CN115031443B - 多级热声热驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热驱动热机技术领域，提供一种多级热声热驱动系统，包括发动机、声学谐振管、一级制冷单元和二级制冷单元，声学谐振管与发动机的第一压缩腔相连通，一级制冷单元设置于声学谐振管上，二级制冷单元与声学谐振管远离发动机的一端相连通。通过发动机配合声学谐振管来使一级制冷单元和二级制冷单元能产生冷量，所产生的冷量便可对液化气体进行分级制冷，可以大幅度减小换热机构与液化气体之间的不可逆换热损失，从而提升系统效率，满足不同浓度离网天然气矿井的开采需求。
Description
技术领域
本发明涉及热驱动热机技术领域，尤其涉及一种多级热声热驱动系统。
背景技术
热驱动系统在电能缺乏的特殊场合具有较好的应用前景，例如应用于煤层气、页岩气等非常规天然气的开采和运输，在这样的应用环境中，热驱动系统能高效地开发利用这些气体，有效缓解能源紧张和温室效应的问题。
液化是一个变温过程，存在显著的显热和潜热效应，现有的热声热驱动系统架构均将制冷机与外界换热视为一个等温过程，液化天然气与换热器存在较大的温差，导致不可逆换热损失加大，制约着系统性能的提升。
发明内容
本发明提供一种多级热声热驱动系统，用以解决现有技术中液化天然气与换热器存在较大的温差，导致不可逆换热损失加大的技术问题，以大幅减小换热器与液化气体的不可逆换热损失，提高系统效率。
本发明提供一种多级热声热驱动系统，包括：
发动机；
声学谐振管，与所述发动机的第一压缩腔相连通；
一级制冷单元，设置于所述声学谐振管；
二级制冷单元，与所述声学谐振管远离所述发动机的一端相连通。
根据本发明提供的一种多级热声热驱动系统，所述发动机包括第一缸体、第一排出器、第一吸热换热器、第一回热器和第一放热换热器，所述第一排出器设置于所述第一缸体内，所述第一排出器将所述第一缸体分隔为第一膨胀腔和第一压缩腔，沿所述第一膨胀腔至所述第一压缩腔的方向，所述第一吸热换热器、所述第一回热器和所述第一放热换热器依次安装于所述第一缸体的内表面。
根据本发明提供的一种多级热声热驱动系统，所述发动机还包括第一架体，所述第一架体设置于所述第一缸体内，所述第一排出器滑动安装于所述第一架体，所述第一架体设有若干第一导气孔。
根据本发明提供的一种多级热声热驱动系统，所述第一吸热换热器、所述第一回热器和所述第一放热换热器内的导气通道依次连通，所述第一吸热换热器的导气通道与所述第一膨胀腔相连通，所述第一放热换热器的导气通道与所述第一压缩腔相连通。
根据本发明提供的一种多级热声热驱动系统，所述一级制冷单元包括第二放热换热器、第二回热器和第二吸热换热器，沿所述发动机至所述二级制冷单元的方向，所述第二放热换热器、所述第二回热器和所述第二吸热换热器依次相连的设置于所述声学谐振管的外表面；
其中，所述第二放热换热器、所述第二回热器和所述第二吸热换热器内的导气通道依次连通，所述第二放热换热器的导气通道和所述第二吸热换热器的导气通道分别通过第一变径管和第二变径管与所述声学谐振管相连通。
根据本发明提供的一种多级热声热驱动系统，所述二级制冷单元包括第二缸体、第二排出器、第三放热换热器、第三回热器和第三吸热换热器，所述第二排出器设置于所述第二缸体内，所述第二排出器将所述第二缸体分隔为第二膨胀腔和第二压缩腔，沿所述第二压缩腔至所述第二膨胀腔的方向，所述第三放热换热器、所述第三回热器和所述第三吸热换热器依次安装于所述第二缸体的内表面；
其中，所述声学谐振管与所述第二压缩腔相连通。
根据本发明提供的一种多级热声热驱动系统，所述二级制冷单元还包括第二架体，所述第二架体设置于所述第二缸体内，所述第二排出器滑动安装于所述第二架体，所述第二架体设有若干第二导气孔。
根据本发明提供的一种多级热声热驱动系统，所述第三放热换热器、所述第三回热器和所述第三吸热换热器内的导气通道依次连通，所述第三放热换热器的导气通道与所述第二压缩腔相连通，所述第三吸热换热器的导气通道与所述第二膨胀腔相连通。
根据本发明提供的一种多级热声热驱动系统，还包括：直线电机，所述直线电机设置于所述声学谐振管，且位于所述发动机和所述一级制冷单元之间。
