CN106194358B - 多级热声发电机组及具有该机组的多级回热式制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热声发电机设备技术领域，尤其涉及一种多级热声发电机组及具有该机组的多级回热式制冷系统。本发明的多级热声发电机组包括多组热声发动机，多组热声发动机顺次串联于压缩机和发电机之间，且各组热声发动机之间均通过谐振子组件耦合，谐振子组件用于使各组热声发动机内均能同时形成行波声场，利用谐振子组件使得相邻两组热声发动机组之间获得良好的匹配，在各组热声发动机组内能同时形成行波声场，从而提高热声发电机组的热电效率，同时，将各组热声发动机的工作温度设定为不同温度，从而还可以使得该多级热声发电机组实现对不同品位热能的梯级利用，以使得具有该机组的多级回热式制冷系统具有更高的热电转换效率。

Description

多级热声发电机组及具有该机组的多级回热式制冷系统
技术领域
本发明涉及热声发电机设备技术领域，尤其涉及一种多级热声发电机组及具有该机组的多级回热式制冷系统。
背景技术
热声发动机是将热能转换为机械能的新型动力装置，如果将其与发电机相连，将机械能转化为电能就构成了一种热声发电机。热声发电机是一种外燃式的发电设备，可以利用废热、太阳能、工业余热等进行发电，因此具有广泛的应用前景。
目前现有的热声发动机如图1所示，其核心部件包括主水冷器1、回热器2、加热器3、热缓冲管4和次水冷器5。当声波形式的机械能从主水冷器1处输入，如果此时加热器3被加热，在回热器2的轴线方向形成一定的温度梯度时，声波的能量就会在回热器2被放大，从而在次水冷器5处向外输出更多的机械能。声波形式的机械能可以推动发电机的活塞6运动，切割磁力线，从而将机械能转化为电能。次水冷器5主要是使发电机活塞6工作在较低的温度，热缓冲管4则是用来连接高温的加热器3和处于较低温度的次水冷器5，起到热缓冲、减少热量损失的作用。输入发动机的声波可以由压缩机活塞7往复运动产生。
根据实验表明：如果热声发动机的加热器3的温度为873K，两个室温水冷器温度300K，那么声波经过热声发动机后其能量一般能放大到原来的2.5倍左右，热声发动机将热能转换为声能的效率约为40％左右，一般压缩机和发电机的效率在85％左右。假设压缩机输出声功为1kW，那么压缩机耗费电功约为1.176kW，发动机的输出声功约为2.5kW，消耗的热能约为3.75kW，发电机的输出电功约为2.125kW，这样的净输出电功约为0.959kW，则整机的热电效率为25.3％。可见，虽然热声发动机的热到功的效率可达40％，但是因为两次电与功之间的转换，系统的热电效率已经变得非常低。
为了消除压缩机电声转换过程的损失，提高效率，有人提出了另一种热声发电机的结构。如图2所示，利用一根反馈管11将从热声发动机流出的一部分声功反馈回热声发动机的主水冷器，实现声功的循环放大。这种结构中整机的发电效率基本等于发动机的热声转换效率与发电机的声电转换效率，即34％左右。在该结构中虽然没有的压缩机的电声转换过程，效率可以提高，但是发电机活塞处的压力波和体积流的相位角接近90°(图1结构中对应的相位角为60°左右)，这使得在同样的发电量情况下发电机活塞的扫气量将增加数倍，给电机的设计带来了很大的难度，因此也没有被广泛采用。
目前也还存在声学双作用发动机和机械双作用的结构形式，前者谐振管损失大，效率较低，后者系统存在系统工作失稳的问题，因此也都没有被广泛使用。
综上，现有热声发电机存在效率较低、电机匹配设计困难等不足；另外，目前的热声发电机的加热器的温度通常为定值，难以对不同温度品位的热能进行梯级利用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种多级热声发电机组及具有该机组的多级回热式制冷系统，可以提高热声发电机组的热电效率，同时还可以实现对不同品位热能的梯级利用。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多级热声发电机组，包括多组热声发动机，多组所述热声发动机顺次串联于压缩机和发电机之间，且各组所述热声发动机之间均通过谐振子组件耦合，所述谐振子组件用于使各组所述热声发动机内均能同时形成行波声场。
