本發(fā)明涉及能源動力技術(shù)領域，尤其涉及一種多級并聯(lián)型的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在一定聲場條件下，通過在狹窄流道中來回振蕩的可壓縮氣體與周圍固體介質(zhì)之間的熱交換，可實現(xiàn)聲波主要傳輸方向上功的放大效應或泵熱效應，即熱聲效應。熱聲發(fā)動機就是利用熱聲效應將外界高溫熱源輸入的熱量轉(zhuǎn)換成聲能的裝置。根據(jù)熱聲轉(zhuǎn)換核心部件中聲場特性，熱聲發(fā)動機可分為駐波型和行波型兩種。在駐波型熱聲發(fā)動機中，由于存在不可逆熱交換，其熱聲效率較低。而在行波型熱聲發(fā)動機中，理想情況下熱聲效應依賴于可逆等溫熱交換，熱聲效率較高。

1999年，美國的Swift等人研制出如圖1所示的一種帶諧振管的行波熱聲發(fā)動機，其熱聲效率高達30％，可與傳統(tǒng)熱機相媲美。在隨后的近十年間，采用這種行波熱聲發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機或熱聲制冷的相關(guān)研究在各國得到了一定發(fā)展。但是由于諧振管的尺寸大，整機的功率密度低，使其應用受到限制。2010年，荷蘭的De Block提出了如圖2所示的一種新的環(huán)形結(jié)構(gòu)的多單元行波熱聲發(fā)動機(專利公布號：WO2010107308A1)，使得諧振管的尺寸大大減小。但是由于諧振管與高溫端換熱器直接相連，使得諧振管工作在較高溫度，故該熱聲發(fā)動機僅適用于熱源溫度較低的情況。2013年，羅二倉等人將熱緩沖管引入環(huán)路結(jié)構(gòu)的多單元行波熱聲發(fā)動機中，使得該熱聲發(fā)動機適用更高溫度的熱源，其應用范圍更廣，圖3所示為這種發(fā)動機驅(qū)動電機組成的熱聲發(fā)電系統(tǒng)(專利公布號：CN 103758657A)。

上述行波熱聲發(fā)動機均采用定溫熱源，加熱器一般工作在固定的溫度，不能高效梯級利用變溫熱源。2015年，羅二倉等人的專利(公布號：CN 104863808A)提出了一種梯級利用高溫煙氣余熱的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)，如圖4所示，該系統(tǒng)由至少三個熱聲發(fā)動機單元和諧振管組成，各熱聲發(fā)動機通過諧振管相連構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)。每個熱聲發(fā)動機單元的尺寸不同，沿聲功傳播方向尺寸依次增大，高溫煙氣依次通過各級熱聲發(fā)動機單元的加熱器，實現(xiàn)熱源的梯級利用。但是，該系統(tǒng)只能通過增加熱聲發(fā)動機單元數(shù)實現(xiàn)熱源的梯級利用，若要充分梯級利用熱能，則級數(shù)較多，且各級結(jié)構(gòu)尺寸不同，使得設計難度較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于，為了解決現(xiàn)有的行波熱聲發(fā)動機因結(jié)構(gòu)限制，無法高效地實現(xiàn)梯級利用變溫熱源的問題，提供一種多級并聯(lián)型的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)，該系統(tǒng)的單個熱聲發(fā)動機單元內(nèi)通過并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)變溫熱源的梯級利用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能源利用效率高；同時，多單元的多級結(jié)構(gòu)能滿足不同功率需求的應用場合。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的多級并聯(lián)型梯級利用變溫熱源的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)，包括若干個熱聲發(fā)動機單元和諧振管；所有熱聲發(fā)動機單元通過諧振管首尾串聯(lián)成環(huán)路；所述熱聲發(fā)動機單元包括依次相通的主室溫換熱器、若干級并聯(lián)結(jié)構(gòu)、次室溫換熱器；各級并聯(lián)結(jié)構(gòu)均包括依次相連的回熱器、熱端換熱器和熱緩沖管，所述主室溫換熱器的輸出端并聯(lián)各級并聯(lián)結(jié)構(gòu)的回熱器輸入端，所述次室溫換熱器的輸入端并聯(lián)各級并聯(lián)結(jié)構(gòu)的回熱器輸出端；所述若干級并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的各熱端換熱器的工作溫度沿同一方向遞減，以形成梯級工作溫度。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述若干級并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的各回熱器截面面積沿熱端換熱器工作溫度遞減的方向依次增大，長度依次減小。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述熱聲發(fā)動機單元中的熱緩沖管位于回熱器之中，并與回熱器同軸設置。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述熱聲發(fā)動機單元中的回熱器位于熱緩沖管之中，并與熱緩沖管同軸設置。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述若干個熱聲發(fā)動機單元和諧振管組成的環(huán)路中設有至少一個用于抑制直流的彈性隔膜元件或非對稱流道阻力元件。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)的工質(zhì)為氦氣、氫氣、氮氣、二氧化碳之中的一種氣體，或者為氦氣、氫氣、氮氣、二氧化碳之中任意若干種的混合氣體。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述的熱聲發(fā)動機單元的數(shù)量為1～16個，每個熱聲發(fā)動機單元均包括2～50級并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的一種多級并聯(lián)型的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)優(yōu)點在于：

