[发明专利]一种多路旁通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，尤其涉及一种多路旁通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声功的放大效应或泵热效应，即热声效应。热声发动机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，具有无机械运动部件、可靠性高、工质无污染等优点。根据热声发动机回热器中声场的分布，热声发动机分为行波热声发动机和驻波热声发动机。驻波热声发动机基于不可逆的热力循环，其内禀效率较低。而行波热声发动机回热器内部的热力循环基于可逆的热声斯特林循环，潜在效率高，是近二十年来的研究热点。

1979年，美国学者Ceperley首次提出了行波热声发动机，如图1所示。1998年，日本学者Yazaki等人根据Ceperley提出的行波热声发动机原型搭建了一台行波热声发动机，并获得了声功放大，但由于板叠处声阻抗低，工作气体振动速度大，造成了严重的粘性损失，导致该行波热声发动机工作效率很低。1999年，美国的Swift等人设计研制了一台新型的行波热声发动机，如图2所示，将热声发动机单元环路布置在一段四分之一波长的驻波谐振管一端，通过合适的结构尺寸设计使回热器处于行波声场，大大降低了回热器处的粘性损失，在实验中获得了30％的热声效率。但由于谐振管尺寸庞大，整机的功率密度低，未能在实际应用中获得推广。2010年，荷兰研究者De Block等人的专利(公布号:WO2010107308A1)公布了一种多级行波热声发动机系统，如图3所示，由多个相同的热声发动机单元组成，每个热声发动机单元通过谐振管连接构成一个环路。相比于图2中的行波热声发动机，该系统的谐振管尺寸大大减小，功率密度高；但是，由于此热声发动机单元未采用热缓冲管结构，造成冷热气体混合损失，因此该系统仅适合利用温度较低的热源，适用范围较小。2013年，罗二仓等人的专利(公布号:CN 103758657A)提出了一种声学共振型行波热声发电系统，如图4所示，由至少三个热声发动机单元和谐振管以及至少一台直线电机组成，各热声发动机单元通过谐振管相连构成环路。该系统在热声发动机单元中引入了热缓冲管和次水冷器，并在环路中安装了直流抑制器，适合采用更大温度范围的热源，且使系统性能得到较大提高。

然而，上述行波热声发动机均采用定温热源，使得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5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，高温烟气沿图中示出的曲线，由面积大的热声发动机单元的加热器流向面积小的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，本发明提出了一种多路旁通型的行波热声发动机系统，该系统通过多路旁通结构实现梯级利用变温热源，使结构更加紧凑。

为实现上述目的，本发明提供的一种多路旁通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、复合结构、热缓冲管、次室温换热器和若干个节流元件；所述的复合结构由若干级回热器和热端换热器交错叠放而成，所述的若干个节流元件通过管路分别连接于各热端换热器的出口至热缓冲管中间部位之间，形成多条旁通气流通路，若干级热端换热器的工作温度以远离热缓冲管的方向递减，以形成梯级工作温度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述若干级回热器的截面面积沿声功传播方向逐渐减小，热缓冲管从其热端至室温端的截面面积逐渐增大。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的旁通气流通路中设有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，所述的节流元件为阀门、固定小孔或毛细孔管。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的热缓冲管与复合结构之间呈直线或U型排列。