进一步的，所述谐振子组件包括质量活塞和谐振弹簧，每组所述热声发动机的一端均设有声波入口，另一端均设有机械能出口，所述谐振弹簧的一端固定，另一端与所述质量活塞连接，所述质量活塞设置于相邻两组所述热声发动机的机械能出口和声波入口之间。
进一步的，所述质量活塞与谐振弹簧串联安装于相邻两组所述热声发动机的机械能出口和声波入口之间。
进一步的，相邻两组所述热声发动机的机械能出口和声波入口之间设有旁通凹槽，所述质量活塞安装于旁通凹槽内。
进一步的，所述谐振子组件包括谐振管，所述谐振管的内径小于所述热声发动机的内径。
进一步的，所述热声发动机包括顺次连接的主水冷器、回热器和加热器，所述主水冷器与压缩机连接，所述加热器与发电机连接。
进一步的，所述热声发动机还包括热缓冲管和次水冷器，所述热缓冲管和次水冷器顺次连接于所述加热器和发电机之间、或者加热器和谐振子之间。
进一步的，所述压缩机设有压缩机活塞，所述主水冷器与压缩机活塞连接。
进一步的，所述发电机设有发电机活塞，所述次水冷器与发电机活塞连接。
本发明还提供了一种多级回热式制冷系统，其特征在于，包括如上所述的多级热声发电机组。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的多级热声发电机组包括多组热声发动机，多组热声发动机顺次串联于压缩机和发电机之间，且各组热声发动机之间均通过谐振子组件耦合，谐振子组件用于使各组热声发动机内均能同时形成行波声场，利用谐振子组件使得相邻两组热声发动机组之间获得良好的匹配，在各组热声发动机组内能同时形成行波声场，从而提高热声发电机组的热电效率，同时，将各组热声发动机的工作温度设定为不同温度，从而还可以使得该多级热声发电机组实现对不同品位热能的梯级利用，以使得具有该机组的多级回热式制冷系统具有更高的热电转换效率，最大限度提高系统工作效率。
附图说明
图1为现有技术的一种热声发电机的结构示意图；
图2为现有技术的另一种热声发电机的结构示意图；
图3为本发明实施例一的热声发电机组的结构示意图；
图4为本发明实施例二的热声发电机组的结构示意图；
图5为本发明实施例三的热声发电机组的结构示意图；
图6为本发明实施例四的热声发电机组的结构示意图；
其中，1、主水冷器；2、回热器；3、加热器；4、热缓冲管；5、次水冷器；6、发电机活塞；7、压缩机活塞；8、质量活塞；9、谐振弹簧；10、谐振管；11、反馈管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”或“多组”的含义是两个(两组)或两个(两组)以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图3所示，本实施例提供的多级热声发电机组包括多组热声发动机，多组热声发动机顺次串联于压缩机和发电机之间，且各组热声发动机之间均通过谐振子组件耦合，谐振子组件用于使各组热声发动机内均能同时形成行波声场，利用谐振子组件使得相邻两组热声发动机组之间获得良好的匹配，在各组热声发动机组内能同时形成行波声场，从而提高热声发电机组的热电效率，同时，将各组热声发动机的工作温度设定为不同温度，从而还可以使得该多级热声发电机组实现对不同品位热能的梯级利用。
热声发动机包括顺次连接的主水冷器1、回热器2、加热器3、热缓冲管4和次水冷器5，主水冷器1与压缩机连接，次水冷器5与发电机连接，此外，热缓冲管4和次水冷器5还可以顺次连接于加热器3和谐振子组件之间。为了保证输入热声发动机的声波的可靠生成，优选主水冷器1通过压缩机活塞7与压缩机连接，利用压缩机活塞7的往复运动，能够生成可靠的声波，因此热声发动机与压缩机活塞7连接的一端为声波入口。为了保证热声发动机产生的机械能能够可靠转换为电能，优选次水冷器5通过发电机活塞6与发电机连接，热声发动机利用机械能推动发电机活塞6的运动，使其切割磁力线，从而将机械能转化为电能，因此，热声发动机与发电机活塞6连接的一端为机械能出口。
