CN104847608A - 一种烟气余热多级行波热声发动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机技术领域，公开了一种烟气余热多级行波热声发动机系统。该烟气余热多级行波热声发动机系统包括至少三个热声发动机单元及谐振管，所述发动机单元通过所述谐振管首位相连构成环路，所述发动机单元的直径依次减小，所述发动机单元包括依次串联的直流抑制器、主冷却器、回热器、加热器、高温端层流化元件、热缓冲管、低温端层流化元件及次冷却器。本发明提供的烟气余热多级行波热声发动机系统中梯级利用了不同温度的余热即排热，可以实现更高的转化效率；取消了传统热声发动机体积较大的驻波谐振管，对谐振管消耗的声功进行了回收，具有潜在高效率，结构紧凑，能量密度高，输出装置简单，集中输出，成本低的优点。

Description

一种烟气余热多级行波热声发动机系统

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种烟气余热多级行波热声发动机系统，具体的是一种能够高效低梯级利用不同温度品位的热源，同时输出采用单一输出的烟气余热多级行波热声发动机系统。

背景技术

能源是经济发展和社会进步的重要基础，节能减排是我国更好进行现代化建设、发展市场经济的关键问题。余热利用作为节能减排中的重要部分，具有巨大的发展潜力。余热属于二次能源，在我国资源丰富，广泛存在电站锅炉及工业设备中，其中高温烟气余热总量约占余热总资源的50％。锅炉烟气热损失、汽车尾气余热是各项热损失中很大的一项，不仅浪费了大量潜在的能源，而且过高的排烟温度严重影响锅炉经济运行，或者产生城市热岛效应。如果能有效利用这些余热，则可节约大量能源，减少大气污染，且降低企业生产成本，很好地实现节能减排。

热声发动机是一种利用管件和换热器在其内部获得合适的声场，并通过工作介质和回热器之间的相互作用将热能转化为声能的装置，具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长等优点。根据热声转换的声场特性，热声发动机分为行波热声发动机和驻波热声发动机。行波热声发动机基于可逆的热声斯特林循环，相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言具有潜在的高效率，是热声热机研究和发展的重要方向。

图1为现有的带驻波谐振管的环形管行波热声发动机结构示意图。该发动机主要由行波环路和谐振管9组成。从声场性质来看，这是一台高效行/驻波混合型热声发动机。该热声发动机驻波谐振管9末端引进了局部行波回路，在性能上有很大的提高。但是，该热声发动机有很大一部分声功在驻波谐振管9中耗散掉，并且由于谐振管9尺寸较大，系统功率密度较低，制约了其进一步的应用。

图2为专利号为WO2010107308A1的公布的一种多级行波热声发动机系统。该多级行波热声发动机系统由多个相同的行波热声发动机组成，每个行波热声发动机通过谐振管9相连构成一个环路。该系统能够有效地回收耗散在谐振管9中的声功，且避免了谐振管9尺寸过大的问题，相对于图1所述的热声发动机系统结构更为紧凑，潜在效果更高。但是，在该热声发动机中未加入热缓冲管结构，造成冷热气体混合损失，导致热量大量损耗在谐振管中，同时在环路系统中未安装直流器，所以这种结构也未能取得较好的效果。特别是，该系统不适合利用烟气排热这种热源温度逐渐降低的余热。

图3为专利号为CN103758657A的专利提出的声学共振型行波热声发电系统结构示意图。该行波热声发电系统主要由至少三台声学共振型行波热声发动机、至少一台直线电机和谐振管9组成。相比于图2的结构，该系统在热声发动机单元中增加了热缓冲管6和次冷却器8，并且在热缓冲管6两端增加了高温端层流化丝网和低温端层流化丝网，很好的解决了热声发动机系统中冷热损失的问题；并且，该系统安装了环路直流抑制器，消除了系统的直流；由于以上两点的改变，该系统性能有明显的提高。但是，这种系统主要适合于发动机加热温度相同的等温热源，也不适合温度逐渐的变温热源(烟气余热)。

