[发明专利]利用变温热源的热声发动机系统

说明书

技术领域

本发明涉及热声发动机，特别涉及利用变温热源的热声发动机系统。

背景技术

热声发动机是一种利用热声效应将热能转换为声能的能量转换装置，它具有以下优点：系统中没有运动部件，从根本上消除了常规机械所普遍存在的磨损与振动，运行稳定可靠，使用寿命长；使用热作为能源，可以利用太阳能、废热等作为驱动源，这对于解决偏远地区动力缺乏的问题非常有意义；以惰性气体作为工质，有利于环保，所以具有非常广阔的发展前景。目前，行波热声发动机的热声转换效率已经达到了30％，已经接近内燃机的转换效率。

在自然界和工程应用中，目前主要存在两类热源载体：一类热源载体是固体介质，另一类热源载体是流体介质。对于固体热源载体，其热量的利用可以在固定的温度下进行，例如，利用太阳能或者同位素放射材料等给固体加热并维持在一定的热平衡温度。对于流体热源载体，其热量的利用往往是在变化的温度下体现出来的，即热量的获得往往需要流体的降温来实现。目前的热声发动机系统是针对固定温度载热介质的。图1是现有的行波热声发动机结构示意图，它主要由一个行波环路5和一个谐振管6组成。行波环路高温换热器2必须维持在一定的温度，这样它与室温换热器3之间的回热器1才能保持一定的温度梯度，系统才能工作。维持高温换热器2处于恒定高温的方法很多，比如采用电加热器等等。但在采用流体热源载体的情况下，高温换热器不能够维持恒定的温度，都是通过燃料燃烧获得高温烟气形成流体热源载体，从高温换热器的入口进入，高温烟气在高温换热器内的换热为热声发动机提供热量，换热后的载热流体介质的温度降低并经过高温换热器的出口排出。在这种情况下，目前的热声发动机系统就不能高效率地利用载热流体介质的热量，比如如果高温烟气的温度为1000℃左右，高温换热器的设计平均温度在950℃左右，烟气流出高温换热器的温度为900℃左右，那么烟气热量仅仅被利用了很小的一部分，绝大部分将被排放，没有被利用，造成了极大的能量损失。因此，就希望有一种能够充分利用载热流体的热量、提高效率的热声发动机系统。

发明内容

本发明的目的在于克服目前热声发动机在利用变温热源时存在不能完全有效利用热量的不足，提供一种利用变温热源的热声发动机系统。

为此，本发明提供一种利用变温热源的热声发动机系统，包括谐振管，所述谐振管上有机械能输出装置；还包括至少两级行波环路，所有的行波环路共用所述谐振管，每个所述行波环路有高温换热器，所述高温换热器具有用于载热流体介质输入和输出的输入口和输出口，前一级行波环路的所述高温换热器输出口与后一级行波环路的所述高温换热器输入口相连通，所述至少两级行波环路的所述高温换热器的工作温度从前一级行波环路到后一级行波环路依次降低。

本发明在行波热声发动机的谐振管上安装两个或两个以上的行波环路，每个行波环路上的高温换热器的设计温度各不相同，设计温度从前一级环路向后一级依次递减；载热流体依次流入各级环路的高温换热器进行换热，发动机可以在不同的温度段吸收利用载热流体的热量。

在上述技术方案中，所述行波环路由反馈管、第一低温换热器、回热器、所述高温换热器、热缓冲管和第二低温换热器顺序连通构成，各级所述行波环路在各自的第二低温换热器处且在所述热缓冲器的外侧与共用的所述谐振管相连通。

在上述技术方案中，各级所述行波环路还包括低温换热器和反馈管，在所述高温换热器和所述低温换热器之间设置有回热器和热缓冲器，所述回热器和所述热缓冲器之间有一个隔板，所述隔板延伸经过所述低温换热器并在所述低温换热器的外侧作为所述反馈管的壁。

在上述技术方案中，各级所述行波环路共用一个低温换热器并分别还包括回热器和热缓冲管，在前一级行波环路的高温换热器、回热器和共用的低温换热器围绕出的空间中设置后一级行波环路。

在上述技术方案中，在所述谐振腔的两端上，分别连接有所述至少两级行波环路。

在上述技术方案中，各级所述行波环路的所述热缓冲管共轴地处于所述回热器的内部。

在上述技术方案中，所有行波环路形成圆周对称形的多级行波环路嵌套，所有的所述回热器、所述热缓冲管和所述反馈管同轴布置。

在上述技术方案中，各级行波环路还包括回热器和一个共用的低温换热器，所有的行波环路的高温换热器形成一个整体高温换热器，所述整体高温换热器设置在所述回热器的内部。

在上述技术方案中，所述整体高温换热器是由至少一根流体导管形成的，设置在所述回热器的内部。