CN104913537B - 一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置 - Google Patents

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Abstract

一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置：由谐振管首尾相连构成环路的N级热声发动机单元及旁路，各旁路连接M级由小到大脉管制冷机单元，N＝3～6，M＝4～10；工作时，发动机加热器被加热至高温，回热器形成温度梯度，系统产生往复振荡压力在回热器中进行热声转换，冷头热量泵至主冷却器输出冷头保持低温；1～M‑1级制冷机的冷头温度等量减小至气体液化温度，第M级的冷头维持在液化温度；待液化气体由冷头温度从高至低顺序通过所有冷头完成液化，实现气体从常温到液化温度的液化流程，旁路的多级脉管制冷机可梯级降低气体温度有效减少传热损失；脉管制冷机由小到大排列有利声功合理分配；各发动机单元结构尺寸相同有利批量生产，可降低制作成本。

Description

一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置
技术领域
本发明属于气体液化领域，特别涉及一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置。
背景技术
液化过程指物质由气态转变为液态的过程。由于气体液化后体积会变成原来的几千分之一，便于贮藏和运输，现实中通常对一些气体进行液化处理。实现液化有两种手段，一是降低温度，二是压缩体积。任何气体在温度降到足够低时都可以液化。因此，如何能制造可靠性较高、寿命较长、成本较低的低温制冷机成为了令人关注的问题。
热声现象是发生在振荡流体和固体壁面之间的热能和机械能之间的相互转化过程，它的一个重要应用就是热声发动机驱动脉管制冷机系统。在热声发动机中，通过加热器对气体加热，系统内产生自激的压力振荡，热能被转换为声能；在脉管制冷机中，声功在回热器内将热量从低温端搬运到高温端被消耗掉。热声驱动脉管制冷机是一种从驱动源到冷端都没有任何运动部件的制冷机，具有可靠性高、寿命长和潜在热效率高等优点，受到人们的广泛关注。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潜在热效率高，应用前景好。近几年，环路多级热声发动机因具有结构紧凑、功率密度高、潜在热效率高等优点，引起了广泛关注，并进一步推动了热驱动脉管制冷机的发展。
图1为罗二仓等人提出的环路多级热声制冷系统。该系统主要由N个热声核心单元通过谐振管12首尾相连组成；其中，每一热声核心由1个热声发动机单元1和1个旁接于谐振管12的脉管制冷机单元2组成。该系统结构紧凑，功率密度高，且谐振管中声功能够得到回收，潜在热效率高。但是，若利用该系统完成将常温气体液化到低温液体的整体液化过程，则会由于无法实现气体梯级降温而产生很大的传热损失，效率非常低。因此，该系统无法应用于气体整体的液化过程。通常。我们将该系统应用于液化气体流程的最后一部分，即在液化温度下，利用该系统来吸收气体的潜热，气体温度由常温降到液化温度的显热吸收过程靠其他装置实现。这无疑增加了系统的复杂性，限制了进一步应用。
为了解决以上存在的问题，本发明提出了一种能够实现气体液化一体化的装置。它可以高效地、梯级地降低气体温度，有效减小传热损失；每一热声核心单元的结构尺寸完全相同，有利于关键部件的批量加工生产，减小加工成本；每一旁路中脉管制冷机由小到大依次排列，有利于声功的合理分配；整个系统无运动部件，安全可靠，且每一发动机单元的回热器(6)处在行波相位，有利于实现较高的热声转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其整机无运动部件，结构紧凑，能量密度高；能够梯级降低气体的温度，有效减小传热损失；每一旁路中脉管制冷机由小到大依次排列，有利于声功的合理分配；该装置每一热声核心单元(热声发动机单元1和旁路3并联的脉管制冷机单元2)的结构尺寸高度一致，有利于降低关键部件的制作成本和工艺难度；该装置可实现气体液化的整体流程，在气体液化方面具有广阔的发展和应用前景。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其包括：
N级结构和尺寸相同的热声发动机单元1通过谐振管12首尾相连构成的环路结构，所述谐振管12直径和长度相同；
旁接于每一谐振管12的N个旁路3；
所述N个旁路3中的每个旁路中并联地连接M级尺寸由小到大的脉管制冷机单元2，所述尺寸是指脉管制冷机单元2长度和横截面积；所述由小到大是指脉管制冷机单元2由远离谐振管12的远端至近端的尺寸由小到大；
其中，N＝3～6正整数；M＝4～10正整数；
