CN110701012B - 一种热声发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热声加热设备技术领域，公开了一种热声发动机，包括至少一个热声发动单元，所述热声发动单元包括顺次连接的主水冷器、回热器以及核燃料加热器；所述核燃料加热器用于利用核燃料反应与流经所述核燃料加热器的工作气体之间进行热交换，以使所述工作气体升温。该热声发动机解决了核堆热能利用过程中能量传输复杂、热能品位低、系统庞大的问题，同时解决外热式的热声发动机加热器难以实现超高温、超高热流密度换热的问题，提供一种新型的核能利用途径，同时提高核能利用的效率和安全性，系统更加紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及热声加热设备技术领域，特别是涉及一种热声发动机。
背景技术
在传统的核能发电系统中，核反应堆通常作为一个独立的系统用于产生热量，传热介质(压水堆中为高压水，钠冷堆中为金属钠，气冷堆中为高压氦气)将核反应堆中的热量输送给热功转换系统—蒸汽轮机，蒸汽轮机再接上发动机向外输出电能。这种核能发电系统核堆需要非常复杂的主动换热装置，以防止核堆融化发生泄漏事故；核堆输出的热量温度低，不利于热功转换系统获得较高的热力学效率；另外这种系统的体积、噪声也非常大。
热声发动机是利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能的热功转换装置。广义的热声发动机不仅包括传统的驻波、行波、双作用热声发动机，还包括斯特林发动机等结构形式。它的核心部件主要由加热器、回热器、水冷器组成，辅助部件通常还可以包括热缓冲管、次水冷器、谐振管、排出器等。在热声发动机中，只要存在高温热源，回热器轴向的温度梯度达到一定值，系统就会自激振荡，即系统自发地将高温热源的热量一部分转化为声波形式的机械能，一部分通过低温部件—水冷器传递给环境。热声发动机如果再接上发动机，就可以将机械能转化为电能输出。
目前，现有的热声发动机中，热量由外热源通过高温换热器外壳传输到热声发动机内的工作气体时，高温换热器外壳必须同时承受高温和高压，由于最高换热温度受到材料性能的限制，使得热声发动机的热功转换效率的也受到了较大的限制。另外由于热量需要通过换热器外壳传入发动机内，因此外燃式的热声发动机通常体积较大，功率密度较低，不利于实际应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在至少解决前述背景技术中的技术问题之一。
为此，本发明提出了一种热声发动机，该热声发动机解决了核堆热能利用过程中能量传输复杂、热能品位低、系统庞大的问题，同时解决外热式的热声发动机加热器难以实现超高温、超高热流密度换热的问题，提供一种新型的核能利用途径，同时提高核能利用的效率和安全性，系统更加紧凑。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种热声发动机，包括至少一个热声发动单元，所述热声发动单元包括顺次连接的主水冷器、回热器以及核燃料加热器；
所述核燃料加热器用于利用核燃料反应与流经所述核燃料加热器的工作气体之间进行热交换，以使所述工作气体升温。
其中，还包括热缓冲管以及和所述热缓冲管连接的次水冷器；
所述回热器和热缓冲管之间连接有气流通道，所述气流通道内布设有所述核燃料加热器。
其中，所述核燃料加热器包括核燃料体和气体流道；
多个所述核燃料体分别均匀的排列在所述气体流道内；
所述气体流道内流通有所述工作气体，以使所述工作气体与所述核燃料体之间进行热交换。
其中，还包括冷却套、反射层以及第一控制棒；
所述核燃料加热器的承压外壳设置有所述冷却套，所述冷却套的外表面设置有所述反射层，所述反射层的内部设置有所述第一控制棒。
其中，还包括第二控制棒，所述核燃料体中一个或者多个分别邻接有至少一根所述第二控制棒，所述第二控制棒用于控制所述核燃料体内的反应的速度。
其中，所述主水冷器、所述回热器以及所述核燃料加热器均为环形结构，所述主水冷器、所述回热器以及所述核燃料加热器同轴布置。
其中，包括两套所述热声发动单元，两套所述热声发动单元对置布置。
其中，还包括第一排出器；所述第一排出器布置在顺次连接的主水冷器、回热器以及核燃料加热器构成的环形结构的空腔内；
所述核燃料加热器与所述第一排出器的第一端连接，所述第一排出器的第二端与第一发电机连接，所述主水冷器与所述第一发电机连接。
其中，包括至少一组热声发动机，每一组热声发动机包括两套热声发动单元，该两套热声发动单元反向并联布置。
其中，还包括第二排出器、第三排出器、第二发电机以及第三发电机；第一套热声发动单元的核燃料加热器与所述第二排出器的第一端连接，所述第二排出器的第二端与所述第二发电机连接，第二套热声发动单元的主水冷器与所述第二发电机连接；
第二套热声发动单元的核燃料加热器与所述第三排出器的第一端连接，所述第三排出器的第二端与所述第三发电机连接，第一套热声发动单元的主水冷器与所述第三发电机连接。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的热声发动机，核燃料加热器用于利用核燃料反应与流经核燃料加热器内的工作气体之间直接接触实现热交换，以使工作气体升温，从而使得工作气体在发动机内部直接加热升温，无需在发动机外部单独设置额外的换热工质，简化了能量的传递环节，避免了热量的间接传递，增强了换热效果，从而大幅度的减少了热量损失，并使得核燃料加热器的加热功率和加热温度大幅提高。
附图说明
图1为本发明实施例一种热声发动机的结构示意图；
图2为本发明另一实施例一种热声发动机的结构示意图；
图3为本发明再一实施例一种热声发动机的结构示意图；
图4为本发明又一实施例一种热声发动机的结构示意图；
图5为本发明又一实施例一种热声发动机的结构示意图；
图中：1-主水冷器；2-回热器；3-核燃料加热器；4-承压外壳；5-热缓冲管；6-次水冷器；7-冷却套；8-反射层；9-第一控制棒；10-第一排出器；11-第一发电机；12-第二排出器；13-第二发电机；14-第二控制棒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
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，可以是两套元件内部的连通。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。
下面首先结合附图1至图5具体描述本发明实施例的一种热声发动机。
图1为本发明实施例一种热声发动机的结构示意图，如图1所示，包括至少一个热声发动单元，所述热声发动单元包括顺次连接的主水冷器1、回热器2以及核燃料加热器3；
所述核燃料加热器3用于利用核燃料反应与流经所述核燃料加热器的工作气体之间进行热交换，以使所述工作气体升温。
工作气体进入热声发动机时在主水冷器1、回热器2以及核燃料加热器3中往复运动，在此过程中工作气体升温从而产生热声效应，进而产生机械动力。
本实施例的热声发动机中，核燃料加热器用于利用核燃料反应与流经核燃料加热器内的工作气体之间直接接触实现热交换，以使工作气体升温，从而使得工作气体在发动机内部直接加热升温，无需在发动机外部单独设置额外的换热工质，简化了能量的传递环节，避免了热量的间接传递，增强了换热效果，从而大幅度的减少了热量损失，并使得核燃料加热器的加热功率和加热温度大幅提高。
在该热声发动机中，保持主水冷器在较低温度，当加热器的温度达到一定值后，系统内工作气体就会产生自激的声波振荡，即气体的来回往复运动，气体不断吸收高温换热器的热量并在回热器内将其转化为声波形式的机械能输出。这个过程同时完成了对核燃料的冷却，可以有效地防止核燃料的温度无限上升，从而融化发生泄漏事故。由于这种热致声的声波振荡是一种自发行为，无须外部能量驱动，对核燃料来说是一种非能动的冷却方式，因此安全性可以获得大大提升。
以下对该热声发动机进行具体说明，图2为本发明另一实施例一种热声发动机的结构示意图，如图2所示，该热声发动机包括顺次连接的主水冷器1、回热器2、核燃料加热器3、热缓冲管5和次水冷器6，回热器2和热缓冲管5之间连接有气流通道，工作气体进入热声发动机时在主水冷器1、回热器2、气流通道、热缓冲管5和次水冷器6中往复运动，在此过程中工作气体升温从而产生热声效应，进而产生机械动力。
