CN112289473A - 一种热声发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热能转换技术领域，提供一种热声发电系统，包括承压外壁和热声发电系统组件，热声发电系统组件呈对置结构布置，对置结构的中心布置有核燃料，热声发电系统组件包括活塞组件、水冷器、回热器和分流内壁，分流内壁同轴设在承压外壁的内部，活塞组件位于分流内壁内，水冷器和回热器均填充在承压外壁和分流内壁之间，回热器分别与核燃料和水冷器接触。本发明提供的热声发电系统，采用铍材料代替传统的不锈钢基材，并将核燃料内置于热声发动机中，同时将工作气体分为两路循环推动活塞组件运动，不需要增加额外的传热装置，直接与反应的核燃料进行热交换，传热过程简单、效率高，在满足核反应堆临界尺度的同时还可以降低系统的振动强度。

Description

一种热声发电系统

技术领域

本发明涉及热能转换技术领域，更具体地，涉及一种热声发电系统。

背景技术

核能(或称原子能)是通过核反应从原子核释放的能量。核燃料在核反应堆中反应时产生的能量远大于化石燃料，1千克铀235完全裂变时产生的能量约相当于2500吨煤。核燃料进行链式反应时，将会产生大量的热量。为了避免反应堆因过热烧毁，须采用载热介质带走链式反应产生的大量热能，而导出的热量最终被转化为电能或者作为他用。目前核燃料棒的冷却通常采用加压水作为冷却介质，此方式虽技术成熟，但存在热量传递的品位较低，传热过程复杂，系统庞大等不足。

而热声发电系统作为一种新的核燃料的冷却装置，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。它的核心部件主要由加热器、回热器、水冷器以及调相器组成。在热声发电系统中，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。热声发电系统如果再接上发电机，就可以将机械能转化为电能输出。

目前，现有的大功率热声发电系统中，热量必须由外热源通过高温换热器壁面传输到热声发电系统内的工作气体，需要增加外部的传热装置，传热过程复杂、效率较低，而且容易产生核泄漏的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例提供一种热声发电系统，以解决现有大功率热声发电系统的传热过程复杂、传热效率低的问题，实现核燃料在较小体积下获得临界反应。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种热声发电系统，包括承压外壁和置于所述承压外壁内的热声发电系统组件，所述热声发电系统组件为偶数个且呈对置结构布置，所述对置结构的中心布置有核燃料；

所述热声发电系统组件包括活塞组件、水冷器、回热器和分流内壁，所述分流内壁同轴设在所述承压外壁的内部，所述活塞组件位于所述分流内壁内，所述水冷器和回热器均填充在所述承压外壁和分流内壁之间，所述回热器的一侧与所述核燃料接触，所述回热器的另一侧与所述水冷器接触；

所述核燃料内开设有膨胀腔，所述分流内壁穿过所述核燃料并延伸至所述膨胀腔。

进一步地，所述对置结构具体包括：所述承压外壁为对称结构，所述承压外壁的每条轴线上均布置有两个关于所述核燃料对称设置的所述热声发电系统组件，各条所述轴线为所述承压外壁所在的圆周平面的中心线，所述核燃料位于各条所述轴线的交点处。

进一步地，所述活塞组件包括：活塞杆、活塞、调相器活塞和调相器隔热筒，所述调相器活塞同轴装设在所述分流内壁内，所述调相器隔热筒设置在所述调相器活塞上靠近所述核燃料的一侧，所述活塞同轴装设在所述承压外壁内且位于所述调相器活塞远离所述核燃料的一侧，所述活塞杆与所述活塞连接。

进一步地，所述承压外壁采用钼、锆或铍材料制成；当所述承压外壁采用铍材料制成时，所述承压外壁置于高压环境或容器中。。

进一步地，所述调相器隔热筒采用钼、锆或铍材料制成，所述调相器隔热筒的内部设置有多层防辐射屏。

进一步地，所述回热器为采用压制的二氧化铍或铍材料的丝网、丝绵或者堆积颗粒组成的多孔结构，所述活塞杆、活塞和调相器活塞均采用铍材料制成。

进一步地，所述热声发电系统还包括控制棒，所述控制棒垂直穿过所述承压外壁且能够在所述核燃料中来回移动。

进一步地，所述热声发电系统还包括控制板和控制箱，所述控制板固定在所述控制棒位于所述承压外壁外侧的一端，所述控制箱内侧设置有与所述承压外壁的轴线垂直的滑槽或滑轨，所述控制板装设在所述滑槽或滑轨上；

所述控制棒采用硼、碳化硼、镉或银铟镉制成；

所述核燃料内部为球状或棒状形式的多孔结构。

进一步地，所述核燃料与所述调相器隔热筒之间或所述核燃料与所述回热器之间设置有中子反射层，所述中子反射层为铍或氧化铍材料制成。

进一步地，所述热声发电系统还包括旋转鼓，所述旋转鼓布置在所述承压外壁的外侧且靠近所述核燃料的位置。

(三)有益效果

本发明实施例提供的热声发电系统，通过设置对置结构的热声发电系统组件，并将核燃料置于承压外壁内部，同时将工作气体分为两路循环推动活塞组件运动，不需要增加额外的传热装置，直接与反应的核燃料进行热交换，实现核燃料在较小体积下获得临界反应，传热过程简单、效率高，而且在满足核反应堆临界尺度的同时，还可以降低系统的振动强度。

此外，利用金属铍作为热声发电系统结构的加工材料，能够将核燃料完全包裹在内，最大程度地将中子反射回反应堆中，促进临界反应的发生，从而提高反应效率，进一步促进热能转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例中热声发电系统的结构示意图；

图2为本发明另一实施例中热声发电系统的结构示意图；

图3为本发明又一实施例中热声发电系统的结构示意图；

图4为本发明再一实施例中热声发电系统的结构示意图；

图5为本发明图2中增加旋转鼓的热声发电系统的结构示意图；

图中：1、活塞杆；2、活塞；3、承压外壁；4、调相器活塞；5、水冷器；6、调相器隔热筒；7、回热器；8、核燃料；9、分流内壁；10、膨胀腔；11、控制棒；12、控制板；13、控制箱；14-旋转鼓。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，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，可以是两个元件内部的连通。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。

如图1所示，本发明实施例提供一种热声发电系统，包括：承压外壁3和置于承压外壁3内的热声发电系统组件，承压外壁3为筒状结构，为整个热声发电系统结构的保护层，传统的承压外壁一般采用不锈钢材料制成，由于不需要承受高温，只承压，因此可以采用壁外冷却。热声发电系统组件的数量为2n(n≥1)，并且呈对置结构布置，以减小热冷转换为机械能所产生的振动效应。

需要说明的是，对置结构具体包括：承压外壁3的多个筒状结构交叉形成的对称结构，该对称结构位于同一个圆周平面内，显然其内部存在一条轴线或者多条轴线，每条轴线都经过该圆周平面的圆心位置，承压外壁3的每条轴线上均相对布置有两个关于核燃料8对称设置的热声发电系统组件，并且这两个热声发电系统组件之间留有用于放置核燃料8的间隙。进一步地，承压外壁3的各条轴线将其所在的圆周平面均分，即相邻轴线之间的夹角均相等。例如，当只有两个热声发电系统组件时，呈一字型设置；当有四个热声发电系统组件时，呈十字型设置；以后依次类推。

进一步地，核燃料8布置在对置结构的中心，即核燃料8位于承压外壁3的各条轴线的交点处(相当于承压外壁3所在圆周平面的圆心位置)，核燃料8可预先制作成型为核燃料块，其内部的核燃料呈球状、棒状或者其他形式的多孔结构存在，其中棒状核燃料的轴线与承压外壁3的轴线平行，从而促进核燃料8内的工作气体流动，本实施例中的工作气体一般采用惰性气体。需要说明的是，本实施例中具体以两个热声发电系统组件为例进行具体说明，核燃料8位于两个热声发电系统组件之间。

具体地，热声发电系统组件包括：活塞组件、水冷器5、回热器7和分流内壁9，分流内壁9也同样为筒状结构，分流内壁9位于承压外壁3的内部，且与承压外壁3同轴设置，利用分流内壁9将承压外壁3内的工作气体分为两部分，即承压外壁3与分流内壁9之间的部分以及分流内壁9内侧的部分，从而能够实现活塞组件的反复运动。

活塞组件位于分流内壁9内，水冷器5和回热器7为环装结构，其套设在分流内壁9的外侧，相当于填充在承压外壁3和分流内壁9之间。回热器7的一侧与核燃料8接触，回热器7的另一侧与水冷器5接触，核燃料8作为热源，水冷器5作为冷源，且位于回热器7的两侧从而形成自激的声波振荡源。当核燃料8的温度达到预设温度值时，就会自激产生振荡声波，工作气体与核燃料产生的热量进行热交换，并在振荡声波的作用下在分流内壁9的内侧和外侧循环流动，从而推动活塞组件进行往复运动。

在上述实施例的基础上，为了提高工作气体的流动性，在核燃料8内开设膨胀腔10，膨胀腔10与承压外壁3的轴线垂直，同时分流内壁9沿着平行于其轴线的方向穿过核燃料8，最终延伸至膨胀腔10处。需要说明的是，呈对置结构布置的两个热声发电系统组件的分流内壁9相对延伸至膨胀腔10的两侧。

本发明实施例提供的热声发电系统，通过设置对置结构的热声发电系统组件，并将核燃料置于承压外壁内部，同时将工作气体分为两路循环推动活塞组件运动，不需要增加额外的传热装置，直接与反应的核燃料进行热交换，实现核燃料在较小体积下获得临界反应，传热过程简单、效率高，而且在满足核反应堆临界尺度的同时，还可以降低系统的振动强度。

在上述实施例的基础上，活塞组件具体包括：活塞杆1、活塞2、调相器活塞4和调相器隔热筒6，调相器活塞4同轴装设在分流内壁9的内侧，调相器隔热筒6贴设在调相器活塞4靠近核燃料8的一侧，防止高温气体对调相器活塞4的影响。工作气体能够通过向外推动调相器隔热筒6来推动整个活塞组件运动。

其中，活塞组件包括两种结构形式：第一种结构形式是活塞杆1直接与调相器活塞4相连，活塞2通过调相器活塞4带动其运动。具体地，如图1所示，活塞杆1连接在调相器活塞4远离核燃料8的一侧，活塞2同轴装设在活塞杆1上，并且活塞2与调相器活塞4之间留有间隙，工作气体分为两路，膨胀腔10内的工作气体推动调相器活塞4向外运动，外部的工作气体推动调相器活塞4向内运动。活塞2位于承压外壁3的内侧，利用调相器活塞4带动其在承压外壁3的内侧往复运动。

第二种结构形式是活塞杆1不与调相器活塞4直接相连，活塞2靠气压推动其运动。具体地，如图2所示，其与第一种结构形式的结构基本相同，不同之处在于活塞杆1不与调相器活塞4直接相连，二者之间不设置任何连接件，主要利用工作气体的气压(正或负)来实现活塞2的往复运动。

在上述各实施例的基础上，在传统的热声发电系统中，各部件主要由不锈钢材料组成，不锈钢材料容易吸收中子，因此核燃料难以发生临界反应。为了促使临界反应的发生，除了可以在热声发电系统热头外围包裹反射材料外，还可以将承压外壁3选用钼、锆等材料。当然，承压外壁3也可以采用铍材料制成，但由于铍的承压能力较差，为了解决承压的问题，也可以将整个热声发电系统置于高压环境或容器中，这样承压外壁3将不再需要承受高压，可以直接使用铍作为外壁，从而能够进一步提高中子反射率。

此外，调相器隔热筒6可采用钼、锆或铍制成，以进一步促进临界反应的发生。调相器隔热筒6的内部设置有多层防辐射屏，可起到一定的热缓冲作用，减少冷热气流的混合，减低热声发电系统的漏热损失。

在上述各实施例的基础上，回热器7为多孔结构，该多孔结构为采用多孔二氧化铍或多孔铍压制成的丝网、丝绵或者堆积颗粒组成。其中，回热器7优选用多孔二氧化铍，性能稳定。活塞杆1、活塞2和调相器活塞4均可采用铍材料制成，从而能够获得更轻的质量，更小的变形和更稳定的机械性能。铍属于轻稀有金属，密度为1.847g/cm，弹性模量比钢要高50％，达到300GPa，铍的质量轻、刚度大、导热性能良好，具有轻金属中最高的熔点和较低的热膨胀系数，使其有利于热传导和减少受热时产生的变形和应力。此外，铍的中子散射截面大，吸收截面小，适于作核反应堆和核武器的反射层和慢化剂，在某些核裂变反应堆芯部用作屏蔽材料，将铍用作热核聚变反应容器的内衬，可提高裂变反应效率。

本发明实施例提供的热声发电系统，利用铍材料制成的分流外壁和活塞组件，替代传统的不锈钢基材，将核燃料完全包裹在整个热声发电系统结构的内部，从而能够最大程度地将中子反射回反应堆中，并且热声发电系统内部的工作气体直接与核燃料换热，不但简化了系统结构，同时还保证了在较小的反应堆体积情况下实现反应堆的临界，从而提高反应效率，进一步促进热能转换效率。

在上述各实施例的基础上，在核燃料8与调相器隔热筒6之间或核燃料8与回热器7之间设置有中子反射层，中子反射层为铍或氧化铍材料制成，有利于将中子反射回反应堆中，进一步提高反应效率。

如图3和图4所示，作为各上述实施例的改进，本发明实施例中还提供一种热声发电系统，与上述各实施例中的结构基本相同，主要增加了可以控制核反应速率的控制棒11，控制棒11垂直穿过承压外壁3，并且能够在核燃料8中来回移动。

