[发明专利]一种冷电联供系统

说明书

本发明公开了一种冷电联供系统，所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机(1)、直线电机(2)、声学谐振管(3)和脉冲管制冷机(4)；所述直线电机(2)连接于自由活塞斯特林发动机(1)的压缩腔(16)；所述声学谐振管(3)一端连通于压缩腔(16)，另一端连通于脉冲管制冷机(4)。本发明不仅可提供气体液化所需制冷量，而且可提供发动机散热以及其他外部设备运行所需的电力，具备冷电联供功能。同时，该系统布置结构可显著降低发动机的起振温度，降低谐振管损失，提高功率密度，提高系统的稳定性和可靠性。

技术领域

本发明涉及能源利用领域，尤其涉及一种冷电联供系统。

背景技术

冷电联供装置通过燃烧较低比例(一般在15％～30％)的可燃气(如天然气、煤层气和页岩气等)而将剩余大比例的该气体液化，并提供辅助设备(如泵、风机、阀门和控制系统等)运行所需要的电力，在小型气体液化领域如零散气田、远洋LNG(液化天然气)运输船等场合具有重要的应用前景。

相比于常规的内燃机发电-压缩-膨胀相变液化流程，回热式冷电联供系统无需额外配置发电机，工质环保、系统简单、可靠性高。中国发明专利申请CN103835903A和CN105805974A提出了两种回热式冷电联供系统结构，CN103835903A公开的行波热声冷电联供系统的热效率较高，适用于多温区、大功率应用场合，但存在结构和换热流程复杂、不一致性严重等问题。CN105805974A公开的一种声学谐振管耦合自由活塞斯特林发动机和脉冲管制冷机的冷电联供系统，其功率范围可覆盖从几十瓦至几千瓦量级，结构简单、可靠性高。作为一种多子单元耦合系统，该系统充分利用了各子单元的优点，包括：

(1)自由活塞斯特林发动机的高功率密度和高热效率；

(2)脉冲管制冷机冷端无运动部件、结构简单和加工装配要求低；

(3)声学谐振管结构简单、可靠性高；

(4)由直线电机调节脉冲管制冷机声场，既可以实现制冷机的高效率，又能回收制冷机室温端声功，实现冷电联供。

鉴于CN105805974A专利申请内容的上述优点，发明人开展了实验验证工作，相关实验结果验证了发明内容的可行性，但结合实验过程、实验结果和数值计算分析，发明人发现该结构仍存在下述问题：

(1)声学谐振管的驻波成分较大，一方面导致自由活塞斯特林发动机与脉冲管制冷机的匹配困难，另一方面导致谐振管传输声功能力较差、损失较大；

(2)系统的起振惯性大，而置于脉冲管制冷机室温侧的直线电机对辅助起振的作用差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述结构的缺点，提出了一种冷电联供系统。它既能充分利用子单元——自由活塞斯特林发动机、脉冲管制冷机、声学谐振管和直线电机的优点，更为重要的是，直线电机能有效调节声学谐振管的声场结构、增加其行波分量，从而降低自由活塞斯特林发动机与脉冲管制冷机的匹配难度、降低声学谐振管损失并提高其功率密度。同时，置于靠近自由活塞斯特林发动机压缩腔侧的直线电机能有效辅助系统起振，降低系统的起振温度、提高系统的稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种冷电联供系统，所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机1、直线电机2、声学谐振管3和脉冲管制冷机4；所述直线电机2连接于自由活塞斯特林发动机1的压缩腔16；所述声学谐振管3一端连通于压缩腔16，另一端连通于脉冲管制冷机4。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的自由活塞斯特林发动机1与直线电机2采用耦合式连接；所述的自由活塞斯特林发动机1包括：耐压壳体11、室温换热器12、回热器13、高温换热器14、膨胀腔15、压缩腔16、缸体17和排出器18；所述直线电机2包括：动力活塞21、定子22和动子23；排出器18的排出器杆181穿过动力活塞21后与平面支撑弹簧182连接。