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一種聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510472594.0

申請日:

2015.08.04

公開號:

CN105066499A

公開日:

2015.11.18

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F25B 9/14申請日:20150804|||公開
IPC分類號: F25B9/14 主分類號: F25B9/14
申請人: 中國科學院理化技術研究所
發明人: 羅二倉; 徐靜遠; 胡劍英; 戴巍; 吳張華; 張麗敏; 余國瑤; 王曉濤; 陳燕燕
地址: 100190北京市海淀區中關村東路29號
優先權: 2015102081188 2015.04.28 CN
專利代理機構: 北京方安思達知識產權代理有限公司11472 代理人: 王宇楊; 楊青
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510472594.0

授權公告號:

105066499B||||||

法律狀態公告日:

2017.06.13|||2015.12.16|||2015.11.18

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,其由N級熱聲發動機單元通過諧振管首尾相連的環路結構及N級旁路組成;級旁路在發動機次水冷器出口處;第N級旁路接一個脈管制冷機單元,其余旁路接至少三個脈管制冷機單元;工作時發動機加熱器被加熱,系統產生往復振蕩壓力波動,并在制冷機回熱器中發生熱聲轉換,將冷頭熱量送至制冷機主冷卻器,使冷頭保持低溫;隨旁路級數增加,各冷頭溫度逐減至氣體液化溫度;氣體按冷頭溫度由高到低依次通過第1~N-1級旁路的各冷頭,釋放顯熱降溫至液化溫度;氣體最后通過第N級旁路的冷頭由氣態轉變為液態;本發明可梯級降低氣體溫度,減少傳熱損失,且無機械運動部件,結構緊湊,可實現氣體液化整個流程。

權利要求書

1.一種聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,其由通過諧振管首
尾相連構成環路結構的N級熱聲發動機單元、分別連接于N級熱聲發動機單元的每
一級熱聲發動機單元的發動機次冷卻器出口與諧振管連接處的N級旁路和連接于每
一級熱聲發動機單元的脈管制冷機單元組成;其中,與第N級熱聲發動機單元相連
通的第N級旁路上連接一個脈沖管制冷機單元,其余各級旁路上分別連接至少三個
脈管制冷機單元,N=3~6正整數;
每一級熱聲發動機單元的高溫端層流化元件安裝在該級熱聲發動機單元的熱緩
沖管高溫側,每一級熱聲發動機單元的發動機室溫端層流化元件安裝在該級熱聲發
動機單元的熱緩沖管室溫側;每一級脈管制冷機單元的低溫端層流化元件安裝在該
級脈管制冷機單元的脈沖管低溫側,每一級脈管制冷機單元的制冷機室溫端層流化
元件安裝在該級脈管制冷機單元的脈沖管室溫側;
每一級熱聲發動機單元的加熱器與熱源相連以吸收熱源熱量形成相同溫度的高
溫端;每一級熱聲發動機單元的發動機主冷卻器和發動機次冷卻器通過水冷器冷卻
以維持在室溫范圍;由此,在每一級熱聲發動機單元的發動機回熱器上形成溫度梯
度;在該溫度梯度下,每一級熱聲發動機單元的發動機回熱器內部工作氣體與其內
的固體填料間產生熱聲效應,將輸入至該級熱聲發動機單元加熱器的熱量轉化成聲
功;聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大,一部分聲功傳遞到與該級熱聲發動機
單元相連的旁路中,另一部分聲功通過諧振管傳遞到下一級熱聲發動機單元,在該
下級熱聲發動機單元中重復以上工作過程;傳遞到每級旁路中的聲功在與該級旁路
相連的脈管制冷機單元的制冷機回熱器中發生熱聲轉換,將與該級脈管制冷機單元
的冷頭的熱量泵送至該級脈管制冷機單元的制冷機主水冷器輸出,熱量由該級脈管
制冷機單元的制冷機冷卻器中的冷卻水帶走,使該級脈管制冷機單元冷頭保持低溫;
隨著旁路3級數的增加,從與第1級旁路連接的脈管制冷機單元至與第N-1級
旁路連接的脈管制冷機單元的冷頭的溫度依次降低至氣體液化溫度,與第N級旁路
相連的脈管制冷機單元的冷頭維持在氣體液化溫度;待氣化氣體按照脈管制冷機單
元的冷頭溫度從高到低的順序依次通過各級脈管制冷機的冷頭,待氣化氣體顯熱被
吸收,待氣化氣體溫度降至液化溫度,最后,待氣化氣體通過與第N級旁路相連的
脈管制冷機單元的冷頭,釋放潛熱后,待氣化氣體由氣態轉變為液態;
所述聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置使用的工質為氦氣、氫氣、
氮氣或其組合。
2.按權利要求1所述的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,其特
征在于,每一級熱聲發動機單元由依次相連的直流抑制器、發動機主冷卻器、發動
機回熱器、加熱器、高溫端層流化元件、熱緩沖管、發動機室溫端層流化元件和發
動機次冷卻器組成;所述脈管制冷機單元由依次相連的直制冷機主冷卻器、制冷機
回熱器、冷頭、低溫端層流化元件、脈沖管、制冷機室溫端層流化元件、制冷機次
冷卻器和調相結構組成。
3.按權利要求1或2所述的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,
其特征在于,所述每一級熱聲發動機單元的直流抑制器為彈性隔膜元件或非對稱水
力元件。
4.按權利要求1所述的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,其特
征在于,待液化氣體為天然氣、氮氣或氫氣。
5.按權利要求1所述的種聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,
其特征在于,與第1級至第N-1級旁路相接的脈管制冷機單元的數量相同或不相同。
6.按權利要求1所述的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,其特
征在于,與第1級至第N-1級旁路相連的脈管制冷機單元的尺寸相同、或者根據待
液化氣體通過的先后順序依次增大;與第N級旁路相連的脈管制冷機單元的尺寸最
大;脈管制冷機單元的尺寸是指脈管制冷機單元長度和截面面積。
7.按權利要求1所述的一種聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,
其特征在于,所述諧振管尺寸相等或者不相等,諧振管尺寸指諧振管長度和截面面
積。
8.按權利要求1所述的一種聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,
其特征在于,所述每一級熱聲發動機單元長度相等,橫截面積相等或者不相等。

