CN114233603A - 一种由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，属于流体机械领域，包括热声发动机和低温流体往复式压缩设备，所述热声发动机和所述低温流体往复式压缩设备之间设有对置双活塞；所述对置双活塞的一端活动连接在所述低温流体往复式压缩设备的压缩缸内，另一端活动连接至所述热声发动机的谐振管内；所述压缩缸的出口阀连通至所述热声发动机的冷却器内。本发明通过将低温流体直接或间接通入热声发动机的主冷却器和次冷却器，用以驱动热声发动机产生压力波，从而实现冷能的回收利用与低温流体的加压输送。

Description

一种由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备
技术领域
本发明涉及流体机械领域，尤其是涉及一种由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备。
背景技术
往复式压缩设备包括用于液体压缩的往复式液体泵和用于气体压缩的往复式压缩机，一般通过活塞或柱塞的往复运动实现工作容积的周期性变化，从而增压输送可压流体。理论上无论出口压力怎么变化，往复式压缩设备在给定的运行频率下都会泵出相同的流量，具有出口压力高、容积效率高等优点，广泛用于可压流体的中高压增压过程。
低温流体主要包括液氢、液氧、液氮、液化天然气(LNG)、冷氮气、LNG闪蒸气等，在航空航天、能源、石油化工等领域都有广泛应用。近年来，随着LNG、液氢等新型能源载体的发展，对于低温液体加压加注的需求逐渐增加。采用往复式液体泵实现低温液体加压压缩的技术方案具有压缩功耗小、投资成本低的特点，具有广泛的发展前景。低温液体需要先经过液体泵加压到加注压力，经换热器升温气化后控制在加注温度，再加注到高压储罐中进行储运。由于低温流体的温度远低于常温，低温流体的升温气化过程伴随着大量冷能的释放，将冷能直接排放掉不仅造成了极大的能源浪费，同时也会对环境造成影响。
热声发动机是利用热声效应工作的一种新型热机，热声效应是热在可压缩介质(一般为气体)中与固体介质产生声与热的相互作用引发的声学自激振荡的物理现象，利用该原理可将热能转化为压力波动，从而实现热能到机械能的转换。热声发动机就是利用热声效应，实现热能到机械能转化，进而实现机械能输出的能量转换装置。
根据声场特性不同，热声发动机分为驻波型、行波型及驻波行波混合型等多种型式。行波声场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差90°。热声发动机作为一种新型的热力机械，不同于常规的机械式发动机，具有无运动部件、效率高、结构简单、成本低等特点，可以采用多种热源进行驱动，适合用于低品位热源的回收。
热声发动机可用于回收各类动力机械的余热，如内燃机尾气余热、燃气轮机余热等。基于同样的原理，热声发动机也可用于冷能回收。现有文献中直接回收低温流体冷能的研究较少，没有将往复式压缩设备和热声发动机直接耦合的设计。
发明内容
本发明提供了一种由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，可利用低温流体冷能驱动往复式压缩设备工作，能够适配多种低温流体，以实现不同需求条件下低温液体的加压处理。
一种由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，包括热声发动机和低温流体往复式压缩设备，所述热声发动机和所述低温流体往复式压缩设备之间设有对置双活塞；所述对置双活塞的一端活动连接在所述低温流体往复式压缩设备的压缩缸内，另一端活动连接至所述热声发动机的谐振管内；所述压缩缸的出口阀连通至所述热声发动机的冷却器内。
上述技术方案中，通过对置双活塞将往复式压缩机/泵和以低温流体冷能驱动的热声发动机耦合，将热声发动机产生的压力波通过对置双活塞传递给往复式压缩机/泵进行压缩，实现低温流体的压缩。通过将低温流体直接或间接通入热声发动机的冷却器，用以驱动热声发动机产生压力波，从而实现冷能的回收利用。其中热声发动机可以是驻波热声发动机、行波热声发动机、行波驻波混合型热声发动机、多级行波热声发动机。
