同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统技术方案

一种同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其包括至少三个热声发动机单元；每个热声发动机单元通过谐振管首尾相连构成一个波长长度的环路；每个热声发动机单元包括依次相连的第一室温换热器、第一热缓冲管、冷端换热器、回热器、热端换热器、第二热缓冲管、第二室温换热器和谐振管；每一热声发动机单元的热端换热器与热源相连形成高温端，冷端换热器与冷源相连低温端，回热器上形成温度梯度，在该温度梯度下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度正方向传播并放大：如此循环，使得系统稳定运行；其优点：同时利用冷热温源，增大回热器的温度梯度，大幅提高发动机产生声功能力；此外多级结构相当于多个热声发动机同时工作，结构紧凑。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其包括至少三个热声发动机单元；每个热声发动机单元通过谐振管首尾相连构成一个波长长度的环路；每个热声发动机单元包括依次相连的第一室温换热器、第一热缓冲管、冷端换热器、回热器、热端换热器、第二热缓冲管、第二室温换热器和谐振管；每一热声发动机单元的热端换热器与热源相连形成高温端，冷端换热器与冷源相连低温端，回热器上形成温度梯度，在该温度梯度下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度正方向传播并放大：如此循环，使得系统稳定运行；其优点：同时利用冷热温源，增大回热器的温度梯度，大幅提高发动机产生声功能力；此外多级结构相当于多个热声发动机同时工作，结构紧凑。【专利说明】同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统
本专利技术涉及一种发动机系统，特别是一种同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统。
技术介绍
工业上常常存在着多余冷能和多余热能的情况。冷能方面，如工业副产品液氮、液化天然气等；热能方面，如太阳能、工业余热、烟气废热等，虽然工业上也存在着一些单独利用冷能或热能的技术，但由于这些冷能或热能品位比较低，单独很难得到充分有效的利用。而现有技术在单台设备上同时实现冷、热能的高效利用尚存在较大的困难。热声技术是一种基于热声效应从而实现热能与声功(机械能)之间相互转换的技术，利用热声技术的装置被称为热声装置。根据能量转换方式的不同，通常包括热声发动机、热声制冷机以及热声热泵等。热声装置通常由换热器、回热器以及管段组成，系统中不存在运动部件，因而具有使用寿命长、运行可靠性高等优点。热声装置在工作时通常采用氦气、氮气等惰性气体作为气体工质，对环境友好。根据热声装置中声场的分布，热声装置可分为行波热声热机和驻波热声热机。行波热声热机回热器内部的热力循环基于可逆的斯特林循环，相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言具有内禀效率高等优点。因此行波热声热机具有更为广泛的应用前景。多级行波热声发动机包含了多个热声发动机单元，除上述优点外还具有功率密度高的特点，适合于大功率场合。专利W02010107308A1公布了一种声学共振型的多级行波热声发动机系统，如图1所不。该系统包括第一室温换热器1、回热器4、热端换热器5和谐振管8 ;热端换热器5吸收热量，第一室温换热器I放出热量，在回热器4两端构建温度差，使回热器4内存在温度梯度；在该温度梯度的作用下，回热器4将热能转化成声功；该申请中公布的声学共振型行波热声发动机利用了低品位热源，由于温度较低并没有使用热缓冲管；如果将该系统中的第一室温换热器I与冷源直接接触，由于没有热缓冲管的作用，冷量会大量损耗在谐振管中；如果将该系统中的热端换热器5与温度较高的热源接触，由于没有热缓冲管的作用，热量会大量损耗在谐振管中；由此可见，现有的声学共振型行波热声发动机无法同时实现冷源与热源的有效利用。本申请正是基于以上声学共振型多级行波热声发动机存在的问题，提出一种新型同时利用冷热源的多级行波热声发动机，其可以同时利用冷源和热源；此外，由于冷、热源同时存在，可使回热器两端绝对温度之比大幅提高，从而在基本不增加系统复杂度的基础上，使得声学共振型多级行波热声发动机性能较之单热源发动机可以得到大幅提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有声学共振型多级行波热声发动机无法同时利用冷源与热源的问题，提供一种同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其优点在于热端可以利用低品位热源，冷端可以利用多余冷能，提高了能源的利用率；同时，由于回热器两端绝对温度之比的大幅提闻，可使在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提闻了现有声学共振型多级行波热声发动机的性能。