本發(fā)明的多級并聯(lián)型行波熱聲發(fā)動機，通過在單個熱聲發(fā)動機單元中采用多級并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)梯級利用變溫熱源，使能源利用率得到提高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊；且發(fā)動機的回熱器工作于行波相位，提高了熱聲轉(zhuǎn)換效率。各熱聲發(fā)動機單元結(jié)構(gòu)尺寸相同，也可根據(jù)需要設計成不同?？梢则?qū)動單一負載，也可以用于驅(qū)動多個負載，應用更為靈活。

附圖說明

圖1為Swift等人提出的行波熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為De Block等人提出的行波熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為羅二倉等人提出的聲學共振型行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為羅二倉等人提出的梯級利用高溫煙氣余熱的多級行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例一中的多級并聯(lián)型的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例二中的多級并聯(lián)型的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例三中的多級并聯(lián)型的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明實施例中提供的彈性隔膜元件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本發(fā)明實施例中提供的非對稱流道阻力元件結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記

1、主室溫換熱器 2、第一級回熱器 3、第一級熱端換熱器

4、第一級熱緩沖管 5、第二級回熱器 6、第二級熱端換熱器

7、第二級熱緩沖管 8、第三級回熱器 9、第三級熱端換熱器

10、第三級熱緩沖管 11、次室溫換熱器 12、諧振管

13、負載 14、熱聲發(fā)動機單元 15、法蘭

16、彈性隔膜

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明所述的一種多級并聯(lián)型的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)進行詳細說明。

本發(fā)明提供的一種多級并聯(lián)型的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)，包括若干個熱聲發(fā)動機單元和諧振管；所有熱聲發(fā)動機單元通過諧振管首尾串聯(lián)成環(huán)路；所述熱聲發(fā)動機單元包括依次相通的主室溫換熱器、若干級并聯(lián)結(jié)構(gòu)、次室溫換熱器；各級并聯(lián)結(jié)構(gòu)均包括依次相連的回熱器、熱端換熱器和熱緩沖管，所述主室溫換熱器的輸出端并聯(lián)各級并聯(lián)結(jié)構(gòu)的回熱器輸入端，所述次室溫換熱器的輸入端并聯(lián)各級并聯(lián)結(jié)構(gòu)的回熱器輸出端；所述若干級并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的各熱端換熱器的工作溫度沿同一方向遞減，以形成梯級工作溫度。