說明書

一種聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置

技術領域

本發明屬于氣體液化領域,特別涉及一種聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體
多級液化裝置。

背景技術

液化指物質由氣態轉變為液態的過程。由于通常氣體液化后體積會變成原來
的幾千分之一,便于貯藏和運輸,所以現實中通常對一些氣體進行液化處理。實
現液化有兩種手段,一是降低溫度,二是壓縮體積。任何氣體在溫度降到足夠低
時都可以液化。

熱聲發動機是一種利用管道和換熱器在其內部獲得合適的聲場,并通過工作
介質和回熱器固體填料之間的相互作用將外部熱能轉化為聲能的裝置,具有無機
械運動部件、可靠性高、壽命長和潛在熱效率高等優點,受到人們的廣泛關注。
根據熱聲轉換的聲場特性,熱聲發動機分為行波熱聲發動機和駐波熱聲發動機。
行波熱聲發動機基于可逆的熱聲斯特林循環,相較于基于不可逆循環的駐波熱聲
發動機而言潛在熱效率高,應用前景好。近幾年,環路聲學共振型熱聲發動機因
具有結構緊湊、功率密度高、潛在熱效率高等優點,引起了廣泛關注,進一步推
動了行波熱聲發動機的發展。

圖1為羅二倉等人提出的聲學共振型熱聲制冷系統。該系統主要由多級熱聲
發動機單元1和脈管制冷機單元2組成。每一級熱聲發動機單元通過諧振管12首
尾相連構成環路結構;其結構緊湊,能實現諧振管中聲功回收,潛在熱效率高,
并且可根據冷量的需要串入多個數量的熱聲發動機單元及脈管制冷機單元;由于
該系統可提供較高的冷量,可被應用在液化氣體流程的最后部分,即吸收液化溫
度下氣體的潛熱,使氣體由氣態變為液態;但是,氣體溫度由常溫降到液化溫度
的過程仍需要依靠其他裝置,該系統無法實現氣體由常溫氣態到液態的整個液化
過程。圖1中各部件名稱如下:熱聲發動機單元1、脈管制冷機單元2、旁路3、
直流抑制器4、發動機主冷卻器5、發動機回熱器6、加熱器7、高溫端層流化元
件8、熱緩沖管9、發動機室溫端層流化元件10、發動機次冷卻器11、諧振管12、
制冷機主冷卻器13、制冷機回熱器14、冷頭15、低溫端層流化元件16、脈沖管
17、制冷機次冷卻器18、制冷機調相結構19、制冷機室溫端層流化元件20。

發明內容

本發明的目的在于為了克服上述系統無法實現氣體液化的整體流程問題,而
提供一種聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,該系統結構簡單、緊
湊、無運動部件,安全可靠,熱聲發動機單元工作在行波相位,能量密度高,可
梯級降低氣體溫度,傳熱損失小;在氣體液化方面具有廣闊的發展和應用前景。

本發明的技術方案如下:

本發明提供的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,其由通過諧振
管首尾相連構成環路結構的N級熱聲發動機單元、分別連接于N級熱聲發動機單
元的每一級熱聲發動機單元的發動機次冷卻器出口與諧振管連接處的N級旁路和
連接于每一級熱聲發動機單元的脈管制冷機單元組成;其中,與第N級熱聲發動
機單元相連通的第N級旁路上連接一個脈沖管制冷機單元,其余各級旁路上分別
連接至少三個脈管制冷機單元,N=3~6正整數;

每一級熱聲發動機單元的高溫端層流化元件安裝在該級熱聲發動機單元的熱
緩沖管高溫側,每一級熱聲發動機單元的發動機室溫端層流化元件安裝在該級熱
聲發動機單元的熱緩沖管室溫側;每一級脈管制冷機單元的低溫端層流化元件安
裝在該級脈管制冷機單元的脈沖管低溫側,每一級脈管制冷機單元的制冷機室溫
端層流化元件安裝在該級脈管制冷機單元的脈沖管室溫側;

每一級熱聲發動機單元的加熱器與熱源相連以吸收熱源熱量形成相同溫度的
高溫端;每一級熱聲發動機單元的發動機主冷卻器和發動機次冷卻器通過水冷器
冷卻以維持在室溫范圍;由此,在每一級熱聲發動機單元的發動機回熱器上形成
溫度梯度;在該溫度梯度下,每一級熱聲發動機單元的發動機回熱器內部工作氣
體與其內的固體填料間產生熱聲效應,將輸入至該級熱聲發動機單元加熱器的熱
量轉化成聲功;聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大,一部分聲功傳遞到與該
級熱聲發動機單元相連的旁路中,另一部分聲功通過諧振管傳遞到下一級熱聲發
動機單元,在該下級熱聲發動機單元中重復以上工作過程;傳遞到每級旁路中的
聲功在與該級旁路相連的脈管制冷機單元的制冷機回熱器中發生熱聲轉換,將與
該級脈管制冷機單元的冷頭的熱量泵送至該級脈管制冷機單元的制冷機主水冷器
輸出,熱量由該級脈管制冷機單元的制冷機冷卻器中的冷卻水帶走,使該級脈管
制冷機單元冷頭保持低溫;

隨著旁路級數的增加,從與第1級旁路連接的脈管制冷機單元至與第N-1級
旁路連接的脈管制冷機單元的冷頭的溫度依次降低至氣體液化溫度,與第N級旁
路相連的脈管制冷機單元的冷頭維持在氣體液化溫度;待氣化氣體按照脈管制冷
機單元的冷頭溫度從高到低的順序依次通過各級脈管制冷機的冷頭,待氣化氣體
顯熱被吸收,待氣化氣體溫度降至液化溫度,最后,待氣化氣體通過與第N級旁
路相連的脈管制冷機單元的冷頭,釋放潛熱后,待氣化氣體由氣態轉變為液態;

所述聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置使用的工質為氦氣、氫
氣、氮氣或其組合。

每一級熱聲發動機單元由依次相連的直流抑制器、發動機主冷卻器、發動機
回熱器、加熱器、高溫端層流化元件、熱緩沖管、發動機室溫端層流化元件和發
動機次冷卻器組成;所述脈管制冷機單元由依次相連的直制冷機主冷卻器、制冷
機回熱器、冷頭、低溫端層流化元件、脈沖管、制冷機室溫端層流化元件、制冷
機次冷卻器和調相結構組成。

所述每一級熱聲發動機單元的直流抑制器為彈性隔膜元件或非對稱水力元
件。待液化氣體為天然氣、氮氣或氫氣。

與第1級至第N-1級旁路相接的脈管制冷機單元的數量相同或不相同。

與第1級至第N-1級旁路相連的脈管制冷機單元的尺寸相同、或者根據待液
化氣體通過的先后順序依次增大;與第N級旁路相連的脈管制冷機單元的尺寸最
大;脈管制冷機單元的尺寸是指脈管制冷機單元長度和截面面積。