具体地，为了便于控制控制11的移动，所述热声发电系统还包括控制板12和控制箱13，控制板12固定在控制棒11位于承压外壁3外侧的一端，控制箱13的内侧设置有与承压外壁3的轴线垂直的滑槽或滑轨，控制板12装设在滑槽或滑轨上，从而实现控制棒11在核燃料8内的来回移动。

在系统满功率运行时，控制板12处于控制箱的下端部，控制棒11完全处于控制箱中，系统中核反应最为强烈，此时核燃料8可以提供最大的加热功率和加热温度；当系统的加热功率需要调节时，控制板12和控制棒11缓慢上升，随着控制板插入核燃料的深度逐渐增大，系统的核反应逐渐变缓，而当控制棒11全部插入核燃料8内部时，此时控制板12处于上端部，控制棒11能够吸收大量中子，系统反应接近停止。因此，可以通过调节控制棒11插入的深度来控制反应进行的程度，进而对系统进行热启停控制。其中，控制棒11一般采用硼、碳化硼、镉、银铟镉等材料加工而成，可以吸收中子。

此外，如图5所示，对于小型反应堆中，控制棒11也可换成旋转鼓14，旋转鼓14布置在承压外壁3的外侧且靠近核燃料8的位置，通过旋转鼓14的转动，进而控制反应的快慢。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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精神和范围。

Claims (10)

1.一种热声发电系统，包括承压外壁和置于所述承压外壁内的热声发电系统组件，其特征在于，所述热声发电系统组件为偶数个且呈对置结构布置，所述对置结构的中心布置有核燃料；

所述热声发电系统组件包括活塞组件、水冷器、回热器和分流内壁，所述分流内壁同轴设在所述承压外壁的内部，所述活塞组件位于所述分流内壁内，所述水冷器和回热器均填充在所述承压外壁和分流内壁之间，所述回热器的一侧与所述核燃料接触，所述回热器的另一侧与所述水冷器接触；

所述核燃料内开设有膨胀腔，所述分流内壁穿过所述核燃料并延伸至所述膨胀腔。

2.根据权利要求1所述的热声发电系统，其特征在于，所述对置结构具体包括：所述承压外壁为对称结构，所述承压外壁的每条轴线上均布置有两个关于所述核燃料对称设置的所述热声发电系统组件，各条所述轴线为所述承压外壁所在的圆周平面的中心线，所述核燃料位于各条所述轴线的交点处。

3.根据权利要求1或2所述的热声发电系统，其特征在于，所述活塞组件包括：活塞杆、活塞、调相器活塞和调相器隔热筒，所述调相器活塞同轴装设在所述分流内壁内，所述调相器隔热筒设置在所述调相器活塞上靠近所述核燃料的一侧，所述活塞同轴装设在所述承压外壁内侧且位于所述调相器活塞远离所述核燃料的一侧，所述活塞杆与所述活塞连接。

4.根据权利要求3所述的热声发电系统，其特征在于，所述承压外壁采用钼、锆或铍材料制成；当所述承压外壁采用铍材料制成时，所述承压外壁置于高压环境或容器中。

5.根据权利要求3所述的热声发电系统，其特征在于，所述调相器隔热筒采用钼、锆或铍材料制成，所述调相器隔热筒的内部设置有多层防辐射屏。

6.根据权利要求3所述的热声发电系统，其特征在于，所述回热器为采用压制的二氧化铍或铍材料的丝网、丝绵或者堆积颗粒组成的多孔结构，所述活塞杆、活塞和调相器活塞均采用铍材料制成。

7.根据权利要求1所述的热声发电系统，其特征在于，还包括控制棒，所述控制棒垂直穿过所述承压外壁且能够在所述核燃料中来回移动。

8.根据权利要求7所述的热声发电系统，其特征在于，还包括控制板和控制箱，所述控制板固定在所述控制棒位于所述承压外壁外侧的一端，所述控制箱内侧设置有与所述承压外壁的轴线垂直的滑槽或滑轨，所述控制板装设在所述滑槽或滑轨上；

所述控制棒采用硼、碳化硼、镉或银铟镉制成；所述核燃料内部为球状或棒状形式的多孔结构。

9.根据权利要求3所述的热声发电系统，其特征在于，所述核燃料与所述调相器隔热筒之间或所述核燃料与所述回热器之间设置有中子反射层，所述中子反射层为铍或氧化铍材料制成。

10.根据权利要求1所述的热声发电系统，其特征在于，还包括旋转鼓，所述旋转鼓布置在所述承压外壁的外侧且靠近所述核燃料的位置。

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