CN105114268A - 一种液化天然气冷能驱动的热声系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液化天然气冷能驱动的热声系统，该热声系统包括热源(7)、液化天然气冷源(8)，以及依次连接的热端换热器(1)、回热器(2)、冷端换热器(3)和谐振腔，所述的热端换热器(1)连接热源(7)，所述的冷端换热器(3)和谐振管(4)设置在液化天然气冷源(8)中；利用热端换热器(1)和冷端换热器(3)的温差，在回热器(2)内部建立温度梯度，从而在谐振管(4)中产生压力波动，将冷能转化为声功。与现有技术相比，本发明具有结构简单、声功损耗低、热声系统效率高等优点。

Description

一种液化天然气冷能驱动的热声系统
技术领域
本发明涉及一种热声系统，尤其是涉及一种液化天然气冷能驱动的热声系统。
背景技术
热声发动机是一种通过热声效应可以将热能转化为声功的装置。热声发动机的优点是没有运动部件、成本低廉和易于制造。但是热声发动机的应用受到其体积过大以及热声转换效率低的限制。1999年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Backhaus和Swift在Nature上发表了一篇文章，介绍他们研制的一台热声斯特林发动机，其热效率高达0.3，完全可以媲美传统的内燃机(0.25—0.4)和活塞式斯特林发动机(0.20-0.38)。这引起了世界各国科研工作人员和工业界的高度关注。这台机器的研制使得行波型热声发动机成为相关科研人员研究的热点。也使得热声斯特林发动机具有了实际应用的价值。
热声机可以利用不同温度的热源来实现热声转换。通常会利用高温热源(>300K)和室温(≈300K)在热声机的板叠(回热器)中形成温度梯度来产生热声效应。但是，也有研究人员对热声机工作在室温和低温(80K左右)区间内的情况进行了研究。比如H.Luck研究了低温下的热声震荡，从实验上说明了冷能驱动热声发动机的可行性。
液化天然气在汽化时会吸收大量的热量，每吨的液化天然气在气化时要吸收830,000KJ的热量，转化为电能为230千瓦时。2014年中国液化天然气进口量为1985万吨，其冷量折合电量为45.6亿千瓦时。如果能将这部分能量利用起来，也具有很大的经济和环保价值。当前液化天然气冷能的利用方式主要有冷能发电、空气分离、作为低温冷库的冷源等。这些系统一般比较复杂，需要复杂的设备和系统。更常规的做法是直接用海水与液化天然气进行换热，带走这部分热量，但这样会对海洋生态环境造成一定的影响。
浙江大学的邱利民在中国专利201210017158.0中公开了一种公开了一种可梯级回收液化天然气冷能的热声系统。它由若干个热声发动机、低品位热能供应系统和液化天然气冷能供应系统构成；所述的热声发动机为驻波热声发动机、纯行波热声发动机或活塞调相式热声发动机。所述液化天然气冷能供应系统通过管路依次与若干个热声发动机的冷端换热器相连接，所述低品位热能供应系统通过管路分别与若干个热声发动机的热端换热器相连接。在回热器建立温度梯度，利用热声效应，产生压力波动，将冷能转化为机械能输出，以实现冷能的高效回收。该专利的结构简单，成本较低，但是其功率损耗较高，热声发动机的效率较低。该专利结构简单，成本较低，但是热声发动机的冷端换热器和谐振管均处于液化天然气冷能供应系统外部的室温环境中，气体在谐振管内的粘性阻力较大，从而使得声功损耗相对较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种液化天然气冷能驱动的热声系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种液化天然气冷能驱动的热声系统，该热声系统包括热源、液化天然气冷源，以及依次连接的热端换热器、回热器、冷端换热器和谐振腔，所述的热端换热器连接热源，所述的冷端换热器和谐振管设置在液化天然气冷源中；利用热端换热器和冷端换热器的温差，在回热器内部建立温度梯度，从而在谐振管中产生压力波动，将冷能转化为声功。
所述的冷端换热器和谐振管的外部设有夹套，该夹套上设有供液化天然气进出的进口和出口，液化天然气进入夹套内保持流动，形成一个恒定低温的液化天然气冷源。
所述的热声系统为驻波热声系统、行波热声系统或行波-驻波混合型热声系统。
所述的驻波热声系统包括依次连接的热端气库、热端换热器、回热器、冷端换热器、谐振管和冷端气库，所述的热端气库和热端换热器设置在热源中，所述的冷端换热器、谐振管和冷端气库设置在液化天然气冷源中。
所述的行波热声系统包括依次连接的热端换热器、回热器、冷端换热器、谐振管，并返回热端换热器，所述的热端换热器设置在热源中，所述的冷端换热器、谐振管设置在液化天然气冷源中。
所述的行波-驻波混合型热声系统包括依次连接的热缓冲管、热端换热器、回热器、冷端换热器、反馈管和谐振管，所述的热端换热器设置在热源中，所述的冷端换热器、反馈管和谐振管设置在液化天然气冷源中，所述的热缓冲管连接谐振管，热缓冲管外部设有保温管，以保证热缓冲管壁面为绝热条件。
所述的热源的温度大于或等于30℃，所述的液化天然气冷源的温度为-160℃。
与现有技术相比，本发明利用液化天然气的低温与环境温度或高温在回热器内形成温度梯度，来实现热声转换，发出声功，进而可以作为动力源驱动其他装置。本发明与其他液化天然气冷量利用方式相比，具有结构简单、成本低廉、运行稳定等优点，与其他通过热声系统来回收液化天然气冷量的装置相比，本发明中热声系统的谐振管等部件均置于液化天然气低温环境中，这样不仅没有对热声系统的正常工作造成影响，同时由于谐振管内温度降低，从而降低了谐振管内气体的粘性阻力，减小谐振管中传输时的声功损耗，有利于提高热声系统的效率，提高液化天然气冷量利用率。
附图说明
图1为本发明的驻波热声系统的结构示意图；
图2为本发明的行波热声系统的结构示意图；
图3为本发明的行波-驻波混合型热声系统的结构示意图；
图中，1-热端换热器，2-回热器，3-冷端换热器，4-谐振管，5-热端气库，6-冷端气库，7-热源，8-夹套，9-反馈管，10-夹套，11-热缓冲管，12-保温管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种液化天然气冷能驱动的热声系统，该热声系统为驻波热声系统，其结构如图1所示，驻波热声系统包括依次连接的热端气库5、热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、谐振管4和冷端气库6，热端换热器1和热端气库5设置在热源7中，冷端换热器3、谐振管4和冷端气库6的外部设有夹套10，夹套10外部设有供液化天然气进出的进口和出口，液化天然气冷源8设置在夹套10内，热源7的温度为30℃，液化天然气冷源8的温度为-160℃；
利用热端换热器1和冷端换热器3的温差，在回热器2内部建立温度梯度，利用热声效应在谐振管4中产生压力波动，将冷能转化为声功。
实施例2
一种液化天然气冷能驱动的热声系统，该热声系统为行波热声系统，其结构如图2所示，行波热声系统包括依次连接的热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、谐振管4，并返回热端换热器1，热端换热器1设置在热源7中，冷端换热器3和谐振管4的外部设有夹套10，夹套10外部设有供液化天然气进出的进口和出口，液化天然气冷源8设置在夹套10内，热源7的温度为30℃，液化天然气冷源8的温度为-160℃；
利用热端换热器1和冷端换热器3的温差，在回热器2内部建立温度梯度，利用热声效应在谐振管4中产生压力波动，将冷能转化为声功。
实施例3
一种液化天然气冷能驱动的热声系统，该热声系统为行波-驻波混合型热声系统，其结构如图3所示，行波-驻波混合型热声系统包括依次连接的热缓冲管11、热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、反馈管9和谐振管4，热缓冲管11连接谐振管4，热缓冲管11外部设有保温管12，以保证热缓冲管11壁面为绝热条件，热端换热器1设置在热源7中，冷端换热器3、反馈管9和谐振管4的外部设有夹套10，夹套10外部设有供液化天然气进出的进口和出口，液化天然气冷源8设置在夹套10内，热源7的温度为50℃，液化天然气冷源8的温度为-160℃；
利用热端换热器1和冷端换热器3的温差，在回热器2内部建立温度梯度，利用热声效应在谐振管4中产生压力波动，将冷能转化为声功。

