CN106884735B - 一种冷电联供系统 - Google Patents

一种冷电联供系统 Download PDF

Info

Publication number
CN106884735B
CN106884735B CN201710070845.1A CN201710070845A CN106884735B CN 106884735 B CN106884735 B CN 106884735B CN 201710070845 A CN201710070845 A CN 201710070845A CN 106884735 B CN106884735 B CN 106884735B
Authority
CN
China
Prior art keywords
displacer
linear motor
engine
acoustic resonance
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710070845.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106884735A (zh
Inventor
余国瑶
戴巍
李小伟
吴张华
罗二仓
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Original Assignee
Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS filed Critical Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority to CN201710070845.1A priority Critical patent/CN106884735B/zh
Publication of CN106884735A publication Critical patent/CN106884735A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106884735B publication Critical patent/CN106884735B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1402—Pulse-tube cycles with acoustic driver

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

本发明公开了一种冷电联供系统，所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机(1)、直线电机(2)、声学谐振管(3)和脉冲管制冷机(4)；所述直线电机(2)连接于自由活塞斯特林发动机(1)的压缩腔(16)；所述声学谐振管(3)一端连通于压缩腔(16)，另一端连通于脉冲管制冷机(4)。本发明不仅可提供气体液化所需制冷量，而且可提供发动机散热以及其他外部设备运行所需的电力，具备冷电联供功能。同时，该系统布置结构可显著降低发动机的起振温度，降低谐振管损失，提高功率密度，提高系统的稳定性和可靠性。

Description

一种冷电联供系统
技术领域
本发明涉及能源利用领域，尤其涉及一种冷电联供系统。
背景技术
冷电联供装置通过燃烧较低比例(一般在15％～30％)的可燃气(如天然气、煤层气和页岩气等)而将剩余大比例的该气体液化，并提供辅助设备(如泵、风机、阀门和控制系统等)运行所需要的电力，在小型气体液化领域如零散气田、远洋LNG(液化天然气)运输船等场合具有重要的应用前景。
相比于常规的内燃机发电-压缩-膨胀相变液化流程，回热式冷电联供系统无需额外配置发电机，工质环保、系统简单、可靠性高。中国发明专利申请CN103835903A和CN105805974A提出了两种回热式冷电联供系统结构，CN103835903A公开的行波热声冷电联供系统的热效率较高，适用于多温区、大功率应用场合，但存在结构和换热流程复杂、不一致性严重等问题。CN105805974A公开的一种声学谐振管耦合自由活塞斯特林发动机和脉冲管制冷机的冷电联供系统，其功率范围可覆盖从几十瓦至几千瓦量级，结构简单、可靠性高。作为一种多子单元耦合系统，该系统充分利用了各子单元的优点，包括：
