CN106401789A - 一种多级并联型的行波热声发动机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多级并联型的行波热声发动机系统，包括若干个热声发动机单元(14)通过谐振管(12)首尾串联成环路；所述热声发动机单元(14)包括依次相通的主室温换热器(1)、若干级并联结构、次室温换热器(11)；各级并联结构均包括依次相连的回热器、热端换热器和热缓冲管；所述若干级并联结构中的各热端换热器的工作温度沿同一方向递减，以形成梯级工作温度，从而实现变温热源的梯级利用。该系统的单个热声发动机单元内通过并联结构实现变温热源的梯级利用，系统结构紧凑，能源利用效率高；同时，多单元的多级结构能满足不同功率需求的应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及能源动力技术领域，尤其涉及一种多级并联型的行波热声发动机系统。
背景技术
在一定声场条件下，通过在狭窄流道中来回振荡的可压缩气体与周围固体介质之间的热交换，可实现声波主要传输方向上功的放大效应或泵热效应，即热声效应。热声发动机就是利用热声效应将外界高温热源输入的热量转换成声能的装置。根据热声转换核心部件中声场特性，热声发动机可分为驻波型和行波型两种。在驻波型热声发动机中，由于存在不可逆热交换，其热声效率较低。而在行波型热声发动机中，理想情况下热声效应依赖于可逆等温热交换，热声效率较高。
1999年，美国的Swift等人研制出如图1所示的一种带谐振管的行波热声发动机，其热声效率高达30％，可与传统热机相媲美。在随后的近十年间，采用这种行波热声发动机驱动发电机或热声制冷的相关研究在各国得到了一定发展。但是由于谐振管的尺寸大，整机的功率密度低，使其应用受到限制。2010年，荷兰的De Block提出了如图2所示的一种新的环形结构的多单元行波热声发动机(专利公布号：WO2010107308A1)，使得谐振管的尺寸大大减小。但是由于谐振管与高温端换热器直接相连，使得谐振管工作在较高温度，故该热声发动机仅适用于热源温度较低的情况。2013年，罗二仓等人将热缓冲管引入环路结构的多单元行波热声发动机中，使得该热声发动机适用更高温度的热源，其应用范围更广，图3所示为这种发动机驱动电机组成的热声发电系统(专利公布号：CN 103758657A)。
上述行波热声发动机均采用定温热源，加热器一般工作在固定的温度，不能高效梯级利用变温热源。2015年，罗二仓等人的专利(公布号：CN 104863808A)提出了一种梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，如图4所示，该系统由至少三个热声发动机单元和谐振管组成，各热声发动机通过谐振管相连构成环路结构。每个热声发动机单元的尺寸不同，沿声功传播方向尺寸依次增大，高温烟气依次通过各级热声发动机单元的加热器，实现热源的梯级利用。但是，该系统只能通过增加热声发动机单元数实现热源的梯级利用，若要充分梯级利用热能，则级数较多，且各级结构尺寸不同，使得设计难度较大。
发明内容
本发明目的在于，为了解决现有的行波热声发动机因结构限制，无法高效地实现梯级利用变温热源的问题，提供一种多级并联型的行波热声发动机系统，该系统的单个热声发动机单元内通过并联结构实现变温热源的梯级利用，系统结构紧凑，能源利用效率高；同时，多单元的多级结构能满足不同功率需求的应用场合。
为实现上述目的，本发明提供的多级并联型梯级利用变温热源的行波热声发动机系统，包括若干个热声发动机单元和谐振管；所有热声发动机单元通过谐振管首尾串联成环路；所述热声发动机单元包括依次相通的主室温换热器、若干级并联结构、次室温换热器；各级并联结构均包括依次相连的回热器、热端换热器和热缓冲管，所述主室温换热器的输出端并联各级并联结构的回热器输入端，所述次室温换热器的输入端并联各级并联结构的回热器输出端；所述若干级并联结构中的各热端换热器的工作温度沿同一方向递减，以形成梯级工作温度。
作为上述技术方案的进一步改进，所述若干级并联结构中的各回热器截面面积沿热端换热器工作温度递减的方向依次增大，长度依次减小。