根据本发明提供的一种多级热声热驱动系统，所述直线电机内设有外定子组件、内定子组件和动子组件，所述动子组件设置于所述外定子组件和所述内定子组件之间，且所述外定子组件、所述内定子组件和所述动子组件将所述直线电机的内部分隔为前腔和背腔，所述前腔与所述声学谐振管相连通。
本发明实施例提供的多级热声热驱动系统，通过发动机配合声学谐振管来使一级制冷单元和二级制冷单元能产生冷量，所产生的冷量便可对液化气体进行分级制冷，可以大幅度减小换热机构与液化气体之间的不可逆换热损失，从而提升系统效率，满足不同浓度离网天然气矿井的开采需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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以简单地介绍，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是本发明提供的多级热声热驱动系统的剖面图之一；
图2是本发明提供的多级热声热驱动系统的剖面图之二。
附图标记：
1、发动机；2、直线电机；3、声学谐振管；4、一级制冷单元；5、二级制冷单元；6、第一膨胀腔；7、第一吸热换热器；8、第一排出器；9、第一回热器；10、第一放热换热器；11、第一压缩腔；12、前腔；13、动子组件；14、内定子组件；15、外定子组件；16、背腔；17、第二放热换热器；18、第二回热器；19、第二吸热换热器；20、第二压缩腔；21、第三放热换热器；22、第三回热器；23、第二排出器；24、第三吸热换热器；25、第二膨胀腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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“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。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实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1-图2描述本发明的多级热声热驱动系统，该多级热声热驱动系统包括发动机1、声学谐振管3、一级制冷单元4和二级制冷单元5，其中，声学谐振管3与发动机1的第一压缩腔11相连通，一级制冷单元4设置于声学谐振管3上，二级制冷单元5与声学谐振管3远离发动机1的一端相连通。
在本实施例中，通过发动机1配合声学谐振管3来使一级制冷单元4和二级制冷单元5能产生冷量，所产生的冷量便可对液化气体进行分级制冷，可以大幅度减小换热机构与液化气体之间的不可逆换热损失，从而提升系统效率，满足不同浓度离网天然气矿井的开采需求。
可以理解的是，发动机1配合声学谐振管3来使一级制冷单元4和二级制冷单元5能产生冷量后将一级制冷单元4和二级制冷单元5作为冷头来对外部的液化气体进行分级制冷，通过分级制冷的方式可以使液化气体具有两个冷却温度，以减小制冷机构(换热机构)与液化气体之间的温差，可以大幅度减小制冷单元与液化气体之间的不可逆换热损失，从而提升系统效率，满足不同浓度离网天然气矿井的开采需求。
其中，声学谐振管3为等径管、变径管、组合管中的任一种，声学谐振管3的截面形状可以为圆形或椭圆形，声学谐振管3的外观形状可以为直管或弯管，声学谐振管3的外侧与空气接触换热或包裹液体冷却套。
根据本发明提供的多级热声热驱动系统，发动机1为自由活塞斯特林发动机1，具体包括第一缸体、第一排出器8、第一吸热换热器7、第一回热器9和第一放热换热器10，第一排出器8设置于第一缸体内，第一排出器8将第一缸体分隔为第一膨胀腔6和第一压缩腔11，沿第一膨胀腔6至第一压缩腔11的方向，第一吸热换热器7、第一回热器9和第一放热换热器10依次安装于第一缸体的内表面。
第一吸热换热器7(可以向外界吸热)、第一回热器9和第一放热换热器10(可以向外界吸热)设置于第一缸体的内表面，位于第一缸体的腔体边缘，第一吸热换热器7和第一放热换热器10之间的高温热源和低温冷源进行热量交换，使得第一回热器9内部产生一定的温度梯度，在第一回热器9内部声功被放大，放大后的声功传递到第一膨胀腔6内，便可推动第一排出器8(也即活塞)往复运动，以使工质气体能从第一压缩腔11进入到声学谐振管3中，部分声功将回到第一放热换热器10中完成循环。
