CN103790802A - 一种环路声学共振型压缩机系统 - Google Patents

Abstract

本发明的环路型声学共振型压缩机系统，其包括：其包括：N个首尾相连并构成环路的热声单元；每一热声单元均由依次串接的热声发动机、谐振管及第一弹性膜组成，N为3～10的正整数，每个热声单元两端体积流率的相位差为360°/N；一低压气源和高压气源；热声发动机产生的声功输入到高压气源内通过高低压阀门的开闭配合达到给低压气体加压目的；系统实现了完全没有运动部件和完全无油，可靠性进一步提升；该系统中实现纯行波相位，每个热声单元的发动机产生的声功均被下一热声单元回收利用，以提高系统工作效率；系统通过改变充气压力和热端温度来调整单台压缩机压比；还可多台系统串联以实现多级压缩，具有良好的应用前景。

Description

一种环路声学共振型压缩机系统

技术领域

本发明涉及一种压缩机系统，特别是涉及一种新型的环路声学共振型压缩机系统。

背景技术

随着石油及煤炭资源的日益消耗及其对环境污染的日益加剧，增大天然气在一次能源中的比例成为我国优化能源结构的重要途径。目前仅常规天然气的开发就已达到了与石油相当的水平，而非常规天然气的领域更广阔、潜力更大。为了充分利用境内外两种资源,满足用量需求,我国的长输天然气管道正以年均6000km的增速进行建设。这些长距离天然气输送管道的建成,将有助于能源短缺地区经济的高速发展。天然气长距离输运所带来的问题就是管道压力的维持，压缩机和驱动机的选型设计就成为是天然气输送管道工程中的主要工作内容之一，是实现长距离输送天然气的重要保证。在市场经济条件下,对输供气的稳定性、可靠性和经济性要求更高。另一方面，随着经济的迅速发展，煤化工、石油化工和大化肥等行业迅速崛起,对大型大型空分设备的需求越来越多,而且这些大型装置绝大部分对产品氧、氮的压力要求很高，这些产品压力的获取绝大部分是通过低温液体泵加压工艺实现的,即通常所说的内压缩流程。对空气、氮气等气体的增压也是空分工程中的一大难题。

行波热声发动机因其具有运行可靠、使用寿命长、潜在效率高等优点而受到人们的广泛关注，用行波热声发动机作为压缩机进行气体增加还未有应用，本发明提出的环路声功共振压缩机系统便可用于各种气体的加压，系统可以实现完全无运动部件并且完全无油，进一步增加了可靠性。

对于热声热声发动机而言，其热声能量的转换在很大程度上决定于压力波动与体积流率波动之间的相位差。体积流率可表示成与压力波动同相的行波分量和与压力波动相位相差90°的驻波分量之和，纯驻波即压力波动与体积流率的相位差为90°时是不能产生声功的，声功的产生靠行波分量，即压力波动与体积流率同相位的分量，因此使声场中行波分量尽量增大对提高热声机械转换效率具有积极的意义。

1979年美国的Ceperley首次提出了行波热声发动机的概念，但由于对热声转换机理理解的有限并且对降低行波热声发动机产生热功转换核心部件回热器阻抗没有提出有效降低的技术方案，因此并没有研制出可工作的行波热声发动机。

1998年，在行波热声发动机发展之初，日本的Yazaki、Iwata等人提出了环形管行波热声发动机，如图1所示，他们在实验中采用激光多普勒测速仪测量了工作气体振荡速度，并意识到由于发动机板叠处工作气体振荡速度较大，造成了严重的粘性损失，限制了行波热声发动机的效率，但是并没有提出妥善的解决方案。

随后，美国的Backhaus和Swift等人提出的热声斯特林热机及一些类似结构的热声发动机，引入了谐振管结构，如图2所示，虽然在系统性能上有了很大的提高，但是谐振管部分基本仍是以驻波声场为主，热声发动机很大一部分声功在谐振管中耗散，并且谐振管的引入极大的降低了系统的功率密度。