作为上述技术方案的进一步改进，所述热声发动机单元中的热缓冲管位于回热器之中，并与回热器同轴设置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述热声发动机单元中的回热器位于热缓冲管之中，并与热缓冲管同轴设置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述若干个热声发动机单元和谐振管组成的环路中设有至少一个用于抑制直流的弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的行波热声发动机系统的工质为氦气、氢气、氮气、二氧化碳之中的一种气体，或者为氦气、氢气、氮气、二氧化碳之中任意若干种的混合气体。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的热声发动机单元的数量为1～16个，每个热声发动机单元均包括2～50级并联结构。
本发明的一种多级并联型的行波热声发动机系统优点在于：
本发明的多级并联型行波热声发动机，通过在单个热声发动机单元中采用多级并联结构实现梯级利用变温热源，使能源利用率得到提高，系统结构更加紧凑；且发动机的回热器工作于行波相位，提高了热声转换效率。各热声发动机单元结构尺寸相同，也可根据需要设计成不同。可以驱动单一负载，也可以用于驱动多个负载，应用更为灵活。
附图说明
图1为Swift等人提出的行波热声发动机结构示意图。
图2为De Block等人提出的行波热声发动机结构示意图。
图3为罗二仓等人提出的声学共振型行波热声发电系统结构示意图。
图4为罗二仓等人提出的梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统结构示意图。
图5为本发明实施例一中的多级并联型的行波热声发动机系统结构示意图。
图6为本发明实施例二中的多级并联型的行波热声发动机系统结构示意图。
图7为本发明实施例三中的多级并联型的行波热声发动机系统结构示意图。
图8为本发明实施例中提供的弹性隔膜元件结构示意图。
图9为本发明实施例中提供的非对称流道阻力元件结构示意图。
附图标记
1、主室温换热器 2、第一级回热器 3、第一级热端换热器
4、第一级热缓冲管 5、第二级回热器 6、第二级热端换热器
7、第二级热缓冲管 8、第三级回热器 9、第三级热端换热器
10、第三级热缓冲管 11、次室温换热器 12、谐振管
13、负载 14、热声发动机单元 15、法兰
16、弹性隔膜
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种多级并联型的行波热声发动机系统进行详细说明。
本发明提供的一种多级并联型的行波热声发动机系统，包括若干个热声发动机单元和谐振管；所有热声发动机单元通过谐振管首尾串联成环路；所述热声发动机单元包括依次相通的主室温换热器、若干级并联结构、次室温换热器；各级并联结构均包括依次相连的回热器、热端换热器和热缓冲管，所述主室温换热器的输出端并联各级并联结构的回热器输入端，所述次室温换热器的输入端并联各级并联结构的回热器输出端；所述若干级并联结构中的各热端换热器的工作温度沿同一方向递减，以形成梯级工作温度。
实施例1：
基于上述结构的行波热声发动机系统，如图5所示，在本实施例中，该多级并联型梯级利用变温热源的行波热声发动机系统包括三个热声发动机单元14，三个热声发动机单元14之间通过三段谐振管12首尾串联构成环路；每个热声发动机单元14均包括主室温换热器1、第一级回热器2、第一级热端换热器3、第一级热缓冲管4、第二级回热器5、第二级热端换热器6、第二级热缓冲管7、第三级回热器8、第三级热端换热器9、第三级热缓冲管10、次室温换热器11；每段谐振管12的入口处外接负载13，所述负载13为直线发电机或热声制冷机；主室温换热器1的输出口分成三条并联支路，第一路依次相连第一级回热器2、第一级热端换热器3和第一级热缓冲管4，第二路依次相连第二级回热器5、第二级热端换热器6和第二级热缓冲管7，第三路依次相连第三级回热器8、第三级热端换热器9和第三级热缓冲管10；这三条并联支路的输出口与次室温换热器11的输入口相连。第一级回热器2、第二级回热器5、第三级回热器8的截面面积依次增大，长度依次减小；且第一级热端换热器3、第二级热端换热器6、第三级热端换热器9的工作温度依次递减，以实现梯级利用热源的热量。
