CN105865080A - 热声驱动的低品位热能变换器 - Google Patents

热声驱动的低品位热能变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热声驱动的低品位热能变换器，包括构成环路的气液相变热声发动机和热声热泵，所述环路内充有可相变工质，可相变工质在气液相变热声发动机中发生气液转换，可相变工质的气相作为热声热泵的工质。本发明的气液相变热声发动机的工质为低沸点工质，其在较小的驱动温差小实现发动机的起振产生声功，并能稳定运行，可利用低品位的工业废热对其驱动；热声热泵的低温换热器可与低品位的工业废热进行换热向高温换热器进行泵热，实现对低品位能源的回收利用。

Description

热声驱动的低品位热能变换器
技术领域
本发明涉及热声技术，尤其涉及一种热声驱动的低品位热能变换器。
背景技术
进入20世纪50年代，特别是70年代以来，随着社会生产力的进一步发展，常规能源供应日趋紧张，能源危机给欧美、日本等发达地区和国家的经济造成了极大损失。热泵作为一种有效的加热方式可以提高数倍的能源利用效率，如空气源、水源或地源热泵等，成为了近年来在全世界倍受关注的新能源技术，其通过消耗一部分高品位能源把热量从低温热源转移到高温热源，转移到高温热源中的热量包括消耗的高品位能源和从低温热源中吸收的热量。
目前现有的热泵主要分为压缩式热泵和吸收式热泵。然而，压缩式热泵机组供热温度受到制冷剂、润滑油和压缩机工作范围(包括排气温度、排气压力、回气温度和回气压力)的限制，其温度不可能太高。各压缩机生产厂家对压缩机工作范围都有一个限定，规定了压缩机排气饱和温度(近似为冷凝温度)。Bitzer规定活塞式压缩机和螺杆式压缩机安全排气饱和温度为70℃，采用喷液冷却压缩机安全排气饱和温度为75℃，此时经济性效率已经较差。Carrie和Trane提供压缩机的Carlyle06D/E压缩机安全排气温度105℃，安全排气温度与排气饱和温度温差为30℃，即安全排气饱和温度只有75℃。专业制造专用压缩机的厂家FrasCold压缩机在这方面也没有什么突破。纵观以上著名压缩机厂家的压缩机，安全经济排气饱和温度最高为75℃，一般冷凝器中冷却水与制冷剂冷凝温度保持约5℃传热温差，供热温度最高70℃。对于吸收式热泵，目前通常使用的工质为LiBr-H20或NH3-H20，其输出的最高温度通常不超过150℃。需要更高温度热量供应时，应当采用其他辅助加热方法，常规的热泵的方案只能被放弃，这限制了其在更高温度的应用。
工业冷却水、工业废水废气、地热尾水中蕴含着大量热能，但因温度较低难以提取而几乎全部被丢弃，造成能源浪费。若能将其温度位提升，可回收其热能，用于工业生产，达到节能减排的目的。由于热声热泵采用气体工质，因此热声热泵更适合高温(高于150℃)应用场合。
目前，利用热声技术进行泵热的方法主要有两种：
一种是利用直线电机驱动热声热泵系统，能有效提高热泵系统的供热温度。但是，系统以消耗高品位能源(电能)为代价，将热量由低温热源转移到高温热源。
另一种是利用气相行波热声发动机产生声功，驱动热声热泵，其通过热端的加热，发生热声转换，将热能转换为机械能，驱动行波热声热泵，将热量由低温端转移到高温端。
公开号为CN104315748A的中国专利文献公开了一种热能驱动的具有导流器的环路行波热声热泵。它是由1个或1个以上的热声发动机单元和1个或1个以上的热声热泵单元首尾串联成环路；所述的热声发动机单元包括依次相连的发动机第一导流器、发动机冷端换热器、发动机回热器、发动机加热器、发动机第二导流器、热缓冲管、次级冷端换热器、发动机谐振管；所述的热声热泵单元包括依次相连的热泵第一导流器、热泵高温端换热器、热泵回热器、热泵冷端换热器、热泵第二导流器、热泵谐振管。
但是，气相热声发动机的起振温度、稳定工作温度仍然普遍较高，必须以高温位热量为热源，而通常工业废热的温度难以达到其要求，因此限制了大量较低温位低品位能源的利用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种热声驱动的低品位热能变换器，在较小的驱动温差下实现气液相变热声发动机的起振并稳定运行，可实现对低品位能源的回收利用。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种热声驱动的低品位热能变换器，包括构成环路的气液相变热声发动机和热声热泵，所述环路内充有可相变工质，可相变工质在气液相变热声发动机中发生气液转换，可相变工质的气相作为热声热泵的工质。
可相变工质在气液相变热声发动机的中温换热器吸热蒸发，在室温换热器释放热量进行冷凝，可相变工质气液相变产生的高温蒸发膨胀与低温冷凝压缩的作用使可相变工质在气液相变热声发动机中发生自激振荡，将部分热量转化为声功；在声功的驱动下，气相工质在热声热泵的低温换热器吸收热量，在高温换热器释放热量，实现从低温区向高温区泵热的功能。
本发明的气液相变热声发动机的工质为低沸点工质，利用低品位热源对气液相变热声发动机加热可实现气液相变热声发动机起振，产生声功，并能稳定运行，对中温换热器进行加热的热源可为中低温位的工业废热，以实现对低品位热源的利用。热声热泵以声功为驱动源，驱动热量由热声热泵的低温端向高温端传递，可以利用中低温位的工业废热与热声热泵的低温端进行换热。
可相变工质常温下为液体，在加热达到可相变工质的沸点后，液体工质蒸发成为气体工质。为了利用低品位的工业废热驱动气液相变热声发动机，可相变工质应当具备的属性是，室温条件下，呈现液态，粘滞系数较小、化学稳定、无毒、不易爆炸；常压条件下，沸点较低、气化潜热较小等。
作为优选，所述的可相变工质为碳酸二甲酯、乙醇或丙酮。
进一步优选的，所述的可相变工质为碳酸二甲酯。
碳酸二甲酯为无色透明液体，常压下，沸点90.2℃，相对密度1.073(20/4℃)，粘度0.664mPa·s，气化潜热369kJ/kg，自燃温度高达455℃，无毒、环保性能优异、非爆炸物质。因此碳酸二甲酯是一种理想的可相变工质。