所述N级热声发动机单元1中的每一级热声发动机单元均由依次相连的直流抑制器4、发动机主冷却器5、发动机回热器6、加热器7、高温端层流化元件8、热缓冲管9、第一室温端层流化元件10和发动机次冷却器11组成；所述环路结构中的每个谐振管12一端与一级热声发动机单元的发动机主冷却器5相连，另一端与下一级热声发动机单元的发动机次冷却器11相连；所述每一级热声发动机单元的高温端层流化元件8安装在该级热声发动机单元的热缓冲管9高温侧，所述每一级热声发动机单元的第一室温端层流化元件10安装在该级热声发动机单元的热缓冲管9室温侧；
所述M级脉管制冷机单元2的每一级脉管制冷机单元均由依次相连的直制冷机主冷却器13、制冷机回热器14、冷头15、低温端层流化元件16、脉冲管17、第二室温端层流化元件20、制冷机次冷却器18和调相结构19组成；所述每一级脉管制冷机单元的低温端层流化元件16安装在该级脉管制冷机单元的脉冲管17低温侧，所述每一级脉管制冷机单元的第二室温端层流化元件20安装在该级脉管制冷机单元的脉冲管17室温侧；
所述N个旁路3中每一旁路均处于发动机次冷却器11出口与谐振管12的连接处；
所述每一级热声发动机单元的加热器7均与一热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；所述每一级热声发动机单元的发动机主冷却器5和发动机次冷却器11通过水冷器冷却以维持在室温范围；由此，每一级热声发动机单元的发动机回热器6上形成温度梯度；在该温度梯度下，每一级热声发动机单元的发动机回热器6内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到该级热声发动机单元的加热器7的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到旁路3中，另一部分通过谐振管12传递到下一级热声发动机单元中重复以上过程；传递到每个旁路3的声功均传递到该旁路的脉管制冷机单元的回热器14中发生热声转换，将每一个脉管制冷机单元2的冷头15热量泵送至该脉管制冷机单元2的制冷机主冷却器13处，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一个脉管制冷机单元2的冷头15保持低温；
根据M级脉管制冷机单元尺寸由小到大的顺序，从第1～M-1级脉管制冷机单元中的冷头15的温度依次等量降至气体液化温度，第M级脉管制冷机单元中的冷头15维持在气体液化温度；待液化气体按照冷头温度从高到低的顺序依次通过各旁路中的每一冷头：在第1～M-1级脉管制冷机单元中的冷头中，气体显热被吸收，温度降至液化温度；最后，待液化气体通过第M级脉管制冷机单元中的冷头，释放潜热后，待液化气体由气态转变为液态。
所述每一级热声发动机单元的直流抑制器4为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。所述的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。所述的待液化气体为天然气、氮气或氢气。
本发明的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置的优点在于：
采用多个脉管制冷机作为梯级冷源，有效减小传热损失，且脉管制冷机由小到大依次排列，有利于声功的合理分配；系统环路中各级行波热声发动机均处于行波相位，结构紧凑，能量密度高；每一热声核心单元的结构尺寸一致，有利于降低生产成本和工艺难度。本发明能够有效地实现气体多级液化的整体流程，在液化气体方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1是罗二仓等人提出的环路多级行波热声制冷系统结构示意图；
图2是本发明的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置(实施例1)结构示意图；
图3是本发明的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置(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。
本发明可梯级降低气体温度，有效减少传热损失；每一旁路中脉管制冷机由小到大依次排列，有利于声功的合理分配；每一热声核心单元的结构尺寸完全一致，有利于减小加工成本和工艺；系统无运动部件，可靠性高，结构紧凑，能量密度高；本装置能够高效地、紧凑地实现气体液化的一体化流程。
实施例1
图2是本发明的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置(实施例1)结构示意图；如图2所示，本实施例1的气体多级液化装置由3个(#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)完全相同的热声发动机单元和3个旁路3组成；3个热声发动机单元通过谐振管12首尾相连而成构成环路结构；每一旁路3中均连接4个脉管制冷机单元2，尺寸从远离谐振管12的远端至近端由小到大；每一旁路处于发动机次冷却器11的出口与谐振管12的连接处；
