CN105698430B - 一种热声制冷系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热声制冷系统及其应用，所述的热声制冷系统包括热声制冷组件和热声发动组件，所述的热声制冷组件的声功输入端连接热声发动组件的声功输出端，其特征在于，所述的热声制冷组件包括依次连接的制冷端高温换热器(5)、制冷端回热器(4)、制冷端低温换热器(3)、制冷端惯性管(2)和制冷端气库(1)，所述的制冷端高温换热器(5)、制冷端惯性管(2)和制冷端气库(1)均放置在低温环境中，上述热声制冷系统可用于制备液氮或液氢。与现有技术相比，本发明具有结构简单、运行平稳、制冷效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种热声制冷系统及其应用。
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。
而热声发动机反方向运转，即向系统内输入声功时，可以在冷端获得制冷量，即热声制冷机。而由热声发动机驱动的热声制冷机，整机无任何运动部件，也即无部件的磨损。理论上来说若运行工况不变，可一直按设计要求运行。所以这一优点对于航天应用来说具有重要意义。因为其工作部件需要保证长时间无故障运行。
另一方面，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。
中国专利ZL201110312919.0公开了一种低温热声制冷机，包括至少两段第一惯性管，第一惯性管的一端相互连接、另一端均连接有第一次散热器，第一次散热器远离第一惯性管的一端均连接有第一脉冲管，第一脉冲管远离第一次散热器的一端连接有第一冷头，第一冷头远离第一脉冲管的一端连接有回热器，回热器远离第一冷头的一端连接有主散热器，主散热器远离回热器的一端连接有压力波发生器。该专利的制冷功率密度较高，但是其结构相对较为复杂。
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热声制冷系统及其应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种热声制冷系统，包括热声制冷组件和热声发动组件，所述的热声制冷组件的声功输入端连接热声发动组件的声功输出端，所述的热声制冷组件包括依次连接的制冷端高温换热器、制冷端回热器、制冷端低温换热器、制冷端惯性管和制冷端气库，所述的制冷端高温换热器、制冷端惯性管和制冷端气库均置入低温环境中；
工作时，热声发动组件产生的声功输入至热声制冷组件内，通过热声逆效应，使制冷端高温换热器和制冷端低温换热器之间产生温差，从而使制冷端低温换热器生成温度低于液化天然气的冷能。
所述的低温环境为液化天然气冷源或者其他温度低于环境温度的冷源，制冷端低温换热器从而能便于输出低于所述制冷端高温换热器所处的低温环境温度的冷能。
所述的热声发动组件为驻波式热声发动组件、行波式热声发动组件或驻波-行波式热声发动组件。
所述的驻波式热声发动组件包括依次连接的发动端高温换热器、发动端回热器、发动端低温换热器、发动端谐振管和发动端气库，所述的发动端高温换热器接高温热源，所述的发动端低温换热器、发动端谐振管和发动端气库均置入低温环境中，所述的发动端高温换热器处设置声功输出端，并通过连接管连接热声制冷组件的声功输入端。
所述的行波式热声发动组件包括依次连接的发动端高温换热器、发动端回热器、发动端低温换热器和发动端反馈管，所述的发动端高温换热器接高温热源，所述的发动端低温换热器、发动端反馈管均置入低温环境中，所述的发动端反馈管处设置声功输出端。
所述的驻波-行波式发动机组件包括依次连接的发动端高温换热器、发动端回热器、发动端低温换热器、发动端反馈管和发动端谐振管，所述的发动端高温换热器接高温热源，所述的发动端低温换热器、发动端反馈管和发动端谐振管均置入低温环境中，在发动端反馈管和发动端谐振管连接处设置声功输出端。
所述的高温热源的温度大于或等于环境温度。
热声制冷系统用于制备液氮。
液化天然气冷源的温度为-160℃左右。
上述热声制冷系统可以用于制备液氮或液氢等。
本发明利用液化天然气的低温与环境温度等高温在发动端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输入热声制冷组件中，并通过热声逆效应使热声制冷组件中的制冷端高温换热器与制冷端低温换热器之间产生温度差，而通过控制制冷端高温换热器处的温度等于液化天然气的温度，则可以很容易的在制冷端低温换热器处获得温度低于77K的温度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)运行效率高：热声发动组件和热声制冷组件的谐振管等部件均处于液化天然气中，可以使得气体粘性降低，进而减少声功传输损失，有利于提高运行效率。
(2)本发明将热声制冷系统与液化天然气结合起来，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；与其他热声制冷系统相比，本发明的热声发动组件和热声制冷组件的谐振管等部件均处于液化天然气中，且通过液化天然气分别作为发动端低温换热器和制冷端高温换热器的冷源和热源，充分利用了液化天然气的冷能，并很方便的制得了更低温度的冷能。
(3)由于采用本发明的热声制冷系统可以很容易的实现制得温度低于氮的沸点的高品位冷能，特别是用于制备液氮时，液氮的制备容器可以保持在常压或略高于常压条件下即可，从而能够极大的降低制备液氮的设备要求；同时，由于热声制冷系统自身结构也极为简单，占地面积小，从而从多方面减少制备成本和运行成本。
附图说明
