CN103670976A - 一种同时利用冷源和热源的热声发动机系统 - Google Patents

Abstract

一种同时利用冷源和热源的热声发动机系统，其包括热声发动机和依次连接于第一室温换热器和回热器之间的第一热缓冲管和冷端换热器；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形成低温端，在回热器上形成温度梯度；回热器在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功沿温度梯度正方向先传递到第二热缓冲管和第二室温换热器，然后到达三通管处分流，一部分声功流向反馈管，并通过环路传递到第一室温换热器和第一热缓冲管，通过回热器放大；另一部分声功流向谐振管并存在其中，以使本系统在平衡态的长时间稳定运行；本发明同时利用热、冷源，增大回热器温度梯度，大幅提高发动机产生声功的能力；减少环路中冷能损失，具有广阔的应用前景。

Description

一种同时利用冷源和热源的热声发动机系统

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源和热源的热声发动机系统。

背景技术

在工业上常常存在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，诸多低品位的热能，如太阳能、工业余热、烟气废热等，这些冷能或热能都无法单独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。目前来看，热声技术将是一个很好的选择。

热声技术是指利用热声效应实现热能和声能（即机械能）之间相互转换的技术，基于热声技术运行的系统被称为热声装置。热声装置一般由空管段、回热器和换热器组成，由于系统内无任何机械运动部件，使用寿命很长；另外，热声装置一般以氦气、氮气、氩气等环保气体作为工作介质，对环境友好。热声发动机按照内部声场的不同特性，可以分为驻波热声发动机和行波热声发动机，对于驻波热声发动机而言，尽管由于回热器内的热交换过程基于不可逆过程、热效率略低，但是具有结构简单的优点；行波热声发动机回热器内的热交换基于可逆的斯特林循环，因此内禀效率较高，用途更为广泛。

传统的热声发动机设计只考虑了一种热源，即高温热源。图1为传统的驻波热声发动机系统结构示意图，该系统包括热腔11、热端换热器5、回热器4、第一室温换热器1和谐振管10，系统结构简单。通过热端换热器5吸收热量，第一室温换热器1放出热量，在回热器4的两端形成温差。根据热声效应原理，当温差大到一定程度时，系统会自激起振，从而完成热能向声能的转化。通常可在谐振管的两端外接负载，实现声能与其他形式能量间的转化。在图1所示的传统驻波热声发动机中，无法简单通过第一室温换热器1与低温冷源热交换来实现冷能利用，因为这样会造成大量的冷能损失。图2为传统的行波热声发动机系统结构示意图，该系统包括第一室温换热器1、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、反馈管8、三通管9和谐振管10。热端换热器5吸收热源的热量形成高温端，第一室温换热器1放出热量形成室温端，这样在回热器4的两端形成了温差，根据热声效应，当温差大到一定程度时，系统会自激起振，从而实现热能向声能的转化。通常可在谐振管的两端外接负载，实现声能与其他形式能量间的转化。在图2所示的传统行波热声发动机中，同样无法简单通过第一室温换热器1与低温冷源热交换来实现冷能利用，因为这样会造成大量的冷能损失。由此可以看出，对于传统的驻波和行波热声发动机而言，目前的结构无法同时实现冷源与热源的高效利用。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有热声发动机无法同时利用冷源与热源的问题，而提供一种同时利用冷源和热源的热声发动机系统；本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，由于冷、热源的同时存在，热端利用低品位的热源，冷端利用多余冷能，可提高能源的利用率。同时，由于回热器两端绝对温度之比的大幅提高，使得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。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，如图3所示，其包括：热声发动机，其特征在于，还包括依次连接于热声发动机的第一室温换热器1的第一热缓冲管2和冷端换热器3，所述冷端换热器3与热声发动机的回热器4相连，以构成同时利用冷源和热源的热声发动机系统；

所述热声发动机的热端换热器5与一热源相连，以吸收热源的热量而形成高温端；所述热声发动机的冷端换热器3与一冷源相连，以吸收冷源的冷量而形成低温端，在回热器4上形成温度梯度；回热器4在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功的方向沿着温度梯度的正方向，先传递到热声发动机的第二热缓冲管6和第二室温换热器7，然后到达三通管9处分流，一部分声功流向热声发动机的反馈管8，并通过环路传递到第一室温换热器1和第一热缓冲管2，然后通过回热器4放大；另一部分声功流向热声发动机的谐振管10，并储存在其中，以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态的长时间稳定运行。

