器、回热器、高温换热器、热缓冲管、第二室温换热器和装有液体的U型管组成；U型管垂直管上部液面之上分别具有左空腔和右空腔，第二室温换热器通过左空腔与U型管连接；至少三级基本单元的热声转换装置依次首尾相连构成一个环路；压缩管路系统由低压和高压气源、进气和排气管路及单向阀组成；低压气源通过进气管路和单向阀分别与每一级基本单元U型管的左空腔连通；高压气源通过排气管路和单向阀分别与每一级基本单元U型管的左空腔连通；U型管还可为双U型管；其生产成本低，寿命长。

Description

一种双作用热声压缩机系统

技术领域

本发明涉及能源动力技术的热声压缩机系统，特别涉及一种双作用热声压缩机系统。

背景技术

压缩机是提高气体压力的一种流体机械，在能源与动力领域被广泛应用，是制冷机的心脏，为制冷循环提供动力。压缩机主要可分为两大类：容积式压缩机和速度式压缩机。容积式压缩机是较为常用的结构形式，图1所示为一种典型的容积式压缩机结构示意图。活塞10向右运动时，气缸11容积增大，内部压力降低，进气管路8上单向阀打开(排气管路上的单向阀关闭)，低压气源的气体进入气缸；活塞向左运动时，气缸容积减小，内部压力升高，排气管路上的单向阀打开(进气管路上单向阀关闭)，气缸内的气体进入高压气源。这种结构的压缩机工艺成熟，已经获得了广泛的应用，但是这种压缩机一般采用电能驱动，在电能缺乏的场合受到了限制，同时其内部有较多的机械运动部件，使用寿命也是有限的。热声发电机是一种新型的能量转换装置，它利用热声效应将热能转化为声波形式的机械能，再利用直线发电机将机械能转换为可方便使用的电能。热声发电机是以外热源为驱动，可以充分利用工业废热、太阳能等作为其驱动热源，在电能缺乏的场合有着广阔的应用前景。图2为现有技术中一种双作用热声发电机的结构示意图。它主要由三个基本单元组成，每个基本单元包括依次连接的第一室温换热器1，回热器2，高温换热器3，热缓冲管4、第二室温换热器5和直线发电机12。高温换热器吸收外界热量，在回热器内将热能转换为声波形式的机械能，推动直线发电机往复运动，将机械能转换为电能输出。

我们知道将机械能转换为电能存在一个转换效率的问题，一般直线电机的转换效率在80％左右，也就是说有20％左右的机械能被损失掉。另外直线电机的工艺要求非常严格，成本较高。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术中的机械能转换为电能存在的转换效率低和直线电机工艺要求非常严格及成本较高的缺陷，而提供一种能够降低生产成本，提高使用寿命的双作用热声压缩机系统。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的双作用热声压缩机系统，其具有至少三级基本单元，每级基本单元均由一个热声转换装置和一个压缩管路系统组成，所述热声转换装置由依次连接的第一室温换热器1、回热器2、高温换热器3、热缓冲管4、第二室温换热器5和装有液体的U型管6组成，该U型管6垂直管上部液体液面之上分别具有左空腔和右空腔，所述热声转换装置的第二室温换热器5通过所述左空腔与U型管6连接；上一级基本单元的热声转换装置的右空腔与下一级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器1相连，末一级基本单元的热声转换装置的右空腔与首级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器1相连，以使至少三级基本单元的热声转换装置依次首尾相连构成一个环路；所述压缩管路系统由一低压气源、一高压气源、进气管路8、排气管路9及单向阀组成；所述低压气源通过进气管路8和单向阀分别与每一级基本单元的U型管6的左空腔相连通；所述高压气源通过排气管路9和单向阀分别与每一级基本单元的U型管6的左空腔相连通。

本发明提供的双作用热声压缩机系统，其具有至少三级基本单元，每级基本单元均由一个热声转换装置和一个压缩管路系统组成，所述热声转换装置由依次连接的第一室常温换热器1、回热器2、高温换热器3、热缓冲管4、第二室温换热器5和装有液体的双U型管61组成，该双U型管61的垂直管上部液体液面之上分别设有左空腔、中空腔和右空腔，所述第二室温换热器5通过所述左空腔与所述双U型管6连接；上一级基本单元的热声转换装置的右空腔与下一级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器1相连，末一级基本单元的热声转换装置的右空腔与首级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器1相连，以构成所述至少三级基本单元的热声转换装置依次首尾相连构成一个环路；所述压缩管路系统由一低压气源、一高压气源、进气管路8、排气管路9及单向阀组成；所述低压气源通过进气管路8和单向阀分别与每一级基本单元的双U型管液柱6的中空腔相连通；所述高压气源通过排气管路9和单向阀分别与所述每一级基本单元的双U型管6的中空腔相连通。

所述的双作用热声压缩机系统为多级串联的双作用热声压缩机系

统：即通过上一级双作用热声压缩机系统的高压气源与下一级双作用热声压缩机系统的低压气源相连通而形成双作用热声压缩机系统的多级串联。

本发明的优点如下：

本发明采用液柱替代了传统类似结构中的直线发电机，直接利用系统转换出的机械能，结构更加简单实用，大大降低了系统加工制造成本，也提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为现有的一种容积式压缩机结构示意图；

图2为现有的一种双作用热声发电机的结构示意图；

图3为本发明的一种双作用热声压缩机系统(实施例1)的结构示意图；

图4为单向阀的开启与关闭示意图；

图5为本发明的一种双作用热声压缩机系统(实施例2)的结构示意图；

图6为本发明的一种双作用热声压缩机系统(实施例3)的结构示意图；

其中1为第一室温换热器，2为回热器，3为高温换热器，4为热缓冲管，5为第二室温换热器，6为U型管，61为双U型管，7为单向阀，8为进气管路，9为排气管路，10为活塞，11为气缸，12为直线发电机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明。

实施例1：图3为本发明双作用热声压缩机的第一实施例的示意图，其具有至少三级基本单元，每级基本单元均由一个热声转换装置和一个压缩管路系统组成，所述热声转换装置由依次连接的第一室温换热器1、回热器2、高温换热器3、热缓冲管4、第二室温换热器5和装有液体的U型管6组成，该U型管6垂直管上部液体液面之上分别具有左空腔和右空腔，所述热声转换装置的第二室温换热器5通过所述左空腔与U型管6连接；上一级基本单元的热声转换装置的右空腔与下一级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器1相连，末一级基本单元的热声转换装置的右空腔与首级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器1相连，以构成所述至少三级基本单元的热声转换装置依次首尾相连构成一个环路；所述压缩管路系统由一低压气源、一高压气源、进气管路8、排气管路9及单向阀组成；所述低压气源

通过进气管路8和单向阀分别与每一级基本单元的U型管6的左空腔相连通；所述高压气源通过排气管路9和单向阀分别与每一级基本单元的U型管6的左空腔相连通。

在传统的双作用热声发电机中，直线发电机除了将机械能转换为电能外，同时还起到控制系统工作频率的作用；在本实施例中，使用装有液体的U型管6替代直线电机，利用U型管6内液体的惯性来控制系统的工作频率，使得系统更加简单，成本更低。

系统工作时，向高温换热器3内加入热量，将其温度升高，回热器2内就会建立一定的温度梯度，当该温度梯度增大到一定值时，系统内就会产生自激振荡的压力波，压力波在回热器2内将热能转换为声波形式的机械能进入热缓冲管4、第二室温换热器5，在第二室温换热器5与U型管液柱6之间机械能的一部分用来压缩气体，另一部分推动U型管6内液体柱做往复运动，并通过U型管6内液体柱反馈给另一个基本单元中的第一室温换热器1。

气体的压缩过程可参考图4：热声转换装置工作时，内部会产生压力波，压力波的平均压力位P0，波动压力幅值为P1；假设低压气源的压力为P0-P2，高压气源的压力为P0+P2；当热声转换装置内的压力高于P0-P2而低于P0+P2时，进气管、排气管路上的单向阀都是关闭；当热声转换装置内的压力低于P0-P2时，进气管路上的单向阀就会打开(同时排气管路上的单向阀是关闭的)，低压气源的气体就会进入热声转换装置内；当热声转换装置内的压力高于P0+P2时，排气管路上的单向阀就会打开(同时进气管路上的单向阀是关闭的)，热声转换装置内的气体就会进入高压气源。这样通过单向阀门的有序开关，低压气源的气体就会被压缩而进入高压气源。

实施例2：图5为本发明双作用热声压缩机的第二实施例的示意图，它与第一实施例的结构相比较，不同之处在于采用双U型管61，该双U型管61的垂直管上部液体液面之上分别设有左空腔、中空腔和右空腔，所述第二室温换热器5通过所述的左空腔与所述双U型管61连接；上一级基本单元的热声转换装置的右空腔与下一级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器1相连，末一级基本单元的热声转换装置的右空腔与首级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器1相连，以构成所述至少三级基本单元的热声转换装置依次首尾相连构成一个环路；所述压缩管路系统由一低压气源、一高压气源、进气管路8、排气管路9及单向阀组成；所述低压气源通过进气管路8和单向阀分别与每一级基本单元的双U型管液柱61的中空腔相连通；所述高压气源通过排气管路9和单向阀分别与所述每一级基本单元的双U型管61的中空腔相连通。

热声转换装置工作时，声功在中空腔处分为两部分，一部分用来将低压气源的气体压缩进入高压气源，另一部分通过液柱反馈给另一个基本单元。

在实施例1中，被压缩气体与热声转换装置中的工质必须是同一种类型的气体，但适合作为热声转换装置工质的气体一般为氦气，如果需要对其他种类的气体进行压缩时，该结构则不再适用。在本实施例中，采用了双U型管结构，通过双U型管内的两段液柱把被压缩气体与热声转换装置内的工质分离开来，这样该系统就可以压缩不同种类的气体了。

实施例3：图6为本发明双作用热声压缩机系统的第三实施例的示意图。在该系统中包含有两套与第一实施例类似的子系统，每个子系统中的基本单元级数为4。因为单个双作用热声压缩机所产生的压力提升是有限，本实施例将双作用热声压缩机设计成了两级结构，第一级双作用热声压缩机系统先将气体进行压缩机，并且将第一级双作用热声压缩机系统的高压气源与第二级双作用热声压缩机系统的低压气源相连通，这样第二级双作用热声压缩机系统可以继续将气体进行进一步的压缩。在这种串接的双作用热声压缩机系统中，一般高一级的双作用热声压缩机系统(子系统)工作压力比低一级的双作用热声压缩机系统(子系统)平均压力高。如果需要将气体压缩到更高的压力，可以进一步增加双作用热声压缩机系统的级数。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种双作用热声压缩机系统，其特征在于，其具有至少三级基本单元，每级基本单元均由一个热声转换装置和一个压缩管路系统组成，所述热声转换装置由依次连接的第一室温换热器(1)、回热器(2)、高温换热器(3)、热缓冲管(4)、第二室温换热器(5)和装有液体的U型管(6)组成，该U型管(6)垂直管上部液体液面之上分别具有左空腔和右空腔，所述热声转换装置的第二室温换热器(5)通过所述左空腔与U型管(6)连接；上一级基本单元的热声转换装置的右空腔与下一级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器(1)相连，末一级基本单元的热声转换装置的右空腔与首级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器(1)相连，以使至少三级基本单元的热声转换装置依次首尾相连构成一个环路；所述压缩管路系统由一低压气源、一高压气源、进气管路(8)、排气管路(9)及单向阀组成；所述低压气源通过进气管路(8)和单向阀分别与每一级基本单元的U型管(6)的左空腔相连通；所述高压气源通过排气管路(9)和单向阀分别与每一级基本单元的U型管(6)的左空腔相连通。

2.根据权利要求1所述的双作用热声压缩机系统，其特征在于，所述的双作用热声压缩机系统为多级串联的双作用热声压缩机系统：即通过上一级双作用热声压缩机系统的高压气源与下一级双作用热声压缩机系统的低压气源相连通而形成双作用热声压缩机系统的多级串联。

3.一种双作用热声压缩机系统，其特征在于，其具有至少三级基本单元，每级基本单元均由一个热声转换装置和一个压缩管路系统组成，所述热声转换装置由依次连接的第一室常温换热器(1)、回热器(2)、高温换热器(3)、热缓冲管(4)、第二室温换热器(5)和装有液体的双U型管(61)组成，该双U型管(61)的垂直管上部液体液面之上分别设有左空腔、中空腔和右空腔，所述第二室温换热器(5)通过所述左空腔与所述双U型管(61)连接；上一级基本单元的热声转换装置的右空腔与下一级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器(1)相连，末一级基本单元的热声转换装置的右空腔与首级基本单元的热声转换装置的第一室常温换热器(1)相连，以构成所述至少三级基本单元的热声转换装置依次首尾相连构成一个环路；所述压缩管路系统由一低压气源、一高压气源、进气管路(8)、排气管路(9)及单向阀组成；所述低压气源通过进气管路(8)和单向阀分别与每一级基本单元的双U型管液柱(61)的中空腔相连通；所述高压气源通过排气管路(9)和单向阀分别与所述每一级基本单元的双U型管(61)的中空腔相连通。

4.根据权利要求3所述的双作用热声压缩机系统，其特征在于，所述的双作用热声压缩机系统为多级串联的双作用热声压缩机系统：即通过上一级双作用热声压缩机系统的高压气源与下一级双作用热声压缩机系统的低压气源相连通而形成双作用热声压缩机系统的多级串联。

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