每一级热声发动机单元1均由依次相连的直流抑制器4、发动机主冷却器5、发动机回热器6、加热器7、高温端层流化元件8、热缓冲管9、第一室温端层流化元件10和发动机次冷却器11组成；每一脉管制冷机单元2均由依次相连的直制冷机主冷却器13、制冷机回热器14、冷头15、低温端层流化元件16、脉冲管17、第二室温端层流化元件20、制冷机次冷却器18和调相结构19组成。
每一级热声发动机单元的加热器7均与一热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；每一级热声发动机单元的发动机主冷却器5和发动机次冷却器11通过水冷器冷却以维持在室温范围；由此，每一级热声发动机单元的发动机回热器6上形成温度梯度；在该温度梯度下，每一级热声发动机单元的发动机回热器6内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到该级热声发动机单元的加热器7的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到旁路3中，另一部分通过谐振管12传递到下一级热声发动机单元中重复以上过程；传递到每个旁路3的声功均传递到该旁路的脉管制冷机单元的回热器14中发生热声转换，将每一个脉管制冷机单元2的冷头15热量泵送至该脉管制冷机单元2的制冷机主冷却器13，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一个脉管制冷机单元2的冷头15保持低温；
在每一旁路中，根据制冷机单元尺寸由小到大的顺序，第1～3级冷头15的温度依次降至气体液化温度，第4级冷头15维持在气体液化温度；气体按照冷头温度从高到低的顺序依次通过任意一个旁路中的每一冷头：在第1～3级冷头中，气体显热被吸收，温度降至液化温度；最后，气体通过第4级冷头，释放潜热后，气体由气态转变为液态。每一旁路中，相邻脉管制冷机单元中冷头的温度差相同。以液化天然气为例，假设天然气初始温度为310K，天然气液化温度为110K，则相邻脉管制冷机单元的冷头温度差均为100K，即每一旁路的冷头温度依次为310K、210K、110K，110K。
每一旁路上脉管制冷机尺寸由小到大的原因为：气体每次下降的温度相同，根据公式Q＝cmΔT(其中Q为气体释放的热量、等于制冷量，c为气体比热容，m为气体的质量)，每一冷头的制冷量相同。因每一冷头制冷温度不同，制冷温度越低的冷头需要的声功越大。因此，为了合理分配声功，制冷温度越低的脉管制冷机单元的尺寸(长度和横截面积)越大。
实施例2：
图3是本发明的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置(实施例2)结构示意图；如图3所示，本实施例2的气体多级液化装置由4个(#1热声发动机单元、#2热声发动机单元、#3热声发动机单元和#4热声发动机单元)完全相同(长度和横截面积)的热声发动机单元和4个旁路3组成；各级热声发动机单元通过尺寸相同的谐振管12首尾相连而成构成环路结构；每一旁路3中均连接5个尺寸由小到大的脉管制冷机单元2；每一级旁路处于每一发动机次冷却器11的出口与谐振管12的连接处；；
每一级热声发动机单元1均由依次相连的直流抑制器4、发动机主冷却器5、发动机回热器6、加热器7、高温端层流化元件8、热缓冲管9、第一室温端层流化元件10和发动机次冷却器11组成；每一脉管制冷机单元2均由依次相连的直制冷机主冷却器13、制冷机回热器14、冷头15、低温端层流化元件16、脉冲管17、第二室温端层流化元件20、制冷机次冷却器18和调相结构19组成。
每一加热器7与热源相连以吸收热源热量形成相同的高温端；所述发动机主冷却器5和发动机次冷却器11通过水冷器冷却以维持在室温范围；因此，每一级热声发动机单元1的发动机回热器6上形成温度梯度；在温度梯度下，发动机回热器6内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器7的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到旁路3中，另一部分通过谐振管12传递到下一级热声发动机单元中重复以上过程；其中，传递到旁路3中的声功分别传递到5个制冷机回热器14中发生热声转换，将每一冷头15的热量泵送至制冷机主冷却器13，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一冷头15保持低温；
所述每一旁路中，根据制冷机单元尺寸由小到大的顺序，第1～4级冷头15的温度依次降至气体液化温度，第5级冷头15维持在气体液化温度；气体按照冷头温度从高到低的顺序依次通过任意一个旁路中的每一冷头：在第1～4级冷头中，气体显热被吸收，温度降至液化温度；最后，气体通过第5级冷头，释放潜热后，气体由气态转变为液态。每一旁路中，相邻脉管制冷机单元中冷头的温度差相同。以液化天然气为例，假设天然气初始温度为290K，天然气液化温度为110K，则相邻脉管制冷机单元的冷头温度差均为60K，即每一旁路的冷头温度依次为290K、230K、170K、110K，110K。