Claims (6)

1.一种液化天然气冷能驱动的热声系统，该热声系统包括热源(7)、液化天然气冷源(8)，以及依次连接的热端换热器(1)、回热器(2)、冷端换热器(3)和谐振腔，所述的热端换热器(1)连接热源(7)，其特征在于，所述的冷端换热器(3)和谐振管(4)设置在液化天然气冷源(8)中；利用热端换热器(1)和冷端换热器(3)的温差，在回热器(2)内部建立温度梯度，从而在谐振管(4)中产生压力波动，将冷能转化为声功。
2.根据权利要求1所述的一种液化天然气冷能驱动的热声系统，其特征在于，所述的冷端换热器(3)和谐振管(4)的外部设有夹套(10)，该夹套(10)上设有供液化天然气进出的进口和出口。
3.根据权利要求2所述的一种液化天然气冷能驱动的热声系统，其特征在于，所述的热声系统为驻波热声系统、行波热声系统或行波-驻波混合型热声系统。
4.根据权利要求3所述的一种液化天然气冷能驱动的热声系统，其特征在于，所述的驻波热声系统包括依次连接的热端气库(5)、热端换热器(1)、回热器(2)、冷端换热器(3)、谐振管(4)和冷端气库(6)，所述的热端气库(5)和热端换热器(1)设置在热源(7)中，所述的冷端换热器(3)、谐振管(4)和冷端气库(6)设置在液化天然气冷源(8)中。
5.根据权利要求3所述的一种液化天然气冷能驱动的热声系统，其特征在于，所述的行波热声系统包括依次连接的热端换热器(1)、回热器(2)、冷端换热器(3)、谐振管(4)，并返回热端换热器(1)，所述的热端换热器(1)设置在热源(7)中，所述的冷端换热器(3)、谐振管(4)设置在液化天然气冷源(8)中。
6.根据权利要求3所述的一种液化天然气冷能驱动的热声系统，其特征在于，所述的行波-驻波混合型热声系统包括依次连接的热缓冲管(11)、热端换热器(1)、回热器(2)、冷端换热器(3)、反馈管(9)和谐振管(4)，所述的热端换热器(1)设置在热源(7)中，所述的冷端换热器(3)、反馈管(9)和谐振管(4)设置在液化天然气冷源(8)中，所述的热缓冲管(11)连接谐振管(4)，热缓冲管(11)外部设有保温管(12)。
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