CN104863808B - 一种梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统 - Google Patents

Abstract

一种梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，其为N级热声发动机单元通过谐振管首尾相连构成的环路结构，N＝3～10正整数；每一热声发动机单元由依次相连的直流抑制器、主冷却器、回热器、加热器、高温端层流化元件、热缓冲管、室温端层流化元件、次冷却器和谐振管组成；系统工作时，高温烟气余热依次通过每一热声发动机单元的加热器，与之换热从而使加热器产生高温，发动机回热器处形成温度梯度，在该温度梯度下热能转换成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播并依次经过多次放大，如此循环工作；本发明无机械运动部件，结构紧凑，能够梯级高效利用烟气余热产生声功，节能减排。

Description

一种梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统

技术领域

本发明属于发动机领域，特别涉及一种梯级利用高温烟气余热的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Swift等人提出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中耗散掉，并且由于谐振管尺寸较大，系统功率密度较低，制约了其进一步的应用。

图2为De Block等人的WO2010107308A1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相连构成一个环路。该系统能够有效地回收耗散在谐振管中的声功，且避免了谐振管尺寸过大的问题，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为罗二仓等人的CN103758657A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和次冷却器，并且在热缓冲管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。

为了解决传统系统利用烟气余热这种变温热源的高效转换以及简洁输出的问题，本发明提出了一种新型的流程，它可以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，降低了系统复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，其结构简单无运动部件，热声发动机单元工作在行波相位，结构紧凑，能量密度高；采用烟气废热作为热端热源，可以同时利用不同温度品位的热能，热能利用效率高，具有广阔的发展和应该前景。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，其为N级热声发动机单元通过谐振管9首尾相连构成的环路结构，所述N＝3～10的正整数，每一级热声发动机单元在所述环路结构中处于行波相位；所述N级热声发动机单元的尺寸不一，且按照尺寸由大到小或者由小到大依次形成环路，所述尺寸为热声发动机单元的整体尺寸，包括整体长度和截面直径；所述谐振管9的直径随着连接的上一级热声发动机单元的截面直径的减小而减小；

所述N级热声发动机单元中的每一级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、低温端层流化元件7和次冷却器8组成；所述环路结构中的每个谐振管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相连而构成环路；所述每一级热声发动机单元的高温端层流化元件5安装在每一热声发动机单元中的热缓冲管6高温侧，所述每一级热声发动机单元的室温端层流化元件7安装在每一级热声发动机单元的用于抑制射流的热缓冲管6室温侧；

将一高温烟气余热依次通入所述N级热声发动机单元中的每一级热声发动机单元中的加热器4：所述高温烟气余热首先通过N级热声发动机单元中的一级热声发动机单元的加热器，与之换热后接着通入下一级热声发动机单元的加热器，与下一级热声发动机单元的加热器完成换热后再流向再下一级热声发动机单元的加热器；如此高温烟气余热依次通过每一级热声发动机单元的加热器；所述每一级热声发动机单元的主冷却器2和次冷却器8通过水冷器冷却以维持在室温范围；每一级热声发动机的回热器3上形成温度梯度；在温度梯度条件下，每一级热声发动机单元的回热器3内部工作气体与其中的固体填料间产生热声效应，将输入至每一级热声发动机单元的加热器4的高温烟气余热转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播，声功依次经过一级热声发动机单元的热缓冲管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，再经过谐振管向再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结构重复上述过程，最终梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统得以稳定运行；

所述负载接于最先通入高温烟气余热的一级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。

所述直流抑制器1为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。

所述的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。

所述的负载为直线电机或脉管制冷机。

相邻两级热声发动机单元中，尺寸较大的发动机单元是尺寸较小的发动机单元的1.1-2倍；该尺寸放大倍数与热声发动机单元数N有关:当N越大，尺寸放大倍数越小，反之亦然。

所述谐振管9的长度相等或者不相等。

本发明的高效利用烟气余热的多级行波热声发动机系统，其优点在于：采用工业废热为热源，不同热声发动机单元能够同时高效利用不同温度品位的热能，提高了热能利用效率；系统环路中各级行波热声发动机均处于行波相位，解决了传统发动机谐振管尺寸过大的问题，结构紧凑；相比De Block提出的环路行波热声发动机而言，本发明增加了热缓冲管和次换热器，减少了热能的损失，同时安装了直流抑制器抑制了环路中的直流；本发明能够有效地实现节能减排的重大意义，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是Swift等人提出的带谐振管的环形管行波热声发动机结构示意图