每一旁路上脉管制冷机尺寸由小到大的原因为：由于气体每次下降的温度相同，根据公式Q＝cmΔT(其中Q为气体释放的热量、等于制冷量，c为气体比热容，m为气体的质量)，每一冷头的制冷量相同。因每一冷头制冷温度不同，制冷温度越低的冷头需要的声功越大。因此，为了合理分配声功，制冷温度越低的脉管制冷机单元的尺寸(长度和横截面积)越大。
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 (4)

1.一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其包括：
N级结构尺寸均相同的热声发动机单元(1)通过谐振管(12)首尾相连构成的环路结构，所述谐振管(12)直径和长度相同；
旁接于每个谐振管(12)的N个旁路(3)；
所述N个旁路(3)中的每个旁路中并联地连接M级尺寸由小到大的脉管制冷机单元(2)，所述尺寸是指脉管制冷机单元(2)长度和横截面积；所述由小到大是指脉管制冷机单元(2)由远离谐振管(12)的远端至近端的尺寸由小到大；
其中，N＝3～6正整数；M＝4～10正整数；
N级所述热声发动机单元(1)中的每一级热声发动机单元均由依次相连的直流抑制器(4)、发动机主冷却器(5)、发动机回热器(6)、加热器(7)、高温端层流化元件(8)、热缓冲管(9)、第一室温端层流化元件(10)和发动机次冷却器(11)组成；所述环路结构中的每个谐振管(12)一端与一级热声发动机单元的发动机主冷却器(5)相连，另一端与下一级热声发动机单元的发动机次冷却器(11)相连；所述每一级热声发动机单元的高温端层流化元件(8)安装在该级热声发动机单元的热缓冲管(9)高温侧，所述每一级热声发动机单元的第一室温端层流化元件(10)安装在该级热声发动机单元的热缓冲管(9)室温侧；
M级所述脉管制冷机单元(2)的每一级脉管制冷机单元均由依次相连的制冷机主冷却器(13)、制冷机回热器(14)、冷头(15)、低温端层流化元件(16)、脉冲管(17)、第二室温端层流化元件(20)、制冷机次冷却器(18)和调相结构(19)组成；所述每一级脉管制冷机单元的低温端层流化元件(16)安装在该级脉管制冷机单元的脉冲管(17)低温侧，所述每一级脉管制冷机单元的第二室温端层流化元件(20)安装在该级脉管制冷机单元的脉冲管(17)室温侧；
所述N个旁路(3)中每一旁路均处于发动机次冷却器(11)出口与谐振管(12)的连接处；
所述每一级热声发动机单元的加热器(7)均与一热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；所述每一级热声发动机单元的发动机主冷却器(5)和发动机次冷却器(11)通过水冷器冷却以维持在室温范围；由此，每一级热声发动机单元的发动机回热器(6)上形成温度梯度；在该温度梯度下，每一级热声发动机单元的发动机回热器(6)内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到该级热声发动机单元的加热器(7)的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到旁路(3)中，另一部分通过谐振管(12)传递到下一级热声发动机单元中重复以上过程；传递到每个旁路(3)的声功均传递到该旁路的脉管制冷机单元的回热器(14)中发生热声转换，将每一个脉管制冷机单元(2)的冷头(15)热量泵送至该脉管制冷机单元(2)的制冷机主冷却器(13)，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一个脉管制冷机单元(2)的冷头(15)保持低温；
根据M级脉管制冷机单元尺寸由小到大的顺序，从第1～M-1级脉管制冷机单元中的冷头(15)的温度依次等量降至气体液化温度，第M级脉管制冷机单元中的冷头(15)维持在气体液化温度；待液化气体按照冷头温度从高到低的顺序依次通过各旁路中的每一冷头：在第1～M-1级脉管制冷机单元中的冷头中，气体显热被吸收，温度降至液化温度；最后，待液化气体通过第M级脉管制冷机单元中的冷头，释放潜热后，待液化气体由气态转变为液态。
2.按权利要求1所述的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其特征在于，所述每一级热声发动机单元的直流抑制器(4)为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。
3.按权利要求1所述的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其特征在于，所述的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。
4.按权利要求1所述的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其特征在于，所述的待液化气体为天然气、氮气或氢气。
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