CN103670977B - 一种利用液氧燃烧的双作用热声发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，包括至少三组热声发电单元和液氧预热系统及燃烧系统；每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器上依次连接第一热缓冲管和冷端换热器，冷端换热器与该组热声发电单元的热声发动机的回热器相连；液氧从系统的低温换热器吸热，将低温冷量传给系统的冷端换热器，再通过预热换热器回收排放的高温烟气携带的热量，完成预热后进入燃烧系统；氧气与燃料在燃烧室混合燃烧产生高温烟气，高温烟气与系统的热端换热器换热，将热量传给热端换热器后进入预热换热器预热氧气；与传统单热源发电系统相比，本发明可充分利用液氧冷能及燃烧烟气热能，提高能源利用率；同时由于热源温比提高，系统大幅提高性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电系统，特别是一种利用液氧燃烧的双作用热声发电系统。
背景技术
在工业领域的生产中会使用大量的燃烧器，通常这些燃烧器都是以空气作为助燃剂，空气中含有21％的氧气和79％的氮气，在空气助燃的燃烧反应中，只有氧气与燃料起作用，氮气则带走了大部分的热量。从节能和减少污染排放的迫切需要出发，纯氧燃烧渐渐成为了研究热点。纯氧燃烧可以使燃烧更充分，这样可以节省燃料，减少有毒气体排放，同时提高烟气的出口温度，产生更多的热量。为了方便运输或携带，氧气通常被液化。在燃烧前，需要将液氧进行预热，以提高燃烧温度。一般情况下，工业上单纯地通过加热的方法将液氧加热气化成氧气、再提高氧气的温度，这一做法没有利用液氧的冷能，造成了极大的能量的浪费。常压下液氧温度约为90K，其气化潜热约为213kJ/kg，气化后温度升至室温吸热量约为191.3kJ/kg，可以看出液氧携带大量的冷能，必须要加以利用。
专利(申请号CN201210105702.7、CN201110036729.0、CN201110036994.9)分别公开了三种利用液氧燃烧煤、柴油、汽油的内燃发动机系统。在这些系统中均采用发动机尾气来预热液氧，这一做法完全浪费了液氧在低温下的冷能；然而，对于内燃机来说从原理上也无法实现对液氧冷能的利用，必须采用外燃式热机；US20090282840A1公开了一种能利用低温冷能发电的技术，采用加热的方法使得低温流体气化再升高温度压力，然后利用透平膨胀机发电；该技术用于液氮，原理上也可以用于液氧，然而，该技术同样也忽视了低温流体的冷能，通过简单的加热提高流体的温度，浪费了大量的能量；CN201110050254.0公开了一种利用液化天然气的斯特林发动机和燃气轮机联合系统，该系统中利用斯特林机将液化天然气的冷能发电再用燃气轮机发电；该系统利用了两套发动机分别来实现冷热温源的利用，系统十分复杂，不利于实用。
与斯特林发动机类似，传统的热声发电系统在单台设备上也只能实现单热源利用，无法实现高低温热源的同时利用，因此也无法实现液氧冷能的利用；图1为传统的双作用热声发电系统结构示意图，该系统包括：
直线发电机101；所述直线发电机101由汽缸、置于所述汽缸之内的压缩活塞111、与所述压缩活塞111相连的永磁体113、绕制于永磁体113外围的发电机定子线圈114、与所述发电机定子线圈114电连接的发电机负载115及连接于所述永磁体113另一端的膨胀活塞112组成；
所述第一室温换热器102、回热器105、热端换热器106、热缓冲管107、第二室温换热器108和连接管109；连接管109连接下一组双作用热声发电系统；
当热端换热器106吸收来自热源的热量形成高温端时，第一室温换热器102放出热量形成室温端，这样在回热器105的两端形成了温差，根据热声效应，当回热器达到一定温度梯度时，系统便自激起振，将热能转化成声功。声功沿着温度梯度的正方向先传递到本组的热缓冲管107和第二室温换热器108，然后由连接管109传递到下一组的直线发电机101，将一部分声功转化成电功，将剩余的声功继续传递到下一组的第一室温换热器102并通过回热器105放大声功，依次传递下去，三组系统构成环路，每台发动机都可以回收上一台的部分声功，有利于提高效率。双作用体现在每台发电机的一个活塞起到压缩活塞的作用，另一个活塞起到膨胀活塞的作用，通过调节阻抗，均可以获得较高的热电转换效率和较大的发电量。在图1所示的传统的双作用热声发电系统中，无法简单通过第一室温换热器102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，同时发电机还将工作在低温环境，性能及可靠性大大降低。原理上，在传统双作用热声发电系统中，热端换热器106也可以是冷端换热器104，用来吸收低温热源的冷能形成低温端。由于回热器两端存在温度梯度，冷能也可以转化成声功最终发电。但是由于回热器温度梯度小，系统性能较低。同样的，也不能简单通过第一室温换热器102与高温热源热交换来实现热能利用，因为这样会造成大量的热量损失，同时发电机还将工作在高温环境，性能及可靠性大大降低。
发明内容
本发明正是基于以上现有热发电技术存在的一些问题，提出了一种新型的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，其优点在于：在单台设备上利用了燃烧热量的同时还利用了液氧的冷能，在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提高了能源利用率。由于回热器两端绝对温度比的升高，系统性能较之单热源发电系统也得到大幅地提高。同时，通过新的结构设计避免了发电机工作在低温或高温环境，既减少了能量的损失、提高了能量利用率又提高了发电机的可靠性。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，其包括：至少三组热声发电单元；
