CN111486426A - 一种船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，包括：余热锅炉、两个热声发动机、热声制冷机、发电机；船舶主机尾气余热通入余热锅炉，余热锅炉的过热蒸汽出口与第一个热声发动机连通，第一个热声发动机与发电机连接，发电机连接负载；余热锅炉的饱和蒸汽出口与第二个热声发动机连通，第二个热声发动机与热声制冷机连接，热声制冷机连接负载，两个热声发动机的冷却器都与冷凝器相连。本发明高效利用船舶废气余热，进行余热的梯级利用，大大减少了能源消耗，提高能源利用率，并且热声发动机和热声制冷机无运动部件，减少因运动部件带来的磨损和振动问题，保障了系统运行的稳定性，具有良好的应用前景。

Description

一种船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统
技术领域
本发明涉及热声技术和余热利用技术领域，尤其涉及一种船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，实现温度的梯级利用。
背景技术
现如今，能源问题被世界关注，石油等不可再生能源日益减少，所以我们需要采取有效措施减少能源的消耗。船舶柴油机具有良好的经济性和可靠性等优点，所以被广泛地用作船舶的动力装置。船舶柴油机所耗化学能量占总输入能量的70％-90％，占据整个船舶所用能量的大部分，船舶在运行阶段，燃料燃烧产生大量的热量，其中有30％～45％的热量以废气形式排放到环境中，具有数量可观的可回收利用的能量。船舶柴油机在工作过程中，会产生不同品位的余热。以废气形式排放损失的能量可以达到燃料发热总值的25-40％，所以主机排气产生的热量是余热利用系统主要的回收利用对象。
热声发电技术可利用低品位热源，它是一项利用热来产生声功的技术，热声发动机无运动部件，具有很高的环保性和可靠性，船舶主机在行驶过程中因航海情况多变导致产生的烟气余热温度不稳定，无法提供稳定的热源，会导致热声发动机起振困难，这极大的制约了热声发电技术在船舶方面的发展。
目前已有的利用废气余热驱动的热声系统，通过直接回收汽车、轮船、工业锅炉等的废气余热，驱动热声发动机产生声功，再连接热声制冷机，进行制冷，现有技术只是减少了部分能源消耗，余热还是未得到更充分的利用，并且现有大部分远洋船采用二冲程低速柴油机，船舶主机排气温度在260-320℃之间，并且因航海情况多变导致排气温度不稳定，并不能为热声发动机提供稳定的热源，如果对废气进行直接利用，会导致热声发动机起振困难，在实际应用中受到限制。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的单一发电和制冷系统余热利用率不高，并且热声发动机起振困难的问题和缺陷，提供一种船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，在系统中加入余热锅炉，余热锅炉利用船舶主机尾气余热，产生过热蒸汽和饱和蒸汽，过热蒸汽和饱和蒸汽为热声发动机提供更稳定的热源，解决了烟气温度不稳定导致热声发动机起振困难的问题，并且本发明的系统是双环路系统，拥有两个热声发动机，一环路制冷，二环路发电，使能源得到梯级利用，提高余热利用率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，包括：余热锅炉、两个热声发动机、热声制冷机、发电机；船舶主机尾气余热通入所述余热锅炉，所述余热锅炉的过热蒸汽出口与第一个所述热声发动机连通，第一个所述热声发动机与所述发电机连接，所述发电机连接负载；余热锅炉的饱和蒸汽出口与第二个所述热声发动机连通，第二个所述热声发动机与所述热声制冷机连接，所述热声制冷机连接负载，两个所述热声发动机的冷却器都与冷凝器相连。
进一步地，所述余热锅炉包括过热蒸汽产生装置、饱和蒸汽产生装置；所述过热蒸汽产生装置包括依次通路连接的高压预热器、高压蒸发器和高压过热器，船舶主机尾气余热通过高压过热器，所述高压过热器的过热蒸汽器出口与第一个所述热声发动机连通；所述饱和蒸汽产生装置包括依次通路连接的低压预热器和低压蒸发器，船舶主机尾气余热通入所述低压预热器，所述低压蒸发器出口与第二个所述热声发动机连通。
进一步地，所述过热蒸汽产生装置还包括高压汽包，所述饱和蒸汽产生装置还包括低压汽包；所述高压汽包一端与所述高压蒸发器连通，另一端与所述高压过热器连通；所述低压汽包一端与所述低压蒸发器连通，另一端与所述热声发动机连通。
进一步地，所述发电机为永磁直线发电机。
进一步地，所述热声发动机为行波热声发动机。
进一步地，所述热声制冷机为行波型热声制冷机。
进一步地，所述行波热声发动机通过谐振管与热声制冷机相连。
进一步地，所述行波热声发动机的谐振管与行波热声制冷机的反馈管连通，所述行波热声发动机的制冷机以及行波热声的制冷机均与冷凝器连通，所述行波热声发动机、行波型热声发动机以及冷凝器串联成环形结构。
本发明具有的优点和有益效果：
1.本发明在系统中加入余热锅炉，余热锅炉实现对低品质热源的有效利用，相比于传统的直接利用烟气余热，烟气温度不稳定，利用余热锅炉产生稳定的热源，解决了热声发动机部分起振困难的问题。
2.本发明采用行波热声发动机，其内无机械运动部件，只要回热器两端温度梯度达到临界温度，在系统内部就会产生声波振荡，减少了机器磨损，减少维护费用，并且整个系统的工作介质是水和惰性气体，对环境友好，安全可靠。
3.本发明的双环路系统通过余热锅炉产生的过热蒸汽和饱和蒸汽通往不同的功能系统实现了温度的梯级利用，提高了余热的利用效率。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统组成图；
图2是本发明的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统中一环路热声系统的系统结构图；
图3是本发明的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统中另一环路热声系统的系统结构图。
其中，1-余热锅炉系统，2-第一行波热声发动机，3-第二行波热声发动机，4-行波热声制冷机，5-永磁直线发电机，6-高压预热器，7-高压蒸发器，8-高压过热器，9-低压预热器，10-低压蒸发器，11-高压汽包，12-低压汽包，13-低压给水泵，14-高压给水泵，15-冷凝器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细地描述，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发本发明的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统包括：余热锅炉1、第一行波热声发动机2、第二热声发动机3、行波热声制冷机4、永磁直线发电机5；
船舶主机废气先通入余热锅炉1中，在余热锅炉1中经过预热、蒸发、过热三个阶段，产生饱和蒸汽和过热蒸汽，饱和蒸汽通入第一行波热声发动机2，第一行波热声发动机2捕获热源，基于自身具有热声效应的结构将热能转化成声功，声功再驱动永磁直线发电机5做功产生电能；过热蒸汽通入第二行波热声发动机3，第二行波热声发动机3捕获热源，基于自身具有热声效应的结构将热能转化成声功，声功再对通过谐振管与第二行波热声发动机3连通的行波热声制冷机4做功，产生温度梯度来获得冷量。第一行波热声发动机2产生的冷凝水经过冷凝器15冷却后，由高压给水泵14压缩后注回第一行波热声发动机2再次用于热交换。第二行波热声发动机3产生的冷凝水经过冷凝器15冷却后，由低压给水泵13压缩后注回第二行波热声发动机3再次用于热交换。
如图2所示，余热锅炉1包括：低压预热器9、低压蒸发器10、低压汽包12。船舶尾气余热先通入低压预热器9进行预热，再经过低压蒸发器10产生蒸汽，产生的蒸汽进入低压汽包12进行汽水分离后产生饱和蒸汽送入行波热声发动机3。输送饱和蒸气的管道外部可敷设保温层，减少热量在管道里的损失，行波热声发动机3的热端是热采集器，此部分可采用螺旋结构，增大吸热面积。饱和蒸汽经换热后产生的冷凝水由冷凝水管道排至冷凝器15，冷凝水再经低压给水泵13压缩后供下个循环的使用。行波热声发动机3的谐振管与行波热声制冷机4的反馈管连通，行波热声发动机3以及行波热声制冷机4均与冷凝器15连通，行波热声发动机3、行波型热声发动机4以及冷凝器15串联成环形结构。热声发动与热声制冷机连接，驱动其产生声功。热声发动机和热声制冷机共用一个冷凝器，减少了结构的复杂性。
如图3所示，余热锅炉1还包括：高压预热器6、高压蒸发器7、高压过热器8、高压汽包11。船舶尾气余热先通入高压预热器6进行预热，再经过高压蒸发器7产生蒸汽，产生的蒸汽进入高压汽包11进行汽水分离后产生饱和蒸汽最后送入高压蒸发器7，高压蒸发器7将饱和蒸汽进行过热处理产生过热蒸汽送入行波热声发动机2。输送过热蒸气的管道外部可敷设保温层，减少热量在管道里的损失，行波热声发动机2的热端是热采集器，此部分可采用螺旋结构，增大吸热面积。过热蒸汽经换热后产生的冷凝水由冷凝水管道排至冷凝器15，冷凝水再经高压给水泵14压缩后供下个循环的使用。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的改变和变形。凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，其特征在于，包括：余热锅炉、两个热声发动机、热声制冷机、发电机；船舶主机尾气余热通入所述余热锅炉，所述余热锅炉的过热蒸汽出口与第一个所述热声发动机连通，第一个所述热声发动机与所述发电机连接，所述发电机连接负载；余热锅炉的饱和蒸汽出口与第二个所述热声发动机连通，第二个所述热声发动机与所述热声制冷机连接，所述热声制冷机连接负载，两个所述热声发动机的冷却器都与冷凝器相连。
2.如权利要求1所述的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，其特征在于，所述余热锅炉包括过热蒸汽产生装置、饱和蒸汽产生装置；所述过热蒸汽产生装置包括依次通路连接的高压预热器、高压蒸发器和高压过热器，船舶主机尾气余热通过高压过热器，所述高压过热器的过热蒸汽器出口与第一个所述热声发动机连通；所述饱和蒸汽产生装置包括依次通路连接的低压预热器和低压蒸发器，船舶主机尾气余热通入所述低压预热器，所述低压蒸发器出口与第二个所述热声发动机连通。
3.如权利要求2所述的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，其特征在于，所述过热蒸汽产生装置还包括高压汽包，所述饱和蒸汽产生装置还包括低压汽包；所述高压汽包一端与所述高压蒸发器连通，另一端与所述高压过热器连通；所述低压汽包一端与所述低压蒸发器连通，另一端与所述热声发动机连通。
4.如权利要求1所述的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，其特征在于，所述发电机为永磁直线发电机。
5.如权利要求1所述的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，其特征在于，所述热声发动机为行波热声发动机。
6.如权利要求5所述的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，其特征在于，所述热声制冷机为行波型热声制冷机。
7.如权利要求6所述的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，其特征在于，所述行波热声发动机通过谐振管与热声制冷机相连。
8.如权利要求7所述的船舶主机尾气余热驱动的双环路热声系统，其特征在于，所述行波热声发动机的谐振管与行波热声制冷机的反馈管连通，所述行波热声发动机的制冷机以及行波热声的制冷机均与冷凝器连通，所述行波热声发动机、行波型热声发动机以及冷凝器串联成环形结构。
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