2010年，荷兰的KeesdeBlok提出了一种新型4阶行波热声发电机，其结构与Yazaki等人环形管行波热声发动机类似，但是增大了回热器的面积，如图3所示，使得工作气体振荡速度在回热器里有效降低，解决了Yazaki等人环形管行波热声发动机回热器中粘性损失的问题。但是在热声发动机中并未加入热缓冲管结构，会造成冷热气体混合，产生极大的换热不可逆损失；并且在环路系统中并未加入薄膜等抑制环路直流的装置，环路中的直流会造成系统中气体的定向流动，使得气体换热与回热器、换热器的换热效果变差，极大的影响热声性能，所以也这种结构也并未取得较好的结果。

2012年，中科院理化所罗二仓课题组提出双作用流程，如图4所示，热声发动机与双作用直线电机首尾相连形成环路，能够回收声功，极大的提高系统效率。但是双作用电机的引入增加了系统不一致性问题，当其中一个电机与其他电机有差异时，这种差异会在环路中被放大最终影响到系统性能。

本发明正是基于以上带谐振管的热声发动机、环路行波热声发动机、以及双作用热声发动机中存在的问题，提出了一种新型的设计，即解决了回热器处阻力过大以及谐振管体积过大的问题，又解决了DeBlock环路系统中出现的冷热损失、环路直流等问题，同时也解决了双作用系统中不一致性的问题。环路声学共振型热声压缩机完全没有运动部件且无油，提高了运行可靠性；环路中能实现纯行波相位，能且能够有效的回收声功，提高了系统工作效率。此系统不仅可以用于一级压缩，对于需求更高压比的场合，只需要通过管道连接即可实现多级压缩，在气体压缩领域有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环路声学共振压缩机系统，利用热声发动机产生的压力波动进行气体压缩，实现了系统完全无运动部件，极大的提高了系统运行的可靠性；其优点在于系统环路中各个位置都可实现行波相位，提高了系统的工作效率；并且可以根据所压缩需要达到的压比进行方便的调整，不仅可以通过改变充气压力和热端温度来调整单台压缩机压比，而且可以利用多台压缩机实现多级压缩。环路声学共振压缩机系统除了具有灵活便利的优势，更兼有结构简单，运行可靠，潜在效率高等优点，在气体压缩场合具有良好的应用前景。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的环路声学共振型压缩机系统，其包括：

N个首尾相连并构成环路的热声单元；所述N个热声单元的每一热声单元均由依次串接的热声发动机、谐振管6以及第一弹性膜7组成，N为3～10的正整数，每个热声单元两端体积流率的相位差为360°/N；

一个装有N个低压单向阀门11的低压气源12；

一个装有N个高压单向阀门13的高压气源14；和N条第一连接管10；

所述低压气源12的每一低压单向阀门11均通过一条第一连接管10和一个高压单向阀门13与所述的高压气源14相连通；

每一热声发动机均由依次串接的由主室温端换热器1、回热器2、热端换热器3、热缓冲管4、次室温端换热器5组成；

对每一热声发动机的热端换热器3加热；对每一热声发动机的主室温端换热器1和次室温端换热器5进行水冷，使它们维持在室温范围；

所述第一弹性膜7安装在对每一热声发动机的主室温端换热器1进行水冷的水冷器前，以起到隔绝环路直流的作用；

在靠近每一热声发动机的次室温端换热器5端的谐振管6上装有与所述第一连接管10相连通的第二连接管8；第二连接管8与第一连接管10相连通的端部装有第二弹性膜9；

当热端换热器3与主室温端换热器1之间的温度梯度达到临界温度后，环路声学共振型压缩机系统起震；每一热声发动机的回热器2内部工作气体与回热器固体间发生热声效应，将输入该热声发动机的热端换热器3的热量转化为声功，并按该热声发动机的主室温端换热器1至热端换热器3的温度梯度方向输出，同时向该主室温换热器1放热，热量由水冷器的冷却水带走；

每一热声发动机产生的声功通过第二接管8、第二弹性膜9向第一连接管10输出，并且通过与低压气源12相连接的低压单向阀门11以及与高压气源14相连接的高压阀门13间的开闭配合，给环路声学共振型压缩机系统气体加压。

