CN107532829A - 热声制冷机 - Google Patents

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Abstract

一种热声制冷机包括至少一对脉冲燃烧管(10)，优选地是里克管，每个管(10)具有一对间隔开的斯特林发动机(12)，其耦联在一起但在它们之间没有分离膜。

Description

热声制冷机
技术领域
本发明在一个方面中涉及用于分离和收集气体的改进的方法和装置。更具体地，但不排他地，本发明涉及用于分离和收集气体和其它物质的改进的方法和装置，所述气体和其它物质是燃烧过程的最终产物，或者替代地，是从气井和油井、化学和生物化学过程等散发出的气流的天然成分。
背景技术
在另一方面中，本发明涉及一种改进的热声制冷机，其容易地适合于在前面的段落中提到的那种类型的方法和装置中以及在各种其它情况中使用。
在当今时代，随着对“全球变暖”的概念和用于减少其影响的措施的不断增加的宣传，许多研究已经并且正在致力于和集中在用于提高能量效率和捕获例如来自燃烧过程(例如化石燃料的燃烧等)的污染物排放的方法和装置上。随着旨在查找可利用的气体和石油的供应的不断的勘探活动，许多研究也已经致力于用于分离和收集来自气井和油井的气体的天然成分的方法和装置。现有的和正在进行的研究已经并且正在贯注在提高能量效率，减少所谓的硫氧化物气体(SOx)，特别是减少、更优选地消除未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)。
利用作为燃烧过程的产物或来自气井和油井的气流的天然成分的气体，这里特别参考包含CO2的气体作为例子，在前者的情况下，气体通常处于高温，也许在900摄氏度附近。已经在使用将这种气体混合物分离成其组分的一种已知技术，其被称为蒸汽压缩制冷。然而，与这种蒸气压缩制冷相关的缺点是并且已经是：需要在任何这样的方法中使用的压缩机在操作和维护方面都是昂贵的。
作为蒸汽压缩制冷的替代方案，已经尝试用现在被称为热声制冷方案替代蒸汽压缩制冷。根据已知的技术，热声制冷机以采用所谓的里克(Rijke)管为基础。然而，实际上，已经发现这种里克管在其操作中效率低下。为了提高效率，采用了使用固定式斯特林(Stirling)混合动力发动机的方法和装置，其中移动式活塞由气体活塞代替。
现有技术
本发明涉及用于分离气体的已知方法和装置的改进或修改。在下文中仅作为示例参考以下现有技术文献。
在美国专利US5467722(Meratla)中，实际描述的方法不只对液化天然气(LNG)起作用。在实际意义上，即使只是对于作为整体装置一部分的燃气轮机系统，也需要制冷过程。然而，问题在于制冷系统的运行效率。
在美国专利US5953921中，装置包括在其两端之间具有固体边界的单个热声制冷机或脉冲管制冷机(PTR)。
美国专利US6732515使用内部脉冲燃烧加热器来驱动声波以及为斯特林发动机提供热量。这种布置的缺点在于它不能用声学上合适的气体(例如氦)在高压下运行，因为在由声波产生的流的顶部上存在质量流。
目前的热声制冷机以使用单个里克管(甚至是采用斯特林发动机的里克管)为基础。然而，经验表明，这种已知制冷机的基本问题是如何允许或维护反射声波。过去解决这个问题的尝试主要涉及或依赖于某种形式的复杂几何形状以产生惯性，以及获得对于反射声波正确的计时以同相地满足声波。然而，已经发现这种解决方案遭受到所谓的“能量惩罚”，并且实际上需要向管的“热”端添加更多的热量以便增大声波的振幅。这种能量惩罚是已知的热声制冷机的主要缺点。
已经尝试通过去除孔或“冷”端的先前使用的复杂几何形状，并且用一个公共的孔板将两个热声制冷机耦联在一起，来减小/降低能量惩罚。然而，不幸的是，仍然发现这种布置没有提供像蒸汽压缩型制冷机那样有效的热声制冷机。
根据已知实践，大多数热声制冷机由外部燃烧过程提供动力，这引起附加的复杂性，即不能在不使NOx水平增加到不可接受的程度的情况下将热回收程序应用于排气流。因此，至少在某种程度上，程序的效率总是受到损害。常规的燃烧器和换热器的另一个问题是产生很大的红热区，正如W.C.Van Wijngaarden的论文Thermo-Acoustic Refrigeration-AStirling Concept for Offshore Associated Gas Liquefaction中所指出的，该论文发表于Monetizing Stranded Gas Reserves'99-Houston,12月7-9日,1999年，作为最关键的内容。脉冲燃烧加热器通过其较高的传热系数、输送相同热量所需的较低温差和传热面积而避免了这一点。