优选地，所述的热声发动机采用驻波热声发动机，所述驻波热声发动机的谐振管为直管状，所述驻波热声发动机朝谐振管的方向依次设有加热器、热声板叠和冷却器。
优选地，所述的热声发动机采用行波热声发动机，所述行波热声发动机的冷却器包括主冷却器和次冷却器；所述行波热声发动机的谐振管为环状，沿环状的谐振管依次设有主冷却器、回热器、加热器和次冷却器，环状的谐振管通过导波管与对置双活塞的一端活动连接；
所述压缩缸的出口阀连通至所述行波热声发动机的主冷却器和次冷却器内。
优选地，所述的热声发动机采用行波驻波混合热声发动机，所述行波驻波混合热声发动机的冷却器包括主冷却器和次冷却器；所述行波驻波混合热声发动机的谐振管为直管状，所述的行波驻波混合热声发动机设有与所述谐振管连通的环形反馈回路，所述环形反馈回路上依次设有主冷却器、回热器、加热器和次冷却器；
所述压缩缸的出口阀连通至所述行波驻波混合热声发动机的主冷却器和次冷却器内。
优选地，所述的热声发动机包括多级行波热声发动机，每一级行波热声发动机的冷却器包括主冷却器和次冷却器；每一级行波热声发动机均包括谐振管和沿所述谐振管依次设置的主冷却器、回热器、加热器和次冷却器；不同级的行波热声发动机通过谐振管连接成环路；每一级的谐振管均通过导波管与一个对置双活塞的一端连接；
每个对置双活塞的另一端均活动连接在一个低温流体往复式压缩设备的压缩缸内，所述压缩缸的出口阀连通至对应行波环路的主冷却器和次冷却器内。
进一步地，所述的压缩缸设有用于控制流体流向的入口阀与出口阀。
为了方便机器连续运行，进一步地，所述的对置双活塞的两端均设有用于活塞复位的复位弹簧。
可选择的，低温流体往复式压缩设备为活塞泵，包括压缩缸、入口阀、出口阀和活塞，依靠活塞往复运动使泵腔容积周期变化，实现低温液体的加压输送。
可选择的，低温流体往复式压缩设备为柱塞泵，包括压缩缸、入口阀、出口阀和柱塞，依靠柱塞往复运动使泵腔容积周期变化，实现低温液体的加压输送。
可选择的，低温流体往复式压缩设备为隔膜泵，包括压缩缸、入口阀、出口阀、活塞、液压油和隔膜，通过液压流体将压力从活塞传递到隔膜，再传递到被压液体，实现低温液体的加压输送。
作为优选，低温流体往复式压缩设备为活塞压缩机，包括压缩缸、入口阀、出口阀和活塞，依靠活塞往复运动使压缩腔容积周期变化，实现低温气体的加压输送。
作为优选，低温流体往复式压缩设备为隔膜压缩机，包括压缩缸、入口阀、出口阀、活塞、液压油和隔膜，通过液压流体将压力从活塞传递到隔膜，再传递到被压气体，实现低温气体的加压输送。
作为优选，热声发动机的加热器可由空气换热器、电加热器或者其他可用余热提供热量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
相对于常规的低温流体压缩设备，本发明提出的热声发动机驱动的低温流体压缩设备由热声发动机直接驱动，热声发动机由低温流体的冷量进行驱动，从而降低低温流体压缩能耗，减少低温流体的冷量浪费。相比于常规的低温流体压缩设备，可有效回收低温流体加压后升温过程的冷量损失，减少系统能量输入，实现冷能的高效回收，提高低温流体压缩效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的驻波热声发动机驱动的低温流体压缩设备的结构示意图；
图2为本发明实施例2的行波热声发动机驱动的低温流体压缩设备的结构示意图；
图3为本发明实施例3的行波驻波混合热声发动机驱动的低温流体压缩设备的结构示意图；
图4为本发明实施例4的多级行波热声发动机驱动的低温流体压缩设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
参见图1，一种由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，本实施例中，采用驻波热声发动机驱动低温流体压缩设备，包括：加热器1、热声板叠2、冷却器3、谐振管4、对置双活塞5、回复弹簧6、入口阀7、出口阀8、压缩缸9。