所述至少三组热声发电单元的每组热声发电单元均由一个直线发电机101和一个热声发动机组成；所述直线发电机101由汽缸、置于汽缸内两端的压缩活塞111和膨胀活塞112、与所述压缩活塞111及膨胀活塞112相连的永磁体113、绕制于永磁体113外围的发电机定子线圈114和与所述发电机定子线圈114电连接的发电机负载115组成；热声发动机包括依次相连的第一室温换热器102、第一热缓冲管103、冷端换热器104、回热器105、热端换热器106、第二热缓冲管107、第二室温换热器108和连接管109；每组热声发电单元的直线发电机101的汽缸上端部与该组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器102通过管道相连通；该组热声发电单元的热声发动机的连接管109与下一组热声发电单元的直线发电机101的汽缸下端部相连通；首组热声发电单元的直线发电机101的汽缸下端部与末组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热器108相连通；
其特征在于，还包括一个液氧预热系统及一个燃烧系统；所述每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器102上依次连接第一热缓冲管103和冷端换热器104，所述冷端换热器104与该组热声发电单元的热声发动机的回热器105相连；
所述燃烧系统由燃烧室301、内装燃料的燃料箱302、燃料泵303和烟气输出管道304组成；所述内装燃料的燃料箱302通过燃料泵303与燃烧室301相连通，燃料从燃料箱302经燃料泵303输送到燃烧室301进行燃烧。所述燃烧室301出口通过烟气输出管道304分别与每组热声发电单元的热声发动机的热端换热器106相连；
所述液氧预热系统由液氧存储罐201、阀门202、液氧输出管道203、预热换热器204、氧气输入管道205和氧气泵206组成；液氧存储罐201通过阀门202和液氧输出管道203分别与每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器104相连通；液氧存储罐201内的液氧将低温冷量传给冷端换热器104，自身吸热气化变成氧气由冷端换热器104流出；流出冷端换热器104的氧气再进入预热换热器204与燃烧室301排放的烟气进行换热，氧气回收烟气的热量温度升高后从预热换热器204流出；从预热换热器204流出的高温氧气在氧气泵206的驱动下与从燃料箱302经燃料泵303送出的燃料一起进入燃烧室301进行燃烧；燃烧产生的高温烟气经烟气输出管道304分别进入每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器106，将热量传递给热端换热器106；高温烟气从热端换热器106流出后进入预热换热器204，对低温氧气进行预热；
在上述流程中，每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器106形成高温、冷端换热器104形成低温，这样在回热器105的两端形成温度梯度；当回热器105达到一定温度梯度时，利用液氧燃烧的双作用热声发电系统便自激起振，系统内产生压力波动、将热能转化成声功；经直线发电机101的压缩活塞111向热声发电系统的热声发动机反馈声功，该声功通过第一室温换热器102、第一热缓冲管103及冷端换热器104传递到回热器；在回热器105两端温度梯度的作用下，该声功被放大；放大流出回热器105的声功经热端换热器106、第二热缓冲管107、第二室温换热器108及连接管109传递到下一组的直线发电机101的膨胀活塞112，推动直线发电机101的膨胀活塞111运动，一方面使得永磁体113在线圈114内部运动，形成磁通量的变化，从而完成声功到电功的转化；另一方面也使得压缩活塞111运动，向下一组热声发动机反馈声功；依次传递形成循环，至少三组热声发电单元构成环路。
所述每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器102和第一热缓冲管103将冷端换热器104与该组热声发电单元的直线发电机101隔开，以减少冷能损失，提高冷能利用率、避免直线发电机在低温环境工作。
所述每组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热器108和第二热缓冲管107将热端换热器106与下一组热声发电单元的直线发电机隔开，以减少热能损失，提高热能利用率、避免直线发电机在高温环境工作。
所述液氧预热系统中，低温液氧经液氧输出管道203串联进入热声发动机的低温换热器。所述燃烧系统中，高温烟气经烟气输出管道304串联进入热声发动机的高温换热器。在流动方向上，可以是低温液氧与高温烟气顺流分别流经发动机的冷端换热器与热端换热器，也可以是逆流分别流经发动机的冷端换热器与热端换热器。
所述燃料箱302的燃料为液体燃料、气体燃料或固体燃料。
本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，特征在于可以两套或两套以上本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统串联工作。