本实施例一的多级热声发电机组中，两组热声发动机顺次安装于压缩机和发电机之间，且两组热声发动机之间通过谐振子组件耦合，具体的，本实施例一的谐振子组件包括质量活塞8和谐振弹簧9，由于每组热声发动机的一端均设有声波入口，另一端均为机械能出口，则相邻两组热声发动机中，前一组热声发动机的机械能出口与后一组热声发动机的声波入口连通，以确保多组热声发动机之间的能量转换的方向一致；质量活塞8和谐振弹簧9安装于相邻两组热声发动机的机械能出口和声波入口之间，谐振弹簧9与质量活塞8连接，质量活塞8可朝向热声发动机的声波入口方向往复运动。。
对于热声发动机来说，要实现较高的热声转换效率，其内部的声场条件至关重要，必须在回热器2中部实现行波声场，而行波声场是通过调节压缩机活塞7和发电机活塞6质量、以及其内部的弹簧刚度来实现的，各组热声发动机之间均通过谐振子组件耦合，谐振子组件能通过调节质量活塞8的动质量和弹簧刚度，使相邻的两个热声发动机之间获得良好的匹配，从而实现在两个热声发动机的回热器2内同时产生行波声场。谐振子组件具有传递声波匹配声场的作用，而不进行能量转换，因此能量通过该谐振子组件时具有很高的通过效率，通常可达95％左右。
假设发电机、压缩机、热声发动机的效率等参数与背景技术中所述相同，那么本实施例一的多级热声发电机组中，以靠近压缩机的热声发动机为一级热声发动机，靠近发电机的热声发动机为二级热声发动机，则1kW的声功输入一级热声发动机时，消耗电功仍然是1.176kW，一级热声发动机输出的声功为2.5kW，经过谐振子组件的谐振后声功变为2.375kW，二级热声发动机输出的声功为5.938kW，发电机输出电功为5.047kW，热声发电机总的热电转换效率则为30.58％。可见增加了一级热声发动机后，系统的总效率大幅度提高了。
此外，为了保证能够实现对不同品位热能的梯级利用，在该多级热声发电机组中，各个热声发动机的加热器3可以采用不同的加热温度，例如，如果有900K的烟气，可以利用其中一个热声发动机为一级热声发动机，使一级热声发动机的加热器3吸收烟气热量，将其温度降低到800K左右(使一级热声发动机的工作温度为800K)，利用烟气从900K降低到800K所放出的热量Q1驱动一级热声发动机工作。然后利用另一个热声发动机作为二级热声发动机，利用该二级热声发动机的加热器3再吸收烟气热量，将其温度降低到700K左右(使二级热声发动机的工作温度为700K)，利用烟气从800K降低到700K所放出的热量Q2驱动二级热声发动机工作。如果环境温度为300K，则两个热声发动机能转换出的最大声功W为：
W＝Q1×(1-300/800)+Q2×(1-300/700)
如果只有一个热声发动机，虽然加热器3也可以吸收烟气从900K降低到700K所释放出的热量，但由于加热器3只能工作在单一温度，则该单独的热声发动机的工作温度只能为700K，所以热声发动机能转换出的最大声功W’为：
W’＝(Q1+Q2)×(1-300/700)
显然，W’小于W，因此，仅使用单独的热声发动机时，不能进行热量的梯级利用，此时所能转换出的声功更少。
实施例二
本实施例二的多级热声发动机组与实施例一所述的多级热声发动机组基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例二的多级热声发电机组中，共有三组热声发动机顺次安装于压缩机和发电机之间，且每两组热声发动机之间均通过谐振子组件耦合，谐振子组件在安装时，谐振弹簧9与质量活塞8连接，质量活塞8可朝向热声发动机的声波入口方向往复运动。
在实施例一的基础上，实施例二的多级热声发电机组将热声发动机的数量增加到了三个，如图4所示，因此，相同的条件下该多级热声发电机组的热电效率将提高到32％。同理可证，如果将热声发动机的数量增加到四个，则相同的条件下的多级热声发电机组的热电效率能提高到32.7％。理论上，如果谐振子的效率为1，则随着发动机数量的增加，系统的效率将趋近于热声发动机效率与发电机效率的乘积，压缩机的影响将逐渐消失。
此外，根据实施例一中的计算数据可以得出：如果多级热声发电机组中设置更多的热声发动机，就可以从烟气中吸收更多的热量进行驱动，将每个热声发动机的工作温度均设置在不同的温度，从而实现烟气热量的梯级利用。
实施例三
