[发明专利]同时利用冷热源的声学共振型多级行波热声发动机系统

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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WO2010107308A1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所示。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1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1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。

发明内容

本发明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高，可使在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提高了现有声学共振型多级行波热声发动机的性能。

本发明的技术方案如下：

本发明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；