驻波热声发动机的谐振管4为直管状，驻波热声发动机朝谐振管4的方向依次设有加热器1、热声板叠2和冷却器3。热声发动机和低温流体往复式压缩设备之间设有对置双活塞5；对置双活塞5的一端活动连接在低温流体往复式压缩设备的压缩缸9内，另一端活动连接至热声发动机的谐振管4内；压缩缸的出口阀8连通至热声发动机的冷却器3内。
低温流体从入口阀7进入低温流体压缩设备的压缩缸9，被由热声发动机驱动的对置双活塞5加压，加压后的低温流体通过出口阀8排出。排出的低温流体引入热声发动机的冷却器3中，利用低温流体的显热与潜热为冷却器3提供冷量。在加热器1和冷却器3的温度梯度下，热声板叠2中的气体工质沿热声板叠2纵向振荡，产生的振荡经谐振管4传递至对置双活塞5处。通过合适的频率匹配，热声发动机和低温流体压缩设备的频率相同，强化对置双活塞5振荡。
实施例2
参见图2，本实施例中，采用行波热声发动机驱动低温流体压缩设备，包括：加热器1、回热器11、主冷却器12、次冷却器10、谐振管4、导波管13、对置双活塞5、回复弹簧6、入口阀7、出口阀8、压缩缸9。其中，回热器11与热声板叠2的作用相同，整个系统的工作过程与实施例1的驻波热声发动机驱动的低温流体压缩设备相同。
行波热声发动机的冷却器包括主冷却器12和次冷却器10；行波热声发动机的谐振管4为环状，沿环状的谐振管4依次设有主冷却器12、回热器11、加热器1和次冷却器10，环状的谐振管4通过导波管13与对置双活塞5的一端活动连接。压缩缸9的出口阀8连通至行波热声发动机的主冷却器12和次冷却器10内。
低温流体从入口阀7进入低温流体压缩设备的压缩缸9，被由热声发动机驱动的对置双活塞5加压，加压后的低温流体通过出口阀8排出。排出的低温流体引入热声发动机的主冷却器12和次冷却器10中，利用低温流体的显热与潜热为主冷却器12和次冷却器10提供冷量。在加热器1和主冷却器12的温度梯度下，回热器11中的气体工质沿回热器11纵向振荡，产生的振荡经谐振管4和导波管13传递至对置双活塞5处。通过合适的频率匹配，热声发动机和低温流体压缩设备的频率相同，强化对置双活塞5振荡。
实施例3
参见图3，本实施例中，采用行波驻波混合热声发动机驱动低温流体压缩设备，包括：加热器1、回热器11、主冷却器12、次冷却器10、环形反馈回路14、谐振管4、对置双活塞5、回复弹簧6、入口阀7、出口阀8、压缩缸9。其中，回热器11与热声板叠2的作用相同，整个系统的工作过程与实施例1的驻波热声发动机驱动的低温流体压缩设备相同。
行波驻波混合热声发动机的冷却器包括主冷却器12和次冷却器10；行波驻波混合热声发动机的谐振管4为直管状，行波驻波混合热声发动机设有与谐振管4连通的环形反馈回路14，环形反馈回路14上依次设有主冷却器12、回热器11、加热器1和次冷却器10。压缩缸9的出口阀8连通至行波驻波混合热声发动机的主冷却器12和次冷却器10内。
低温流体从入口阀7进入低温流体压缩设备的压缩缸9，被由热声发动机驱动的对置双活塞5加压，加压后的低温流体通过出口阀8排出。排出的低温流体引入热声发动机的主冷却器12和次冷却器10中，利用低温流体的显热与潜热为主冷却器12和次冷却器10提供冷量。在加热器1和主冷却器12的温度梯度下，回热器11中的气体工质沿回热器11纵向振荡，产生的振荡经谐振管4传递至对置双活塞5处。通过合适的频率匹配，热声发动机和低温流体压缩设备的频率相同，强化对置双活塞5振荡。
实施例4
参见图4，本实施例中，采用多级行波热声发动机驱动低温流体压缩设备，包括：加热器1、回热器11、主冷却器12、次冷却器10、谐振管4、导波管13、对置双活塞5、回复弹簧6、入口阀7、出口阀8、压缩缸9。图中所示为四级行波环路，发动机环路内布置了四个间距为1/4波长的行波回热器，每一级行波热声发动机与对应的低温流体压缩设备工作过程与图2所示行波热声发动机驱动的低温流体压缩设备相同。