以上所述的行波热声发动机都是利用定温热源，其加热器一般是工作在固定的温度，难于高效梯级利用温度变化的烟气余热。

鉴于上述现有技术的缺陷，需要提供一种能够高效低梯级利用不同温度品位的热源，同时输出采用单一输出的烟气余热多级行波热声发动机系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有的电磁炉在电磁炉底座上安装风机，由于现有的电磁炉都没有设置去油烟装置，风机在使用过程中容易将炒菜产生的大量油烟或水吸入电磁炉内部，损坏内部电子元器件，从而降低电磁使用寿命。另外电磁炉将出风口设置于电磁炉壳体的侧壁上，出风口暴露在外界环境中，容易使虫蚁通过出风口进入到电磁炉内部，对电子器件造成破坏，导致电磁炉无法正常工作，使用寿命较短的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种烟气余热多级行波热声发动机系统，其中，包括至少三个热声发动机单元及谐振管，所述发动机单元通过所述谐振管首位相连构成环路，所述发动机单元的直径依次减小，所述发动机单元包括依次串联的直流抑制器、主冷却器、回热器、加热器、高温端层流化元件、热缓冲管、低温端层流化元件及次冷却器。

进一步地，所述直流抑制器设置于所述主冷却器入口和谐振管连接处，所述直流抑制器为弹性隔膜元件或非对称水力元件。

进一步地，所述热声发动机单元及谐振管中使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。

进一步地，还包括设置于最先通过烟气排热的所述次冷却器的出口与所述谐振管的连接处的负载。

进一步地，所述负载为直线电机或脉管制冷机。

进一步地，所述高温端层流化元件设置于所述热缓冲管的高温侧，所述室温端层流化元件设置于所述热缓冲管的室温侧。

进一步地，所述谐振管的直径随着上一级所述热声发动机单元的直径减小而减小。

本发明还提供了一种，其中，包括如上所述的烟气余热多级行波热声发动机系统，具体步骤为：

S1、在所述电磁炉体上放置厨具，转动去油烟装置，使所述第一出风口与所述第二进风口连通；

S2、开启控制面板，所述风机的风依次通过所述第一出风口及第二进风口吹向所述厨具；

S3、关闭控制面板，转动所述去油烟装置使所述第一出风口与所述第二进风口断开连通。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的烟气余热多级行波热声发动机系统中发动机单元通过谐振管首位相连构成环路，发动机单元的直径依次减小，发动机单元包括依次串联的直流抑制器、主冷却器、回热器、加热器、高温端层流化元件、热缓冲管、低温端层流化元件及次冷却器。本发明提供的烟气余热多级行波热声发动机系统中梯级利用了不同温度的余热即排热，可以实现更高的转化效率；取消了传统热声发动机体积较大的驻波谐振管，对谐振管消耗的声功进行了回收，具有潜在高效率，结构紧凑，能量密度高，输出装置简单，集中输出，成本低的优点。

附图说明

图1是本发明背景技术带谐振管的环形管行波热声发动机结构示意图；

图2是本发明背景技术烟气余热多级行波热声发动机系统的环路行波热声发动机结构示意图；

图3是本发明背景技术烟气余热多级行波热声发动机系统的声学共振型行波热声发电系统结构示意图；

图4是本发明实施例一烟气余热多级行波热声发动机系统的结构示意图；

图5是本发明实施例二烟气余热多级行波热声发动机系统的结构示意图。

图中：1：直流抑制器；2：主冷却器；3：回热器；4：加热器；5：高温端层流化元件；6：热缓冲管；7：室温端层流化元件；8：次冷却器；9：谐振管。

具体实施方式

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图4及图5所示，本发明实施例提供的烟气余热多级行波热声发动机系统包括至少三个热声发动机单元及谐振管9，优选地热声发动机单元及谐振管9的个数为3-10个，所述发动机单元通过所述谐振管9首位相连构成环路，所述发动机单元的直径依次减小，所述发动机单元包括依次串联的直流抑制器1、主冷却器2、回热器3、加热器4、高温端层流化元件5、热缓冲管6、低温端层流化元件7及次冷却器8。所述谐振管9中每个谐振管9一端与上一级热声发动机单元的主冷却器2相连，另一端与下一级热声发动机单元的次冷却器8相连，从而构成环路。

本发明提供的烟气余热多级行波热声发动机系统梯级利用了不同温度的余热即排热，可以实现更高的转化效率；取消了传统热声发动机体积较大的驻波谐振管，对谐振管9消耗的声功进行了回收，具有潜在高效率；系统无运动部件，结构紧凑，能量密度高。输出装置简单，集中输出，有利于系统成本降低。