(1)自由活塞斯特林发动机的高功率密度和高热效率；
(2)脉冲管制冷机冷端无运动部件、结构简单和加工装配要求低；
(3)声学谐振管结构简单、可靠性高；
(4)由直线电机调节脉冲管制冷机声场，既可以实现制冷机的高效率，又能回收制冷机室温端声功，实现冷电联供。
鉴于CN105805974A专利申请内容的上述优点，发明人开展了实验验证工作，相关实验结果验证了发明内容的可行性，但结合实验过程、实验结果和数值计算分析，发明人发现该结构仍存在下述问题：
(1)声学谐振管的驻波成分较大，一方面导致自由活塞斯特林发动机与脉冲管制冷机的匹配困难，另一方面导致谐振管传输声功能力较差、损失较大；
(2)系统的起振惯性大，而置于脉冲管制冷机室温侧的直线电机对辅助起振的作用差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述结构的缺点，提出了一种冷电联供系统。它既能充分利用子单元——自由活塞斯特林发动机、脉冲管制冷机、声学谐振管和直线电机的优点，更为重要的是，直线电机能有效调节声学谐振管的声场结构、增加其行波分量，从而降低自由活塞斯特林发动机与脉冲管制冷机的匹配难度、降低声学谐振管损失并提高其功率密度。同时，置于靠近自由活塞斯特林发动机压缩腔侧的直线电机能有效辅助系统起振，降低系统的起振温度、提高系统的稳定性。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种冷电联供系统，所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机1、直线电机2、声学谐振管3和脉冲管制冷机4；所述直线电机2连接于自由活塞斯特林发动机1的压缩腔16；所述声学谐振管3一端连通于压缩腔16，另一端连通于脉冲管制冷机4。
作为本发明的一个优选技术方案，所述的自由活塞斯特林发动机1与直线电机2采用耦合式连接；所述的自由活塞斯特林发动机1包括：耐压壳体11、室温换热器12、回热器13、高温换热器14、膨胀腔15、压缩腔16、缸体17和排出器18；所述直线电机2包括：动力活塞21、定子22和动子23；排出器18的排出器杆181穿过动力活塞21后与平面支撑弹簧182连接。
作为本发明的另一个优选技术方案，所述的自由活塞斯特林发动机1与直线电机2采用分置式连接；所述直线电机2包括：动力活塞21、定子22和动子23。
进一步优选地，所述的自由活塞斯特林发动机1包括：耐压壳体11、室温换热器12、回热器13、高温换热器14、膨胀腔15、压缩腔16、缸体17、排出器18和内腔体19；排出器18的排出器杆181穿过内腔体的内腔体缸体192后与位于内腔体19中的平面支撑弹簧182连接；所述直线电机为两个，呈对置式布置，通过一个四通均与声学谐振管相连通，所述直线电机和声学谐振管均还通过同一个四通以及过渡流道191与自由活塞斯特林发动机的压缩腔16连通。
进一步优选地，所述的自由活塞斯特林发动机1包括：耐压壳体11、室温换热器12、回热器13、高温换热器14、膨胀腔15、压缩腔16、缸体17、排出器18和排出器固定底座120；所述排出器固定底座120为T型结构，其边缘与缸体连接，其中心杆固定平面支撑弹簧182；所述直线电机为两个，呈对置式布置，通过一四通均与声学谐振管相连通，所述直线电机和声学谐振管均还通过同一个四通以及排出器固定底座上的小孔与自由活塞斯特林发动机的压缩腔16。
本发明中，所述脉冲管制冷机4包括：制冷机耐压壳体47，以及按顺序依次安装于制冷机耐压壳体的内壁上的主室温端换热器41、制冷机回热器42、冷端换热器43、脉冲管44、次室温端换热器45和声学调相机构46。
优选地，所述脉冲管制冷机的回热器与脉冲管呈直线布置结构或呈同轴布置结构。
优选地，所述声学调相机构是惯性管+气库型、室温排出器型或电机调相型。
优选地，所述声学谐振管是等径直管或变径锥管。
排出器18的排出器杆181穿过动力活塞21后与平面支撑弹簧182连接，在本发明中既可以采用平面支撑弹簧支撑，也可以采用气浮轴承支撑。所述直线电机可以采用动圈式、动磁式和动铁式。
本发明中，自由活塞斯特林发动机高温换热器和室温换热器均可采用翅片式或者壳管式换热器，室温换热器的壁面材料可为紫铜、铝合金或者不锈钢，高温换热器的材料为不锈钢或者内衬紫铜的不锈钢；
本发明中，回热器内部填充不锈钢丝网、不锈钢纤维毡或者不锈钢丝绵；