每一级行波热声发动机的冷却器包括主冷却器12和次冷却器10；每一级行波热声发动机均包括谐振管4和沿谐振管4依次设置的主冷却器12、回热器11、加热器1和次冷却器10；不同级的行波热声发动机通过谐振管4连接成环路；每一级的谐振管4均通过导波管13与一个对置双活塞5的一端连接；每个对置双活塞5的另一端均活动连接在一个低温流体往复式压缩设备的压缩缸9内，压缩缸9的出口阀8连通至对应行波环路的主冷却器12和次冷却器10内。
低温流体从入口阀7进入低温流体压缩设备的压缩缸9，被由热声发动机驱动的对置双活塞5加压，加压后的低温流体通过出口阀8排出。排出的低温流体引入热声发动机的主冷却器12和次冷却器10中，利用低温流体的显热与潜热为主冷却器12和次冷却器10提供冷量。在加热器1和主冷却器12的温度梯度下，回热器11中的气体工质沿回热器11纵向振荡，产生的振荡经导波管13传递至对置双活塞5处。通过合适的频率匹配，热声发动机和低温流体压缩设备的频率相同，强化对置双活塞5振荡。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，包括热声发动机和低温流体往复式压缩设备，其特征在于，所述热声发动机和所述低温流体往复式压缩设备之间设有对置双活塞；所述对置双活塞的一端活动连接在所述低温流体往复式压缩设备的压缩缸内，另一端活动连接至所述热声发动机的谐振管内；所述压缩缸的出口阀连通至所述热声发动机的冷却器内。
2.根据权利要求1所述的由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，其特征在于，所述的热声发动机采用驻波热声发动机，所述驻波热声发动机的谐振管为直管状，所述驻波热声发动机朝谐振管的方向依次设有加热器、热声板叠和冷却器。
3.根据权利要求1所述的由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，其特征在于，所述的热声发动机采用行波热声发动机，所述行波热声发动机的冷却器包括主冷却器和次冷却器；所述行波热声发动机的谐振管为环状，沿环状的谐振管依次设有主冷却器、回热器、加热器和次冷却器，环状的谐振管通过导波管与对置双活塞的一端活动连接；
所述压缩缸的出口阀连通至所述行波热声发动机的主冷却器和次冷却器内。
4.根据权利要求1所述的由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，其特征在于，所述的热声发动机采用行波驻波混合热声发动机，所述行波驻波混合热声发动机的冷却器包括主冷却器和次冷却器；所述行波驻波混合热声发动机的谐振管为直管状，所述的行波驻波混合热声发动机设有与所述谐振管连通的环形反馈回路，所述环形反馈回路上依次设有主冷却器、回热器、加热器和次冷却器；
所述压缩缸的出口阀连通至所述行波驻波混合热声发动机的主冷却器和次冷却器内。
5.根据权利要求1所述的由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，其特征在于，所述的热声发动机包括多级行波热声发动机，每一级行波热声发动机的冷却器包括主冷却器和次冷却器；每一级行波热声发动机均包括谐振管和沿所述谐振管依次设置的主冷却器、回热器、加热器和次冷却器；不同级的行波热声发动机通过谐振管连接成环路；每一级的谐振管均通过导波管与一个对置双活塞的一端连接；
每个对置双活塞的另一端均活动连接在一个低温流体往复式压缩设备的压缩缸内，所述压缩缸的出口阀连通至对应行波环路的主冷却器和次冷却器内。
6.根据权利要求1所述的由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，其特征在于，所述的压缩缸设有用于控制流体流向的入口阀与出口阀。
7.根据权利要求1所述的由热声发动机驱动的低温流体往复式压缩设备，其特征在于，所述的对置双活塞的两端均设有用于活塞复位的复位弹簧。
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