[发明专利]一种同时利用冷源和热源的热声发动机系统

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源和热源的热声发动机系统。

背景技术

在工业上常常存在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，诸多低品位的热能，如太阳能、工业余热、烟气废热等，这些冷能或热能都无法单独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。目前来看，热声技术将是一个很好的选择。

热声技术是指利用热声效应实现热能和声能（即机械能）之间相互转换的技术，基于热声技术运行的系统被称为热声装置。热声装置一般由空管段、回热器和换热器组成，由于系统内无任何机械运动部件，使用寿命很长；另外，热声装置一般以氦气、氮气、氩气等环保气体作为工作介质，对环境友好。热声发动机按照内部声场的不同特性，可以分为驻波热声发动机和行波热声发动机，对于驻波热声发动机而言，尽管由于回热器内的热交换过程基于不可逆过程、热效率略低，但是具有结构简单的优点；行波热声发动机回热器内的热交换基于可逆的斯特林循环，因此内禀效率较高，用途更为广泛。

传统的热声发动机设计只考虑了一种热源，即高温热源。图1为传统的驻波热声发动机系统结构示意图，该系统包括热腔11、热端换热器5、回热器4、第一室温换热器1和谐振管10，系统结构简单。通过热端换热器5吸收热量，第一室温换热器1放出热量，在回热器4的两端形成温差。根据热声效应原理，当温差大到一定程度时，系统会自激起振，从而完成热能向声能的转化。通常可在谐振管的两端外接负载，实现声能与其他形式能量间的转化。在图1所示的传统驻波热声发动机中，无法简单通过第一室温换热器1与低温冷源热交换来实现冷能利用，因为这样会造成大量的冷能损失。图2为传统的行波热声发动机系统结构示意图，该系统包括第一室温换热器1、回热器4、热端换热器5、第二热缓冲管6、第二室温换热器7、反馈管8、三通管9和谐振管10。热端换热器5吸收热源的热量形成高温端，第一室温换热器1放出热量形成室温端，这样在回热器4的两端形成了温差，根据热声效应，当温差大到一定程度时，系统会自激起振，从而实现热能向声能的转化。通常可在谐振管的两端外接负载，实现声能与其他形式能量间的转化。在图2所示的传统行波热声发动机中，同样无法简单通过第一室温换热器1与低温冷源热交换来实现冷能利用，因为这样会造成大量的冷能损失。由此可以看出，对于传统的驻波和行波热声发动机而言，目前的结构无法同时实现冷源与热源的高效利用。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有热声发动机无法同时利用冷源与热源的问题，而提供一种同时利用冷源和热源的热声发动机系统；本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，由于冷、热源的同时存在，热端利用低品位的热源，冷端利用多余冷能，可提高能源的利用率。同时，由于回热器两端绝对温度之比的大幅提高，使得在基本不增加系统复杂度的基础上大幅提高了热声发动机的性能。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，如图3所示，其包括：热声发动机，其特征在于，还包括依次连接于热声发动机的第一室温换热器1的第一热缓冲管2和冷端换热器3，所述冷端换热器3与热声发动机的回热器4相连，以构成同时利用冷源和热源的热声发动机系统；

所述热声发动机的热端换热器5与一热源相连，以吸收热源的热量而形成高温端；所述热声发动机的冷端换热器3与一冷源相连，以吸收冷源的冷量而形成低温端，在回热器4上形成温度梯度；回热器4在该温度梯度条件下将热能转化成声功，声功的方向沿着温度梯度的正方向，先传递到热声发动机的第二热缓冲管6和第二室温换热器7，然后到达三通管9处分流，一部分声功流向热声发动机的反馈管8，并通过环路传递到第一室温换热器1和第一热缓冲管2，然后通过回热器4放大；另一部分声功流向热声发动机的谐振管10，并储存在其中，以使同时利用冷源和热源的热声发动机系统达到平衡状态的长时间稳定运行。

所述的热声发动机为驻波热声发动机。所述驻波热声发动机的与热端换热器5相连的谐振管10远端连通一谐振腔12。

所述的热声发动机为行波热声发动机。所述行波热声发动机的与第一室温换热器1相连的谐振管10远端连通一谐振腔12。

本发明的同时利用冷源和热源的热声发动机系统，可至少3台以上的同时利用冷源和热源的热声发动机系统首尾通过谐振部件13连接形成环形的同时利用冷源和热源的热声发动机系统组；所述谐振部件13为液体振子或弹簧振子。