所述的热声发动机为驻波热声发动机。所述驻波热声发动机的与热端换热器5相连的谐振管10远端连通一谐振腔12。

所述的热声发动机为行波热声发动机。所述行波热声发动机的与第一室温换热器1相连的谐振管10远端连通一谐振腔12。

本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，可至少3台以上的同时利用冷源和热源的热声发动机系统首尾通过谐振部件13连接形成环形的同时利用冷源和热源的热声发动机系统组；所述谐振部件13为液体振子或弹簧振子。

本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，其热端换热器5吸收热源的热量形成高温端，冷端换热器3吸收冷源的冷量形成低温端，这样在回热器4上形成了温度梯度；根据热声效应，回热器4在一定温度梯度的条件下，可以将热能转化成声功，声功的方向则是沿着温度梯度的正方向，即先传递到第二热缓冲管6和第二室温换热器7，然后到达三通管9处分流，一部分声功流向反馈管8，并通过环路传递到第一室温换热器1和第一热缓冲管2，然后通过回热器4放大；另一部分声功流向谐振管10，并储存在其中，使发动机可以达到平衡的状态，以便长时间安全稳定地运行；当在谐振管10一端外接负载时，储存的声功可以用于驱动负载、转化成其他形式的能量；环路的结构具有调相作用，使回热器4可以工作在比较理想的行波声场下，具有较高的热声转换效率；第一室温换热器1和第一热缓冲管2将冷端换热器3和反馈管8隔开，减少冷能的损失；第二室温换热器7和第二热缓冲管6将热端换热器5和三通管9隔开，减少热量的损失。

本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统的优点在于：可同时利用冷源和热两种温源，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；并通过增加一级室温换热器和热缓冲管，减少了冷能的损失，从而提高了效率；与传统热声发动机相比，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热声发动机的性能。

附图说明

图1为传统的驻波热声发动机系统结构示意图；

图2为传统的行波热声发动机系统结构示意图；

图3为本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统（实施例1）结构示意图；

图4为本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统（实施例2）结构示意图；

图5为本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统（实施例3）结构示意图；

图6为本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统（实施例4）结构示意图；

图7为本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统（实施例5）结构示意图；

图8为本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统（实施例6）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，提高发动机产生声功的能力，并通过新的结构设计减少了冷能的损失，大大提高了热声发动机的性能，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3为本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统（实施例1）结构示意图。如图3所示，该同时利用冷源和热源的热声发动机系统包括：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和第二室温换热器7；反馈管8一端与第一室温换热器1相连通，反馈管8另一端通过三通管9和谐振管10相连通。

本实施例的同时利用冷源和热源的（行波）热声发动机系统，其包括热声发动机，还包括依次连接于热声发动机的第一室温换热器1的第一热缓冲管2和冷端换热器3，所述冷端换热器3与热声发动机的回热器4相连，以构成同时利用冷源和热源的热声发动机系统；

所述热声发动机的热端换热器5与一热源相连，以吸收热源的热量而形成高温端；所述热声发动机的冷端换热器3与一冷源相连，以吸收冷源的冷量而形成低温端，在回热器4上形成温度梯度；回热器4在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功的方向沿着温度梯度的正方向，先传递到热声发动机的第二热缓冲管6和第二室温换热器7，然后到达三通管9处分流，一部分声功流向热声发动机的反馈管8，并通过环路传递到第一室温换热器1和第一热缓冲管2，然后通过回热器4放大；另一部分声功流向热声发动机的谐振管10，并储存在其中，以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态的长时间稳定运行。