本专利技术的技术方案如下:本专利技术的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其包括:至少三个热声发动机单元，所述至少三个热声发动机单元的每个热声发动机单元通过谐振管8首尾相连构成一个波长长度的环路；所述至少三个热声发动机单元的每个热声发动机单元包含依次相连的第一室温换热器、回热器和热端换热器；其特征在于，还包括依次连接于所述第一室温换热器上的第一热缓冲管和冷端换热器，冷端换热器与回热器相连；以及依次连接于所述热端换热器上的第二热缓冲管和第二室温换热器，第二室温换热器与谐振管相连；所述每个热声发动机单元的谐振管一端与该级热声发动机单元的第二室温换热器相连，另一端与下一级热声发动机单元的第一室温换热器相连，该级热声发动机单元的第一室温换热器的另一端通过谐振管与上一级热声发动机单元的第二室温换热器相连形成所述的一个波长长度的环路结构；所述每一热声发动机单元的热端换热器与一热源相连，吸收热源的热量形成高温端；所述每一热声发动机单元的冷端换热器与一冷源相连，吸收冷源的冷量形成低温端，在该热声发动机单元的回热器上形成温度梯度；该回热器在该温度梯度下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播:该热声发动机单元回热器中所产生的声功依次经过该热声发动机单元的热端换热器、第二热缓冲管和第二室温换热器，再经谐振管传递到下一级热声发动机单元；在下一级热声发动机单元中依次经第一室温热器、第一热缓冲管和冷端换热器后传递至该级热声发动机单元的回热器，在该级热声发动机单元的回热器温度梯度下声功再一次被放大，由此回热器流出的声功经该级热声发动机单元的热端换热器、第二热缓冲管和第二室温换热器后再由谐振管向下一级热声发动机单元传递；如此循环，使得利用冷、热源的声学共振型多级行波热声发动机系统稳定运行之中。所述谐振管等长或不等长。本专利技术的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其优点在于:可同时利用冷、热两种温源，增大了回热器高低温端的温比，提高了发动机产生声功的能力；并通过增加冷侧室温换热器和冷侧热缓冲管，减少了冷能的损失，通过增加热侧室温换热器和热侧热缓冲管，减少了热能的损失，从而提高了效率。与现有的声学共振型多级行波热声发动机相比，一方面可以利用多余的冷能，提高能源的利用率，并增大回热器高低温端的温比，提高发动机性能；另一方面新的结构设计可以减少冷能的损失，在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提闻了热声发动机的性能。【专利附图】【附图说明】图1为现有的声学共振型多级行波热声发动机系统结构示意图；图2为本专利技术的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统(实施例1)结构示意图；图3为本专利技术的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统统(实施例2)结构示意图；图4为本专利技术的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统(实施例3)结构示意图；图5为本专利技术的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统(实施例4)结构示意图。【具体实施方式】本专利技术在充分利用一些场合多余冷源的基础上，又解决了低品位热源的利用问题，而冷源和热源的同时利用可以增大回热器高低温端的温比，提高回热器产生声功的能力，增大系统的发电量；同时本专利技术的结构可减少冷能损失，大大提高热声发电系统的性能，具有广阔的应用前景。下面通过附图及实施例进一步描述本专利技术。实施例1:图2为本专利技术的同时利用冷热源的声学共振型多级(四级)行波热声发动机系统(实施例1)结构示意图。如图2所示，本实施例的同时利用冷热源的声学共振型多级行波热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统，其包括：至少三个热声发动机单元，所述至少三个热声发动机单元的每个热声发动机单元通过谐振管首尾相连构成一个波长长度的环路；所述至少三个热声发动机单元的每个热声发动机单元包含依次相连的第一室温换热器、回热器和热端换热器；其特征在于，还包括依次连接于所述第一室温换热器上的第一热缓冲管和冷端换热器，冷端换热器与回热器相连；以及依次连接于所述热端换热器上的第二热缓冲管和第二室温换热器，第二室温换热器与谐振管相连；所述每个热声发动机单元的谐振管一端与该级热声发动机单元的第二室温换热器相连，另一端与下一级热声发动机单元的第一室温换热器相连，该级热声发动机单元的第一室温换热器的另一端通过谐振管与上一级热声发动机单元的第二室温换热器相连形成所述的一个波长长度的环路结构；所述每一热声发动机单元的热端换热器与一热源相连，吸收热源的热量形成高温端；所述每一热声发动机单元的冷端换热器与一冷源相连，吸收冷源的冷量形成低温端，在该热声发动机单元的回热器上形成温度梯度；该回热器在该温度梯度下将热能转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播：该热声发动机单元回热器中所产生的声功依次经过该热声发动机单元的热端换热器、第二热缓冲管和第二室温换热器，再经谐振管传递到下一级热声发动机单元；在下一级热声发动机单元中依次经第一室温热器、第一热缓冲管和冷端换热器后传递至该级热声发动机单元的回热器，在该级热声发动机单元的回热器温度梯度下声功再一次被放大，由此回热器流出的声功经该级热声发动机单元的热端换热器、第二热缓冲管和第二室温换热器后再由谐振管向下一级热声发动机单元传递；如此循环，使得利用冷、热源的声学共振型多级行波热声发动机系统稳定运行之中。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴张华，张丽敏，张爽，罗二仓，戴巍，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11