RU2809514C1 - Method for supplying and removing heat in thermoacoustic engine and device for its implementation - Google Patents

Method for supplying and removing heat in thermoacoustic engine and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2809514C1
RU2809514C1 RU2022121602A RU2022121602A RU2809514C1 RU 2809514 C1 RU2809514 C1 RU 2809514C1 RU 2022121602 A RU2022121602 A RU 2022121602A RU 2022121602 A RU2022121602 A RU 2022121602A RU 2809514 C1 RU2809514 C1 RU 2809514C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
turbine
pulsation
heat exchanger
thermoacoustic
thermoacoustic engine
Prior art date
Application number
RU2022121602A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Иванович Довгялло
Артем Андреевич Шиманов
Дмитрий Александрович Угланов
Юлия Витальевна Комисар
Original Assignee
Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) filed Critical Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет)
Application granted granted Critical
Publication of RU2809514C1 publication Critical patent/RU2809514C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: thermoacoustic power generators.
SUBSTANCE: invention is related to thermoacoustic engines that convert thermal energy into energy of an acoustic wave and then into electricity. The invention can be used in rocket and space technology, solar energy and energy saving. The thermoacoustic engine works as follows. Heat is removed and supplied to the working fluid (gas) located inside the resonator 7 using a cold heat exchanger 1 and a hot heat exchanger 3. In regenerator 2, the necessary temperature distribution with the corresponding gradient is formed and the thermoacoustic effect of converting heat into wave energy is realized. Next, the kinetic energy of the oscillating gas on the impeller of the pulsation turbine 5 is converted into mechanical work and, with the help of an electric generator 6 located in the casing of the impeller of the turbine 6, into electricity. The guide apparatus of the pulsation turbine 4 performs the function of a secondary cold heat exchanger 8, that is, it removes the body in the thermoacoustic engine, preventing the resonator cavity from being heated by the hot heat exchanger 3. Moreover, heat removal can be carried out by both the input and output guide vanes of the pulsation turbine 4.
EFFECT: solution to these technical problems in the proposed invention will reduce the hydraulic and acoustic resistance in the circuit of the thermoacoustic engine, increase its thermodynamic efficiency by combining the functions of the heat exchanger and the guide vane of the pulsation turbine, and thereby simplify the design of the thermoacoustic engine.
2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к термоакустическим генераторам мощности, а именно к термоакустическим двигателям, преобразующим тепловую энергию в энергию акустической волны и далее в электроэнергию. Изобретение может быть использовано в ракетно-космической технике, гелиоэнергетике и энергосбережении.The invention relates to thermoacoustic power generators, namely to thermoacoustic engines that convert thermal energy into the energy of an acoustic wave and then into electricity. The invention can be used in rocket and space technology, solar energy and energy saving.

Известен одноступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной, включающий резонатор в виде закольцованной трубы и ступень, усиливающую акустические колебания, состоящую из горячего и холодного теплообменников и регенератора между ними (Ceperley P.Н. A pistonless Stirling engine - the traveling wave heat engine // J. Acoust. Soc. Am. 1979. Vol. 66, №5. P. 1508-1513. DOI: https://doi.org 10.112/1.383505). При увеличении разности температур между теплообменниками усиление в регенераторе становиться больше, чем затухание при прохождении волны через остальные элементы и происходит самозапуск двигателя. Данная конструкция имеет недостаточную эффективность вследствие потерь на трение по причине высокой колебательной скорости газа в регенераторе. К тому же в данном двигателе наличие разности фаз между давлением и скоростью газа в зоне регенератора приводит к дополнительным потерям.A single-stage thermoacoustic engine with a traveling wave is known, including a resonator in the form of a looped pipe and a stage that amplifies acoustic vibrations, consisting of hot and cold heat exchangers and a regenerator between them (Ceperley P.H. A pistonless Stirling engine - the traveling wave heat engine // J Acoust Soc. Am. 1979. Vol. 66, No. 5. P. 1508-1513. DOI: https://doi.org 10.112/1.383505). As the temperature difference between the heat exchangers increases, the gain in the regenerator becomes greater than the attenuation when the wave passes through the remaining elements and the engine self-starts. This design has insufficient efficiency due to friction losses due to the high oscillatory velocity of the gas in the regenerator. In addition, in this engine, the presence of a phase difference between the pressure and gas velocity in the regenerator zone leads to additional losses.