需要说明的是，热缓冲管5的作用是在其他部件与核燃料加热器3之间建立热缓冲，防止其他部件与核燃料加热器3直接连接。
其中，核燃料加热器3包括核燃料体和气体流道；所述气体流道内流通有所述工作气体，以使所述工作气体与所述核燃料体之间进行热交换。
本实施例的热声发动机中，在气流通道内布设有核燃料加热器，核燃料加热器用于利用核燃料反应与流经气体流道内的工作气体之间直接接触实现热交换，以使工作气体升温，从而使得工作气体在发动机内部直接加热升温，无需在发动机外部单独设置额外的换热工质，简化了能量的传递环节，避免了热量的间接传递，增强了换热效果，从而大幅度的减少了热量损失，并使得加热器的加热功率和加热温度大幅提高。
同时，由于核燃料加热器内置于热声发动机中，气流通道的承压外壳即为发动机壳体，由于发动机内的工作气体能直接与核燃料体3之间换热，使得核燃料加热器的承压外壳4不再承受高温，甚至可以在气流通道的外表面进行控温冷却，与现有技术相比，核燃料加热器的承压外壳由原本的高温高压环境变为只需要承受高压环境，增强了系统安全性和稳定性，同时可以使核燃料工作在较高的温度。
进一步地，根据本发明的实施例，还包括冷却套7、反射层8以及第一控制棒9；
所述核燃料加热器的承压外壳4设置有所述冷却套7，所述冷却套7的外表面设置有所述反射层8，所述反射层8的内部设置有所述第一控制棒9。
需要说明的是，虽然核燃料加热器位于发动机内部直接与工作气体换热，但也会使周边的发动机承压外壳温度升高，降低其承压能力，因此在靠近核燃料加热器处的承压外壳的外表增加了冷却套7，防止承压外壳温度过高。
由于核反应堆要维持其链式反应，必须保持一定的中子数量，因此在承压壁外设置有反射层8，其用于将向外辐射出的中子反射回堆内，维持链式反应。
可以理解的是，在反射层8内设置有第一控制棒9用于控制反应的剧烈程度。
进一步地，根据本发明的实施例，还包括第二控制棒14，所述核燃料体中一个或者多个分别邻接有至少一根所述第二控制棒14，所述第二控制棒14用于控制所述核燃料体内的反应的程度。
需要说明的是，第二控制棒设置在气体流道内部，可以根据需要调整第二控制棒与气体流道之间的接触程度，从而来控制核燃料体的启闭及反应速度，进而控制加热功率和加热温度。
图3为本发明再一实施例一种热声发动机的结构示意图，如图3所示，为了获得更加紧凑的结构，所述主水冷器、所述回热器以及所述核燃料加热器均为环形结构，所述主水冷器、所述回热器以及所述核燃料加热器同轴布置。
可以理解的是，在本发明实施例中所述主水冷器、所述回热器以及所述核燃料加热器依次连接。
需要说明的是，还包括第一排出器10；所述第一排出器10布置在顺次连接的主水冷器、回热器以及核燃料加热器构成的环形结构的空腔内；
所述核燃料加热器与所述第一排出器的第一端连接，所述第一排出器的第二端与第一发电机11连接，所述主水冷器与第一发电机11连接。
可以理解的是，如果回热器使用对中子具有反射作用的材料，如铍，氧化铍，石墨等，排出器中也填充具有反射中子的材料，通过该排出器可减少中子损失，以降低堆芯临界尺寸。
在热声发动机中，部件的长度主要由声学特性决定，不能随意加长。而核反应堆存在一个临界尺度，如果小于该尺度，临界反应可能无法发生，为了满足临界反应的核堆尺度要求，可以将两套热声发动单元紧挨在一起，增加核堆的总长度，有利于临界反应的发生。
图4为本发明又一实施例一种热声发动机的结构示意图，如图4所示，包括两套所述热声发动单元，两套所述热声发动单元对置布置。
需要说明的是，两套所述热声发动单元中的所述主水冷器、所述回热器以及所述核燃料加热器均为环形结构，所述主水冷器、所述回热器以及所述核燃料加热器同轴布置。
其中，两套所述热声发动单元的核燃料加热器的承压外壳共同设置有冷却套7，所述冷却套的外表面设置有反射层8，所述反射层的内部设置有第一控制棒9。
需要说明的是，第一套热声发动单元的核燃料加热器与一个第一排出器的第一端连接，上述第一排出器的第二端与一个第一发电机连接，第一套热声发动单元的主水冷器与上述第一发电机连接；第二套热声发动单元的核燃料加热器与另一个第一排出器的第一端连接，上述第一排出器的第二端与另一个第一发电机连接，第二套热声发动单元的主水冷器与上述第一发电机连接。
可以理解的是，反射层8的内部设置有一个或者多个第一控制棒9。
图5为本发明又一实施例一种热声发动机的结构示意图，如图5所示，包括两套所述热声发动单元，两套所述热声发动单元反向并联布置。
需要说明的是，本实施例中包括至少一组热声发动机，每一组热声发动机包括两套热声发动单元，该两套热声发动单元反向并联布置。
第一套热声发动单元的核燃料加热器与第二排出器12的第一端连接，上述第二排出器的第二端与第二发电机13连接，第二套热声发动单元的主水冷器与上述第二发电机13连接；第二套热声发动单元的核燃料加热器与第三排出器(图中未示出)的第一端连接，上述第三排出器的第二端与第三发电机(图中未示出)连接，第一套热声发动单元的主水冷器与上述第三发电机连接。
本发明实施例提供的热声发动机，两套热声发动单元中的第二排出器和第三排出器之间的相对运动可以抵消振动，热声发动单元的数量增加可以提高单个系统的总功率，热声发动单元为对置结构也利于消除振动，同时电机总数量减少，简化了结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种热声发动机，其特征在于，包括至少一个热声发动单元，所述热声发动单元包括顺次连接的主水冷器、回热器以及核燃料加热器，所述核燃料加热器内置于热声发动机中；
所述核燃料加热器用于利用核燃料反应与流经所述核燃料加热器的工作气体之间直接接触进行热交换，以使所述工作气体升温，无需在所述热声发动机外部单独设置额外的换热工质；
所述核燃料加热器包括核燃料体和气体流道；
多个所述核燃料体分别均匀的排列在所述气体流道内；
所述气体流道内流通有所述工作气体，以使所述工作气体与所述核燃料体之间进行热交换；
所述热声发动机还包括冷却套、反射层以及第一控制棒；
所述核燃料加热器的承压外壳设置有所述冷却套，所述冷却套的外表面设置有所述反射层，所述反射层的内部设置有所述第一控制棒。
2.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于，还包括热缓冲管以及和所述热缓冲管连接的次水冷器；
所述回热器和热缓冲管之间连接有气流通道，所述气流通道内布设有所述核燃料加热器。
3.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于，还包括第二控制棒，所述核燃料体中一个或者多个分别邻接有至少一根所述第二控制棒，所述第二控制棒用于控制所述核燃料体内的反应的速度。
4.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于，所述主水冷器、所述回热器以及所述核燃料加热器均为环形结构，所述主水冷器、所述回热器以及所述核燃料加热器同轴布置。
5.如权利要求4所述的热声发动机，其特征在于，包括两套所述热声发动单元，两套所述热声发动单元对置布置。
6.如权利要求4或5所述的热声发动机，其特征在于，还包括第一排出器；所述第一排出器布置在顺次连接的主水冷器、回热器以及核燃料加热器构成的环形结构的空腔内；
所述核燃料加热器与所述第一排出器的第一端连接，所述第一排出器的第二端与第一发电机连接，所述主水冷器与所述第一发电机连接。
7.如权利要求1所述的热声发动机，其特征在于，包括至少一组热声发动机，每一组热声发动机包括两套热声发动单元，该两套热声发动单元反向并联布置。
8.如权利要求7所述的热声发动机，其特征在于，还包括第二排出器、第三排出器、第二发电机以及第三发电机；
第一套热声发动单元的核燃料加热器与所述第二排出器的第一端连接，所述第二排出器的第二端与所述第二发电机连接，第二套热声发动单元的主水冷器与所述第二发电机连接；
第二套热声发动单元的核燃料加热器与所述第三排出器的第一端连接，所述第三排出器的第二端与所述第三发电机连接，第一套热声发动单元的主水冷器与所述第三发电机连接。
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