发动机1还包括第一架体，第一架体设置于第一缸体内，第一排出器8滑动安装于第一架体，第一架体设有若干第一导气孔。如图1和图2所示，第一架体的截面可以设置为“T”字形，具体的，第一架体包括一体成型的板件和杆件，板件的边缘固定于第一缸体的内表面，杆件与板件垂直相连，杆件形成第一排出器8的滑轨，以使第一排出器8能沿杆件进行往复运动，前述的第一导气孔设置于板件上，从而确保工质气体能在第一压缩腔11处进行压缩，且确保工质气体在板件两侧的流通。
第一吸热换热器7、第一回热器9和第一放热换热器10内的导气通道依次连通，第一吸热换热器7的导气通道与第一膨胀腔6相连通，第一放热换热器10的导气通道与第一压缩腔11相连通。以实现第一排出器8的往复运动以及部分声功能够回到第一放热换热器10中进行循环。
根据本发明提供的多级热声热驱动系统，一级制冷单元4为热声制冷机，具体包括第二放热换热器17、第二回热器18和第二吸热换热器19，沿发动机1至二级制冷单元5的方向，第二放热换热器17、第二回热器18和第二吸热换热器19依次相连的设置于声学谐振管3的外表面。其中，第二放热换热器17、第二回热器18和第二吸热换热器19内的导气通道依次连通，第二放热换热器17的导气通道和第二吸热换热器19的导气通道分别通过第一变径管和第二变径管与声学谐振管3相连通。将热声制冷机作为一级制冷机，可降低分级斯特林制冷机的故障率，可靠性更高。
其中，第二回热器18的声致冷效应实现熵流从第二吸热换热器19至第二放热换热器17进行输运，从而在第二吸热换热器19处获得次低温冷量。也即，可以将第二吸热换热器19的位置处作为一个次低温冷量级别的冷头。
第二放热换热器17、第二回热器18和第二吸热换热器19采用法兰连接或焊接的方式固定于声学谐振管3。
根据本发明提供的多级热声热驱动系统，二级制冷单元5包括第二缸体、第二排出器23、第三放热换热器21、第三回热器22和第三吸热换热器24，第二排出器23设置于第二缸体内，第二排出器23将第二缸体分隔为第二膨胀腔25和第二压缩腔20，沿第二压缩腔20至第二膨胀腔25的方向，第三放热换热器21、第三回热器22和第三吸热换热器24依次安装于第二缸体的内表面。其中，声学谐振管3与第二压缩腔20相连通。
经过一级制冷单元4后剩余的声功将通过声学谐振管3运输到二级制冷单元5中，该部分剩余的声功将与第二排出器23反馈至第二压缩腔20内的声功进行叠加，叠加后的声功通过第三放热换热器21传输至第三回热器22做功从而在第三吸热换热器24处获得低温冷量。也即，可以将第三吸热换热器24的位置处作为一个低温冷量级别的冷头。
二级制冷单元5还包括第二架体，第二架体设置于第二缸体内，第二排出器23滑动安装于第二架体，第二架体设有若干第二导气孔。如图1和图2所示，第一架体的截面可以设置为“T”字形，具体的，第二架体包括一体成型的板件和杆件，板件的边缘固定于第二缸体的内表面，杆件与板件垂直相连，杆件形成第二排出器23的滑轨，以使第二排出器23能沿杆件进行往复运动，前述的第二导气孔设置于板件上，从而确保工质气体能在第二压缩腔20处进行压缩，且确保工质气体在板件两侧的流通。
第三放热换热器21、第三回热器22和第三吸热换热器24内的导气通道依次连通，第三放热换热器21的导气通道与第二压缩腔20相连通，第三吸热换热器24的导气通道与第二膨胀腔25相连通。以实现第二排出器23的往复运动以及使经过一级制冷单元4后剩余的声功能与第二排出器23反馈至第二压缩腔20内的声功进行叠加。
在多级热声热驱动系统中，气体工质经第一吸热换热器7从高温热源吸热，经第一放热换热器10向环境放热。在第一回热器9中由于温差使声功得到放大，经第一排出器8从第一膨胀腔6传递至第一压缩腔11。其中一部分声功输出到声学谐振管3，另一部分声功返回放热换热器中，实现循环往复。声学谐振管3中的声功传递至一级制冷单元4，由于一级制冷单元4中第二回热器18的声致冷效应实现熵流从第二吸热换热器19向第二放热换热器17输运，获得次低温冷量；剩余的声功输运至二级制冷单元5中与第二排出器23反馈至第二压缩腔20的声功叠加后，通过第三放热换热器21传输至第三回热器22做功，从而在第三吸热换热器24处获得低温冷量。由此，发动机1通过第一吸热换热器7吸热在第一回热器9将热能转化为声功，并通过声学谐振管3传输至一级制冷单元4和二级制冷单元5，制冷机消耗声功并实现制冷效应。