为了增大输出，可采用多级串联。作为优选，所述的气液相变热声发动机包括依次连接的室温换热器、热缓冲管、中温换热器，所述的热声热泵包括依次连接的高温换热器、回热器、低温换热器；
中温换热器为气液相变热声发动机的高温端，可与低品位热源进行换热以驱动气液相变热声发动机起振产生声功；热声热泵的低温换热器是相对于高温换热器而言的，其可以与环境进行换热，也可以与低品位的工业废热进行换热。气液相变热声发动机的中温换热器的热源与热声热泵低温换热器的热源可以为同一热源，也可以为不同的热源。
气液相变热声发动机包括第一气液相变热声发动机、第二气液相变热声发动机和第三气液相变热声发动机，热声热泵包括第一热声热泵、第二热声热泵和第三热声热泵；
第一气液相变热声发动机、第二气液相变热声发动机和第三气液相变热声发动机的中温换热器分别通过充有可相变工质气相的气相管路与第一热声热泵、第二热声热泵和第三热声热泵的高温换热器连通，第一热声热泵、第二热声热泵和第三热声热泵的低温换热器分别通过充有可相变工质液相的液相管路与第二气液相变热声发动机、第三气液相变热声发动机和第一气液相变热声发动机的室温换热器连通。
采用三级串联可有效增大热能的输出。
本发明的热能变换器也可采用下述结构：所述的气液相变热声发动机包括依次连接的室温换热器、热缓冲管、中温换热器，所述的热声热泵包括依次连接的高温换热器、回热器、低温换热器，中温换热器通过充有可相变工质气相的气相管路与高温换热器连通，室温换热器通过充有可相变工质液相的液相管路与低温换热器连通，组成热能变换单元；
热能变换单元为三个，各热能变换单元的液相管路相互连通。
三个热能变换单元相互连通，可相变工质的液相可以在三个热能变换单元之间流动，其中一个热能变换单元内压力较大时，其内部的可相变工质可被挤压到其他热能变换单元内，可避免其中一个单元内压力持续过高或过低，保持系统稳定工作。
本发明中热声热泵的安装高度应高于气液相变热声发动机。由于热泵处温度较高，若可相变工质的液相进入热声热泵，液体迅速吸热蒸发，热声热泵产生的部分高温热量可能会被消耗，引起系统的效率降低，所以应控制热能变换器中可相变工质的填充量，使在热能变换器运行过程中，可相变工质的液相不接触热声热泵。
由于各个装置的结构参数或加热不对称引起的环路声直流，可能使管道内的液相工质上升进入热声热泵。为了防止这种情况的发生，作为优选，本发明的热能变换器还设有液体缓冲装置，所述液体缓冲装置包括：与液相管路相连通的液体缓冲器、连通液相管路与液体缓冲器的缓冲管路、设置在缓冲管路上的视液镜和阀门。液体缓冲器的高度应低于热声热泵的高度。
当管道内的可相变工质升高到一定高度时，打开阀门，可相变工质会通过缓冲管路进入液体缓冲器暂时存储，气体冷凝后系统内压力下降，由于重力作用，可相变工质回到液相管道内，从而防止可相变工质的液相进入热声热泵。在缓冲管路上安装视液镜以观察液面高度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的气液相变热声发动机的工质为低沸点的工质，可以利用中低温位的工业废热对气液相变热声发动机进行驱动以产生声功，热声热泵以气液相变热声发动机产生的声功为驱动源，驱动热量由热声热泵的低温端向高温端传递，可以利用中低温位的工业废热与热声热泵的低温端进行换热。本发明可实现对低品位热源的回收利用。
附图说明
图1为本发明热声驱动的低品位热能变换器的结构示意图。
1、中温换热器，2、热缓冲管，3、室温换热器，4、高温换热器，5、回热器，6、低温换热器，7、可相变工质，8、液相管路，9、气相管路，10、缓冲管路，11、液体缓冲器，12、阀门，13、视液镜。
具体实施方式
如图1所示，本发明的热声驱动的低品位热能变换器包括气液相变热声发动机、可相变工质7、热声热泵。
气液相变热声发动机包括依次相连通的中温换热器1、热缓冲管2、室温换热器3，热声热泵包括依次相连通的高温换热器4、回热器5、低温换热器6。
热能变换器中可设置多级气液相变热声发动机和多级热声热泵，本实施例的低品位热能变换器中具有三级气液相变热声发动机和三级热声热泵。具体连接方式为：第一气液相变热声发动机、第二气液相变热声发动机和第三气液相变热声发动机的中温换热器1分别通过充有可相变工质气相的气相管路9与第一热声热泵、第二热声热泵和第三热声热泵的高温换热器4连通，第一热声热泵、第二热声热泵和第三热声热泵的低温换热器6分别通过充有可相变工质液相的液相管路8与第二气液相变热声发动机、第三气液相变热声发动机和第一气液相变热声发动机的室温换热器3连通。
热能变换器还设有液体缓冲装置，液体缓冲装置包括：与液相管路8相连通的液体缓冲器11、连通液相管路8与液体缓冲器11的缓冲管路10、设置在缓冲管路上的阀门12以及视液镜13。
气液相变热声发动机的工质为可相变工质，热声热泵的工质为可相变工质的气相，因此热声热泵的安装位置高于气液相变热声发动机的安装位置。
由于热泵处温度较高，若可相变工质的液相进入热声热泵，液体迅速吸热蒸发，热泵产生的部分高温热量可能被消耗，引起系统的效率降低，所以应控制热能变换器中可相变工质的填充量，使在热能变换器运行过程中，可相变工质的液相不接触热声热泵。
由于各个装置的结构参数或加热不对称引起的环路声直流，可能使管道内的液相工质上升进入热声热泵。液体缓冲装置的设置可避免这种情况的发生，当管道内的液相的可相变工质升高到一定高度时，打开阀门12，可相变工质会通过缓冲管路10进入液体缓冲器11暂时存储，气体冷凝后系统内压力下降，由于重力作用，可相变工质回到液相管道8内，从而防止可相变工质的液相进入热声热泵。
本实施例的可相变工质为碳酸二甲酯(C3H603)。碳酸二甲酯为无色透明液体，常压下，沸点90.2℃，相对密度1.073(20/4℃)，粘度0.664mPa·s，气化潜热369kJ/kg，自燃温度高达455℃，无毒、环保性能优异、非爆炸物质。