该同时利用冷源和热源的（行波）热声发动机系统，热端换热器5与热源相连吸收热源的热能形成高温端，冷端换热器3与冷源相连吸收冷源的冷能形成低温端，这样在回热器4的两端形成了温差；根据热声效应，当温差大到一定程度时，系统会自激起振，将热能转化成声功；行波系统中声功的方向是沿着温度梯度的正方向，即先传递到第二热缓冲管6和第二室温换热器7，然后到达三通管9处分流，小部分声功流向反馈管8，并通过环路传递到第一室温换热器1和第一热缓冲管2，然后通过回热器4放大，大部分声功流向谐振管10，并储存在其中，使发动机可以达到平衡的状态，以便长时间稳定地运行；当在谐振管的任意一端外接负载时，储存的声功可以用于驱动负载、转化成其他形式的能量；

第一室温换热器1通过循环水进行冷却保持在室温温度，和第一热缓冲管2一并将冷端换热器3和反馈管8隔开，这样最大程度地解决了冷能因为环路结构通过反馈管8流失的问题，对于冷能的充分利用和发动机效率的提高都有重要帮助；

第二室温换热器7也通过循环水进行冷却保持在室温温度，和第二热缓冲管6一并将热端换热器5和三通管9隔开，这样最大程度地解决了热能通过三通管9流失的问题，对于热能的充分利用和发动机效率的提高都有重要帮助；

本发明同时利用热源和冷源的能量，可以增大回热器高低温端的温比，提高发动机产生声功的能力，有利于提高发动机的性能和热声转换效率，所以本发明的行波热声发动机系统具有广阔的应用前景。

实施例2：

图4为本发明的同时利用冷源和热源的（驻波）热声发动机系统（实施例2）结构示意图；如图4所示，该同时利用冷源和热源的热声发动机系统包括：依次相连的热腔11、热端换热器5、回热器4、冷端换热器3、第一热缓冲管2、第一室温换热器1和谐振管10；

本实施例的同时利用冷源和热源驻波热声发动机系统，通过热端换热器5吸收热量，冷端换热器3吸收冷量，在回热器4的两端形成较大温差，根据热声效应，当温差大到一定程度时，系统会自激起振，将热能转化成了声功，并依此传递到第一热缓冲管2和第一室温换热器1，最后这些声功都储存在谐振管10内，这样发动机可以达到平衡的状态，以便长时间安全稳定地运行。当在谐振管的任意一端外接负载时，储存的声功可以用于驱动负载、转化成其他形式的能量；

第一室温换热器1通过循环水的冷却保持在室温温度，和第一热缓冲管2一并将冷端换热器3和谐振管10隔开，这样防止冷能传递到谐振管10内引起大量损失，对于冷能的充分利用和发动机效率的提高都有重要帮助。

同时利用热源和冷源可以增大回热器高低温端的温比，提高发动机产生声功的能力，有利于提高发动机的性能和热声转换效率，所以新型的驻波热声发动机系统在一些场合具有广阔的应用前景。

实施例3：

图5为本发明的同时利用冷源和热源的（行波）热声发动机系统（实施例3）结构示意图。如图5所示，该同时利用冷源和热源的热声发动机系统包括：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和第二室温换热器7；反馈管8一端与第一室温换热器1相连通，反馈管8另一端通过三通管9和谐振管10相连通，谐振管10外端与一谐振管10相连通；

本实施例是在实施例1的基础上改进的行波热声发动机系统，对于热声发动机来说，当只有谐振管的情况时，谐振管的长度是发动机内声场声波的半波长，尺寸较长；而当采用谐振管加谐振腔的设计时，谐振管和谐振腔的总长度是发动机内声场声波的1/4波长，这样可以大大减少发动机的轴向尺寸，同时对于环路部分和发动机的性能没有任何影响，使新型的行波热声发动机的结构更加紧凑，有利于其进一步地应用。

实施例4：

图6为本发明一种新型的同时利用冷源和热源的（驻波）热声发动机系统（实施例4）结构示意图。如图6所示，该同时利用冷源和热源的热声发动机系统包括：依次相连的热腔11、热端换热器5、回热器4、冷端换热器3、第一热缓冲管2、第一室温换热器1和谐振管10，谐振管10外端与一谐振管10相连通；

本实施例是在实施例2的基础上改进的驻波热声发动机系统，将实施例2中的谐振管10外端连接了一个谐振腔12，这样谐振管和谐振腔的总长度是发动机内声场声波的1/4波长，可以大大减少发动机的轴向尺寸，对发动机的性能没有任何影响，使新型的驻波热声发动机系统的结构更加紧凑，有利于其进一步地应用。

