CN106401790A - 一种多路旁通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路旁通型的行波热声发动机系统，包括若干个热声发动机单元(22)和谐振管(12)；所述热声发动机单元(22)包括依次相通的主室温换热器(1)、复合结构、热缓冲管(10)、次室温换热器(11)和若干个节流元件；所述的复合结构由若干级回热器和热端换热器交错叠放而成，所述的若干个节流元件通过管路分别连接于各热端换热器出口至热缓冲管(10)中间部位之间，形成多条旁通气流通路，若干级热端换热器的工作温度以远离热缓冲管(10)的方向递减，以形成梯级工作温度。通过单个热声发动机单元内设置的多路旁通结构实现变温热源的梯级利用，使得系统结构更加紧凑，能源利用效率高。

Description

一种多路旁通型的行波热声发动机系统
技术领域
本发明涉及能源动力技术领域，尤其涉及一种多路旁通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声功的放大效应或泵热效应，即热声效应。热声发动机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，具有无机械运动部件、可靠性高、工质无污染等优点。根据热声发动机回热器中声场的分布，热声发动机分为行波热声发动机和驻波热声发动机。驻波热声发动机基于不可逆的热力循环，其内禀效率较低。而行波热声发动机回热器内部的热力循环基于可逆的热声斯特林循环，潜在效率高，是近二十年来的研究热点。
1979年，美国学者Ceperley首次提出了行波热声发动机，如图1所示。1998年，日本学者Yazaki等人根据Ceperley提出的行波热声发动机原型搭建了一台行波热声发动机，并获得了声功放大，但由于板叠处声阻抗低，工作气体振动速度大，造成了严重的粘性损失，导致该行波热声发动机工作效率很低。1999年，美国的Swift等人设计研制了一台新型的行波热声发动机，如图2所示，将热声发动机单元环路布置在一段四分之一波长的驻波谐振管一端，通过合适的结构尺寸设计使回热器处于行波声场，大大降低了回热器处的粘性损失，在实验中获得了30％的热声效率。但由于谐振管尺寸庞大，整机的功率密度低，未能在实际应用中获得推广。2010年，荷兰研究者De Block等人的专利(公布号:WO2010107308A1)公布了一种多级行波热声发动机系统，如图3所示，由多个相同的热声发动机单元组成，每个热声发动机单元通过谐振管连接构成一个环路。相比于图2中的行波热声发动机，该系统的谐振管尺寸大大减小，功率密度高；但是，由于此热声发动机单元未采用热缓冲管结构，造成冷热气体混合损失，因此该系统仅适合利用温度较低的热源，适用范围较小。2013年，罗二仓等人的专利(公布号:CN 103758657A)提出了一种声学共振型行波热声发电系统，如图4所示，由至少三个热声发动机单元和谐振管以及至少一台直线电机组成，各热声发动机单元通过谐振管相连构成环路。该系统在热声发动机单元中引入了热缓冲管和次水冷器，并在环路中安装了直流抑制器，适合采用更大温度范围的热源，且使系统性能得到较大提高。
然而，上述行波热声发动机均采用定温热源，使得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5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，高温烟气沿图中示出的曲线，由面积大的热声发动机单元的加热器流向面积小的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，本发明提出了一种多路旁通型的行波热声发动机系统，该系统通过多路旁通结构实现梯级利用变温热源，使结构更加紧凑。
为实现上述目的，本发明提供的一种多路旁通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、复合结构、热缓冲管、次室温换热器和若干个节流元件；所述的复合结构由若干级回热器和热端换热器交错叠放而成，所述的若干个节流元件通过管路分别连接于各热端换热器的出口至热缓冲管中间部位之间，形成多条旁通气流通路，若干级热端换热器的工作温度以远离热缓冲管的方向递减，以形成梯级工作温度。
作为上述技术方案的进一步改进，所述若干级回热器的截面面积沿声功传播方向逐渐减小，热缓冲管从其热端至室温端的截面面积逐渐增大。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的旁通气流通路中设有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，所述的节流元件为阀门、固定小孔或毛细孔管。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的热缓冲管与复合结构之间呈直线或U型排列。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的热缓冲管位于复合结构之中，并与复合结构同轴设置，该复合结构的各级热端换热器出口和热缓冲管的壁面间设有节流通孔，形成多条旁通气流通路。
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，所述的复合结构包括2～50级交替叠放布置的回热器和热端换热器。
本发明的一种多路旁通型的行波热声发动机系统的优点在于：
