[发明专利]一种多级并联型的行波热声发动机系统

说明书

技术领域

本发明涉及能源动力技术领域，尤其涉及一种多级并联型的行波热声发动机系统。

背景技术

在一定声场条件下，通过在狭窄流道中来回振荡的可压缩气体与周围固体介质之间的热交换，可实现声波主要传输方向上功的放大效应或泵热效应，即热声效应。热声发动机就是利用热声效应将外界高温热源输入的热量转换成声能的装置。根据热声转换核心部件中声场特性，热声发动机可分为驻波型和行波型两种。在驻波型热声发动机中，由于存在不可逆热交换，其热声效率较低。而在行波型热声发动机中，理想情况下热声效应依赖于可逆等温热交换，热声效率较高。

1999年，美国的Swift等人研制出如图1所示的一种带谐振管的行波热声发动机，其热声效率高达30％，可与传统热机相媲美。在随后的近十年间，采用这种行波热声发动机驱动发电机或热声制冷的相关研究在各国得到了一定发展。但是由于谐振管的尺寸大，整机的功率密度低，使其应用受到限制。2010年，荷兰的De Block提出了如图2所示的一种新的环形结构的多单元行波热声发动机(专利公布号：WO2010107308A1)，使得谐振管的尺寸大大减小。但是由于谐振管与高温端换热器直接相连，使得谐振管工作在较高温度，故该热声发动机仅适用于热源温度较低的情况。2013年，罗二仓等人将热缓冲管引入环路结构的多单元行波热声发动机中，使得该热声发动机适用更高温度的热源，其应用范围更广，图3所示为这种发动机驱动电机组成的热声发电系统(专利公布号：CN 103758657A)。

上述行波热声发动机均采用定温热源，加热器一般工作在固定的温度，不能高效梯级利用变温热源。2015年，罗二仓等人的专利(公布号：CN 104863808A)提出了一种梯级利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，如图4所示，该系统由至少三个热声发动机单元和谐振管组成，各热声发动机通过谐振管相连构成环路结构。每个热声发动机单元的尺寸不同，沿声功传播方向尺寸依次增大，高温烟气依次通过各级热声发动机单元的加热器，实现热源的梯级利用。但是，该系统只能通过增加热声发动机单元数实现热源的梯级利用，若要充分梯级利用热能，则级数较多，且各级结构尺寸不同，使得设计难度较大。

发明内容

本发明目的在于，为了解决现有的行波热声发动机因结构限制，无法高效地实现梯级利用变温热源的问题，提供一种多级并联型的行波热声发动机系统，该系统的单个热声发动机单元内通过并联结构实现变温热源的梯级利用，系统结构紧凑，能源利用效率高；同时，多单元的多级结构能满足不同功率需求的应用场合。

为实现上述目的，本发明提供的多级并联型梯级利用变温热源的行波热声发动机系统，包括若干个热声发动机单元和谐振管；所有热声发动机单元通过谐振管首尾串联成环路；所述热声发动机单元包括依次相通的主室温换热器、若干级并联结构、次室温换热器；各级并联结构均包括依次相连的回热器、热端换热器和热缓冲管，所述主室温换热器的输出端并联各级并联结构的回热器输入端，所述次室温换热器的输入端并联各级并联结构的回热器输出端；所述若干级并联结构中的各热端换热器的工作温度沿同一方向递减，以形成梯级工作温度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述若干级并联结构中的各回热器截面面积沿热端换热器工作温度递减的方向依次增大，长度依次减小。

作为上述技术方案的进一步改进，所述热声发动机单元中的热缓冲管位于回热器之中，并与回热器同轴设置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述热声发动机单元中的回热器位于热缓冲管之中，并与热缓冲管同轴设置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述若干个热声发动机单元和谐振管组成的环路中设有至少一个用于抑制直流的弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的行波热声发动机系统的工质为氦气、氢气、氮气、二氧化碳之中的一种气体，或者为氦气、氢气、氮气、二氧化碳之中任意若干种的混合气体。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的热声发动机单元的数量为1～16个，每个热声发动机单元均包括2～50级并联结构。

本发明的一种多级并联型的行波热声发动机系统优点在于：

本发明的多级并联型行波热声发动机，通过在单个热声发动机单元中采用多级并联结构实现梯级利用变温热源，使能源利用率得到提高，系统结构更加紧凑；且发动机的回热器工作于行波相位，提高了热声转换效率。各热声发动机单元结构尺寸相同，也可根据需要设计成不同。可以驱动单一负载，也可以用于驱动多个负载，应用更为灵活。