图2是De Block等人提出的环路行波热声发动机结构示意图；

图3是罗二仓等人提出的声学共振型行波热声发电系统结构示意图；

图4是本发明的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统(实施例1)结构示意图；

图5是本发明的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统(实施例2)结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明梯级利用了不同温度的余热，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；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。

实施例1

图4是本发明的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统(实施例1)结构示意图。如图4所示，本实施例1的多级行波热声发动机系统由3级(#1热声发动机单元、#2热声发动机单元和#3热声发动机单元)结构一致、尺寸不一的热声发动机单元组成；各级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结构，每一级热声发动机单元在所述环路结构处于行波相位；每一级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热声发动机单元和#3热声发动机单元尺寸依次减小，逆时针分布在环路结构；其两两之间谐振管的直径也依次减小，长度相等或者不相等；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级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，高温工业烟气的温度降低；高温工业烟气接着通过#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，高温工业烟气的温度继续降低；高温工业烟气接着再流向#3热声发动机单元，换热后高温工业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；

每一级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以维持在室温范围；每一级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；在回热器温度梯度的条件下，每一级热声发动机单元的回热器内部工作气体与其中的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再进一步放大；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结构中重复上述过程，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热声发动机单元和#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5是本发明的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统(实施例2)结构示意图。如图5所示，本实施例2的多级行波热声发动机系统由6个结构一致、尺寸不一的热声发动机单元组成；各级热声发动机单元通过直径不等的谐振管9首尾相连而构成环路结构，每一级热声发动机单元在所述环路结构处于行波相位；每一级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热声发动机单元尺寸依次减小，逆时针分布在环路结构；其两两之间谐振管的直径也依次减小，其长度相等或者不相等；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(废热)依次通过每一级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(废热)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(废热)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；

每一级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以维持在室温范围；每一级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；在回热器温度梯度的条件下，每一级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热声发动机单元和#6热声发动机单元之间的谐振管最细，#1热声发动机单元和#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。

依此类推，本发明的热声发动机单元可为N级，所述N＝3～10的正整数。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.一种梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，其为N级热声发动机单元通过谐振管(9)首尾相连构成的环路结构，所述N＝3～10的正整数，每一级热声发动机单元在所述环路结构中处于行波相位；所述N级热声发动机单元的尺寸不一，且按照尺寸由大到小或者由小到大依次形成环路，所述尺寸是指热声发动机单元的整体尺寸，包括整体长度和截面直径；所述谐振管(9)的直径随着连接的上一级热声发动机单元的截面直径的减小而减小；

所述N级热声发动机单元中的每一级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)、低温端层流化元件(7)和次冷却器(8)组成；所述环路结构中的每个谐振管(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)相连而构成环路；所述每一级热声发动机单元的高温端层流化元件(5)安装在每一热声发动机单元中的热缓冲管(6)高温侧，所述每一级热声发动机单元的低温端层流化元件(7)安装在每一级热声发动机单元的用于抑制射流的热缓冲管(6)室温侧；

将一高温烟气余热依次通入所述N级热声发动机单元中的每一级热声发动机单元中的加热器(4)：所述高温烟气余热首先通过N级热声发动机单元中的一级热声发动机单元的加热器，与之换热后接着通入下一级热声发动机单元的加热器，与下一级热声发动机单元的加热器完成换热后再流向再下一级热声发动机单元的加热器；如此高温烟气余热依次通过每一级热声发动机单元的加热器；所述每一级热声发动机单元的主冷却器(2)和次冷却器(8)通过水冷器冷却以维持在室温范围；每一级热声发动机单元的回热器(3)上形成温度梯度；在该温度梯度条件下，每一级热声发动机单元的回热器(3)内部工作气体与其中的固体填料间产生热声效应，将输入至每一级热声发动机单元的加热器(4)的高温烟气余热转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播，声功依次经过一级热声发动机单元的热缓冲管(6)和次冷却器(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，再经过谐振管向再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结构重复上述过程，最终梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统得以稳定运行；

所述负载接于最先通入高温烟气余热的一级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。

2.按权利要求1所述的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述直流抑制器(1)为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。

3.按权利要求1所述的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。

4.按权利要求1所述的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述的负载为直线电机或脉管制冷机。

5.按权利要求1所述的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，其特征在于，相邻两级热声发动机单元中，尺寸较大的发动机单元是尺寸较小的发动机单元的1.1-2倍。

6.按权利要求1所述的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，其特征在于，所述谐振管(9)的长度相等或者不相等。