本发明的优点如下：在单台设备上利用了燃烧热量的同时还利用了液氧的冷能，在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提高了能源利用率。由于回热器两端绝对温度比的升高，系统性能较之单热源发电系统也得到大幅地提高。同时，通过新的结构设计避免了发电机工作在低温或高温环境，既减少了能量的损失、提高了能量利用率又提高了发电机的可靠性。
附图说明
图1为传统的双作用热声发电系统结构示意图；
图2为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例1)结构示意图；
图3为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例2)结构示意图；
图4为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例3)结构示意图；
图5为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例4)结构示意图；
图6为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例5)结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步描述本发明。
本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，充分利用了低温液氧冷源和高温烟气热源，大大提高了能源利用率；而热源和冷源的同时利用可以增大回热器高低温端的温比，提高回热器产生声功的能力，增大系统的发电量。新的结构设计减少了冷能和热能的损失，大大提高了双作用热声发电系统的性能。
实施例1：
图2为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例1)，其结构包括：三组热声发电单元、一个液氧预热系统及一个燃烧系统；
所述三组热声发电单元的每组热声发电单元均由一个直线发电机101和一个热声发动机组成；所述直线发电机101由汽缸、置于汽缸内两端的压缩活塞111和膨胀活塞112、与所述压缩活塞111及膨胀活塞112相连的永磁体113、绕制于永磁体113外围的发电机定子线圈114和与所述发电机定子线圈114电连接的发电机负载115组成；热声发动机包括依次相连的第一室温换热器102、第一热缓冲管103、冷端换热器104、回热器105、热端换热器106、第二热缓冲管107、第二室温换热器108和连接管109；每组热声发电单元的直线发电机101的汽缸上端部与该组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器102通过管道相连通；该组热声发电单元的热声发动机的连接管109与下一组热声发电单元的直线发电机101的汽缸下端部相连通；首组热声发电单元的直线发电机101的汽缸下端部与末组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热器108相连通；其特征在于，每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器102上依次连接第一热缓冲管103和冷端换热器104，所述冷端换热器104与该组热声发电单元的热声发动机的回热器105相连；
所述燃烧系统由燃烧室301、内装燃料的燃料箱302、燃料泵303和烟气输出管道304组成；所述内装燃料的燃料箱302通过燃料泵303与燃烧室301相连通，燃料从燃料箱302经燃料泵303输送到燃烧室301进行燃烧。所述燃烧室301出口通过烟气输出管道304分别与每组热声发电单元的热声发动机的热端换热器106相连；
所述液氧预热系统由液氧存储罐201、阀门202、液氧输出管道203、预热换热器204、氧气输入管道205和氧气泵206组成；液氧存储罐201通过阀门202和液氧输出管道203分别与每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器104相连通；液氧存储罐201内的液氧将低温冷量传给冷端换热器104，自身吸热气化变成氧气由冷端换热器104流出；流出冷端换热器104的氧气再进入预热换热器204与燃烧室301排放的烟气进行换热，氧气回收烟气的热量温度升高后从预热换热器204流出；从预热换热器204流出的高温氧气在氧气泵206的驱动下与从燃料箱302经燃料泵303送出的燃料一起进入燃烧室301进行燃烧；燃烧产生的高温烟气经烟气输出管道304分别进入每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器106，将热量传递给热端换热器106；高温烟气从热端换热器106流出后进入预热换热器204，对低温氧气进行预热；
在上述流程中，每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器106形成高温、冷端换热器104形成低温，这样在回热器105的两端形成温度梯度；当回热器105达到一定温度梯度时，利用液氧燃烧的双作用热声发电系统便自激起振，系统内产生压力波动、将热能转化成声功。经直线发电机101的压缩活塞111向热声发电系统的热声发动机反馈声功，该声功通过第一室温换热器102、第一热缓冲管103及冷端换热器104传递到回热器；在回热器105两端温度梯度的作用下，该声功被放大；放大流出回热器105的声功经热端换热器106、第二热缓冲管107、第二室温换热器108及连接管109传递到下一组的直线发电机101的膨胀活塞112，推动直线发电机101的膨胀活塞111运动，一方面使得永磁体113在线圈114内部运动，形成磁通量的变化，从而完成声功到电功的转化；另一方面也使得压缩活塞111运动，向下一组热声发动机反馈声功。依次传递形成循环，三组热声发电单元构成环路。