上述行波热声发动机系统在工作时，系统内需充入合适压力的工质气体，工质为氦气、氢气、氮气、二氧化碳之中的一种气体，或者为氦气、氢气、氮气、二氧化碳之中任意多种的混合气体。载热流体与热源相连，吸收热源热量后的高温载热流体分成三路依次通过每个热声发动机单元14的第一级热端换热器3、第二级热端换热器6和第三级热端换热器9。第一级热端换热器3至第三级热端换热器9的工作温度依次递减，从而实现热源的梯级利用。每个热声发动机单元14中的主室温换热器1和次室温换热器11通过风冷或水冷维持在室温温度，使得热声发动机单元14中的各回热器内形成从高温到室温的温度梯度，当热声发动机单元14中的各回热器达到一定的温度梯度时，工作气体就会振动起来，此时该行波热声发动机系统会自激起振。在热声发动机单元14中，第一级回热器2至第三级回热器8的三个回热器将热能转化成声功，声功沿温度梯度的正方向传播(温度由低至高的方向)，经过次室温换热器11后，一部分声功传递至负载13后转化成其他形式的能量得以利用，剩余部分的声功经谐振管12传递至下一级热声发动机单元后，在下一级热声发动机单元的三个回热器中再次得到放大，从而在环路中循环。
载热流体依次通过每个热声发动机单元14的第一级热端换热器3、第二级热端换热器6、第三级热端换热器9，在给这三个热端换热器加热时，由于各热端换热器的工作温度依次降低而换热量基本相等，为使系统工作在最优工况，即满足各级回热器内部的流动阻力基本相同，且使各级并联结构组成的局部环路中没有直流，在所有并联结构中的第一级回热器2、第二级回热器5、第三级回热器8的截面面积需依次增大，且长度依次减小。
如图5所示，由于在本实施例的各并联支路中回热器的截面面积逐渐变大、长度逐渐变短，而为了使各并联支路的总长度相同，各回热器所对应的热缓冲管的长度逐渐变长。
通过合适的尺寸结构设计，环路结构中主要以行波分量为主，回热器处于理想的行波声场，具有较高的热声转换效率。根据工作需要，所述的热声发动机系统中的热声发动机单元可设置为1～16个，每个热声发动机单元均包括2～50级并联结构。
另外，由于各热声发动机单元14和谐振管12组成了闭合环路，环路中存在的Gedon直流会恶化系统的性能，在本实施例中，可以采用弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件来抑制直流。所述的弹性隔膜元件，是指在管路中沿其截面设置的弹性隔膜。如图8所示，可将具有弹性的硅胶膜或者其他材料制成的弹性隔膜16通过两个法兰15固定在通气管路中，通常为了使弹性隔膜的位移较小，弹性隔膜的面积需比管道的截面面积大。所述的非对称流道阻力元件，是指气体流道的截面面积变化的元件。如图9所示，可在一块板上打有锥形的孔作为非对称流道结构。
实施例2：
图6为本发明实施例二中的一种多级并联型梯级利用变温热源的行波热声发动机系统结构示意图。如图6所示，在本实施例中，该多级并联型梯级利用变温热源的行波热声发动机系统同样包括三个热声发动机单元14，三个热声发动机单元14之间通过三段谐振管12首尾串联构成环路；每个热声发动机单元14均包括主室温换热器1、第一级回热器2、第一级热端换热器3、第一级热缓冲管4、第二级回热器5、第二级热端换热器6、第二级热缓冲管7、第三级回热器8、第三级热端换热器9、第三级热缓冲管10、次室温换热器11；每段谐振管12的入口处外接负载13，所述负载13为直线发电机或热声制冷机；主室温换热器1的输出口分成三条并联支路，第一路依次相连第一级回热器2、第一级热端换热器3和第一级热缓冲管4，第二路依次相连第二级回热器5、第二级热端换热器6和第二级热缓冲管7，第三路依次相连第三级回热器8、第三级热端换热器9和第三级热缓冲管10；这三条并联支路的输出口与次室温换热器11的输入口相连。第一级回热器2、第二级回热器5、第三级回热器8的截面面积依次增大，长度依次减小；且第一级热端换热器3、第二级热端换热器6、第三级热端换热器9的工作温度依次递减，以实现梯级利用热源的热量。本实施例中的行波热声发动机系统与实施例一的系统不同之处在于：热声发动机系统的热声发动机单元14为同轴结构，即各级热缓冲管位于本级回热器之中，并与回热器同轴设置。同轴设置的效果是使结构更加紧凑，通过增大轴向尺寸减小了径向尺寸。主室温换热器1从侧面进气，且其远离回热器的端面封闭，以保证从上一级谐振管流入的气体进入主室温换热器1然后分三路经各级回热器、各级热端换热器、各级热缓冲管，最后在次室温换热器11汇集后进入谐振管12。该系统的工作机理与实施例一相同。
实施例3：
图7为本发明实施例三中的多级并联型梯级利用变温热源的行波热声发动机系统结构示意图。如图7所示，在本实施例中，该多级并联型梯级利用变温热源的行波热声发动机系统与实施例二的系统不同之处在于：热声发动机系统的热声发动机单元14的各级回热器位于本级热缓冲管之中，并与热缓冲管同轴设置。同轴设置的效果是使结构更加紧凑，通过增大轴向尺寸减小了径向尺寸。主室温换热器1从侧面进气，且其远离回热器的端面封闭，以保证从上一级谐振管流入的气体进入主室温换热器1然后分三路经各级回热器、各级热端换热器、各级热缓冲管，最后在次室温换热器11汇集后进入谐振管12。该系统的工作原理与实施例二相同。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种多级并联型的行波热声发动机系统，其特征在于，包括若干个热声发动机单元(14)和谐振管(12)；所有热声发动机单元(14)通过谐振管(12)首尾串联成环路；所述热声发动机单元(14)包括依次相通的主室温换热器(1)、若干级并联结构、次室温换热器(11)；各级并联结构均包括依次相连的回热器、热端换热器和热缓冲管，所述主室温换热器(1)的输出端并联各级并联结构的回热器输入端，所述次室温换热器(11)的输入端并联各级并联结构的回热器输出端；所述若干级并联结构中的各热端换热器的工作温度沿同一方向递减，以形成梯级工作温度。
2.根据权利要求1所述多级并联型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述若干级并联结构中的各回热器截面面积沿热端换热器工作温度递减的方向依次增大，长度依次减小。
3.根据权利要求1所述多级并联型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述热声发动机单元(14)中的热缓冲管位于回热器内，并与回热器同轴设置。
4.根据权利要求1所述多级并联型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述热声发动机单元(14)中的回热器位于热缓冲管内，并与热缓冲管同轴设置。
5.根据权利要求1所述多级并联型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述若干个热声发动机单元(14)和谐振管(12)组成的环路中设有至少一个用于抑制直流的弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件。
6.根据权利要求1所述多级并联型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述行波热声发动机系统的工质为氦气、氢气、氮气、二氧化碳之中的一种气体，或者为氦气、氢气、氮气、二氧化碳之中任意若干种的混合气体。
7.根据权利要求1所述多级并联型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述的热声发动机单元(14)的数量为1～16个，每个热声发动机单元(14)均包括2～50级并联结构。
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