[发明专利]一种行波热声冷热电联供系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷热电联供系统，特别是一种行波热声冷热电联供系统。

背景技术

在工业生产及居民生活中的很多场合都同时需要冷、热、电资源。能源领域多年前就提出了分布式的冷热电联供方案，可以同时提供电力、生活用冷能和热能。现有的冷热电联供系统多以天然气或液体燃料为一次能源，利用燃气轮机、内燃机或蒸汽轮机产生电能、再利用吸收式或吸附式制冷将上述系统的较高温余热转化为冷能，流程中略高于环境温度的余热用于生活供热。通过能源的梯级利用，一方面实现了冷热电的同时输出，另一方面也提高了一次能源的综合利用率。但是，传统的冷热电联供系统通常至少由一个发电子系统和一个制冷子系统构成，有时甚至由多个子系统耦合在一起，系统复杂度较高。此外，由于制冷技术的限制，制冷温度不能进一步降低；而且小功率系统性能低下等问题，限制了在其它领域的应用。

行波热声冷热电联供系统基于热声热机原理，在一个装置中同时实现冷、热、电的输出。它利用行波热声发动机将热能转化成声功，具有能源适应性好、可靠性高、功率灵活、效率高等显著优点，可广泛应用于太阳能、生物质能、工业余热回收等领域。产生的机械能可以用来驱动行波热声制冷机及直线发电机，分别实现机械能到冷能和电能的转化，具有很好的应用前景。单级行波热声发动机分别驱动热声制冷机和直线发电机的装置已经存在。通常将热声制冷机的一端旁接于行波热声发动机的某一位置，另一端则连接针阀或惯性管及气库等方式消耗热声制冷机出口的膨胀功。理论上，制冷机冷端换热器出口的声功量大于获得的制冷量。在温度较低时，比如液氮温度以下，由于膨胀功的量相对于热声制冷机入口声功较小，可以不考虑回收。但在更高温度时，由于膨胀功的量较大，不回收膨胀功将对制冷机性能产生很大影响，而且温度越高影响越大。专利（申请号：200610049129）提供了一种可回收声功式的行波热声发动机驱动行波热声制冷机的装置，行波热声制冷机的膨胀功被重新送到发动机。然而，这种方式使得制冷机与发动机间的耦合度大大增加，系统设计及制作难度都大幅增加。单级行波热声发动机驱动直线发电机也已经被实验所验证，直线发电机旁接于行波热声发动机的谐振管入口或其它地方。通过调节直线发电机的声阻抗，可以获得较好整机性能。多个行波热声发动机分别驱动制冷机和发电机的构想也已经存在。专利（申请号：201110101971）公布一种双作用行波热声发电系统，该系统中采用了三个及三个以个的行波热声发动机，在两个行波热声发动机间串联了一个直线发电机。该发明可以实现热能到电能的转化，但存在发动机与发电机间耦合困难等问题。专利申请（申请号：201110103954）公布了一种双作用行波热声发动机驱动行波热声制冷机系统，如图1所示。该系统由至少三台行波热声发动机1和行波热声制冷机2组成。行波热声发动机1包括发动机主冷却器101、发动机回热器102、热端换热器103、发动机热缓冲管105及发动机次冷却器107。行波热声制冷机2包括制冷机主冷却器201、制冷机回热器202、冷端换热器203、制冷机热缓冲管205及制冷机次冷却器207。多台行波热声发动机通过相同数量的谐振单元首尾连接构成环路，行波热声制冷机的两端分别接旁接于发动机主冷却器一端及谐振单元的另一端，可使得行波热声制冷机出口的膨胀功能返回到行波热声发动机中。发动机热端换热器103吸收热量，发动机主冷却器101放出热量，在发动机回热器102两端构建温度差，使发动机回热器102内形成温度梯度。在该温度梯度的作用下，发动机回热器102将热能转化成声功。该行波热声发动机产生的声功一部分经谐振单元向外输出，一部分传输到下一步行波热声发动机的主冷却器，另一部分进入行波热声制冷机2中产生制冷，从行波热声制冷机2出口的声功又回到发动机环路中，与另外一部分声功一起进入到下一级行波热声发动机中被该级发动机的回热器放大，如此循环构成系统。实际上，将这里的谐振单元换成直线发电机，也可以产生电能，最终构成冷热电系统。然而，由于制冷机在发动机环路上的接入点过多，系统中声功分布极为复杂，很难进行设计与制作。总之，现有的发明还不能提供一种冷热电联供的简单、有效和高效技术途径。

本申请正是基于以上冷热电联供系统中存在的问题，提出了一种新型的设计，可以满足结构简单、功率灵活、效率高的冷热电联供的需求。

发明内容

本发明的技术方案如下：

本发明提供的行波热声冷热电联供系统，其由至少三台行波热声发动机1、至少一台行波热声制冷机2、至少一台直线电机3和谐振单元组成；所述的至少三台行波热声发动机1通过谐振单元首尾相连以构成环形回路；