所述谐振管6为管径小于热声发动机的空管段，起到连接相邻热声发动机作用，和调节热声发动机相位的调节作用；并且剩余声功通过谐振管6送入下一热声单元中实现声功的回收，以进一步提高环路声学共振型压缩机系统工作效率。

所述每一热声发动机横截面积比为谐振管横截面积比需达到10～25倍。

所述的第一弹性膜7和第二弹性膜9为非对称结构或者射流装置。

所述第一弹性膜7安装在环路中的任意位置处。

本发明的环路声学共振型压缩机系统中使用的工质为纯氦气二氧化碳、天然气或氮气。

本发明的环路声学共振型压缩机系统可以采用两套以上的环路声学共振型压缩机系统串联工作。

对每一热声发动机的第一热端换热器3进行加热的热源为天然气热源、乙炔热源、太阳能热源、高温工业废热热源或高温工业烟气热源。

第一连接管10通过低压单向阀门11以及高压单向阀门13分别于低压气源12以及高压气源14相连通，在第一连接管10内将低压气体压缩成高压后输入高压气源14；因为每一热声发动机产生的声功以压力波动的形式向外界输出，这样就形成了一定的压比，即平均压力和波动压力幅值之和与平均压力和波动压力幅值之差的比值，利用每一热声发动机产生的波动压力配合第二弹性膜9的震动通过高低压单向阀门对气体进行增压（低压单向阀门11和高压单向阀门13均为单向阀门）；当第二弹性膜9处的压力波动由平衡位置向波谷运动时，第二弹性膜9向下止点运动，此时第一连接管10内的压力逐渐降低，当达到接近下至点的某一位置时低压单向阀门11打开，吸入待加压气体，开始吸气过程；此后第二弹性膜9随着压力波动继续向下运动至下至点，随后开始回升向上至点运动，第一连接管10内压力开始升高，达到一定程度后，低压单向阀门11关闭，停止吸气，完成吸气过程；随着第二弹性膜9进一步向上运动，第一连接管10压力进一步增大，气体被加压，此为压缩过程；当压力波动升高到一定程度后，高压单向阀门13打开，压力波动继续升高将加压完成的气体从第一连接管10内通过高压单向阀门13处输入到高压气源（14）；之后重复这种循环，以使环路声学共振系统的气体压比达到1.2～1.5倍。

本发明在热声发动机中加入热缓冲管4，建立一定的温度梯度，使得发动机热端换热器的高温平缓过度到室温，这样可以十分有效的减少高温端换热器直接和谐振管3相连时造成的冷热气体混合而产生的不可逆换热损失。

本发明的热声发动机的直径相比于所述谐振管直径要大很多，每一热声发动机横截面面积是谐振管6横截面面积的10～25倍，这样可以十分有效的降低气体在回热器中的流速，进而降低气体在回热器3中的阻力损失，同时可以使得气体与回热器内填充物换热更加充分，以达到更好的热声转换特性。

本发明的系统中加入弹性膜抑制环路直流：因为系统由热声单元首尾相互连接形成环路，会在环路中形成直流，使得气体在回热器和换热器处的换热性能降低，增加弹性模后能够有效的抑制直流，极大的提高系统热声性能和系统压比；弹性膜可以采用非对称结构或者射流装置，同样起到抑制环路之路的目的。并且第一弹性膜7可以安装在环路中的任意位置处。

本发明在环路声学共振型压缩机系统中不仅可以采用纯氦气作为工质，在某些场合还能够采用被增压气体作为系统工质；若是待增加压气体为二氧化碳、天然气、氮气或氦气等，可直接用作为热声系统的工作介质，这样可以取消弹性膜结构，直接进行气体压缩，进一步简化系统结构。

若是被加压气体需提升到较高压力，超出单台声学环路共振压缩机系统能够产生的最高压比时，可采取多级压缩结构，即由两套以上的环路声学共振型压缩机系统串联工作。

对所述热声发动机的第一热端换热器3进行加热的热源在某些场合可以采用被加压气体燃烧时释放的热量，如被加压气体为天然气、乙炔等可燃性气体时。此外也可以采用太阳能热源、高温工业废热热源或高温工业烟气热源，能够极大的节约能源并且提高能源利用率。