产生声波的替代方案是采用与例如斯特林发动机相关的蒸汽压缩机或压缩机技术。然而，已经发现蒸气压缩机具有需要进行昂贵维护的缺点，以及需要外部动力源(例如电动机)来驱动惰性气体的脉动的缺点。
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种热声制冷机，所述制冷机包括至少一对流动连接的脉冲燃烧管，每个管包括设置在其各自的“热”端和“冷”端的两个间隔开的斯特林发动机，其中所述或每对管的“热”端耦联在一起，没有分离膜。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于分离气体的装置，所述装置包括：处于高温的气体源；和前面的段落中所述类型的热声制冷机。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在高温下从气流中分离气体的方法，所述方法包括以下步骤：使所述冷却的气流经受热声制冷过程；和收集所述分离的气体。
附图说明
为了可以更清楚地理解本发明并将其付诸实践，现在将参考本发明的优选实施方案。接下来的描述仅作为非限制性的例子参考附图给出，其中：
图1是根据本发明的一个方面的、用于气体分离的目的的装置的示意图；
图2是根据本发明的一方面的、环形气体分离器(TGS)的示意图；
图3是根据本发明的一方面的、环形气体分离器(TGS)的特别优选的实施方案的正视图；
图4是根据本发明的一个方面的、多个链接的环形气体分离器的俯视图；
图5是多个链接的修改/改变的里克管的另一个俯视图；
图6是里克管的链接布置的正视图；
图7表示根据本发明的装置的优选实施方案的、存在于里克管脉冲燃烧器和主管之间的传热格栅的优选实施方案；
图8表示带有其里克管脉冲燃烧加热器的“热”端斯特林发动机；
图9是带有亥姆霍兹(Helmholtz)脉冲燃烧加热器的“热”端斯特林发动机；和
图10是里克管的上角的剖视图，其在适当位置具有在该上角处“纠正”波浪流的装置；和
图11是根据本发明的另一个实施方案的类似于图7的图，但是具有亥姆霍兹型管而不是里克管。
具体实施方式
在下文中将特别参考根据本发明的用于从混合气体流中去除CO2(二氧化碳)的优选装置和方法，无论该流是从燃烧过程散发出的还是从气/油井等散发出的。然而，应当理解，根据本发明的装置和方法不被认为仅限于二氧化碳的去除或分离。实际上，该装置和方法也适用于其它气体的去除或分离。
图1表示根据本发明的用于气体分离的装置的总体布置的示意图。其利用冷却过程来冷凝和分离混合气体。
一般来说，图1的整体装置包括气体源1，其优选地包括二氧化碳和其它气体，气体或气流被引导到热交换器或一排热交换器，其总体由2表示。热交换器2，或至少其第一部分或局部，用于至少部分地冷却进入的气流，该气流处于高温，并且将包含二氧化碳(以及其它气体)。根据先前采用的方法和装置，这样的热气体将通过废热锅炉送出以便引起/产生更多蒸汽，使排气温度下降到约200℃，在这种情况下，第一次热交换可以忽略/省略。这种热交换器2可以利用任何已知且容易获得的冷却剂(例如环境空气)来操作。然而，应当理解，所使用的冷却剂的性质和类型不是本发明的实质。
在进一步的热交换操作中，在热交换器的第二部分或局部中，现在温暖的(其不同于热的)进入气流(仍包含二氧化碳和其它气体)由来自整个制冷系统的仍然冷的氮气流以及残余氧气或其他未冷凝气体进一步冷却。这个进一步的热交换器系统或装置用于在制冷/分离步骤之前从进入气流中去除至少大部分水。
然后，整个热交换器操作的第三或另一部分用于利用来自制冷系统的最冷的氮气流、残余氧气和/或其它未冷凝气体进一步冷却进入气流。
虽然上文已经描述了热交换器的布置，但是应当理解，所使用的热交换器的数量和类型不是本发明的实质。优选地，可以使用三个分离的热交换器来实现本说明书中前面所述的三段冷却。优选地，可以使用所谓的板式热交换器，因为其可以以最低的温度差和压降操作。在优选实施方案中，进入气流可以在经受热声制冷过程之前被冷却至约-30℃。
在图1中示意性示出的实施方案中，箭头A表示通向空气/大气或分离的存储装置的气体流(副产物)。这样的气体可以包括N2。箭头B和C分别表示来自热交换器2和环形气体分离器3的冷凝产物的流，流B可以包括水(H2O)，硫化氢(H2S)以及氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)。在优选的实施方案中，流C可以主要由二氧化碳(CO2)组成。然而，实际上，流A、B和C中的气体将取决于通过热声制冷获得的温度。