本发明的多路旁通型的行波热声发动机系统，通过单个热声发动机单元内设置的多路旁通结构实现变温热源的梯级利用，使得系统结构更加紧凑，且发动机的回热器工作于行波相位，提高了热声转换效率，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。各热声发动机单元的结构尺寸相同，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Cerpley提出的行波热声发动机结构示意图。
图2为Swift等人提出的行波热声发动机结构示意图。
图3为De Block等人提出的行波热声发动机结构示意图。
图4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5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6为本发明实施例一中的多路旁通型的行波热声发动机系统结构示意图。
图7为本发明实施例二中的多路旁通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、第二级回热器 5、第二级热端换热器 6、第三级回热器
7、第三级热端换热器 8、第四级回热器 9、第四级热端换热器
10、热缓冲管 11、次室温换热器 12、谐振管
13、第一节流元件 14、第二节流元件 15、第三节流元件
16、第一节流通孔 17、第二节流通孔 18、第三节流通孔
19、负载 20、法兰 21、弹性隔膜
22、热声发动机单元
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路旁通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路旁通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、复合结构、热缓冲管、次室温换热器和若干个节流元件；所述的复合结构由若干级回热器和热端换热器交错叠放而成，所述的若干个节流元件通过管路分别连接于各热端换热器的出口至热缓冲管中间部位之间，形成多条旁通气流通路，若干级热端换热器的工作温度以远离热缓冲管的方向递减，以实现梯级利用热源的热量。
实施例1：
基于上述结构的行波热声发动机系统，图6为本发明实施例一中提供的一种多路旁通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，该行波热声发动机系统由三个热声发动机单元22组成，三个热声发动机单元22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22均由依次相连的主室温换热器1、第一级回热器2、第一级热端换热器3、第二级回热器4、第二级热端换热器5、第三级回热器6、第三级热端换热器7、第四级回热器8、第四级热端换热器9、热缓冲管10、次室温换热器11组成；每段谐振管12入口处外接一个负载19，所述负载19为直线发电机或热声制冷机；单个热声发动机单元22中通过多级回热器和热端换热器交替叠放布置成复合结构，并采用多路旁通结构实现多级热端换热器工作在不同温度，复合结构从低温端到高温端气体体积流率逐渐减小，面积需逐渐减小；即所述热声发动机单元22中的第一级至第四级回热器的截面面积逐渐减小，热缓冲管10从其热端至室温端的截面面积逐渐增大。所述的热缓冲管10与三级回热器和三级热端换热器组成的复合结构之间呈直线排列。所述第三级热端换热器7至第一级热端换热器3的三个热端换热器出口和热缓冲管10中间部位的合适位置处通过管路分别连接第一节流元件13、第二节流元件14和第三节流元件15，形成三条旁通气流通路。其中，三个节流元件可以为阀门、固定小孔或毛细孔管。节流元件就是通孔比连通管路的面积小的部件。常用阀门作为节流元件，因为阀门可以调节通孔的大小。也可以是一个打有固定尺寸小孔的隔板，称为固定小孔。还可以是一段比连通管路直径小得多的管段，称为毛细孔管。
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，或者为两种或多种的混合气体，通过选择不同种气体以适应输出功率和效率的需要。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22的第四级热端换热器9至第一级热端换热器3。第四级热端换热器9至一级热端换热器3的工作温度依次递进减小，从而实现热源的梯级利用。每个热声发动机单元22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。当热声发动机单元22的各级回热器达到一定的温度梯度时，该行波热声发动机系统会自激起振。在热声发动机单元22中，第一级回热器2至第四级回热器8的四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，经过次室温换热器11后，一部分声功传递至负载19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，在下一级热声发动机单元的四个回热器中再次得到放大，从而在环路中循环。
在声功沿环路传播过程中，每个热声发动机单元22中气体的压力从主室温换热器1至热缓冲管10是依次减小的，此时各级热端换热器出口处会有一部分气体直接沿多条旁通气流通路流入热缓冲管10进行膨胀，使每个热声发动机单元中的各级热端换热器工作在不同温度时各回热器起到声功放大的作用，从而提高系统性能。每个热声发动机单元通过多路旁通结构实现热能的梯级利用，能有效提高能源的利用率，且使得结构更为紧凑。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。
由于各热声发动机单元22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，为此，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。由于旁通气流通路与回热器、热端换热器和热缓冲管也形成了局部回路，在一些运行工况下该局部回路中也可能存在Gedon直流，可以在旁通气流通路上安装同样的弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件来抑制局部直流。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21通过两个法兰20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。
另外，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，所述的复合结构可设计为2～50级交替叠放布置的回热器和热端换热器。
实施例2：
图7为本发明实施例二中提供的另一种多路旁通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，该行波热声发动机系统由三个热声发动机单元22组成，三个热声发动机单元22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22均由依次相连的主室温换热器1、第一级回热器2、第一级热端换热器3、第二级回热器4、第二级热端换热器5、第三级回热器6、第三级热端换热器7、第四级回热器8、第四级热端换热器9、热缓冲管10、次室温换热器11组成；每段谐振管12入口处外接一个负载19，所述负载19为直线发电机或热声制冷机；所述热声发动机单元22中的第一级至第四级回热器的截面面积逐渐减小，热缓冲管10从其热端至室温端的截面面积逐渐增大。本实施例中的行波热声发动机系统与第一实施例中的系统不同之处在于：每个热声发动机单元22中的热缓冲管10均位于第一级回热器2至第四级回热器8和一级热端换热器3至第三级热端换热器7组成的复合结构内，并与各级回热器和各级热端换热器保持同轴设置。热缓冲管10壁面的合适位置处分别开设有第一节流通孔16、第二节流通孔17和第三节流通孔18，使第三级热端换热器7至第一级热端换热器3的出口和热缓冲管10连通，形成三条旁通气流通路。除此之外，该系统的工作机理与实施例一相同。
另外，在本实施例中，由于三个热声发动机单元22和谐振管12组成的闭合环路中存在的Gedon直流会恶化系统的性能，也可以采用实施例一中给出的弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件来抑制直流。
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 (9)

1.一种多路旁通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(22)和谐振管(12)；所有热声发动机单元(22)通过谐振管(12)首尾串联成环路；所述热声发动机单元(22)包括依次相通的主室温换热器(1)、复合结构、热缓冲管(10)、次室温换热器(11)和若干个节流元件；所述的复合结构由若干级回热器和热端换热器交错叠放而成，所述的若干个节流元件通过管路分别连接于各热端换热器出口至热缓冲管(10)中间部位之间，形成多条旁通气流通路，若干级热端换热器的工作温度以远离热缓冲管(10)的方向递减，以形成梯级工作温度。
2.根据权利要求1所述的多路旁通型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述若干级回热器的截面面积沿声功传播方向逐渐减小，热缓冲管(10)从其热端至室温端的截面面积逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的多路旁通型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述的热缓冲管(10)与复合结构之间呈直线或U型排列。
4.根据权利要求1所述的多路旁通型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述的热缓冲管(10)位于复合结构内，并与复合结构同轴设置，该复合结构的各级热端换热器的出口和热缓冲管(10)的壁面间设有节流通孔，形成多条旁通气流通路。
5.根据权利要求1所述的多路旁通型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述的节流元件为阀门、固定小孔或毛细孔管。
6.根据权利要求1所述的多路旁通型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述的旁通气流通路中设有用于抑制直流的弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件。
7.根据权利要求1所述的多路旁通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(22)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。
8.根据权利要求1所述的多路旁通型的行波热声发动机系统，其特征在于，所述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。
9.根据权利要求1所述的多路旁通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(22)的数量为1～16个，所述的复合结构包括2～50级交替叠放布置的回热器和热端换热器。
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