本发明的环路声学共振型压缩机系统具有下述优点：

本发明的主要创新点在于利用热声学原理构建了环路声学共振系统，解决了之前诸如带谐振管的热声发动机、环路行波热声发动机、以及双作用热声发动机中存在的问题，环路声学共振系统推向实际应用迈出了重要的一步；将声学共振型热声发动机应用于气体压缩尚属首次，能够确保输供气的稳定性、可靠性和经济性。

附图说明

图1为Yazaki等人提出的环形行波热声发动机结构示意图；

图2为Swift等人提出的带谐振管的环形行波热声发动机结构示意图；

图3为DeBlock等人提出的环路行波热声发动机结构示意图；

图4为罗二仓等人提出的双作用热声发动机系统结构示意图；

图5为本发明的环路声学共振压缩机系统（实施例1）结构示意图；

图6为本发明的环路声学共振压缩机系统（实施例2）结构示意图；

图7为本发明的环路声学共振压缩机系统（实施例3）结构示意图；

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明提出的环路声学共振压缩机系统，利用热声发动机产生的压力波动进行气体压缩，实现了系统完全无运动部件，极大的提高了系统运行的可靠性。本发明的优点在于系统环路中各个位置都可实现行波相位，提高了系统的工作效率。并且可以根据所压缩需要达到的压比进行方便的调整，不仅可以通过改变充气压力和热端温度来调整单台压缩机压比，而且可以利用多台压缩机实现多级压缩，在气体压缩场合具有良好的应用前景。

实施例1：

图5为本发明的一种环路声学共振压缩机系统（实施例1）结构示意图。如图5所示，本实施例环路声学共振型压缩机系统，其包括：

4个首尾相连并构成环路的热声单元；每一热声单元均由依次串接的热声发动机、谐振管6以及第一弹性膜7组成，每个热声单元两端体积流率的相位差为90°；

一个装有4个低压单向阀门11的低压气源12；

一个装有4个高压单向阀门13的高压气源14；和4条第一连接管10；

低压气源12的每一低压单向阀门11均通过一条第一连接管10和一个高压单向阀门13与所述的高压气源14相连通；

每一热声发动机均由依次串接的由主室温端换热器1、回热器2、热端换热器3、热缓冲管4、次室温端换热器5组成；

对每一热声发动机的热端换热器3加热；对每一热声发动机的主室温端换热器1和次室温端换热器5进行冷却，使它们维持在室温范围；

第一弹性膜7安装在对每一热声发动机的主室温端换热器1进行水冷的水冷器前，以起到隔绝环路直流的作用；

在靠近每一热声发动机的次室温端换热器5端的谐振管6上装有与所述第一连接管10相连通的第二连接管8；第二连接管8与第一连接管10相连通的端部装有第二弹性膜9；

当热端换热器3与主室温端换热器1之间的温度梯度达到临界温度后，环路声学共振型压缩机系统起震；每一热声发动机的回热器2内部工作气体与回热器固体间发生热声效应，将输入该热声发动机的热端换热器3的热量转化为声功，并按该热声发动机的主室温端换热器1至热端换热器3的温度梯度方向输出，同时向该主室温换热器1放热，热量由水冷器的冷却水带走；

每一热声发动机产生的声功通过第二接管8、第二弹性膜9向第一连接管10输出，并且通过与低压气源12相连接的低压单向阀门11以及与高压气源14相连接的高压阀门13间的开闭配合，给环路声学共振型压缩机系统气体加压。

谐振管6为管径小于热声发动机的空管段，起到连接相邻热声发动机作用，和调节热声发动机相位的调节作用；并且剩余声功通过谐振管6送入下一热声单元中实现声功的回收，以进一步提高环路声学共振型压缩机系统工作效率；

第一连接管10通过低压单向阀门11以及高压单向阀门13分别于低压气源12以及高压气源14相连通，在第一连接管10内将低压气体压缩成高压后输入高压气源14；因为每一热声发动机产生的声功以压力波动的形式向外界输出，这样就形成了一定的压比，即平均压力和波动压力幅值之和与平均压力和波动压力幅值之差的比值，利用每一热声发动机产生的波动压力配合第二弹性膜9的震动通过高低压单向阀门对气体进行增压（低压单向阀门11和高压单向阀门13均为单向阀门）；当第二弹性膜9处的压力波动由平衡位置向波谷运动时，第二弹性膜9向下止点运动，此时第一连接管10内的压力逐渐降低，当达到接近下至点的某一位置时低压单向阀门11打开，吸入待加压气体，开始吸气过程；此后第二弹性膜9随着压力波动继续向下运动至下至点，随后开始回升向上至点运动，第一连接管10内压力开始升高，达到一定程度后，低压单向阀门11关闭，停止吸气，完成吸气过程；随着第二弹性膜9进一步向上运动，第一连接管10压力进一步增大，气体被加压，此为压缩过程；当压力波动升高到一定程度后，高压单向阀门13打开，压力波动继续升高将加压完成的气体从第一连接管10内通过高压单向阀门13处输入到高压气源14；之后重复这种循环，以使环路声学共振系统的气体压比达到1.2～1.5倍。

当然，可以本发明根据需要，在环路中串接3至10个热声单元，此属本领域技术人员根据权利要求及实施例的启示可以做到。

实施例2：

图6为本发明的一种环路声学共振压缩机系统（实施例2）结构示意图。如图6所示，本实施例是在实施例1基础上增加了一级压缩，实现二级压缩，能够达到更高的压比。其中框图16和框图18中的简化压缩机结构示意图与实施例1中所述压缩机结构相同，都是采用环路声学共振热声发动机作为压缩机提供压力波动，因此工作原理也相同；不同的是压缩机18的平均压力高于压缩机16，两者通过第一阀门17相连接。其中第一阀门17为中间压力阀门，其相对于低压单向阀11而言为高压阀，相对于高压单向阀13而言为低压阀，将低压气源12中的气体先通过压缩机16压缩至中间压力，再通过压缩机18压缩至至所需高压，实现两级压缩。

实施例3：

图7为本发明的一种环路声学共振压缩机系统（实施例3）结构示意图。如图7所示，本实施例是在实施例2基础上再增加了一级压缩，实现三级压缩，能够进一步提高压比。其中框图16、框图18和框图20中的简化压缩机结构与实施例1中所述压缩机结构相同，都是采用环路声学共振热声发动机作为压缩机提供压力波动，因此工作原理也相同；不同的是压缩机18的平均压力高于压缩机16，两者通过第一阀门17相连接；压缩机20的平均压力高于压缩机18，两者通过第二阀门19相连接；其中第一阀门17和第二阀门19均为中间压力阀门，第一阀门17相对于低压单向阀11而言为高压阀，相对于第二压阀19而言为低压阀；第二阀门19相对于第一低压阀17而言为高压阀，相对于高压单向阀13而言为低压阀；将低压气源12中的气体先通过压缩机16压缩至中间压力，然后通过压缩机18进一步提升压力，再通过压缩机20压缩至所需高压，实现三级压缩。

Claims (7)

1.一种环路声学共振型压缩机系统，其包括：

N个首尾相连并构成环路的热声单元；所述N个热声单元的每一热声单元均由依次串接的热声发动机、谐振管（6）以及第一弹性膜（7）组成，N为3～10的正整数，每个热声单元两端体积流率的相位差为360°/N；

一个装有N个低压单向阀门（11）的低压气源（12）；

一个装有N个高压单向阀门（13）的高压气源（14）；和N条第一连接管（10）；

所述低压气源（12）的每一低压单向阀门（11）均通过一条第一连接管（10）和一个高压单向阀门（13）与所述的高压气源（14）相连通；

每一热声发动机均由依次串接的由主室温端换热器（1）、回热器（2）、热端换热器（3）、热缓冲管（4）和次室温端换热器（5）组成；

对每一热声发动机的热端换热器（3）加热；对每一热声发动机的主室温端换热器（1）和次室温端换热器（5）进行水冷，使它们维持在室温范围；

所述第一弹性膜（7）安装在对每一热声发动机的主室温端换热器（1）进行水冷的水冷器前，以起到隔绝环路直流的作用；

在靠近每一热声发动机的次室温端换热器（5）端的谐振管（6）上装有与所述第一连接管（10）相连通的第二连接管（8）；第二连接管（8）与第一连接管（10）相连通的端部装有第二弹性膜（9）；

当热端换热器（3）与主室温端换热器（1）之间的温度梯度达到临界温度后，环路声学共振型压缩机系统起震；每一热声发动机的回热器（2）内部工作气体与回热器固体间发生热声效应，将输入该热声发动机的热端换热器（3）的热量转化为声功，并按该热声发动机的主室温端换热器（1）至热端换热器（3）的温度梯度方向输出，同时向该主室温换热器（1）放热，热量由水冷器的冷却水带走；

每一热声发动机产生的声功通过第二接管（8）、第二弹性膜（9）向第一连接管（10）输出，并且通过与低压气源（12）相连接的低压单向阀门（11）以及与高压气源（14）相连接的高压阀门（13）间的开闭配合，给环路声学共振型压缩机系统气体加压；

所述谐振管（6）为管径小于热声发动机的空管段，起到连接相邻热声发动机作用，和调节热声发动机相位的调节作用；并且剩余声功通过谐振管（6）送入下一热声单元中实现声功的回收，以进一步提高环路声学共振型压缩机系统工作效率；

第一连接管（10）通过低压单向阀门（11）以及高压单向阀门（13）分别于低压气源（12）以及高压气源（14）相连通，在第一连接管（10）内将低压气体压缩成高压后输入高压气源（14）；每一热声发动机产生的声功以压力波动的形式向外界输出，这样就形成了一定的压比，即平均压力和波动压力幅值之和与平均压力和波动压力幅值之差的比值，利用每一热声发动机产生的波动压力配合第二弹性膜（9）的震动通过高低压单向阀门对气体进行增压；当第二弹性膜（9）处的压力波动由平衡位置向波谷运动时，第二弹性膜（9）向下止点运动，此时第一连接管（10）内的压力逐渐降低，当达到接近下至点的某一位置时低压单向阀门（11）打开，吸入待加压气体，开始吸气过程；此后第二弹性膜（9）随着压力波动继续向下运动至下至点，随后开始回升向上至点运动，第一连接管（10）内压力开始升高，达到一定程度后，低压单向阀门（11）关闭，停止吸气，完成吸气过程；随着第二弹性膜（9）进一步向上运动，第一连接管（10）压力进一步增大，气体被加压，此为压缩过程；当压力波动升高到一定程度后，高压单向阀门（13）打开，压力波动继续升高将加压完成的气体从第一连接管（10）内通过高压单向阀门（13）处输入到高压气源（14）；之后重复这种循环，以使环路声学共振系统的气体压比达到1.2～1.5倍。

2.按权利要求书1所述的环路声学共振型压缩机系统，其特征在于，所述每一热声发动机横截面积比为谐振管横截面积比需达到10～25倍。

3.按权利要求书1所述的环路声学共振型压缩机系统，其特征在于，所述第一弹性膜（7）和第二弹性膜（9）为非对称结构或者射流装置。

4.按权利要求书1或3所述的环路声学共振型压缩机系统，其特征在于，所述第一弹性膜（7）安装在环路中的任意位置处。

5.按权利要求书1所述的环路声学共振型压缩机系统，其特征在于，所述环路声学共振型压缩机系统中使用的工质为纯氦气二氧化碳、天然气或氮气。

6.按权利要求书1所述的环路声学共振型压缩机系统，其特征在于，两套以上的环路声学共振型压缩机系统串联工作。

7.按权利要求书1所述的环路声学共振型压缩机系统，其特征在于，对每一热声发动机的第一热端换热器（3）进行加热的热源为天然气热源、乙炔热源、太阳能热源、高温工业废热热源或高温工业烟气热源。

Images