本发明中，排出器为等径的圆筒或者为变径带锥度的圆筒，其材质为不锈钢或者不锈钢与铝合金的组合体。当直线电机与自由活塞斯特林发动机为耦合式连接时，排出器杆穿过电机动力活塞后与平面支撑弹簧连接；当直线电机与自由活塞斯特林发动机为分置式连接时，排出器杆穿过内腔体的缸体后与平面支撑弹簧连接，或者排出器通过平面支撑弹簧与排出器固定底座连接。所述排出器由平面支撑弹簧提供往复力，在膨胀腔和压缩腔之间往复运动，排出器与缸体、排出器杆与缸体、排出器与动力活塞之间均采用间隙密封。在特殊情况下，排出器亦可由气体弹簧提供部分往复力。
所述声学谐振管为一等径或者变径管道，其材质为不锈钢或者铝合金等；
所述回热器和脉冲管的壁面材料为不锈钢或有机材料，所述回热器与所述脉冲管可以是直线型布置方式，即两者顺次连接且均为圆筒或者圆筒带一定锥度结构，亦可以是同轴型布置方式，即脉冲管与回热器同轴嵌套，脉冲管为中间圆筒形结构，而回热器为外侧环状结构；
所述室温端换热器、冷端换热器和次室温端换热器可以采用翅片式、壳管式或者填充丝网式，换热器的外侧耐压壳体材料为不锈钢或者紫铜，其内部根据结构形式的不同而对应地采用紫铜翅片式、紫铜或不锈钢管壳管式、紫铜丝网填充丝网式；
所述回热器内一般填充不锈钢丝网、不锈钢纤维毡或者不锈钢丝绵；
所述声学调相机构包括惯性管和气库，惯性管为单一直径或组合直径紫铜管，气库为一定容积的腔体，气库材料为不锈钢。
本发明中直线电机辅助自由活塞斯特林发动机起振并协助建立系统内的合适声场，使自由活塞斯特林发动机在较低温度起振，并持续不断地通过热声效应(正效应)将外部高温热源的热量转化为声功，该声功经由声学谐振管传输后在脉冲管制冷机处进一步通过热声效应(逆效应)产生制冷量，实现外部气体液化。借助上述热力循环和能量转换，该系统不仅可提供气体液化所需制冷量，而且可提供发动机散热以及其他外部设备运行所需的电力，具备冷电联供功能。同时，该系统布置结构可显著降低发动机的起振温度，降低谐振管损失，提高功率密度，提高系统的稳定性和可靠性。
本发明提供的一种冷电联供系统，其有益效果在于：
1.采用直线电机调节声学谐振管与自由活塞斯特林发动机耦合处的声场相位，使声学谐振管具有较高的行波分量，从而提高声学谐振管的声功传输能力，降低脉冲管制冷机与自由活塞斯特林发动机的匹配难度，提高效率；
2.可有效利用直线电机辅助系统起振工作，降低系统的起振温度，加强系统运行的可靠性。
附图说明
图1是实施例1提供的冷电联供系统结构示意图；
图2是实施例2提供的冷电联供系统结构示意图；
图3是实施例3提供的冷点练功系统结构示意图；
图4是直线电机的声场调相机理示意图；
附图标记：1、自由斯特林发动机；11、耐压壳体；12、室温换热器；120、排出器固定底座；13、回热器；14、高温换热器；15、膨胀腔；16、压缩腔；17、缸体；18、排出器；181、排出器杆；182、平面支撑弹簧；19、内腔体；191、过渡流道；192、内腔体缸体；2、直线电机；21、动力活塞；22、定子；23、动子；24、电机壳体；3、声学谐振管；4、脉管制冷机；41、主室温端换热器；42、制冷机回热器；43、冷端换热器；44、脉冲管；45、次室温端换热器；46、声学调相结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有点更加的清楚，下面结合附图及实施例对对发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的是本发明一部分实施例，而不是全部。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动钱所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1为本发明实施例1提供的冷电联供系统结构示意图。所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机1、直线电机2、声学谐振管3和脉冲管制冷机4；所述直线电机2连接于自由活塞斯特林发动机1的压缩腔16；所述声学谐振管3一端连通于压缩腔16，另一端连通于脉冲管制冷机4。
本实施例中，自由活塞斯特林发动机1与直线电机2为耦合式连接结构。
为方便叙述，下文中自由活塞斯特林发动机简称为发动机，脉冲管制冷机简称为制冷机。
所述自由活塞斯特林发动机1包括：
与声学谐振管一侧相连接的发动机耐压壳体11；
依次安装于发动机耐压壳体11内壁上的环状的室温换热器12和环状的回热器13；
安装于回热器13上方的高温换热器14，所述高温换热器为外加换热翅片的管束结构，一端与回热器13相连，一端与膨胀腔15相连；
装于发动机环状室温换热器12和环状回热器13构成的空腔内部的缸体17；
装于缸体17内部的排出器18，发动机排出器的主体为等截面或者变截面薄壁圆筒，材料选用不锈钢或者铝合金等。排出器面向膨胀腔15和压缩腔16的面积并不相同，作用在上述两个面上的压力差构成了排出器往复振动的回复力的一部分；排出器杆181穿过直线电机的动力活塞21后与平面支撑弹簧182连接，排出器往复运动的部分回复力即由该平面支撑弹簧提供。在某些特殊应用场合，排出器的支撑还可采用气浮轴承方式，排出器往复运动的部分回复力可由气体弹簧提供。发动机排出器18与发动机缸体17之间、发动机排出器杆181与直线电机动力活塞21之间均采用间隙密封，可有效减少窜气损失和接触引起的摩擦损失；
发动机排出器18与发动机耐压壳体11内顶部构成发动机膨胀腔15，发动机排出器18与直线电机动力活塞21之间的空腔构成发动机压缩腔16，发动机排出器18在发动机压缩腔16和发动机膨胀腔15之间往复振动。
所述直线电机2包括：
与发动机耐压壳体相连的电机壳体24；
装于电机壳体内侧的定子22、动子23和动力活塞21。所述动子23与动力活塞21为刚性连接。所述直线电机2的具体形式可以是动磁式电机永磁体位于动子上，动铁式电机铁芯在动子上，动圈式电机线圈位于电机动子上。所述动力活塞21的支撑可以采用平面支撑弹簧或者气浮轴承方式。所述动力活塞的部分回复力可由平面支撑弹簧、气体弹簧或者磁力弹簧提供。
所述声学谐振管3为一等径或者变径管道，其一端与发动机的压缩腔16相连通，另一端与脉冲管制冷机4的主室温端换热器41相连通。
所述脉冲管制冷机4包括：
与声学谐振管相连的制冷机耐压壳体47；
按照顺序依次安装于制冷机耐压壳体47内壁上的主室温端换热器41、制冷机回热器42、冷端换热器43、脉冲管44、次室温端换热器45和声学调相机构46；
制冷机3的制冷机回热器42和脉冲管44的布置可以是直线型，即两者顺次连接且均为圆管结构，也可以是同轴型布置，即脉冲管44与制冷机回热器42同轴嵌套，脉冲管44或者制冷机回热器42分别处于嵌套结构的中间圆管或外侧环状结构中。
本实施例的一种冷电联供系统的工作过程由启动阶段和稳定运行阶段组成。在启动阶段，直线电机2处于电动机状态，即直线电机2从电源取电后向系统输入声功，该声功推动排出器18显著运动，从而在自由活塞斯特林发动机1内建立声场。在该声场的作用下，气体工质——氦气持续地从可燃气的燃烧热中取热，并在室温换热器12的共同作用下在发动机回热器13内部建立起温度梯度。当该温度梯度达到某一临界值时，发动机1开始自激振荡，持续地将外部燃烧热转化为声功。此时直线电机2停止从电源取电，由电动机状态切换为发电机状态，将发动机1产生的部分声功转化为电功输出，而大部分声功则由声学谐振管3传递至制冷机4并产生制冷效应。当发动机1产生的声功与直线电机2和制冷机4吸收的声功及各种损失间达到平衡后，所述冷电联供系统达到稳定运行阶段。
稳定运行阶段的工作过程由若干个循环周期构成，每一个循环周期能量传递和转换过程如下：
a.发动机内1：氦气通过发动机高温换热器14从可燃气的燃烧热中吸热，在回热器13中通过热声效应将热量高效地转化为声功，该声功由排出器18传递至压缩腔16侧，一部分声功经过室温换热器12后进入回热器13再次被放大，一小部分声功进入直线电机2，大部分则流入了声学谐振管3；
b.直线电机2内：进入直线电机2的声功推动动力活塞21运动，由于动力活塞21与直线电机动子23为刚性连接，因而动子23切割磁力线后产生电功。同时，由于直线电机1的动力学特性，它有效地将声学谐振管3与发动机压缩腔16连接处的声场相位从高驻波分量调节至高行波分量；
c.声学谐振管3内：进入声学谐振管3的声功被传输至制冷机侧，同时，声学谐振管3通过自身分布式声学特性将其与制冷机4连接处的声场调节至最优状态；
d.制冷机内4：声功进入主室温端换热器41后在制冷机回热器42内做功，实现熵流从冷端换热器43向主室温端换热器41的输运，从而在冷端换热器43获得冷量负荷，并经主室温端换热器41向环境放热。剩余声功经冷端换热器43进入脉冲管44和声学调相机构46并在其中耗散，或声功被回收利用。