优选地，所述直流抑制器1设置于所述主冷却器2入口和谐振管9连接处，所述直流抑制器1为弹性隔膜元件或非对称水力元件。所述热声发动机单元及谐振管9中使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。还包括设置于最先通过烟气排热的所述次冷却器8的出口与所述谐振管9的连接处的负载。所述负载为直线电机或脉管制冷机。所述高温端层流化元件5设置于所述热缓冲管6的高温侧，所述室温端层流化元件7设置于所述热缓冲管6的室温侧，用于抑制射流。所述谐振管9的直径随着上一级所述热声发动机单元的直径减小而减小。

实施例1

如图3所示，本发明实施例1提供的烟气排热高效利用的多级行波热声发动机系统中包括3个结构一致、大小不一的热声发动机单元组成；各热声发动机单元通过直径不等的谐振管9首尾相连而成构成环路；每一热声发动机单元均由依次相连的直流抑制器1、主冷却器2、回热器3、加热器4、高温端层流化元件5、热缓冲管6、室温端层流化元件7和次冷却器8组成；

#1热声发动机单元、#2热声发动机单元及#3热声发动机单元的直径大小依次减小，逆时针分布在环路；其两两之间的谐振管9的直径也依次减小；多级行波热声发动机系统的负载接于#1热声发动机单元中的次冷却器8的出口与谐振管9的连接处。

高温工业烟气余热依次通过每一热声发动机单元中的加热器，加热器产生不同的高温；高温工业烟气余热首先通过#1热声发动机单元的加热器4，换热后加热器产生高温，高温烟气的温度降低；高温烟气接着通过#2热声发动机单元的加热器，完成换热后加热器产生较高温度，高温烟气的温度继续降低；高温烟气接着再流向#3热声发动机单元，换热后烟气温度进一步降低，加热器产生较高温度；3个加热器产生的温度按照高温工业烟气余热的通过先后依次降低；

每一热声发动机单元的主冷却器和次冷却器均通过水冷器冷却，维持在室温范围，每一热声发动机单元的加热器被高温烟气通过，维持在高温范围；当每一热声发动机单元的回热器达到一定温度梯度时，整个多级行波热声发动机系统起振；每一热声发动机单元的回热器内部工作气体与固体填料间产生热声效应，将输入到加热器的烟气余热转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播；按声功传播的方向，声功放大过程如下：声功在3#热声发动机单元的回热器中放大，经过2#热声发动机单元，声功在2#热声发动机单元中的回热器里进一步放大，声功再通向1#热声发动机单元，并在1#热声发动机单元回热器中进行进一步放大；最后，经过三级放大的声功一部分被负载消耗，其余声功被谐振管反馈回环路重复上述过程，最终使得多级行波热声发动机系统稳定运行；

由于声功经过多级放大，谐振管9的直径随着声功的每次放大而逐渐变大；#1和#3热声发动机单元之间的谐振管最细，#1和#2热声发动机单元之间的谐振管最粗，它们中间的谐振管的直径逐渐变化。

实施例2：

图4是本发明实施例2提供的烟气余热高效利用的多级行波热声发动机系统由6个结构一致、大小不一的热声发动机单元组成；各热声发动机单元通过直径不等的谐振管9首尾相连而成构成环路；每一热声发动机单元均由依次相连的直流抑制器1、主冷却器2、回热器3、加热器4、高温端层流化元件5、热缓冲管6、室温端层流化元件7和次冷却器8组成；

其中#1～#6热声发动机单元大小依次减小，逆时针分布在环路；其两两之间谐振管的直径也依次减小；多级行波热声发动机系统的负载接于#1热声发动机单元中的次冷却器8的出口与谐振管9的连接处；

高温工业烟气余热依次通过每一热声发动机单元中的加热器，加热器产生不同高温；高温工业烟气余热首先通过#1热声发动机单元的加热器4，换热后加热器产生高温，高温烟气的温度降低；高温烟气接着通过#2热声发动机单元的加热器，完成换热后加热器产生较高温度，高温烟气的温度继续降低；高温烟气接着再流向#3热声发动机单元，与之换热后温度进一步降低，接着如此依次通向#4～#6热声发动机单元；6个加热器产生的温度按照高温工业烟气余热的通过的先后依次降低。与实施例1不同，实施例2中每个加热器之间温度差较小，这能够有效避免回热器中大温差产生的温度不均匀的问题；