根据本发明提供的多级热声热驱动系统，它还包括：直线电机2，直线电机2设置于声学谐振管3，且位于发动机1和一级制冷单元4之间。直线电机2可以消耗声功并产生电功。
具体的，直线电机2内设有外定子组件15、内定子组件14和动子组件13，动子组件13设置于外定子组件15和内定子组件14之间，且外定子组件15、内定子组件14和动子组件13将直线电机2的内部分隔为前腔12和背腔16，前腔12与声学谐振管3相连通。
设置直线电机2后，可以使多级热声热驱动系统具备激励起振、声功调节、阻抗匹配等功能，使得多级热声热驱动系统运行更为平稳，控制更为简单，且不仅可以获得冷量输出，而且可以灵活地得到部分电能以供控制系统和小功率负载等使用。
直线电机2可以采用双台对称布置或单台布置，当直线电机2采用双台对称布置时，两个直线电机2共用一个前腔12。
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 (7)
1.一种多级热声热驱动系统，其特征在于，包括：
发动机；
声学谐振管，与所述发动机的第一压缩腔相连通；
一级制冷单元，设置于所述声学谐振管；
二级制冷单元，与所述声学谐振管远离所述发动机的一端相连通；
所述发动机包括第一缸体、第一排出器、第一吸热换热器、第一回热器和第一放热换热器，所述第一排出器设置于所述第一缸体内，所述第一排出器将所述第一缸体分隔为第一膨胀腔和第一压缩腔，沿所述第一膨胀腔至所述第一压缩腔的方向，所述第一吸热换热器、所述第一回热器和所述第一放热换热器依次安装于所述第一缸体的内表面；
所述一级制冷单元包括第二放热换热器、第二回热器和第二吸热换热器，沿所述发动机至所述二级制冷单元的方向，所述第二放热换热器、所述第二回热器和所述第二吸热换热器依次相连的设置于所述声学谐振管的外表面；
其中，所述第二放热换热器、所述第二回热器和所述第二吸热换热器内的导气通道依次连通，所述第二放热换热器的导气通道和所述第二吸热换热器的导气通道分别通过第一变径管和第二变径管与所述声学谐振管相连通；
所述二级制冷单元包括第二缸体、第二排出器、第三放热换热器、第三回热器和第三吸热换热器，所述第二排出器设置于所述第二缸体内，所述第二排出器将所述第二缸体分隔为第二膨胀腔和第二压缩腔，沿所述第二压缩腔至所述第二膨胀腔的方向，所述第三放热换热器、所述第三回热器和所述第三吸热换热器依次安装于所述第二缸体的内表面；
其中，所述声学谐振管与所述第二压缩腔相连通。
2.根据权利要求1所述的多级热声热驱动系统，其特征在于，所述发动机还包括第一架体，所述第一架体设置于所述第一缸体内，所述第一排出器滑动安装于所述第一架体，所述第一架体设有若干第一导气孔。
3.根据权利要求1所述的多级热声热驱动系统，其特征在于，所述第一吸热换热器、所述第一回热器和所述第一放热换热器内的导气通道依次连通，所述第一吸热换热器的导气通道与所述第一膨胀腔相连通，所述第一放热换热器的导气通道与所述第一压缩腔相连通。
4.根据权利要求1所述的多级热声热驱动系统，其特征在于，所述二级制冷单元还包括第二架体，所述第二架体设置于所述第二缸体内，所述第二排出器滑动安装于所述第二架体，所述第二架体设有若干第二导气孔。
5.根据权利要求1所述的多级热声热驱动系统，其特征在于，所述第三放热换热器、所述第三回热器和所述第三吸热换热器内的导气通道依次连通，所述第三放热换热器的导气通道与所述第二压缩腔相连通，所述第三吸热换热器的导气通道与所述第二膨胀腔相连通。
6.根据权利要求1-3任一项所述的多级热声热驱动系统，其特征在于，还包括：直线电机，所述直线电机设置于所述声学谐振管，且位于所述发动机和所述一级制冷单元之间。
7.根据权利要求6所述的多级热声热驱动系统，其特征在于，所述直线电机内设有外定子组件、内定子组件和动子组件，所述动子组件设置于所述外定子组件和所述内定子组件之间，且所述外定子组件、所述内定子组件和所述动子组件将所述直线电机的内部分隔为前腔和背腔，所述前腔与所述声学谐振管相连通。
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