至此，发动机1将外部热源比如燃烧天然气热能转化为声功，直线电机2将部分声功转化为电能向外界输出并通过自身动力学特性调节声学谐振管3的声场相位，声场调节后的声学谐振管3高效地将大部分声功传输至脉冲管制冷机4，制冷机4消耗声功并实现制冷效应。
图4是直线电机2的声场调相机理示意图。从图中可以看出，发动机压缩腔16出口的波动压力领先体积流率约65°，经由直线电机2调相后，该相位可降低至约45°。直线电机2的调相功能基于其动力学特性。公式1和2分别给出了直线电机动力活塞21的运动方程和电路方程表达式，将两式适当处理后可以得到波动压力与体积流率的关系表达式——公式3，从公式3中可知，合理设计直线电机2的动质量和刚度可以使动力活塞21贡献一个相位超前波动压力的体积流率，从而实现上文所述的声学谐振管3入口处的声场相位调整。
上述公式中，和分别为波动压力和动力活塞速度，为动力活塞21运动产生的体积流率，k、m和Rm分别为动力活塞21的刚度、动质量和机械阻尼，BL、L和分别为机电常数、线圈电感和电流，ω为角频率，i为虚数单位，A为动力活塞横截面积。
上述相位变化带来的益处可从声功的表达式中获得。声功的表达式为θ为相位差，对于传输相同功率声功的工况，行波分量越高即θ越小，则cosθ越大cos65≈0.423，cos45≈0.707，因而所需的体积流率幅值越小。小的体积流率幅值意味着可以使用较小直径的谐振管和较低的流速，因而耗散在声学谐振管3中的声功也越小。
实施例2
图2为本发明实例2提供的冷电联供系统结构示意图。本实施例中，自由活塞斯特林发动机1与直线电机2为分置式布置结构。如图3所示，所述的冷电联供系统，其由一个自由活塞斯特林发动机1、两个对置式直线电机2、一个声学谐振管3和一个脉冲管制冷机4构成。
所述自由活塞斯特林发动机1包括：
发动机耐压壳体11；
依次安装于发动机耐压壳体11内壁上的环状室温换热器12和环状回热器13；
安装于回热器13上方的高温换热器14，所述高温换热器为外加换热翅片的管束结构，一端与回热器13相连，一端与膨胀腔15相连；
装于发动机环状室温换热器12和回热器13构成的空腔内部的缸体17；
装于缸体17内部的排出器18，发动机排出器的主体为等截面或者变截面薄壁圆筒，材料选用不锈钢或者铝合金。排出器面向膨胀腔和压缩腔的面积并不相同，作用在上述两个面上的压力差构成了排出器往复振动的回复力的一部分；排出器杆181穿过内腔体缸体192后在内腔体19中与平面支撑弹簧182连接，排出器往复运动的部分回复力即由该平面支撑弹簧提供。在某些特殊应用场合，排出器的支撑还可采用气浮轴承方式，排出器往复运动的部分回复力可由气体弹簧提供。平面支撑弹簧的径向尺寸远大于排出器以保证平面支撑弹簧的使用寿命。排出器与缸体、排出器杆与缸体之间均采用间隙密封，可有效减少窜气损失和接触引起的摩擦损失；
发动机排出器18与发动机耐压壳体11内顶部构成发动机膨胀腔15，发动机排出器18与内腔体19端部之间的空腔构成发动机压缩腔16，发动机排出器18在发动机压缩腔16和发动机膨胀腔15之间往复振动。压缩腔16经由过渡流道191与声学谐振管3连通。
所述直线电机2包括：
与声学谐振管相连的电机壳体24；
装于电机壳体24内侧的定子22、动子23和动力活塞21。所述动子23与动力活塞21为刚性连接。所述直线电机2的具体形式可以是动磁式电机永磁体位于动子上，动铁式电机铁芯在动子上，动圈式电机线圈位于电机动子上。所述动力活塞21的支撑可以采用平面支撑弹簧或者气浮轴承方式；
所述直线电机2为对置式布置结构，通过一四通结构与声学谐振管3相连通，所述直线电机和声学谐振管均还通过同一个四通以及过渡流道191与自由活塞斯特林发动机的压缩腔16连通。
所述脉冲管制冷机4包括：
与声学谐振管相连的制冷机耐压壳体47；
安装于制冷机耐压壳体47内壁上的主室温端换热器41、制冷机回热器42、冷端换热器43、脉冲管44、次室温端换热器45和声学调相机构46；
制冷机回热器42和脉冲管44的布置可以是直线型，即两者顺次连接且均为圆管结构，也可以是同轴型布置，即脉冲管44与制冷机回热器42同轴嵌套，脉冲管44或者制冷机回热器42分别处于嵌套结构的中间圆管或外侧环状结构中。