根据本发明的冷却和分离方法除了使用在前面的段落中所述的热交换器之外，还使用总体用3表示的热声型制冷机或制冷系统，后面会在本说明书中对其进行更详细的描述。驱动这种热声制冷机3的能量可以从任何合适的来源获得。在特别优选的实施方案中，其可以由任何已知类型的外部脉冲燃烧系统4提供。与目前的系统和装置相比，使用脉冲燃烧允许总体热效率显著提高，而不会招致破坏环境的气体(例如各种氮氧化物)的排放增加的惩罚。在这方面，为了向存在于热声型制冷机中的斯特林型发动机提供热量/能量，可以使用三种已知类型的这种脉冲燃烧系统中的任一种，该三种已知类型的脉冲燃烧系统使用亥姆霍兹、施密特(Schmidt)或里克管。
在这种布置中，来自脉冲燃烧系统的废气可以与进入的燃烧空气进行热交换，这使得热声驱动器的热端处的温度能够保持在与使用的构造材料和燃料气体相称的最高可能的值。除了来自主燃烧过程的氮气和残余氧气之外，所涉及的制冷过程用于在级联过程中从进入的气流中去除各种气体，或者在甲烷源(例如气井、矿井通风出口竖井或生产甲烷的生物过程)的情况下，去除作为气体或液体的受欢迎的甲烷。
然后转到图2，其中示出了根据本发明的、用于图1的设计中的环形气体分离器3的优选实施方案。其主要由两个管10构成，这两个管10在使用中适于使用任何已知的方法和装置连接在一起，当在横截面上观察时呈基本上环形的形状。然而，应当理解，管10的实际横截面形状不构成本发明的一部分。如图所示，相对的管10在其底部利用孔板分离器11连接在一起。优选地，这种孔板具有多个孔。每个管10包括朝向其顶端的在下文中将被称为“热”斯特林发动机12的装置，每个“热”斯特林发动机12由脉冲燃烧式加热器提供动力/驱动。朝向每个管10的底部的是“冷”斯特林发动机13。与每个管10相关联的是总体用14表示的冷却剂回路，用于在操作中冷凝气体。
在所示的特别优选的实施方案中，气体分离器还可以包括与每个管10相关联的至少一个空气-液体热交换器15。
然后，特别参考图3，两个管10在其上端处在插入连接凸缘16的情况下连接在一起。在插入总体由17表示的多对连接凸缘的情况下，“热”和“冷”斯特林发动机装配到每个管10中。
优选地，在那里的冷却/加热实际上存在于在每个管10的“热”和“冷”斯特林发动机之间的、总体由18表示的回路中。
这种布置使得要从这种气体源分离的气体被引导(由箭头A表示)到制冷剂回路14。离开所述回路14的是由箭头C表示的未冷凝气体流和如箭头B所示的冷凝气体。
在本发明的方法和装置中使用的脉冲燃烧系统的特别优选的实施方案是里克管，或者更恰当地说，成对地相互连接的多个这样的管，主要是因为：这种管子的制造和使用相当简单。这种配对也会导致发生声音消除，使过程更安静。
使用脉冲燃烧系统导致与用于向热-声驱动器(TAD)或热-声斯特林混合动力发动机(TASHE)添加热量的当前正在使用的系统相比，冷却/分离过程的热效率充分增加，而不会招致破坏环境的气体(例如各种氮氧化物(NOx))的排放增加的惩罚。在根据本发明的装置中使用的斯特林发动机是利用常规装置构造的，除了这种发动机的两端被锚定到两个温度源之外，所述两个温度源在其中沉浸有斯特林发动机的密封气体中引起运动。该气体通常是氦气，氦气由于其声学性质而被使用，其中气体/氦气以优选3MPa包含在“管”中。
每个热声制冷机单元的主管内部的一部分优选地用陶瓷涂层(例如部分稳定的氧化锆，PSZ，或类似材料)喷涂或覆盖，以便使主管的“热”和“冷”端中的热应力最小化。在所述或每个里克管中的两个“热”和“冷”斯特林发动机之间的主管部分不需要涂覆。
除了来自主燃烧过程的氮气和残余氧气之外，制冷过程用于在级联过程中从进入的热气流中去除各种气体，或者在甲烷源(例如气井、矿井通风出口竖井或生产甲烷的生物过程)的情况下，去除带有其他污染气体(如CO2)的、作为气体或液体的受欢迎的甲烷。
主要由氮气和氧气或其他非冷凝气体组成的剩余冷流现在用于冷却第一热交换器中的进入的热气流，同时其本身被加热以进入烟道中并排到大气中。甲烷回收过程由甲烷是作为气体被需要还是其本身将被液化成液化天然气来决定。如果仅需要甲烷气体，则现在很冷的甲烷可以用在第一热交换器中来冷却进入的原料甲烷流，原料甲烷流包含水蒸汽、CO2和将与甲烷分离的其它较少量的不同气体。