如图5所示，本实施例三的多级热声发动机组与实施例一所述的多级热声发动机组基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例三的谐振子组件在安装时，在相邻两组热声发动机的机械能出口和声波入口之间设有旁通凹槽，质量活塞8通过谐振弹簧9安装于旁通凹槽内。
实施例四
如图6所示，本实施例四的多级热声发动机组与实施例一所述的多级热声发动机组基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例四的谐振子组件包括谐振管10，谐振管10的内径小于热声发动机的内径，在谐振管10内具有气体，气体具有预设的惯性和弹性，利用谐振管10内气体的惯性和气体弹性产生谐振作用，以使连接于谐振管10两端的两组热声发动机内均能同时形成行波声场，从而使得相邻两组热声发动机组之间获得良好的匹配，进而提高热声发电机组的热电效率。
实施例五
本实施例五提供了一种多级回热式制冷系统，该系统包括如上所述的四个实施例中的至少一种多级热声发电机组，也可以采用上述的四种实施例中的几种多级热声发电机组混合安装。该多级回热式制冷系统具有更高的热电转换效率，能够最大限度提高系统工作效率。
综上所述，本发明的各个实施例中，多级热声发电机组包括多组热声发动机，多组热声发动机顺次串联于压缩机和发电机之间，且各组热声发动机之间均通过谐振子组件耦合，谐振子组件用于使各组热声发动机内均能同时形成行波声场，利用谐振子组件使得相邻两组热声发动机组之间获得良好的匹配，在各组热声发动机组内能同时形成行波声场，从而提高热声发电机组的热电效率，同时，将各组热声发动机的工作温度设定为不同温度，从而还可以使得该多级热声发电机组实现对不同品位热能的梯级利用，以使得具有该机组的多级回热式制冷系统具有更高的热电转换效率，最大限度提高系统工作效率。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种多级热声发电机组，其特征在于，包括多组热声发动机，多组所述热声发动机顺次串联于压缩机和发电机之间，且各组所述热声发动机之间均通过谐振子组件耦合，所述谐振子组件用于使各组所述热声发动机内均能同时形成行波声场；各组所述热声发动机的加热器设定的加热温度各不相同。
2.根据权利要求1所述的多级热声发电机组，其特征在于，所述谐振子组件包括质量活塞和谐振弹簧，每组所述热声发动机的一端均设有声波入口，另一端均设有机械能出口，所述谐振弹簧的一端固定，另一端与所述质量活塞连接，所述质量活塞设置于相邻两组所述热声发动机的机械能出口和声波入口之间。
3.根据权利要求2所述的多级热声发电机组，其特征在于，所述质量活塞与谐振弹簧串联安装于相邻两组所述热声发动机的机械能出口和声波入口之间。
4.根据权利要求2所述的多级热声发电机组，其特征在于，相邻两组所述热声发动机的机械能出口和声波入口之间设有旁通凹槽，所述质量活塞安装于旁通凹槽内。
5.根据权利要求1所述的多级热声发电机组，其特征在于，所述谐振子组件包括谐振管，所述谐振管的内径小于所述热声发动机的内径。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的多级热声发电机组，其特征在于，所述热声发动机包括顺次连接的主水冷器、回热器和加热器，所述主水冷器与压缩机连接，所述加热器与发电机连接。
7.根据权利要求6所述的多级热声发电机组，其特征在于，所述热声发动机还包括热缓冲管和次水冷器，所述热缓冲管和次水冷器顺次连接于所述加热器和发电机之间、或者加热器和谐振子组件之间。
8.根据权利要求6所述的多级热声发电机组，其特征在于，所述压缩机设有压缩机活塞，所述主水冷器与压缩机活塞连接。
9.根据权利要求7所述的多级热声发电机组，其特征在于，所述发电机设有发电机活塞，所述次水冷器与发电机活塞连接。
10.一种多级回热式制冷系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的多级热声发电机组。
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