实施例2的工作原理与实例1相同，区别在于实施例2中的自由活塞斯特林发动机1与直线电机2为分置式布置结构，这种布置方式可以使发动机排出器18的平面支撑弹簧182仍具有与实施例1相同的大径向尺寸，从而保证其在大位移下的使用寿命；相比实施例1，实施例2的布置结构亦使得从发动机压缩腔16进入声学谐振管3的流动更均匀；对置布置的直线电机2可有效降低动力活塞21往复运动引起的震动，提高可靠性。
实施例3
图3为本发明实例3提供的冷电联供系统结构示意图。本实施例中，自由活塞斯特林发动机1与直线电机2为分置式布置结构。如图4所示，所述的冷电联供系统，其由一个自由活塞斯特林发动机1、两个对置式直线电机2、一个声学谐振管3和一个脉冲管制冷机4构成。
所述自由活塞斯特林发动机1包括：
与声学谐振管一侧相连接的发动机耐压壳体11；
依次安装于发动机耐压壳体11内壁上的环状室温换热器12和环状回热器13；
安装于回热器13上方的高温换热器14，所述高温换热器14为外加换热翅片的管束结构，一端与回热器13相连，一端与膨胀腔15相连；
装于发动机环状室温换热器12和回热器13构成的空腔内部的缸体17；
装于缸体17内部的排出器18，发动机排出器18的主体为等截面或者变截面薄壁圆筒，材料选用不锈钢或者铝合金。排出器18面向膨胀腔15和压缩腔16的面积并不相同，作用在上述两个面上的压力差构成了排出器18往复振动的回复力的一部分；所述排出器18与排出器固定底座120之间采用平面支撑弹簧182连接，并由平面支撑弹簧182提供排出器往复运动的部分回复力；所述排出器固定底座120为T型结构，其边缘与耐压壳体11连接，其中心杆则固定平面支撑弹簧182。排出器18与缸体17之间采用间隙密封，可有效减少窜气损失和接触引起的摩擦损失；
发动机排出器18与发动机耐压壳体11内顶部构成发动机膨胀腔15，发动机排出器18与排出器固定底座120之间的空腔构成发动机压缩腔16，发动机排出器18在发动机压缩腔16和发动机膨胀腔15之间往复振动。排出器固定底座120的底部开有若干孔以使压缩腔16与声学谐振管3连通。
所述直线电机2包括：
与声学谐振管相连的电机壳体24；
装于电机壳体24内侧的定子22、动子23和动力活塞21。所述动子23与动力活塞21为刚性连接。所述直线电机2的具体形式可以是动磁式电机永磁体位于动子上，动铁式电机铁芯在动子上，动圈式电机线圈位于电机动子上。所述动力活塞21的支撑可以采用平面支撑弹簧或者气浮轴承方式；
所述直线电机2为对置式布置结构，通过一四通与声学谐振管3相连通，所述直线电机和声学谐振管均还通过同一个四通以及排出器固定底座上的小孔与自由活塞斯特林发动机的压缩腔16。
所述脉冲管制冷机4包括：
与声学谐振管相连的制冷机耐压壳体47；
安装于制冷机耐压壳体47内壁上的主室温端换热器41、制冷机回热器42、冷端换热器43、脉冲管44、次室温端换热器45和声学调相机构46；
制冷机回热器42和脉冲管44的布置可以是直线型，即两者顺次连接且均为圆管结构，也可以是同轴型布置，即脉冲管44与制冷机回热器42同轴嵌套，脉冲管44或者制冷机回热器42分别处于嵌套结构的中间圆管或外侧环状结构中。
实施例3的工作原理与实例2相同，两者均为自由活塞斯特林发动机1与直线电机2分置式布置结构，两者的区别在于实例3中排出器不具有排出器杆181这一结构，同时平面支撑弹簧182置于排出器18内侧。相比实施例2，实施例3的自由活塞斯特林发动机压缩腔16与声学谐振管3之间的流动更顺畅，流动损失更小，发动机1的布置结构更简单、紧凑。
最后应说明的是：以上各实例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种冷电联供系统，所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机(1)、直线电机(2)、声学谐振管(3)和脉冲管制冷机(4)；其特征在于，所述直线电机(2)连接于自由活塞斯特林发动机(1)的压缩腔(16)；所述声学谐振管(3)一端连通于压缩腔(16)，另一端连通于脉冲管制冷机(4)；
当所述的自由活塞斯特林发动机(1)与直线电机(2)采用耦合式连接；所述的自由活塞斯特林发动机(1)包括：耐压壳体(11)、室温换热器(12)、回热器(13)、高温换热器(14)、膨胀腔(15)、压缩腔(16)、缸体(17)和排出器(18)；所述直线电机(2)包括：动力活塞(21)、定子(22)和动子(23)；排出器(18)的排出器杆(181)穿过动力活塞(21)后与平面支撑弹簧(182)连接；