所述諧振管尺寸相等或者不相等,諧振管尺寸指諧振管長度和截面面積。所
述每一級熱聲發動機單元長度相等,橫截面積相等或者不相等。

本發明的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置,其優點在于:采
用多級脈管制冷機作為不同溫度的冷源,梯級降低待氣化氣體的溫度,可減小傳
熱損失;環路中各級熱聲發動機單元均處于行波相位,結構緊湊,能量密度高;
本發明可有效地實現待氣化氣體多級液化的整體流程,在液化氣體領域具有好的
應用前景。

附圖說明

圖1是現有技術中羅二倉等人提出的聲學共振型行波熱聲制冷系統結構示
意圖;

圖2是本發明的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置(實施例1)
結構示意圖;

圖3是本發明的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置(實施例2)
結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合附圖及實施例對
本發明的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅是本發明一
部分實施例,而不是全部實施例。基于本發明中的實施例,本領域普通技術人員
在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發明保護范圍。

本發明梯級降低氣體溫度,可更好地降低傳熱損失;系統對諧振管消耗的聲
功進行了回收,具有較高的潛在熱效率;系統無運動部件,可靠性高,結構緊湊,
能量密度高;本裝置能夠高效實現氣體多級液化的整體流程。

實施例1

圖2是本發明的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置(實施例1)
結構示意圖。如圖2所示,本實施例1的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級
液化裝置有3級(#1熱聲發動機單元、#2熱聲發動機單元和#3熱聲發動機單元)
長度相等的熱聲發動機單元1和3級旁路3;各級熱聲發動機單元通過諧振管12
首尾相連而成構成環路結構;每一旁路3中均連接脈管制冷機單元2,其中第1級
和第2級旁路分別連接(并聯)三個脈管制冷機單元2,第3級旁路連接一個脈管
制冷機單元2,且各制冷機單元的尺寸(長度和橫截面積)由第1級至第3級依次
變大;每一級旁路均處于該級熱聲發動機單元的發動機次冷卻器11出口與諧振管
(12)連接處;

每一級熱聲發動機單元1均由依次相連的直流抑制器4、發動機主冷卻器5、
發動機回熱器6、加熱器7、高溫端層流化元件8、熱緩沖管9、發動機室溫端層
流化元件10和發動機次冷卻器11組成;每一脈沖管制冷機單元2均由依次相連
的直制冷機主冷卻器13、制冷機回熱器14、冷頭15、低溫端層流化元件16、脈
沖管17、制冷機室溫端層流化元件20、制冷機次冷卻器18和調相結構19組成;

每一級熱聲發動機單元的加熱器7與熱源相連以吸收熱源熱量形成相同溫度
的高溫端;每一級熱聲發動機單元的發動機主冷卻器5和發動機次冷卻器11通過
水冷器冷卻以維持在室溫范圍;由此,在每一級熱聲發動機單元的發動機回熱器6
上形成溫度梯度;在該溫度梯度下,每一級熱聲發動機單元的發動機回熱器6內
部工作氣體與其內的固體填料間產生熱聲效應,將輸入至該級熱聲發動機單元的
加熱器7的熱量轉化成聲功;聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大,一部分聲
功傳遞到與該級熱聲發動機單元相連的旁路3中,另一部分聲功通過諧振管12傳
遞到下一級熱聲發動機單元,在該下級熱聲發動機單元中重復以上工作過程;傳
遞到每級旁路3中的聲功在與該級旁路相連的脈管制冷機單元的制冷機回熱器14
中發生熱聲轉換,將與該級脈管制冷機單元的冷頭15的熱量泵送至該級脈管制冷
機單元的制冷機主水冷器13輸出,熱量由該級脈管制冷機單元的制冷機冷卻器13
中的冷卻水帶走,使該級脈管制冷機單元冷頭15保持低溫;