实施例2：
图3为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例2)结构示意图。本实施例是在实施例1的基础上，将三组热声发电单元扩展为四组，而燃烧系统和液氧预热系统只是简单增加了一路管道，这样在结构简单变化后可提高系统的功率密度和总体发电量。容易想象，也可以根据具体的用电需求和尺寸要求，选择四组以上的系统组合。
实施例3：
图4为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例3)结构示意图。本实施例是在实施例1的基础上，将其中的三组热声发电单元的热声发动机的冷热端换热器并联换热的形式换成串联换热，即液氧预热系统和燃烧系统中的低温和高温流体依次同方向流过冷、热端换热器，经过最后一组换热后在预热换热器处进行热交换，降低了排出烟气温度并升高了进入燃烧室的氧气温度，节省了燃料；由于每台热声发动机内高温换热器温度依次降低，低温换热器温度依次升高，使得回热器两端的温差依次减少，发电机的发电量也依次减少，可以根据不同的用电需求，应用不同的发电量。
实施例4：
图5为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例4)结构示意图。本实施例是在实施例1的基础上，将高低温流体依次同方向流过各换热器变为反方向流过各换热器，其他结构不变，这样的设计可以减少每台发动机中回热器两端温差的差异，使得三台发电机的发电量尽量接近，以便满足相应的用电需求。同时将预热换热器204中冷热流体的流动由顺流形式改为逆流形式，达到更好的换热效果。
实施例5：
图6为本发明的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统(实施例5)结构示意图。本实施例是在实施例1的基础上，将两组双作用热声发电系统串联在一起，采用同一路液氧预热系统和燃烧系统，当低温氧气和高温烟气经过第一套系统换热后，再流经第二套系统换热，最后通过预热换热器，这样可以减少预热换热器中的流体温差，减少能量损失，更加充分的利用冷热温源，由于第二套系统中的发动机回热器两端温差低于第一套系统，所以第二套系统的发电量要小于第一套系统。
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)
1.一种利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，其包括：至少三组热声发电单元；
所述至少三组热声发电单元的每组热声发电单元均由一个直线发电机(101)和一个热声发动机组成；所述直线发电机(101)由汽缸、置于汽缸内两端的压缩活塞(111)和膨胀活塞(112)、与所述压缩活塞(111)及膨胀活塞(112)相连的永磁体(113)、绕制于永磁体(113)外围的发电机定子线圈(114)和与所述发电机定子线圈(114)电连接的发电机负载(115)组成；热声发动机包括依次相连的第一室温换热器(102)、回热器(105)、热端换热器(106)、第二热缓冲管(107)、第二室温换热器(108)和连接管(109)；每组热声发电单元的直线发电机(101)的汽缸上端部与该组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器(102)通过管道相连通；该组热声发电单元的热声发动机的连接管(109)与下一组热声发电单元的直线发电机(101)的汽缸下端部相连通；首组热声发电单元的直线发电机(101)的汽缸下端部与末组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热器(108)相连通；
其特征在于，还包括一个液氧预热系统及一个燃烧系统；所述每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器(102)上依次连接第一热缓冲管(103)和冷端换热器(104)，所述冷端换热器(104)与该组热声发电单元的热声发动机的回热器(105)相连；
所述燃烧系统由燃烧室(301)、内装燃料的燃料箱(302)、燃料泵(303)和烟气输出管道(304)组成；所述内装燃料的燃料箱(302)通过燃料泵(303)与燃烧室(301)相连通，燃料从燃料箱(302)经燃料泵(303)输送到燃烧室(301)进行燃烧；所述燃烧室(301)出口通过烟气输出管道(304)分别与每组热声发电单元的热声发动机的热端换热器（106）相连；
所述液氧预热系统由液氧存储罐(201)、阀门(202)、液氧输出管道(203)、预热换热器(204)、氧气输入管道(205)和氧气泵(206)组成；液氧存储罐(201)通过阀门(202)和液氧输出管道(203)分别与每组热声发电单元的热声发动机的冷端换热器(104)相连通；液氧存储罐(201)内的液氧将低温冷量传给冷端换热器(104)，自身吸热气化变成氧气由冷端换热器(104)流出；流出冷端换热器(104)的氧气再进入预热换热器(204)与燃烧室(301)排放的烟气进行换热，氧气回收烟气的热量温度升高后从预热换热器(204)流出；从预热换热器(204)流出的高温氧气在氧气泵(206)的驱动下与从燃料箱(302)经燃料泵(303)送出的燃料一起进入燃烧室(301)进行燃烧；燃烧产生的高温烟气经烟气输出管道(304)分别进入每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器(106)，将热量传递给热端换热器(106)；高温烟气从热端换热器(106)流出后进入预热换热器(204)，对低温氧气进行预热；