Известен способ шумоглушения и устройство для утилизации акустической энергии в выхлопных системах энергетических установок (Патент RU 2626192, опубл. 24.07.2017 г.). Согласно способу, основанному на принципе снижения уровня акустической мощности осциллирующего потока газа в выхлопной системе, акустическая волновая энергия, в выхлопной системе двигателя или в выпускной магистрали сжатого газа компрессора направляется в специально организованные акустические тракты, содержащие, по крайней мере, одну пульсационную турбину, которая, преобразуя акустическую энергию осциллирующего газового потока в механическую и далее в электрическую энергию, отбирает часть общей акустической энергии от газа в выхлопной системе энергетической установки, в результате чего снижается уровень акустического давления в выпускном трубопроводе энергетической установки и, таким образом, реализуют двойной положительный эффект: шумоглушение и получение дополнительной энергии.There is a known method of noise suppression and a device for utilizing acoustic energy in exhaust systems of power plants (Patent RU 2626192, published on July 24, 2017). According to the method, based on the principle of reducing the level of acoustic power of an oscillating gas flow in the exhaust system, acoustic wave energy in the engine exhaust system or in the compressed gas exhaust line of a compressor is directed into specially organized acoustic paths containing at least one pulsation turbine, which , converting the acoustic energy of an oscillating gas flow into mechanical and then into electrical energy, selects part of the total acoustic energy from the gas in the exhaust system of the power plant, as a result of which the level of acoustic pressure in the exhaust pipeline of the power plant decreases and, thus, realizes a double positive effect: noise reduction and additional energy generation.

Известен вариант четырехступенчатого термоакустического двигателя с бегущей волной, каждая ступень которого включает в себя холодный и горячий теплообменники и регенератор между ними, термальную буферную трубку, вторичный холодный теплообменник, нагрузка и резонатор (Горшков И.Б., Петров В.В. Численное моделирование кольцевого четырехступенчатого термоакустического двигателя с бегущей волной // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2018. Т. 18, вып. 4. С. 285-296. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2018-18-4-285-296). Вторичный холодный теплообменник установлен для того, чтобы не допустить прогрева полости резонатора горячим теплообменником, что может привести к увеличению потерь. В термоакустических двигателях в качестве нагрузки может использоваться линейный электрогенератор или электрогенератор на базе пульсационной турбины.There is a known version of a four-stage thermoacoustic engine with a traveling wave, each stage of which includes cold and hot heat exchangers and a regenerator between them, a thermal buffer tube, a secondary cold heat exchanger, a load and a resonator (Gorshkov I.B., Petrov V.V. Numerical modeling of an annular four-stage thermoacoustic engine with a traveling wave // Izvestia Saratov University, Nov. Ser. Ser. Physics. 2018. T. 18, issue 4. P. 285-296. https://doi.org/10.18500/ 1817-3020-2018-18-4-285-296). A secondary cold heat exchanger is installed to prevent the resonator cavity from being heated by a hot heat exchanger, which can lead to increased losses. In thermoacoustic engines, a linear electric generator or an electric generator based on a pulsation turbine can be used as a load.

Данный четырехступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной и способ его работы приняты в качестве прототипа к изобретению.This four-stage thermoacoustic traveling wave engine and its method of operation are adopted as a prototype for the invention.

Недостатком прототипа является сложность конструкции и увеличение гидравлических сопротивлений вследствие установки вторичного теплообменника и наличия нагрузки.The disadvantage of the prototype is the complexity of the design and the increase in hydraulic resistance due to the installation of a secondary heat exchanger and the presence of load.

Технической задачей, на которое направлено предлагаемое изобретение, является повышение термодинамической эффективности в термоакустическом двигателе за счет упрощения его конструкции, снижения гидравлических и акустических сопротивлений в контуре термоакустического двигателя.The technical problem to which the present invention is aimed is to increase the thermodynamic efficiency in a thermoacoustic engine by simplifying its design, reducing hydraulic and acoustic resistance in the thermoacoustic engine circuit.

Конструктивным решением, обеспечивающим достижение данной технической задачи, является объединение функции теплообменника и направляющего аппарата пульсационной турбины. Теплообменники конструктивно представляют собой набор пластин. Направляющие аппараты пульсационной турбины представляют собой также наборы тонких профилей (лопаток) с эквидистантно расположенными друг относительно друга поверхностями. При этом направляющий аппарат пульсационной турбины по количеству лопаток и их суммарной поверхности может быть выполнен таким, чтобы кроме организации движения газового потока обеспечить необходимый подвод, либо отвод тепла, то есть выполнить функцию теплообменника.A design solution that ensures the achievement of this technical task is to combine the functions of the heat exchanger and the guide vane of the pulsation turbine. Heat exchangers are structurally a set of plates. The guide vanes of a pulsation turbine are also sets of thin profiles (blades) with surfaces equidistantly located relative to each other. In this case, the guide apparatus of the pulsation turbine, based on the number of blades and their total surface, can be designed in such a way that, in addition to organizing the movement of the gas flow, it can provide the necessary supply or removal of heat, that is, perform the function of a heat exchanger.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом термоакустическом двигателе, содержащем холодный и горячий теплообменники, регенератор между ними, резонатор, согласно изобретению, за горячим теплообменником в направлении распространения акустической волны установлена пульсационная турбина, при этом неподвижные лопатки входного и выходного направляющих аппаратов пульсационной турбины выполнены за одно с их корпусами, снаружи которых сформированы проточные камеры для подачи теплоносителя для отвода тепла, а сами корпуса направляющих аппаратов и корпус рабочего колеса выполнены отдельно, причем электрогенератор размещен в корпусе рабочего колеса турбины.The problem is solved due to the fact that in the proposed thermoacoustic engine containing cold and hot heat exchangers, a regenerator between them, a resonator, according to the invention, a pulsation turbine is installed behind the hot heat exchanger in the direction of propagation of the acoustic wave, with fixed blades of the input and output guide vanes of the pulsation the turbines are made integral with their casings, outside of which flow chambers are formed for supplying coolant to remove heat, and the casings of the guide vanes themselves and the impeller housing are made separately, and the electric generator is located in the turbine impeller casing.

Кроме того, лопатки входного и выходного направляющих аппаратов пульсационной турбины спрофилированы таким образом, чтобы они выполняли функцию пневмодиода - подавления циркуляционных потоков газа.In addition, the blades of the input and output guide vanes of the pulsation turbine are profiled in such a way that they perform the function of a pneumatic diode - suppressing circulating gas flows.

Сущность предложенных технических решений поясняется чертежами, где:The essence of the proposed technical solutions is illustrated by drawings, where:

- на Фиг. 1 представлена схема предлагаемого термоакустического двигателя;- in Fig. 1 shows a diagram of the proposed thermoacoustic engine;

- на Фиг. 2 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины выполняет функцию холодного теплообменника для отвода тепла в термоакустическом двигателе;- in Fig. 2 shows a design option where the guide vane of a pulsation turbine performs the function of a cold heat exchanger for heat removal in a thermoacoustic engine;

- на Фиг. 3 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины выполняет функцию горячего теплообменника для подвода тепла в термоакустическом двигателе, работающего на отрицательных температурных уровнях;- in Fig. 3 shows a design option where the guide vane of a pulsation turbine performs the function of a hot heat exchanger for supplying heat to a thermoacoustic engine operating at negative temperature levels;

- на Фиг. 4 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины выполняет функцию горячего теплообменника для подвода тепла в термоакустическом двигателе, работающего на положительных температурных уровнях.- in Fig. 4 shows a design option where the guide vane of a pulsation turbine acts as a hot heat exchanger for supplying heat to a thermoacoustic engine operating at positive temperature levels.

Термоакустический двигатель содержит холодный теплообменник 1, регенератор 2, горячий теплообменник 3, направляющий аппарат пульсационной турбины 4, рабочее колесо пульсационной турбины 5, электрогенератор 6, резонатор 7.The thermoacoustic engine contains a cold heat exchanger 1, a regenerator 2, a hot heat exchanger 3, a pulsation turbine guide vane 4, a pulsation turbine impeller 5, an electric generator 6, and a resonator 7.

Термоакустический двигатель работает следующим образом. К рабочему телу (газу), находящемуся внутри резонатора 7 с помощью холодного теплообменника 1 и горячего теплообменника 3 отводится или подводится тепло. В регенераторе 2 формируется необходимое распределение температуры с соответствующим градиентом и реализуется термоакустический эффект преобразования тепла в энергию волны. Далее кинетическая энергия осциллирующего газа на рабочем колесе пульсационной турбины 5 преобразуется в механическую работу и с помощью электрогенератора 6, размещенного в неподвижном корпусе турбины 6, в электроэнергию. На Фиг. 1 направляющий аппарат пульсационной турбины 4 выполняет функцию вторичного холодного теплообменника 8, то есть осуществляет отвод тела в термоакустическом двигателе, чтобы не допустить прогрева полости резонатора горячим теплообменником 3. Причем отвод тепла может осуществляться как входным, так и выходным направляющим аппаратов пульсационной турбины 4.The thermoacoustic engine works as follows. Heat is removed or supplied to the working fluid (gas) located inside the resonator 7 using a cold heat exchanger 1 and a hot heat exchanger 3. In regenerator 2, the necessary temperature distribution with the corresponding gradient is formed and the thermoacoustic effect of converting heat into wave energy is realized. Next, the kinetic energy of the oscillating gas on the impeller of the pulsation turbine 5 is converted into mechanical work and, with the help of an electric generator 6 located in the stationary housing of the turbine 6, into electricity. In FIG. 1, the guide vane of the pulsation turbine 4 performs the function of a secondary cold heat exchanger 8, that is, it removes the body in the thermoacoustic engine in order to prevent the resonator cavity from being heated by the hot heat exchanger 3. Moreover, heat removal can be carried out by both the input and output guide vanes of the pulsation turbine 4.