当所述的自由活塞斯特林发动机(1)与直线电机(2)采用分置式连接；
所述的自由活塞斯特林发动机(1)包括：耐压壳体(11)、室温换热器(12)、回热器(13)、高温换热器(14)、膨胀腔(15)、压缩腔(16)、缸体(17)、排出器(18)和内腔体(19)；排出器(18)的排出器杆(181)穿过内腔体的内腔体缸体(192)后与位于内腔体(19)中的平面支撑弹簧(182)连接；所述直线电机为两个，呈对置式布置，通过一个四通均与声学谐振管相连通，所述直线电机和声学谐振管均还通过同一个四通以及过渡流道(191)与自由活塞斯特林发动机的压缩腔(16)连通；或，所述的自由活塞斯特林发动机(1)包括：耐压壳体(11)、室温换热器(12)、回热器(13)、高温换热器(14)、膨胀腔(15)、压缩腔(16)、缸体(17)、排出器(18)和排出器固定底座(120)；所述排出器固定底座(120)为T型结构，其边缘与缸体连接，其中心杆固定平面支撑弹簧(182)；所述直线电机为两个，呈对置式布置，通过一四通均与声学谐振管相连通，所述直线电机和声学谐振管均还通过同一个四通以及排出器固定底座上的小孔与自由活塞斯特林发动机的压缩腔(16)连通。
2.根据权利要求1所述的冷电联供系统，其特征在于，所述脉冲管制冷机(4)包括：制冷机耐压壳体(47)，以及按顺序依次安装于制冷机耐压壳体的内壁上的主室温端换热器(41)、制冷机回热器(42)、冷端换热器(43)、脉冲管(44)、次室温端换热器(45)和声学调相机构(46)。
3.根据权利要求2所述的冷电联供系统，其特征在于，所述脉冲管制冷机的回热器与脉冲管呈直线布置结构或呈同轴布置结构。
4.根据权利要求2所述的冷电联供系统，其特征在于，所述声学调相机构是惯性管+气库型、室温排出器型或电机调相型。
5.根据权利要求1所述的冷电联供系统，其特征在于，所述声学谐振管是等径直管或变径锥管。
CN201710070845.1A 2017-02-09 2017-02-09 一种冷电联供系统 Active CN106884735B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710070845.1A CN106884735B (zh) 2017-02-09 2017-02-09 一种冷电联供系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710070845.1A CN106884735B (zh) 2017-02-09 2017-02-09 一种冷电联供系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106884735A CN106884735A (zh) 2017-06-23
CN106884735B true CN106884735B (zh) 2019-01-08

Family

ID=59178912

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710070845.1A Active CN106884735B (zh) 2017-02-09 2017-02-09 一种冷电联供系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106884735B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107702368B (zh) * 2017-09-30 2019-10-22 中国科学院理化技术研究所 一种利用高温热源的热驱动冷热电联供系统
CN107887805A (zh) * 2017-12-21 2018-04-06 重庆麦纳昇科技有限公司 节能配电柜用散热系统
CN115479403B (zh) * 2021-05-27 2023-06-16 青岛海尔生物医疗股份有限公司 用于斯特林制冷机的控制方法、装置及制冷设备
CN113323768B (zh) * 2021-06-09 2023-08-15 中国科学院理化技术研究所 一种多级变温冷热源斯特林冷电联产系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5901556A (en) * 1997-11-26 1999-05-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy High-efficiency heat-driven acoustic cooling engine with no moving parts