现在，CO2在高压下处于纯液体状态，或处于固态。CO2的长期去除可以通过各种方式实现，并且基于以下事实：假如储存温度低于30℃并且压力高于7150kPa，则CO2会保持在液态。如果CO2以固态沉积以使其保持固体状态，则储存温度必须低于-45℃且压力高于7150kPa。储存中可用的压力越低，将CO2保持在所需状态中的温度越低。在由空气燃料燃烧混合物产生CO2的情况下，根据本发明的方法能够从燃烧过程以及从进入的燃烧空气中捕获所有CO2。通常，进入的空气含有400ppm的CO2，流出的富氮空气含有200ppm的CO2。
在图5中，数字30表示根据本发明的优选实施方案的传热回路，其用于将冷斯特林发动机的“热”端连接到每个管10中的热斯特林发动机的“冷”端。此外，数字31表示与冷斯特林发动机的“冷”端链接的热交换。
在附图中，图8表示在本发明的方法和装置中所使用的类型的“热”端斯特林发动机12的优选实施方案的剖视图。可以看出，作为主要组件，其包括主管100、入口解耦器101、出口解耦器102、相应的入口和出口装置103和104，主管100可以具有任何合适的横截面形状，但在所示的优选实施方案中，其呈圆形横截面的中空管100的形式，入口和出口装置103和104分别连接到入口解耦器101和出口解耦器102，其中插入优选为板式的热交换器105。还包括用于向入口解耦器供应燃料的装置106。斯特林发动机烟囱(stack)107适当地设置在主管100的内部。里克管108的阵列将相对于主管100和斯特林发动机的“热”端设置。与出口解耦器102流动连接的是将与斯特林发动机的“热”端相关联的泵和传热回路109。另一个传热回路111可以与该斯特林发动机的“冷”端相关联。斯特林发动机在一端包括热格栅，在另一端包括冷格栅，在相应的热端和冷端之间有合适材料构成的基体。
一种用于在高温下从气体流中分离气体的方法，所述方法包括以下步骤：使所述流经受至少一个热交换过程，由此降低其温度；使所述冷却的气体流经受热声制冷过程；和收集所述分离的气体。
在图9中示出了这样的替代布置，其中相同的附图标记表示与图8的实施方案中相同的部件，除了在图9中108是指亥姆霍兹脉冲组合加热器/室而不是里克管之外。
图7表示可以存在于里克管脉冲燃烧器10的阵列和主管100之间的特别优选的传热格栅。其中数字200是指用于传热管道系统的一种可能的布局，用于包括设置在主管100的整个周边周围的偶数个里克脉冲管燃烧器10的方案。数字201表示用于该管道系统200的泵和膨胀箱。
图11表示图7的实施方案的变型的横截面，其中里克管脉冲燃烧器10被布置在主管100的周边周围的亥姆霍兹脉冲燃烧器300代替。每个脉冲燃烧器300包括总体标记为301的入口阀。该方案还包括排气管302的格栅或阵列。
根据本发明的装置(环形气体分离器)的优选实施方案使用两个(2)相同的热声制冷机管，其如例如图2中所示地耦联在一起。这两个管呈两个改变的里克管的形式。这两个管在“热”端和“冷”端耦联。参考图2，每个冷却管10由没有分离膜的两个相对的“热”斯特林发动机12和被孔板11分开的两个“冷”斯特林发动机13组成，孔板11中优选地具有多个孔。“热”和“冷”斯特林发动机12一前一后地布置在由两个相同的改变的里克管所组成的“环形”管的每个腿部中。通过适当地选择“热”斯特林发动机12之间的距离，“热”斯特林发动机可以布置成彼此异相180°运行。“冷”斯特林发动机也类似。每个腿部中的“热”和“冷”发动机同相运行。如图10中所示，主管的内部拐角具有放置在其中的弯曲填料30以校正声波的路径长度。填料30起作用以使得：
a)在“环形”管中的工作气体(即氦气)中的压力损失比传统的直管式热声制冷设备显著降低；
b)不需要具有常规扬声器的半波管，以获得在主管中以正确定相开始的冷却过程；
c)消除了如G.Swift等人的美国专利US6644028B1的Los Alamos设计中所示的在“热”顶端中制造和支持斯特林发动机的复杂性；和
d)消除了在G.Swift等人和中国专利CN101542224B或PCT/AU2007/001312的LosAlamos设计的“热”顶端中的斯特林发动机中发生的轻微移相。
“热”斯特林发动机的冷端和“冷”斯特林发动机的热端通过包含传热流体(如水或乙二醇)的管道系统相连。在“热”发动机冷端的出口侧有空气-液体热交换器，如图所示。这将“热”斯特林发动机冷端保持在尽可能低的温度，并将“冷”斯特林发动机的热端保持在尽可能高的温度，从而保持了从两个斯特林发动机的最大功率输出。
在未示出的又一个优选实施方案中，脉冲燃烧器和传热管可以由或用电加热元件代替，电加热元件优选地布置在横跨冷却管10的平的格栅中。
在特别优选的实施方案中，可以通过集合在主“管”外侧周围的一组里克管将热量供应给“热”斯特林发动机的热端。传热管将所有的里克管脉冲燃烧器相互连接。使用的传热流体可以是可在700℃至800℃的范围内不会劣化地工作的任何合适的流体。
本发明的优点是，如果需要，管可以联合起来以将2,4,6,8……等等个管连接在一起，如图6中所示。这种容量或能力对任何现有的热声或准热声制冷机而言是不可能的。
与现有技术相比，根据本发明的装置(改进的脉冲管制冷机)显示出许多实际的优点，包括：
(i)改进的效率；
(ii)运行成本降低；
(iii)改进的更快的启动；
(iv)改进的紧凑性，换句话说，改进的实际物理尺寸；
(v)主管的“冷”和“热”端处的能量泄漏较少；
(vi)燃料需求降低；
(vii)遇到的热应力减少；
(viii)能够“联合”在一起。
最后，应当理解，前面的描述仅仅是指本发明的优选实施方案，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行变化和修改，本发明的范围由所附的权利要求限定。

Claims (20)

1.一种热声制冷机，所述制冷机包括至少一对流动连接的脉冲燃烧管，每个管包括设置在其各自的“热”端和“冷”端处的两个间隔开的斯特林发动机，其中该对管或每对管的“热”端不用分离膜地耦联在一起。
2.根据权利要求1所述的制冷机，其中，所述管是里克型管。
3.根据权利要求1所述的制冷机，其中，所述管是亥姆霍兹型管。
4.根据前述权利要求中任一项所述的制冷机，包括多对燃烧管，所述多对燃烧管以基本上盘旋形的方式流动连接地布置，其中，每对管中的每个管的“冷”端利用孔板的插入与相邻的一对管的“冷”端耦联在一起。
5.根据权利要求4所述的热声制冷机，其中，所述孔板具有多个贯穿其中的孔。
6.根据前述权利要求中任一项所述的热声制冷机，包括以环形的形状/形式连接/耦联在一起的两个管。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热声制冷机，包括成对地耦联在一起的链接的管的阵列。
8.一种用于分离气体的装置，所述装置包括：
高温下的气体源；和
根据前述权利要求中任一项所述的热声制冷机。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括与所述气体源流动连接的至少一个热交换器。
10.根据权利要求9所述的装置，包括依次起作用的三个热交换器。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，所述热交换器均是板式热交换器。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的装置，其中，所述热声制冷机呈至少一对里克管的形式，每个里克管都包括“热”端和“冷”端斯特林发动机。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的装置，其中，该管或每个管的内表面区域的至少一部分喷涂有或覆盖有耐热材料。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述耐热材料选自陶瓷材料、稳定的氧化锆(PSZ)或类似材料。
15.一种用于在高温下从气流中分离气体的方法，所述方法包括以下步骤：
使所述冷却的气流经受热声制冷过程；和
收集所述分离的气体。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：使所述气流经受至少一个热交换过程，由此降低所述气流的温度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个热交换过程发生在所述热声制冷之前。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，在所述热声制冷步骤之前，所述至少一个热交换过程被另一个热声制冷替代。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，用一组里克管脉冲燃烧器来向“热”斯特林发动机的热端添加热量。
20.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，用一组亥姆霍兹型脉冲燃烧器来向“热”斯特林发动机的热端添加热量。
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