На Фиг. 2 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины 4 выполняет функцию холодного теплообменника 1 для отвода тепла на входе в регенератор в термоакустического двигателя. То есть подвод тепла осуществляется в горячем теплообменнике 3, а отвод тепла лопатками выходного направляющего аппарата пульсационной турбины 4. В регенераторе 2 формируются необходимое распределение температуры и генерация волны.In FIG. 2 shows a design option where the guide vane of the pulsation turbine 4 performs the function of a cold heat exchanger 1 to remove heat at the inlet of the regenerator in a thermoacoustic engine. That is, heat is supplied in the hot heat exchanger 3, and heat is removed by the blades of the output guide vane of the pulsation turbine 4. In the regenerator 2, the necessary temperature distribution and wave generation are formed.

На Фиг. 3 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины 4 выполняет функцию «условно» горячего теплообменника 3 для подвода тепла на выходе из регенератора в термоакустическом двигателе.In FIG. Figure 3 shows a design option where the guide vane of the pulsation turbine 4 performs the function of a “conditionally” hot heat exchanger 3 for supplying heat at the outlet of the regenerator in a thermoacoustic engine.

Так как работоспособность пульсационной турбины объективно ограничивается температурным уровнем материалов, то желательно, чтобы уровень температуры на пульсационной турбине не превышал допустимого. Выполнение условий допустимых температур может иметь место, например, при утилизации низкопотенциального тепла (холода) криогенной жидкости при ее регазификации для отвода тепла от термоакустического двигателя и использовании внешнего тепла окружающей среды или другого вторичного тела промышленных выбросов для подвода тепла в термоакустическом двигателе, то есть во входном направляющем аппарате пульсационной турбины 4.Since the performance of a pulsation turbine is objectively limited by the temperature level of the materials, it is desirable that the temperature level at the pulsation turbine does not exceed the permissible level. The fulfillment of permissible temperature conditions can occur, for example, when utilizing low-potential heat (cold) of a cryogenic liquid during its regasification to remove heat from a thermoacoustic engine and using external heat from the environment or another secondary body of industrial emissions to supply heat to a thermoacoustic engine, that is, in inlet guide vane of the pulsation turbine 4.

На Фиг. 4 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины 4 выполняет функцию горячего теплообменника 3 для подвода тепла в термоакустическом двигателе, работающего на положительных температурных уровнях. То есть в холодном теплообменнике 1 и вторичном холодном теплообменнике 8 осуществляется отвод тепла, а подвод тепла обеспечивается входным направляющим аппаратов пульсационной турбины 4 от окружающей среды или других источников тепла.In FIG. 4 shows a design option where the guide vane of the pulsation turbine 4 performs the function of a hot heat exchanger 3 for supplying heat to a thermoacoustic engine operating at positive temperature levels. That is, in the cold heat exchanger 1 and the secondary cold heat exchanger 8, heat is removed, and the heat supply is provided by the input guide devices of the pulsation turbine 4 from the environment or other heat sources.

Решение указанных технических задач в предлагаемом изобретении позволит снизить гидравлические и акустические сопротивления в контуре термоакустического двигателя, повысить его термодинамическую эффективность за счет объединения функции теплообменника и направляющего аппарата пульсационной турбины, и тем самым упростить конструкцию термоакустического двигателя.The solution to these technical problems in the proposed invention will reduce the hydraulic and acoustic resistance in the circuit of the thermoacoustic engine, increase its thermodynamic efficiency by combining the functions of the heat exchanger and the guide vane of the pulsation turbine, and thereby simplify the design of the thermoacoustic engine.