US6725670B2 (en) * 2002-04-10 2004-04-27 The Penn State Research Foundation Thermoacoustic device
CN102734097B (zh) * 2011-04-01 2014-05-14 中科力函(深圳)热声技术有限公司 一种双作用多级行波热声系统
CN104653331A (zh) * 2015-01-29 2015-05-27 中国科学院理化技术研究所 一种自由活塞斯特林热机
CN105066500B (zh) * 2015-09-22 2017-10-31 中国科学院理化技术研究所 一种热驱动脉冲管制冷机系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN106884735A (zh) 2017-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106884735B (zh) 一种冷电联供系统
CN105066500B (zh) 一种热驱动脉冲管制冷机系统
CN104807234B (zh) 一种热驱动低温制冷机系统
US5996345A (en) Heat driven acoustic power source coupled to an electric generator
CN103353184B (zh) 一种直线型双作用制冷系统
Wang et al. A high efficiency hybrid stirling-pulse tube cryocooler
CN103089480B (zh) 自由活塞斯特林热机
CN105805974B (zh) 一种冷电联产系统
US6637211B1 (en) Circulating heat exchangers for oscillating wave engines and refrigerators
CN108167147A (zh) 一种串级冷热电联产装置
Xu et al. A cascade-looped thermoacoustic driven cryocooler with different-diameter resonance tubes. Part I: Theoretical analysis of thermodynamic performance and characteristics
CN100432572C (zh) 带有频率调制机械共振器的深冷冷却器系统及其操作方法
CN205825484U (zh) 一种冷电联产系统
CN107940790A (zh) 一种混合循环低温制冷机
CN105299946A (zh) 一种自由活塞斯特林热机系统
CN104654650A (zh) 惯性管脉管装置及其应用
Murti et al. Design guideline for multi-cylinder-type liquid-piston Stirling engine
CN112303953A (zh) 一种余热驱动制冷机
CN101566405B (zh) 一种行驻波型声场的热驱动热声制冷机装置
CN207196990U (zh) 一种采用柱簧调相的斯特林‑脉管混合冷指
Qiao et al. Numerical study on a two-stage large cooling capacity stirling cryocooler working at 20 K
CN107702368A (zh) 一种利用高温热源的热驱动冷热电联供系统
CN108954891A (zh) 基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机
CN208205604U (zh) 使用脉管型斯特林制冷机的级联回热式天然气液化系统
CN110966790B (zh) 热驱动斯特林制冷机

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant