CN113700623A - 热声冷热电联供装置 - Google Patents

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罗二仓
吴张华
胡剑英
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Abstract

本发明实施例提供一种热声冷热电联供装置，包括多个热声冷热电联供单元，所述热声冷热电联供单元之间首尾相连接；其中，所述热声冷热电联供单元包括：热声发动机、与所述热声发动结构相连接的制冷机以及与所述制冷机相连接且位于远离所述热声发动机一侧的发电机；其中，所述热声发动机用于将通入的热量转换成声功，所述制冷机用于在远离所述热声发动机一侧产生低于靠近所述热声发动机一侧的温度值，所述发电机用于对声场进行调相以及将所述声功转化并产生电流。通过上述方式，本发明可以实现冷、热、电之间的联供，并可以减小装置整体的尺寸，且结构更加紧凑。

Description

热声冷热电联供装置
技术领域
本发明涉及冷热电联供技术领域，尤其涉及一种热声冷热电联供装置。
背景技术
热声技术是一种新型的热能利用技术，具有能源适应性好，可靠性高，功率灵活等显著优点，可广泛应用在太阳能、生物质、工业余热等回收领域，具有很好的应用前景。热声技术因其独特优势成为一种环保、可靠且极具应用前景的新型能源转换技术。首先，作为外燃式热机，可以利用低品位能源或太阳能等驱动，有利于提高能源利用率(节能)；其次，采用氦气、氮气等对环境友好的气体工质(环保)；此外，一般由空管段、多孔介质及换热器组成，不存在机械运动部件，具有低振动、高可靠性、长寿命等优点(可靠)。热声效应是指可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的时均能量效应，按照能量转换方向的不同可分为两类：一是用热能来产生声波，即热致声效应(热声正效应)；二是用声能来产生制冷效应，即声致冷效应(热声逆效应)。热声热机是利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能的热功转换装置。热声热机主要分为热声发动机(热声压缩机)和热声制冷机，分别基于热致声和声致冷这两类热声效应工作。
分布式冷热电联供技术是一种能源综合利用技术，具有能源利用效率高、环境友好、能源供应安全可靠等特点，受到各界广泛关注。相比传统冷热电系统，基于热声技术的冷热电联供系统结构更简单紧凑，并且可以通过应用需要切换不同的输出能量模式。热声冷热电联供系统工作原理如下：热声发动机是一种利用热声效应将热能转化为声功(机械能)的新型外燃式热机，当热声发动机和直线电机耦合时，声功可进一步转化为电能，当热声发动机和制冷机/热泵耦合时，利用声功搬运热量可实现冷热转换。将热声发动机、热声制冷机/热泵和直线电机三者进行耦合，则可同时实现冷能，热能和电能的供给。同时，根据不同的应用需求，通过控制工作温度可实现不同形式能量的组合输出。因此，基于热声技术的冷热电联供系统在清洁能源利用、节能环保领域具有广阔的发展前景。
现有的冷、声、电联供形成的装置整体非常庞大，导致系统效率较低且结构不够紧凑。
发明内容
本发明实施例提供一种热声冷热电联供装置，用以解决现有技术中装置体积过大造成能源浪费的技术问题。
本发明实施例提供一种热声冷热电联供装置，包括：
多个热声冷热电联供单元，所述热声冷热电联供单元之间首尾相连接；其中，所述热声冷热电联供单元包括：热声发动机、与所述热声发动机相连接的制冷机以及与所述制冷机相连接且位于远离所述热声发动机一侧的发电机；其中，
所述热声发动机用于将通入的热量转换成声功，所述制冷机用于在远离所述热声发动机一侧产生低于靠近所述热声发动机一侧的温度值，所述发电机用于对声场进行调相以及将所述声功转化并产生电流。
根据本发明一个实施例的热声冷热电联供装置，
所述热声发动机和所述制冷机之间设有热缓冲管，所述热声发动机包括发动管体，所述制冷机包括制冷管体，所述热缓冲管分别连接所述发动管体和所述制冷管体；
所述制冷管体远离所述热缓冲管的一侧设有连接管，所述发电机包括壳体，所述连接管与所述壳体相连接。
根据本发明一个实施例的热声冷热电联供装置，
所述热声发动机包括设于所述发动管体内的热声转换组件，用于将通入的热量转换为声功；所述制冷机包括设于所述制冷管体内的制冷组件，用于接收所述声功并在远离所述热声发动机一侧产生低于靠近所述热声发动机一侧的温度值；
所述发电机用于接收通过所述制冷组件的所述声功并产生电流，进而将通过所述发电机的剩余声功传输至相邻的所述热声发动机。
根据本发明一个实施例的热声冷热电联供装置，
所述热声转换组件包括：加热器、与所述加热器相连接的热声发动机回热器、与所述热声发动机回热器相连接的位于远离所述加热器一侧的室温换热器；其中，
所述加热器靠近所述连接管一侧设置。
根据本发明一个实施例的热声冷热电联供装置，所述制冷组件包括高温换热器、制冷机回热器以及低温换热器，所述低温换热器的温度值小于所述高温换热器的温度值。
根据本发明一个实施例的热声冷热电联供装置，所述发电机还包括位于所述壳体内的发电组件，所述壳体内位于所述发电组件的相对两侧包括膨胀腔和压缩腔，所述膨胀腔靠近所述制冷机设置，所述压缩腔位于所述发电组件远离所述制冷机的一侧。
根据本发明一个实施例的热声冷热电联供装置，所述发电组件包括活塞和电磁组件，所述声功推动所述活塞压缩所述膨胀腔或者所述压缩腔进而带动所述电磁组件进行生电。
根据本发明一个实施例的热声冷热电联供装置，所述热声冷热电联供单元的数量为三个，且分别首尾连接形成三角排布。
根据本发明一个实施例的热声冷热电联供装置，所述热声冷热电联供单元的数量为四个，且分别首尾连接形成矩形排布。
根据本发明一个实施例的热声冷热电联供装置，相邻的所述热声冷热电联供单元之间通过谐振管相连接。
本发明实施例提供的热声冷热电联供装置，包括多个热声冷热电联供单元，且多个热声冷热电联供单元之间首尾相连接，由此可以使得在热声冷热电联供单元中产生的声功循环使用，进而有效提高了声功的利用率。且利用发电机对声场进行调相，发电机代替了传统的谐振管，大大减小了传统谐振管中的能量损耗，进而使得整个装置整体尺寸变小，结构更加紧凑、高效。
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一简单地介绍，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为本发明热声冷热电联供单元一实施例的结构示意图；
图2为四个热声冷热电联供单元的组合结构示意图；
图3为三个热声冷热电联供单元的组合结构示意图；
图4为图1中的热声冷热电联供单元一实施例的联供状态图；
图5为图1中的热声冷热电联供单元另一实施例的联供状态图；
图6为图1中的热声冷热电联供单元另一实施例的联供状态图。
附图标记：
10、热声冷热电联供单元；
20、热声发动机；210、发动管体；220、热声转换组件；2210、加热器；2220、热声发动机回热器；2230、室温换热器；
30、制冷机；310、制冷管体；320、制冷组件；3210、高温换热器；3220、制冷机回热器；3230、低温换热器；
40、发电机；410、壳体；420、发电组件；4210、活塞；4220、电磁组件；430、膨胀腔；440、压缩腔；
50、热缓冲管；
60、连接管；
70、谐振管。
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。
请参照图1和图2，图1为本发明热声冷热电联供单元一实施例的结构示意图，图2为四个热声冷热电联供单元的组合结构示意图。本发明提供一种热声冷热电联供装置，包括多个热声冷热电联供单元10，热声冷热电联供单元10之间首尾相连接；其中，热声冷热电联供单元10包括：热声发动机20、与热声发动机20相连接的制冷机30以及与制冷机30相连接且位于远离热声发动机20一侧的发电机40；其中，热声发动机20用于将通入的热量转换成声功，制冷机30用于在远离热声发动机20一侧产生低于靠近热声发动机20一侧的温度值，发电机40用于对声场进行调相以及将声功转化并产生电流。热声发动机20、制冷机30以及发电机40依次连接，且发电机40另一端与相邻的热声冷热电联供单元10中的热声发动机20连接，热声发动机20的另一端与相邻的热声冷热电联供单元10中的发电机40相连接，由此形成循环。使得热声发动机20将热量转换的声功可以一直循环流通，有效提高了声功利用率。