每一热声发动机单元的主冷却器和次冷却器均通过水冷器冷却，维持在室温范围，每一热声发动机单元的加热器被高温烟气通过，维持在高温范围；当每一热声发动机单元的回热器达到一定温度梯度时，整个多级行波热声发动机系统起振；每一热声发动机单元的回热器内部工作气体与固体填料间产生热声效应，将输入到加热器的烟气余热转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播；按声功传播的方向，声功放大过程如下：声功在6#热声发动机单元的回热器中放大，传递到5#热声发动机单元，声功在5#热声发动机单元中的回热器里进一步放大；接着，声功传递到4#热声发动机单元，在4#热声发动机单元的回热器里进一步放大；经过三次放大的声功继续依次通过3#～1#热声发动机单元并依次进行放大；最终，经过六级放大的声功一部分被负载消耗，其余声功被谐振管反馈回环路重复上述过程，最终使得多级行波热声发动机系统稳定运行。

由于声功经过多级放大，谐振管9的直径随着声功的每次放大而逐渐变大；#1和#6热声发动机单元之间的谐振管最细，#1和#2热声发动机单元之间的谐振管最粗，它们中间的谐振管的直径逐渐变化。

本发明提供的烟气余热多级行波热声发动机系统使用时，热声发动机单元中的加热器4依次被高温工业烟气余热通过；高温工业烟气余热首先通过热声发动机单元中的加热器，与之换热后接着通过另一个热声发动机单元的加热器，高温工业烟气余热完成换热后再流向下一个热声发动机单元，如此依次通过每一热声发动机单元的加热器；热声发动机单元中加热器4产生的温度按照高温工业烟气余热的通过先后依次降低；所述热声发动机单元的主冷却器2和次冷却器8通过水冷器冷却，维持在室温范围；每一热声发动机的回热器3上形成温度梯度，当该温度梯度达到临界温度梯度后，整个多级行波热声发动机系统起振；每一热声发动机单元的回热器3内部工作气体与固体填料间产生热声效应，将输入到加热器4的烟气余热转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播，依次经过热缓冲管6和次换热器8，再经谐振管9传递到下一级热声发动机单元；声功在下一级热声发动机单元的回热器中被进一步放大，再经过谐振管向下一级热声发动机单元传递，如此重复；最后，经过多级放大的声功一部分被负载消耗，其余声功被谐振管反馈回环路重复上述过程，最终使得多级行波热声发动机系统稳定运行。

综上所述，本发明具有以下优点：本发明提供的烟气余热多级行波热声发动机系统中发动机单元通过谐振管首位相连构成环路，发动机单元的直径依次减小，发动机单元包括依次串联的直流抑制器、主冷却器、回热器、加热器、高温端层流化元件、热缓冲管、低温端层流化元件及次冷却器。本发明提供的烟气余热多级行波热声发动机系统中梯级利用了不同温度的余热即排热，可以实现更高的转化效率；取消了传统热声发动机体积较大的驻波谐振管，对谐振管消耗的声功进行了回收，具有潜在高效率；具有无运动部件，结构紧凑，能量密度高，输出装置简单，集中输出，成本低的优点。

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 (7)

1.一种烟气余热多级行波热声发动机系统，其特征在于：包括至少三个热声发动机单元及谐振管(9)，所述发动机单元通过所述谐振管(9)首位相连构成环路，所述发动机单元的直径依次减小，所述发动机单元包括依次串联的直流抑制器(1)、主冷却器(2)、回热器(3)、加热器(4)、高温端层流化元件(5)、热缓冲管(6)、低温端层流化元件(7)及次冷却器(8)。

2.根据权利要求1所述的烟气余热多级行波热声发动机系统，其特征在于：所述直流抑制器(1)设置于所述主冷却器(2)入口和谐振管(9)连接处，所述直流抑制器(1)为弹性隔膜元件或非对称水力元件。

3.根据权利要求1所述的烟气余热多级行波热声发动机系统，其特征在于：所述热声发动机单元及谐振管(9)中使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。

4.根据权利要求1所述的烟气余热多级行波热声发动机系统，其特征在于：还包括设置于最先通过烟气排热的所述次冷却器(8)的出口与所述谐振管(9)的连接处的负载。

5.根据权利要求4所述的烟气余热多级行波热声发动机系统，其特征在于：所述负载为直线电机或脉管制冷机。

6.根据权利要求1所述的烟气余热多级行波热声发动机系统，其特征在于：所述高温端层流化元件(5)设置于所述热缓冲管(6)的高温侧，所述室温端层流化元件(7)设置于所述热缓冲管(6)的室温侧。

7.根据权利要求1所述的烟气余热多级行波热声发动机系统，其特征在于：所述谐振管(9)的直径随着上一级所述热声发动机单元的直径减小而减小。