Claims (6)

1.一种热声驱动的低品位热能变换器，包括构成环路的气液相变热声发动机和热声热泵，其特征在于：所述环路内充有可相变工质，可相变工质在气液相变热声发动机中发生气液转换，可相变工质的气相作为热声热泵的工质。
2.根据权利要求1所述的低品位热能变换器，其特征在于：
所述的气液相变热声发动机包括依次连接的室温换热器、热缓冲管、中温换热器，所述的热声热泵包括依次连接的高温换热器、回热器、低温换热器；
气液相变热声发动机包括第一气液相变热声发动机、第二气液相变热声发动机和第三气液相变热声发动机，热声热泵包括第一热声热泵、第二热声热泵和第三热声热泵；
第一气液相变热声发动机、第二气液相变热声发动机和第三气液相变热声发动机的中温换热器分别通过充有可相变工质气相的气相管路与第一热声热泵、第二热声热泵和第三热声热泵的高温换热器连通，第一热声热泵、第二热声热泵和第三热声热泵的低温换热器分别通过充有可相变工质液相的液相管路与第二气液相变热声发动机、第三气液相变热声发动机和第一气液相变热声发动机的室温换热器连通。
3.根据权利要求1所述的低品位热能变换器，其特征在于：所述的气液相变热声发动机包括依次连接的室温换热器、热缓冲管、中温换热器，所述的热声热泵包括依次连接的高温换热器、回热器、低温换热器，中温换热器通过充有可相变工质气相的气相管路与高温换热器连通，室温换热器通过充有可相变工质液相的液相管路与低温换热器连通，组成热能变换单元；
热能变换单元为三个，各热能变换单元的液相管路相互连通。
4.根据权利要求1所述的低品位热能变换器，其特征在于：所述的可相变工质为碳酸二甲酯、乙醇或丙酮。
5.根据权利要求4所述的低品位热能变换器，其特征在于：所述的可相变工质为碳酸二甲酯。
6.根据权利要求2或3所述的低品位热能变换器，其特征在于：还设有液体缓冲装置，所述液体缓冲装置包括：与液相管路相连通的液体缓冲器、连通液相管路与液体缓冲器的缓冲管路、设置在缓冲管路上的视液镜和阀门。
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