热声发动机20和制冷机30之间设有热缓冲管50，热声发动机20包括发动管体210，制冷机30包括制冷管体310，热缓冲管50分别连接发动管体210和制冷管体310；制冷管体310远离热缓冲管50的一侧设有连接管60，发电机40包括壳体410，连接管60与壳体410相连接。在本发明一实施例中，热缓冲管50的尺寸与发动管体210和制冷管体310的尺寸一致，连接管60的周向尺寸小于发动管体210和制冷管体310的尺寸，热缓冲管50用于声功传递和热量缓冲。
热声发动机20包括设于发动管体210内的热声转换组件220，用于将通入的热量转换为声功；制冷机30包括设于制冷管体310内的制冷组件320，用于接收声功并在远离热声发动机20一侧产生低于靠近热声发动机20一侧的温度值；发电机40消耗一部分通过制冷组件320的声功并产生电流，剩余声功将通过发电机40的声功传输至相邻的热声发动机20。也即，热声转换组件220用于热制声，制冷组件320用于声制冷，发电组件420用于声制电。声功由热声发动机20产生依次通过制冷机30和发电机40，进而制冷和产生电流，且余下的声功会进入相邻的热声冷热电联供单元10中的热声发动机20，进而与该热声发动机20中产生声功进行结合放大并进一步循环使用。
热声转换组件220包括：加热器2210、与加热器2210相连接的热声发动机回热器2220、与热声发动机回热器2220相连接的位于远离加热器2210一侧的室温换热器2230；其中，加热器2210靠近连接管60一侧设置。加热器2210与热源相连接，热源可以为高温燃气、太阳能、低品位能源如工业余热、废热等热量源。热声发动机回热器2220为多孔结构的回热器，可以为丝网结构、丝绵结构或者不锈钢球等。当热声发动机回热器2220两侧形成的轴向温度梯度达到一定值，在热声发动机回热器2220内会发生自激振荡，进而热声发动机回热器2220便可以将热量转换为声功形式的机械能，从而实现热量至声功的转换。
制冷组件320包括高温换热器3210、制冷机回热器3220以及低温换热器3230，低温换热器3230的温度值小于高温换热器3210的温度值。从热声转换组件220产生的声功在制冷组件320中产生声制冷效应，也即低温换热器3230的温度值小于高温换热器3210的温度值。进而可以在高温换热器3210外接冷水，以将高温换热器3210处的热量进行对外放热。且可以在低温换热器3230处外接热水管以制冷。
发电机40还包括位于壳体410内的发电组件420，壳体410内位于发电组件420的相对两侧包括膨胀腔430和压缩腔440，膨胀腔430靠近制冷机30设置，压缩腔440位于发电组件420远离制冷机30的一侧。在本发明一实施例中，发电组件420包括活塞4210和电磁组件4220，声功推动活塞4210压缩膨胀腔430或者压缩腔440进而带动电磁组件4220进行生电。活塞4210压缩膨胀腔430时，则压缩腔440扩增，而压缩压缩腔440时，膨胀腔430扩增。也即声功驱动活塞4210在壳体410内进行往复运动，声功在壳体410内配合活塞4210的往复运动进而可以使得压力波的相位发生变化，由此进行相位的调节。电磁组件4220可以包括动子磁体和定子线圈，动子磁体可以在定子磁体内进行往复运动，造成定子线圈内的磁通量发生变化。定子线圈便可以产生驱动电负载的感应电动势，进而产生声功至电能的转换。如上所述，发电机40便可以不仅实现声功向电能的转换，也可以替代传统的多个热声冷热电联供单元10之间设置的谐振管70，起到相位调节的作用，进而缩小了传统谐振管70的长度，使得整体结构变得更加紧凑，体积会变得更小，大大减小了在传统谐振管中的能量损耗。且余下的声功可以流通至相邻的热声冷热电联供单元10中的热声转换组件220中以循环使用。
可以理解的是，多个热声冷热电联供单元10可以为3个、4个等，在此不做限定。例如可以参照图2和图3，图3中也对应3个热声冷热电联供单元10的排布，首尾相连接形成三角排布。图2中对应4个热声冷热电联供单元10的排布，首尾相连接形成矩形排布。需要说明的是，相邻的热声冷热电联供单元10之间通过谐振管70相连接。谐振管70可以为气体谐振管70、也可以为气液谐振管70等，在此不做限定。