实施例5：

图7为本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统（实施例5）结构示意图。如图7所示，将三台相同的同时利用冷源和热源的热声发动机系统首尾通过谐振部件13串联成环路，谐振部件13可以是液体振子或弹簧振子；该结构可大幅减小系统尺寸；

本实施例的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，每台发动机的热端换热器5吸收热量，冷端换热器3吸收冷量，在回热器4的两端形成较大温差，根据热声效应，系统会自激起振，将热能转化成声功，先传递到本台发动机的第二热缓冲管6和第二室温换热器7，再传递到谐振部件13，其可以是液体振子或弹簧振子，并将一部分声功储存在其中，然后将剩余的声功传递到下一台发动机的第一室温换热器1和第一热缓冲管2，并通过回热器4继续产生和放大声功；当在每台发动机对应位置外接相同负载时，储存的声功便可以用于驱动负载、转化成其他形式的能量；由于环路的相互作用，在有无负载的情况下，每台发动机进出口的压力波和体积流的相位差均为120°，这样每个回热器都可以工作在比较理想的行波声场下；双作用体现在谐振部件13对前一台发动机起到膨胀活塞的作用，对后一台发动机起到压缩活塞的作用，而环路的结构使得每台发动机都可以回收上一台发动机的部分声功，有利于提高效率；同时单台发动机的轴向尺寸大大减小，使得结构更紧凑，功率密度大幅提高。

实施例6：

图8为本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统（实施例6）结构示意图。本实施例是在实施例5的基础上，将三台发动机变为四台发动机串联成环路，构成双作用系统；

由于环路的相互作用，在有无负载的情况下，每台发动机进出口的压力波和体积流的相位差均为90°，这样每个回热器都可以工作在比较理想的行波声场下。双作用体现在谐振部件13对前一台发动机起到膨胀活塞的作用，对后一台发动机起到压缩活塞的作用，而环路的结构使得每台发动机都可以回收上一台发动机的部分声功，有利于提高效率；同时单台发动机的轴向尺寸大大减小，使得结构更紧凑，功率密度大幅提高。

同样，我们可以将4台以上相同的发动机串联成环路，不过需要考虑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 (6)

1.一种同时利用冷源和热源的热声发动机系统，其包括：热声发动机，其特征在于，还包括依次连接于热声发动机的第一室温换热器（1）的第一热缓冲管（2）和冷端换热器（3），所述冷端换热器（3）与热声发动机的回热器（4）相连，以构成同时利用冷源和热源的热声发动机系统；

所述热声发动机的热端换热器（5）与一热源相连，以吸收热源的热量而形成高温端；所述热声发动机的冷端换热器（3）与一冷源相连，以吸收冷源的冷量而形成低温端，在回热器（4）上形成温度梯度；回热器（4）在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功的方向沿着温度梯度的正方向，先传递到热声发动机的第二热缓冲管（6）和第二室温换热器（7），然后到达三通管（9）处分流，一部分声功流向热声发动机的反馈管（8），并通过环路传递到第一室温换热器（1）和第一热缓冲管（2），然后通过回热器（4）放大；另一部分声功流向热声发动机的谐振管（10），并储存在其中，以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态的长时间稳定运行。

2.按权利要求1所述的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，其特征在于，所述的热声发动机为驻波热声发动机。

3.按权利要求2所述的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，其特征在于，所述驻波热声发动机的与热端换热器（5）相连的谐振管（10）远端连通一谐振腔（12）。

4.按权利要求1所述的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，其特征在于，所述的热声发动机为行波热声发动机。

5.按权利要求4所述的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，其特征在于，所述行波热声发动机的与第一室温换热器（1）相连的谐振管（10）远端连通一谐振腔（12）。

6.按权利要求1所述的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，其特征在于，至少3台以上的同时利用冷源和热源的热声发动机系统首尾通过谐振部件（13）连接形成环形的同时利用冷源和热源的热声发动机系统组；所述谐振部件（13）为液体振子或弹簧振子。

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