隨著旁路3級數的增加,從與第1級旁路連接的脈管制冷機單元至與第N-1
級旁路連接的脈管制冷機單元的冷頭15的溫度依次降低至氣體液化溫度,與第N
級旁路相連的脈管制冷機單元的冷頭15維持在氣體液化溫度;待氣化氣體按照脈
管制冷機單元的冷頭溫度從高到低的順序依次通過第一級和第二級脈管制冷機的
冷頭15,待氣化氣體顯熱被吸收,待氣化氣體溫度降至液化溫度,最后,待氣化
氣體通過與第N級旁路相連的脈管制冷機單元的冷頭,釋放潛熱后,待氣化氣體
由氣態轉變為液態;本發明的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置中,
相鄰的脈管制冷機單元中的冷頭溫度差相同;以液化天然氣為例,天然氣初始溫
度為290K,天然氣液化溫度為110K;相鄰的脈管制冷機單元的冷頭溫度差均為
30K,即與第1級旁路相連的脈管制冷機單元的三個冷頭溫度依次為260K、230K、
200K,與第2級旁路相連的脈管制冷機單元的三個冷頭溫度依次為170K、140K、
110K;由于氣體每次下降的溫度相同,根據公式Q=cmΔT(其中Q為氣體釋
放的熱量、等于制冷量,c為氣體比熱容,m為氣體的質量),每一冷頭的制冷量
相同。因每一冷頭制冷溫度不同,制冷溫度越低的冷頭需要的聲功越大,因此該
脈管制冷機單元的尺寸(長度和橫截面積)更大;本發明的聲學共振型熱聲發動
機驅動的氣體多級液化裝置使用的工質為氦氣、氫氣、氮氣或其組合,本實施例
使用的工質氦氣。

實施例2:

圖3是本發明的聲學共振型熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置(實施例2)
結構示意圖;如圖3所示,本實施例2的氣體多級液化裝置為4級(#1熱聲發動
機單元、#2熱聲發動機單元、#3熱聲發動機單元和#4熱聲發動機單元)尺寸相等
(長度和橫截面積)的熱聲發動機單元和4級旁路;各級熱聲發動機單元通過尺
寸相同的諧振管12首尾相連而成構成環路結構;每一旁路3中均連接脈管制冷機
單元2,其中,除與#4(第4級)熱聲發動機單元相連的旁路連接一個脈管制冷機
單元,其余旁路均連接(并聯)4個脈管制冷機單元;而且各制冷機單元尺寸(長
度和橫截面積)均相同;每一級旁路均處于每一發動機次冷卻器11出口與諧振管
12的連接處;

每一級熱聲發動機單元1和每一脈沖管制冷機單元2的組成與實施例相同;

每一級熱聲發動機單元1的加熱器7均與熱源相連以吸收熱源熱量形成相同
的高溫端;每一級熱聲發動機單元1的發動機主冷卻器5和發動機次冷卻器11通
過水冷器冷卻以維持在室溫范圍;因此,每一級熱聲發動機單元的發動機回熱器6
上均形成溫度梯度;在該溫度梯度下,各級發動機回熱器6內部工作氣體與其內
的固體填料間產生熱聲效應,將輸入到加熱器7的熱量轉化成聲功,聲功沿著溫
度梯度的正方向傳播并放大;一部分聲功傳遞到旁路3中,另一部分通過諧振管
12傳遞到下一級熱聲發動機單元中重復以上過程;其中,傳遞到旁路3中的聲功
在制冷機回熱器14中發生熱聲轉換,將冷頭15的熱量泵送至制冷機主水冷器13
輸出,熱量由冷卻器中的冷卻水帶走,使冷頭15保持低溫;

隨著旁路級數的增加,第1至第3級旁路中冷頭15的溫度依次降低至氣體液
化溫度;第4級旁路中的脈管制冷機中冷頭15維持在氣體液化溫度;待氣化氣體
根據冷頭溫度從高到低的順序依次通過第1至3級旁路中的每一冷頭,氣體在每
一冷頭中均釋放顯熱,降低溫度至冷頭溫度;當待氣化氣體經過第1至第3級旁
路的所有冷頭后,氣體溫度降低到液化溫度,并進入第4級旁路中的冷頭;待氣
化氣體在該冷頭中釋放潛熱,由氣態轉換成液態,至此完成待氣化氣體液化的整
個流程。裝置中,由于各脈管制冷機單元尺寸相同,進入第1級至第3級旁路的
每個脈管制冷機的聲功基本相同;由于每一冷頭制冷溫度不同,輸入聲功相同時
制冷溫度越低的脈管制冷機單元的制冷量越小;根據公式Q=cmΔT(其中Q為
氣體釋放的熱量、等于制冷量,c為氣體比熱容,m為氣體的質量),隨著制冷溫
度的降低,兩個相鄰脈管制冷機單元間冷頭間溫度差越小。與實施例1相比,實
施例2中傳熱損失較大,但是由于各級脈管制冷機單元及熱聲發動機單元尺寸相
同,適合批量生產,能夠有效降低生產成本。

最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案,而非對其限
制;盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明,本領域的普通技術人員
應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改,或者對其中
部分或者全部技術特征進行等同替換;而這些修改或者替換,并不使相應技術方
案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。

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一種 聲學 共振 聲發 動機 驅動 氣體 多級 液化 裝置
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