单个热声冷热电联供单元10可以分为：冷热电联供、热电联供以及冷电联供。其中，请参照图4，冷热电联供为，在热声发动机20中的A处，对应加热器2210接入高于室温的热源温度，在热声发动机回热器2220内发生热功转换过程从而放大声功，放大的声功被制冷机30和发电机40消耗。进而在W处也即高温换热器3210处对外放热，实现制热，在B处，对外吸热，实现制冷。通过B处的声功进入发电机40进行发电，进而实现冷、热、电联供。请参照图5，还提供一种热电联供，此时的制冷机30由热泵进行替换，对应热泵的低温换热器3230处于室温，热声发动机回热器2220发生热功转换从而放大声功，放大的声功被热泵和发电机40所消耗，进而在高温换热器3210处对外放热实现制热，在发电机40处产生电能，实现发电。请参照图6，冷电联供为，E处也即高温换热器3210为室温，声功在制冷机30中被消耗，进而F处也即低温换热器3230向外吸热以制冷，余下的声功在发电机40中产生电能，实现发电，由此实现冷、电联供，对外不制热。
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)

1.一种热声冷热电联供装置，其特征在于，包括：多个热声冷热电联供单元，所述热声冷热电联供单元之间首尾相连接；其中，所述热声冷热电联供单元包括：热声发动机、与所述热声发动机相连接的制冷机以及与所述制冷机相连接且位于远离所述热声发动机一侧的发电机；其中，
所述热声发动机用于将通入的热量转换成声功，所述制冷机用于在远离所述热声发动机一侧产生低于靠近所述热声发动机一侧的温度值，所述发电机用于对声场进行调相以及将所述声功转化并产生电流。
2.根据权利要求1所述的热声冷热电联供装置，其特征在于，所述热声发动机和所述制冷机之间设有热缓冲管，所述热声发动机包括发动管体，所述制冷机包括制冷管体，所述热缓冲管分别连接所述发动管体和所述制冷管体；
所述制冷管体远离所述热缓冲管的一侧设有连接管，所述发电机包括壳体，所述连接管与所述壳体相连接。
3.根据权利要求2所述的热声冷热电联供装置，其特征在于，所述热声发动机包括设于所述发动管体内的热声转换组件，用于将通入的热量转换为声功；所述制冷机包括设于所述制冷管体内的制冷组件，用于接收所述声功并在远离所述热声发动机一侧产生低于靠近所述热声发动机一侧的温度值；
所述发电机用于接收通过所述制冷组件的所述声功并产生电流，进而将通过所述发电机的剩余声功传输至相邻的所述热声发动机。
4.根据权利要求2所述的热声冷热电联供装置，其特征在于，所述热声转换组件包括：加热器、与所述加热器相连接的热声发动机回热器、与所述热声发动机回热器相连接的位于远离所述加热器一侧的室温换热器；其中，
所述加热器靠近所述连接管一侧设置。
5.根据权利要求2所述的热声冷热电联供装置，其特征在于，所述制冷组件包括高温换热器、制冷机回热器以及低温换热器，所述低温换热器的温度值小于所述高温换热器的温度值。
6.根据权利要求2所述的热声冷热电联供装置，其特征在于，所述发电机还包括位于所述壳体内的发电组件，所述壳体内位于所述发电组件的相对两侧包括膨胀腔和压缩腔，所述膨胀腔靠近所述制冷机设置，所述压缩腔位于所述发电组件远离所述制冷机的一侧。
7.根据权利要求6所述的热声冷热电联供装置，其特征在于，所述发电组件包括活塞和电磁组件，所述声功推动所述活塞压缩所述膨胀腔或者所述压缩腔进而带动所述电磁组件进行生电。
8.根据权利要求1所述的热声冷热电联供装置，其特征在于，所述热声冷热电联供单元的数量为三个，且分别首尾连接形成三角排布。
9.根据权利要求1所述的热声冷热电联供装置，其特征在于，所述热声冷热电联供单元的数量为四个，且分别首尾连接形成矩形排布。
10.根据权利要求8或9任一项所述的热声冷热电联供装置，其特征在于，相邻的所述热声冷热电联供单元之间通过谐振管相连接。
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