图1为本发明的驻波式热声制冷系统的结构示意图；
图2为本发明的行波式热声制冷系统的结构示意图；
图3为本发明的驻波-行波混合式热声制冷系统的结构示意图；
图中，1-制冷端气库，2-制冷端惯性管，3-制冷端低温换热器，4-制冷端回热器，5-制冷端高温换热器，6-连接管，7-发动端高温换热器，8-发动端回热器，9-发动端低温换热器，10-发动端谐振管，11-发动端气库，12-液化天然气冷源，13-高温热源，14-发动端反馈管。
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。
实施例1
一种驻波式热声制冷系统，其结构如图1所示，包括热声发动组件和热声制冷组件，热声发动组件包括依次连接的发动端高温换热器7、发动端回热器8、发动端低温换热器9、发动端谐振管10和发动端气库11，在发动端高温换热器7处设置声功输出端，热声制冷组件，包括依次连接的制冷端高温换热器5、制冷端回热器4、制冷端低温换热器3、制冷端惯性管2和制冷端气库1，在制冷端高温换热器5处设置与声功输出端通过连接管6连接的声功输入端；
发动端气库11、发动端谐振管10、制冷端惯性管2和制冷端气库1均置入液化天然气冷源12中，发动端低温换热器9和制冷端高温换热器5均接液化天然气冷源12，发动端高温换热器7接高温热源13，其温度等于环境温度，液化天然气冷源12的温度为-160℃。
实施例2
一种行波式热声制冷系统，其结构如图2所示，包括热声发动组件和热声制冷组件，热声发动组件包括依次连接的发动端高温换热器7、发动端回热器8、发动端低温换热器9和发动端反馈管14，发动端反馈管14上设有声功输出端，热声制冷组件包括依次连接的制冷端高温换热器5、制冷端回热器4、制冷端低温换热器3、制冷端惯性管2和制冷端气库1，制冷端高温换热器5处设置与声功输出端通过连接管6连接的声功输入端；
发动端反馈管14、制冷端惯性管2和制冷端气库1均置入液化天然气冷源12中，发动端低温换热器9和制冷端高温换热器5均接液化天然气冷源12，发动端高温换热器7接高温热源13，其温度比环境温度高5℃，液化天然气冷源12的温度为-160℃。
实施例3
一种驻波-行波混合式热声制冷系统，其结构如图3所示，包括热声发动组件和热声制冷组件，热声发动组件包括依次连接的发动端高温换热器7、发动端回热器8、发动端低温换热器9、发动端反馈管14和发动端谐振管10，在发动端反馈管14和发动端谐振管10连接处设置声功输出端，热声制冷组件包括依次连接的制冷端高温换热器5、制冷端回热器4、制冷端低温换热器3、制冷端惯性管2和制冷端气库1，在制冷端高温换热器5处设置连接声功输出端的声功输入端，其中，发动端反馈管14、发动端谐振管10、制冷端惯性管2和制冷端气库1均置入液化天然气冷源12中，发动端低温换热器9和制冷端高温换热器5均接液化天然气冷源12，发动端高温换热器7接高温热源13，其温度等于环境温度，液化天然气冷源12的温度为-160℃。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种热声制冷系统，包括热声制冷组件和热声发动组件，所述的热声制冷组件的声功输入端连接热声发动组件的声功输出端，其特征在于，所述的热声制冷组件包括依次连接的制冷端高温换热器(5)、制冷端回热器(4)、制冷端低温换热器(3)、制冷端惯性管(2)和制冷端气库(1)，所述的制冷端高温换热器(5)、制冷端惯性管(2)和制冷端气库(1)均置入低温环境中。
2.根据权利要求1所述的一种热声制冷系统，其特征在于，所述的低温环境为液化天然气冷源(12)。
3.根据权利要求1所述的一种热声制冷系统，其特征在于，所述的热声发动组件为驻波式热声发动组件、行波式热声发动组件或驻波-行波式热声发动组件。
4.根据权利要求3所述的一种热声制冷系统，其特征在于，所述的驻波式热声发动组件包括依次连接的发动端高温换热器(7)、发动端回热器(8)、发动端低温换热器(9)、发动端谐振管(10)和发动端气库(11)，所述的发动端高温换热器(7)接高温热源(13)，所述的发动端低温换热器(9)、发动端谐振管(10)和发动端气库(11)均置入低温环境中，所述的发动端高温换热器(7)处设置声功输出端，并通过连接管(6)连接热声制冷组件的声功输入端。
5.根据权利要求3所述的一种热声制冷系统，其特征在于，所述的行波式热声发动组件包括依次连接的发动端高温换热器(7)、发动端回热器(8)、发动端低温换热器(9)和发动端反馈管(14)，所述的发动端高温换热器(7)接高温热源(13)，所述的发动端低温换热器(9)、发动端反馈管(14)均置入低温环境中，所述的发动端反馈管(14)处设置声功输出端。
6.根据权利要求3所述的一种热声制冷系统，其特征在于，所述的驻波-行波式发动机组件包括依次连接的发动端高温换热器(7)、发动端回热器(8)、发动端低温换热器(9)、发动端反馈管(14)和发动端谐振管(10)，所述的发动端高温换热器(7)接高温热源(13)，所述的发动端低温换热器(9)、发动端反馈管(14)和发动端谐振管(10)均置入低温环境中，在发动端反馈管(14)和发动端谐振管(10)连接处设置声功输出端。
7.根据权利要求4～6任一所述的一种热声制冷系统，其特征在于，所述的高温热源(13)的温度大于或等于环境温度。
8.如权利要求1～6任一所述的热声制冷系统用于制备液氮或液氢。
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| CN105698430A (zh) | 2016-06-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |