CN103670788B - 同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统 - Google Patents

Abstract

一种同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其包括至少三个热声发动机单元；每个热声发动机单元通过谐振管首尾相连构成一个波长长度的环路；每个热声发动机单元包括依次相连的第一室温换热器、第一热缓冲管、冷端换热器、回热器、热端换热器、第二热缓冲管、第二室温换热器和谐振管；每一热声发动机单元的热端换热器与热源相连形成高温端，冷端换热器与冷源相连低温端，回热器上形成温度梯度，在该温度梯度下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度正方向传播并放大：如此循环，使得系统稳定运行；其优点：同时利用冷热温源，增大回热器的温度梯度，大幅提高发动机产生声功能力；此外多级结构相当于多个热声发动机同时工作，结构紧凑。

Description

同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统

技术领域

本发明涉及一种发动机系统，特别是一种同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统。

背景技术

工业上常常存在着多余冷能和多余热能的情况。冷能方面，如工业副产品液氮、液化天然气等；热能方面，如太阳能、工业余热、烟气废热等，虽然工业上也存在着一些单独利用冷能或热能的技术，但由于这些冷能或热能品位比较低，单独很难得到充分有效的利用。而现有技术在单台设备上同时实现冷、热能的高效利用尚存在较大的困难。

热声技术是一种基于热声效应从而实现热能与声功(机械能)之间相互转换的技术，利用热声技术的装置被称为热声装置。根据能量转换方式的不同，通常包括热声发动机、热声制冷机以及热声热泵等。热声装置通常由换热器、回热器以及管段组成，系统中不存在运动部件，因而具有使用寿命长、运行可靠性高等优点。热声装置在工作时通常采用氦气、氮气等惰性气体作为气体工质，对环境友好。根据热声装置中声场的分布，热声装置可分为行波热声热机和驻波热声热机。行波热声热机回热器内部的热力循环基于可逆的斯特林循环，相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言具有内禀效率高等优点。因此行波热声热机具有更为广泛的应用前景。

多级行波热声发动机包含了多个热声发动机单元，除上述优点外还具有功率密度高的特点，适合于大功率场合。专利WO2010107308 A1公布了一种声学共振型的多级行波热声发动机系统，如图1所示。该系统包括第一室温换热器1、回热器4、热端换热器5和谐振管8；热端换热器5吸收热量，第一室温换热器1放出热量，在回热器4两端构建温度差，使回热器4内存在温度梯度；在该温度梯度的作用下，回热器4将热能转化成声功；该申请中公布的声学共振型行波热声发动机利用了低品位热源，由于温度较低并没有使用热缓冲管；如果将该系统中的第一室温换热器1与冷源直接接触，由于没有热缓冲管的作用，冷量会大量损耗在谐振管中；如果将该系统中的热端换热器5与温度较高的热源接触，由于没有热缓冲管的作用，热量会大量损耗在谐振管中；由此可见，现有的声学共振型行波热声发动机无法同时实现冷源与热源的有效利用。

本申请正是基于以上声学共振型多级行波热声发动机存在的问题，提出一种新型同时利用冷热源的多级行波热声发动机，其可以同时利用冷源和热源；此外，由于冷、热源同时存在，可使回热器两端绝对温度之比大幅提高，从而在基本不增加系统复杂度的基础上，使得声学共振型多级行波热声发动机性能较之单热源发动机可以得到大幅提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有声学共振型多级行波热声发动机无法同时利用冷源与热源的问题，提供一种同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其优点在于热端可以利用低品位热源，冷端可以利用多余冷能，提高了能源的利用率；同时，由于回热器两端绝对温度之比的大幅提高，可使在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提高了现有声学共振型多级行波热声发动机的性能。

本发明的技术方案如下：

本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其包括：至少三个热声发动机单元，所述至少三个热声发动机单元的每个热声发动机单元通过谐振管8首尾相连构成一个波长长度的环路；

所述至少三个热声发动机单元的每个热声发动机单元包含第一室温换热器、回热器和热端换热器；其特征在于，还包括依次连接于所述第一室温换热器上的第一热缓冲管和冷端换热器，所述冷端换热器与回热器相连，所述回热器的另一端与热端换热器相连；以及依次连接于所述热端换热器另一端的第二热缓冲管和第二室温换热器；所述谐振管一端与一级热声发动机单元的第二室温换热器相连，另一端与下一级热声发动机单元的第一室温换热器相连，以形成所述的一个波长长度的环路；

所述每一热声发动机单元的热端换热器与一热源相连，吸收热源的热量形成高温端；所述每一热声发动机单元的冷端换热器与一冷源相连，吸收冷源的冷量形成低温端，在各热声发动机单元的回热器上形成温度梯度；每一热声发动机单元的回热器在所述温度梯度下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播：一热声发动机单元的回热器中所产生的声功依次经过该热声发动机单元的热端换热器、第二热缓冲管和第二室温换热器，再经谐振管传递到下一级热声发动机单元；在该下一级热声发动机单元中依次经该下一级热声发动机单元的第一室温热器、第一热缓冲管和冷端换热器后传递至该下一级热声发动机单元的回热器，在该下一级热声发动机单元的回热器的温度梯度下声功再一次被放大，由该下一级热声发动机单元的回热器流出的声功经该下一级热声发动机单元的热端换热器、第二热缓冲管和第二室温换热器后再由谐振管向再下一级热声发动机单元传递；如此循环，使得利用冷、热源的声学共振型多级行波热声发动机系统稳定运行之中。所述谐振管等长或不等长。

本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其优点在于：可同时利用冷、热两种温源，增大了回热器高低温端的温比，提高了发动机产生声功的能力；并通过增加冷侧室温换热器和冷侧热缓冲管，减少了冷能的损失，通过增加热侧室温换热器和热侧热缓冲管，减少了热能的损失，从而提高了效率。与现有的声学共振型多级行波热声发动机相比，一方面可以利用多余的冷能，提高能源的利用率，并增大回热器高低温端的温比，提高发动机性能；另一方面新的结构设计可以减少冷能的损失，在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提高了热声发动机的性能。

附图说明

图1为现有的声学共振型多级行波热声发动机系统结构示意图；

图2为本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统(实施例1)结构示意图；

图3为本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统统(实施例2)结构示意图；

图4为本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统(实施例3)结构示意图；

图5为本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统(实施例4)结构示意图。

具体实施方式

本发明在充分利用一些场合多余冷源的基础上，又解决了低品位热源的利用问题，而冷源和热源的同时利用可以增大回热器高低温端的温比，提高回热器产生声功的能力，增大系统的发电量；同时本发明的结构可减少冷能损失，大大提高热声发电系统的性能，具有广阔的应用前景。

下面通过附图及实施例进一步描述本发明。

实施例1：

图2为本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级(四级)行波热声发动机系统(实施例1)结构示意图。如图2所示，本实施例的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统由四个结构完全一致的热声发动机单元组成；各热声发动机单元间通过谐振管8首尾串联构成一个波长长度的环路；每个热声发动机单元均由依次相连的第一室温换热器1、第一热缓冲管2、冷端换热器3、回热器4、热端换热器5、第二热缓冲管6、第二室温换热器7和谐振管8；

每一热声发动机单元的热端换热器5与一热源相连，吸收热源的热量形成高温端；所述每一热声发动机单元的冷端换热器3与一冷源相连，吸收冷源的冷量形成低温端，在该热声发动机单元的回热器4上形成温度梯度；

当所有热声发动机单元的回热器达到一定温度梯度时，该声学共振型多级行波热声发动机系统便自激起振。在第1#热声发动机单元中，回热器4将热能转化成声功，声功的方向则是沿着温度梯度的正方向，即该回热器4中所产生的声功先传递到第二热缓冲管6和第二室温换热器7，然后经谐振管8被传递到下一级(第2#)热声发动机单元，流向第2#热声发动机单元的第一室温换热器和第一热缓冲管，并在第2#回热器中再次得到放大；第2#热声发动机单元回热器流出的声功经该级发动机单元的第二热缓冲管、第二室温换热器及谐振管被传递到第3#热声发动机单元的第一室温换热器和第一热缓冲管。该声功经第3#热声发动机单元的回热器放大后通过该级发动机单元的第二热缓冲管、第二室温换热器及谐振管流到第4#热声发动机单元的第一室温换热器和第一热缓冲管。第4#热声发动机单元产生的声功进入第1#热声发动机单元，以此循环。该系统的工作频率由系统总长决定。当在谐振管上外接负载时，部分声功可以用于驱动负载、转化成其他形式的能量。环路的结构能够使声场中的行波分量较大，为回热器提供比较理想的工作条件，使其具有较高的热声转换效率。热源和冷源的同时利用可以增大回热器高低温端的温比，提高其产生声功的能力，有利于增大系统发电量和提高热电转换效率。

实施例2：

图3为本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级(三级)行波热声发动机系统(实施例2)结构示意图。本实施例的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统由三个结构完全一致的热声发动机单元组成；各热声发动机单元间通过谐振管8首尾串联构成一个波长长度的环路；每个热声发动机单元均由依次相连的第一室温换热器1、第一热缓冲管2、冷端换热器3、回热器4、热端换热器5、第二热缓冲管6、第二室温换热器7和谐振管8组成；

每一热声发动机单元的热端换热器5与一热源相连，吸收热源的热量形成高温端；所述每一热声发动机单元的冷端换热器3与一冷源相连，吸收冷源的冷量形成低温端，在该热声发动机单元的回热器4上形成温度梯度；

当所有热声发动机单元的回热器达到一定温度梯度时，该声学共振型多级行波热声发动机系统便自激起振。在第1#热声发动机单元中，回热器4将热能转化成声功，声功的方向则是沿着温度梯度的正方向，即该回热器4中所产生的声功先传递到第二热缓冲管6和第二室温换热器7，然后经谐振管8被传递到下一级(第2#)热声发动机单元，流向第2#热声发动机单元的第一室温换热器和第一热缓冲管，并在第2#回热器中再次得到放大；第2#热声发动机单元回热器流出的声功经该级发动机单元的第二热缓冲管、第二室温换热器及谐振管被传递到第3#热声发动机单元的第一室温换热器和第一热缓冲管。该声功经第3#热声发动机单元的回热器放大后通过该级发动机单元的第二热缓冲管、第二室温换热器及谐振管流到第1#热声发动机单元的第一室温换热器和第一热缓冲管，并同由第1#热声发动机单元的回热器放大，以此循环。该系统的工作频率由系统总长决定。当在谐振管上外接负载时，部分声功可以用于驱动负载、转化成其他形式的能量。环路的结构能够使声场中的行波分量较大，为回热器提供比较理想的工作条件，使其具有较高的热声转换效率。热源和冷源的同时利用可以增大回热器高低温端的温比，提高其产生声功的能力，有利于增大系统发电量和提高热电转换效率。

实施例3：

图4为本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级(六级)行波热声发动机系统(实施例3)结构示意图。本实施例的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统由六个结构完全一致的热声发动机单元组成；各热声发动机单元间通过谐振管8首尾串联构成一个波长长度的环路；每个热声发动机单元均由依次相连的第一室温换热器1、第一热缓冲管2、冷端换热器3、回热器4、热端换热器5、第二热缓冲管6、第二室温换热器7和谐振管8组成；

每一热声发动机单元的热端换热器5与一热源相连，吸收热源的热量形成高温端；所述每一热声发动机单元的冷端换热器3与一冷源相连，吸收冷源的冷量形成低温端，在该热声发动机单元的回热器4上形成温度梯度；其工作过程与实施例1、2相类似。

实施例4：

图5为本发明的本发明的同时利用冷热源的声学共振型多级(三级)行波热声发动机系统(实施例4)结构示意图。本实施例的同时利用冷、热源的声学共振型多级行波热声发动机系统由三个结构完全一致的热声发动机单元组成；各热声发动机单元间通过谐振管8首尾串联构成一个波长长度的环路；每个热声发动机单元均由依次相连的第一室温换热器1、第一热缓冲管2、冷端换热器3、回热器4、热端换热器5、第二热缓冲管6、第二室温换热器7和谐振管8组成；与上述实施不同，用于连接各热声发动机单元的谐振管长度是不等长的。

理论上，我们可以将任意台相同的发动机串联成环路，不过需要结合回热器处的声场相位和系统的功率密度等条件，从而选择合适的台数。

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 (2)

1.一种同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其包括：至少三个热声发动机单元，所述至少三个热声发动机单元的每个热声发动机单元通过谐振管首尾相连构成一个波长长度的环路；

所述至少三个热声发动机单元的每个热声发动机单元包含第一室温换热器、回热器和与回热器相连的热端换热器；其特征在于，还包括依次连接于所述第一室温换热器上的第一热缓冲管和冷端换热器，所述冷端换热器与回热器相连，回热器另一端与热端换热器相连；以及依次连接于所述热端换热器另一端的第二热缓冲管和第二室温换热器；所述谐振管一端与一级热声发动机单元的第二室温换热器相连，另一端与下一级热声发动机单元的第一室温换热器相连，以形成所述的一个波长长度的环路；

所述每一热声发动机单元的热端换热器与一热源相连，吸收热源的热量形成高温端；所述每一热声发动机单元的冷端换热器与一冷源相连，吸收冷源的冷量形成低温端，在各热声发动机单元的回热器上形成温度梯度；每一热声发动机单元的回热器在所述温度梯度下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播：一热声发动机单元的回热器中所产生的声功依次经过该热声发动机单元的热端换热器、第二热缓冲管和第二室温换热器，再经谐振管传递到下一级热声发动机单元；在下一级热声发动机单元中依次经该下一级热声发动机单元的第一室温热器、第一热缓冲管和冷端换热器后传递至该下一级热声发动机单元的回热器，在该下一级热声发动机单元中回热器的所述温度梯度下声功再一次被放大；由该下一级热声发动机单元的回热器流出的声功经该下一级热声发动机单元的热端换热器、第二热缓冲管和第二室温换热器后，由谐振管向再下一级热声发动机单元传递；如此循环，使得利用冷、热源的声学共振型多级行波热声发动机系统稳定运行之中。

2.按权利要求1所述的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述谐振管等长或不等长。