實施例1：

基于上述結(jié)構(gòu)的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)，如圖5所示，在本實施例中，該多級并聯(lián)型梯級利用變溫熱源的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)包括三個熱聲發(fā)動機單元14，三個熱聲發(fā)動機單元14之間通過三段諧振管12首尾串聯(lián)構(gòu)成環(huán)路；每個熱聲發(fā)動機單元14均包括主室溫換熱器1、第一級回熱器2、第一級熱端換熱器3、第一級熱緩沖管4、第二級回熱器5、第二級熱端換熱器6、第二級熱緩沖管7、第三級回熱器8、第三級熱端換熱器9、第三級熱緩沖管10、次室溫換熱器11；每段諧振管12的入口處外接負載13，所述負載13為直線發(fā)電機或熱聲制冷機；主室溫換熱器1的輸出口分成三條并聯(lián)支路，第一路依次相連第一級回熱器2、第一級熱端換熱器3和第一級熱緩沖管4，第二路依次相連第二級回熱器5、第二級熱端換熱器6和第二級熱緩沖管7，第三路依次相連第三級回熱器8、第三級熱端換熱器9和第三級熱緩沖管10；這三條并聯(lián)支路的輸出口與次室溫換熱器11的輸入口相連。第一級回熱器2、第二級回熱器5、第三級回熱器8的截面面積依次增大，長度依次減?。磺业谝患墴岫藫Q熱器3、第二級熱端換熱器6、第三級熱端換熱器9的工作溫度依次遞減，以實現(xiàn)梯級利用熱源的熱量。

上述行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)在工作時，系統(tǒng)內(nèi)需充入合適壓力的工質(zhì)氣體，工質(zhì)為氦氣、氫氣、氮氣、二氧化碳之中的一種氣體，或者為氦氣、氫氣、氮氣、二氧化碳之中任意多種的混合氣體。載熱流體與熱源相連，吸收熱源熱量后的高溫載熱流體分成三路依次通過每個熱聲發(fā)動機單元14的第一級熱端換熱器3、第二級熱端換熱器6和第三級熱端換熱器9。第一級熱端換熱器3至第三級熱端換熱器9的工作溫度依次遞減，從而實現(xiàn)熱源的梯級利用。每個熱聲發(fā)動機單元14中的主室溫換熱器1和次室溫換熱器11通過風冷或水冷維持在室溫溫度，使得熱聲發(fā)動機單元14中的各回熱器內(nèi)形成從高溫到室溫的溫度梯度，當熱聲發(fā)動機單元14中的各回熱器達到一定的溫度梯度時，工作氣體就會振動起來，此時該行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)會自激起振。在熱聲發(fā)動機單元14中，第一級回熱器2至第三級回熱器8的三個回熱器將熱能轉(zhuǎn)化成聲功，聲功沿溫度梯度的正方向傳播(溫度由低至高的方向)，經(jīng)過次室溫換熱器11后，一部分聲功傳遞至負載13后轉(zhuǎn)化成其他形式的能量得以利用，剩余部分的聲功經(jīng)諧振管12傳遞至下一級熱聲發(fā)動機單元后，在下一級熱聲發(fā)動機單元的三個回熱器中再次得到放大，從而在環(huán)路中循環(huán)。

載熱流體依次通過每個熱聲發(fā)動機單元14的第一級熱端換熱器3、第二級熱端換熱器6、第三級熱端換熱器9，在給這三個熱端換熱器加熱時，由于各熱端換熱器的工作溫度依次降低而換熱量基本相等，為使系統(tǒng)工作在最優(yōu)工況，即滿足各級回熱器內(nèi)部的流動阻力基本相同，且使各級并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成的局部環(huán)路中沒有直流，在所有并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的第一級回熱器2、第二級回熱器5、第三級回熱器8的截面面積需依次增大，且長度依次減小。

如圖5所示，由于在本實施例的各并聯(lián)支路中回熱器的截面面積逐漸變大、長度逐漸變短，而為了使各并聯(lián)支路的總長度相同，各回熱器所對應的熱緩沖管的長度逐漸變長。

通過合適的尺寸結(jié)構(gòu)設計，環(huán)路結(jié)構(gòu)中主要以行波分量為主，回熱器處于理想的行波聲場，具有較高的熱聲轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)工作需要，所述的熱聲發(fā)動機系統(tǒng)中的熱聲發(fā)動機單元可設置為1～16個，每個熱聲發(fā)動機單元均包括2～50級并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

另外，由于各熱聲發(fā)動機單元14和諧振管12組成了閉合環(huán)路，環(huán)路中存在的Gedon直流會惡化系統(tǒng)的性能，在本實施例中，可以采用彈性隔膜元件或非對稱流道阻力元件來抑制直流。所述的彈性隔膜元件，是指在管路中沿其截面設置的彈性隔膜。如圖8所示，可將具有彈性的硅膠膜或者其他材料制成的彈性隔膜16通過兩個法蘭15固定在通氣管路中，通常為了使彈性隔膜的位移較小，彈性隔膜的面積需比管道的截面面積大。所述的非對稱流道阻力元件，是指氣體流道的截面面積變化的元件。如圖9所示，可在一塊板上打有錐形的孔作為非對稱流道結(jié)構(gòu)。

實施例2：

圖6為本發(fā)明實施例二中的一種多級并聯(lián)型梯級利用變溫熱源的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，在本實施例中，該多級并聯(lián)型梯級利用變溫熱源的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)同樣包括三個熱聲發(fā)動機單元14，三個熱聲發(fā)動機單元14之間通過三段諧振管12首尾串聯(lián)構(gòu)成環(huán)路；每個熱聲發(fā)動機單元14均包括主室溫換熱器1、第一級回熱器2、第一級熱端換熱器3、第一級熱緩沖管4、第二級回熱器5、第二級熱端換熱器6、第二級熱緩沖管7、第三級回熱器8、第三級熱端換熱器9、第三級熱緩沖管10、次室溫換熱器11；每段諧振管12的入口處外接負載13，所述負載13為直線發(fā)電機或熱聲制冷機；主室溫換熱器1的輸出口分成三條并聯(lián)支路，第一路依次相連第一級回熱器2、第一級熱端換熱器3和第一級熱緩沖管4，第二路依次相連第二級回熱器5、第二級熱端換熱器6和第二級熱緩沖管7，第三路依次相連第三級回熱器8、第三級熱端換熱器9和第三級熱緩沖管10；這三條并聯(lián)支路的輸出口與次室溫換熱器11的輸入口相連。第一級回熱器2、第二級回熱器5、第三級回熱器8的截面面積依次增大，長度依次減小；且第一級熱端換熱器3、第二級熱端換熱器6、第三級熱端換熱器9的工作溫度依次遞減，以實現(xiàn)梯級利用熱源的熱量。本實施例中的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)與實施例一的系統(tǒng)不同之處在于：熱聲發(fā)動機系統(tǒng)的熱聲發(fā)動機單元14為同軸結(jié)構(gòu)，即各級熱緩沖管位于本級回熱器之中，并與回熱器同軸設置。同軸設置的效果是使結(jié)構(gòu)更加緊湊，通過增大軸向尺寸減小了徑向尺寸。主室溫換熱器1從側(cè)面進氣，且其遠離回熱器的端面封閉，以保證從上一級諧振管流入的氣體進入主室溫換熱器1然后分三路經(jīng)各級回熱器、各級熱端換熱器、各級熱緩沖管，最后在次室溫換熱器11匯集后進入諧振管12。該系統(tǒng)的工作機理與實施例一相同。

實施例3：

圖7為本發(fā)明實施例三中的多級并聯(lián)型梯級利用變溫熱源的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，在本實施例中，該多級并聯(lián)型梯級利用變溫熱源的行波熱聲發(fā)動機系統(tǒng)與實施例二的系統(tǒng)不同之處在于：熱聲發(fā)動機系統(tǒng)的熱聲發(fā)動機單元14的各級回熱器位于本級熱緩沖管之中，并與熱緩沖管同軸設置。同軸設置的效果是使結(jié)構(gòu)更加緊湊，通過增大軸向尺寸減小了徑向尺寸。主室溫換熱器1從側(cè)面進氣，且其遠離回熱器的端面封閉，以保證從上一級諧振管流入的氣體進入主室溫換熱器1然后分三路經(jīng)各級回熱器、各級熱端換熱器、各級熱緩沖管，最后在次室溫換熱器11匯集后進入諧振管12。該系統(tǒng)的工作原理與實施例二相同。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。