在上述流程中，每组热声发电系统的热声发动机的热端换热器(106)形成高温、冷端换热器(104)形成低温，这样在回热器(105)的两端形成温度梯度；当回热器(105)达到一定温度梯度时，利用液氧燃烧的双作用热声发电系统便自激起振，系统内产生压力波动、将热能转化成声功；经直线发电机(101)的压缩活塞(111)向热声发电系统的热声发动机反馈声功，该声功通过第一室温换热器(102)、第一热缓冲管(103)及冷端换热器(104)传递到回热器；在回热器(105)两端温度梯度的作用下，该声功被放大；放大流出回热器(105)的声功经热端换热器(106)、第二热缓冲管(107)、第二室温换热器(108)及连接管(109)传递到下一组的直线发电机(101)的膨胀活塞(112)，推动直线发电机(101)的膨胀活塞(111)运动，一方面使得永磁体(113)在线圈(114)内部运动，形成磁通量的变化，从而完成声功到电功的转化；另一方面也使得压缩活塞(111)运动，向下一组热声发动机反馈声功；依次传递形成循环，至少三组热声发电单元构成环路。
2.按权利要求1所述的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，其特征在于，所述每组热声发电单元的热声发动机的第一室温换热器(102)和第一热缓冲管(103)将冷端换热器(104)与该组热声发电单元的直线发电机(101)隔开，以减少冷能损失，提高冷能利用率、避免直线发电机在低温环境工作。
3.按权利要求1所述的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，其特征在于，所述每组热声发电单元的热声发动机的第二室温换热器(108)和第二热缓冲管(107)将热端换热器(106)与下一组热声发电单元的直线发电机隔开，以减少热能损失，提高热能利用率、避免直线发电机在高温环境工作。
4.按权利要求1所述的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，其特征在于，所述液氧预热系统中，低温液氧经液氧输出管道(203)串联进入热声发动机的低温换热器；所述燃烧系统中，高温烟气经烟气输出管道(304)串联进入热声发动机的高温换热器；在流动方向上，低温液氧与高温烟气顺流分别流经发动机的冷端换热器与热端换热器，或者低温液氧与高温烟气逆流分别流经发动机的冷端换热器与热端换热器。
5.按权利要求1所述的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，其特征在于，所述燃料箱(302)的燃料为液体燃料、气体燃料或固体燃料。
6.按权利要求1所述的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统，其特征在于，两套或两套以上的利用液氧燃烧的双作用热声发电系统串联工作。
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| CN201310675885.0A CN103670977B (zh) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | 一种利用液氧燃烧的双作用热声发电系统 |
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Citations (6)
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| EP0191179A1 (de) * | 1985-01-22 | 1986-08-20 | GebràDer Sulzer Aktiengesellschaft | Thermoakustische Vorrichtung |
| WO2002057693A1 (en) * | 2001-01-17 | 2002-07-25 | Sierra Lobo, Inc. | Densifier for simultaneous conditioning of two cryogenic liquids |
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| CN1766314A (zh) * | 2004-10-26 | 2006-05-03 | 中国科学院理化技术研究所 | 行波热声驱动的发电系统 |
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-
2013
- 2013-12-11 CN CN201310675885.0A patent/CN103670977B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0191179A1 (de) * | 1985-01-22 | 1986-08-20 | GebràDer Sulzer Aktiengesellschaft | Thermoakustische Vorrichtung |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 热声热机技术的研究进展;周远，罗二仓;《机械工程学报》;20090331;第45卷(第3期);第4-21页 * |
Also Published As
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