Claims (2)

1. Термоакустический двигатель, содержащий холодный и горячий теплообменники и регенератор между ними, резонатор, отличающийся тем, что за горячим теплообменником в направлении распространения акустической волны установлена пульсационная турбина, при этом неподвижные лопатки входного и выходного направляющих аппаратов пульсационной турбины выполнены за одно с их корпусами, снаружи которых сформированы проточные камеры для подачи теплоносителя для отвода тепла, а сами корпуса направляющих аппаратов и корпус рабочего колеса выполнены отдельно, причем электрогенератор размещен в корпусе рабочего колеса турбины.1. A thermoacoustic engine containing cold and hot heat exchangers and a regenerator between them, a resonator, characterized in that a pulsation turbine is installed behind the hot heat exchanger in the direction of propagation of the acoustic wave, while the fixed blades of the input and output guide vanes of the pulsation turbine are made integral with their housings , outside of which flow chambers are formed for supplying coolant to remove heat, and the housings of the guide vanes and the impeller housing themselves are made separately, and the electric generator is located in the turbine impeller housing. 2. Термоакустический двигатель по п. 2, отличающийся тем, что лопатки входного и выходного направляющих аппаратов пульсационной турбины спрофилированы таким образом, чтобы они выполняли функцию пневмодиода - подавления циркуляционных потоков газа.2. Thermoacoustic engine according to claim 2, characterized in that the blades of the input and output guide vanes of the pulsation turbine are profiled in such a way that they perform the function of a pneumatic diode - suppressing circulating gas flows.
RU2022121602A 2022-08-08 Method for supplying and removing heat in thermoacoustic engine and device for its implementation RU2809514C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2809514C1 true RU2809514C1 (en) 2023-12-12

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2578387C2 (en) * 2014-05-27 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Gas turbine plant blades cooling device
RU166131U1 (en) * 2015-10-06 2016-11-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) THERMAL-ACOUSTIC ENGINE
RU2614316C1 (en) * 2016-02-24 2017-03-24 Публичное акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (ПАО "Силовые машины") Last stage of steam turbine
RU2689502C1 (en) * 2015-09-17 2019-05-28 Саундэнерджи Б.В. Thermoacoustic energy conversion system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2578387C2 (en) * 2014-05-27 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Gas turbine plant blades cooling device
RU2689502C1 (en) * 2015-09-17 2019-05-28 Саундэнерджи Б.В. Thermoacoustic energy conversion system
RU166131U1 (en) * 2015-10-06 2016-11-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) THERMAL-ACOUSTIC ENGINE
RU2614316C1 (en) * 2016-02-24 2017-03-24 Публичное акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (ПАО "Силовые машины") Last stage of steam turbine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2406876C2 (en) Improved multi-stage compressor
CN107683366B (en) Waste heat recovery simple cycle system and method
RU2809514C1 (en) Method for supplying and removing heat in thermoacoustic engine and device for its implementation
Irfan et al. Computational study on thermoacoustic heat engine for proposing a new method renewable technique
Kusterer et al. Helium Brayton cycles with solar central receivers: thermodynamic and design considerations
US10947926B1 (en) Devices, systems, and methods for generating power
Kusterer et al. Comparative study of solar thermal Brayton cycles operated with helium or argon
WO2020139128A1 (en) Method for converting thermal energy
Hasuike et al. Test plan and preliminary test results of a bench scale closed cycle gas turbine with super-critical CO2 as working fluid
CN113137779B (en) Combined cooling heating and power system without moving parts
Johnson et al. Design and Off‐Design Performance of 100 kWe‐Class Brayton Power Conversion Systems
Vadlamudi et al. Influence of different steam cooling techniques for high pressure turbine blades on the performance of gas turbine
RU2785857C1 (en) Gas turbine plant
Qin et al. Key parameters and influence analysis of Marine S-CO 2 Brayton cycle power generation system under off-design conditions
Soufi et al. A new Rankine cycle for hydrogen-fired power generation plants and its exergetic efficiency
Mariscal-Hay et al. Electrical generation from thermal solar energy using a turbocharger with the brayton thermodynamic cycle
RU97121547A (en) METHOD FOR OPERATING POWER INSTALLATION AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION
RU132840U1 (en) GAS TURBINE INSTALLATION
RU2785183C1 (en) Solar hybrid gas-turbine power plant
RU2790904C1 (en) Closed loop combined air motor system with natural heat supply
Koura Thermodynamics II PCE 320
US11519426B2 (en) Pressurizing device, carbon dioxide cycle plant, and combined cycle plant
RU2494481C1 (en) Nuclear power plant of space vehicle
RU2391516C2 (en) Steam-gas installation
RU2704380C1 (en) Solar power plant