一种应用于冷能回收的热声斯特林发电系统
技术领域
本实用新型涉及冷能回收领域，具体涉及一种应用于冷能回收的热声斯特林发电系统。
背景技术
近年来，以液化天然气为主的低温流体在我国的使用量大幅度提升，并广泛应用于化工、发电、医疗、交通运输、供暖等领域。在国际范围内，液化天然气在各国的产能快速提升，据估计，到2030年天然气用量将跃至一次能源第二位。2017年，我国液态天然气进口已达3800万吨，且仍保持上升趋势。依据国家能源战略规划，到2020年，天然气在我国一次能源中的占比将提高到10％以上。当前的天然气交易中，交易总量的近三分之一以液化天然气的形式进行运输，这部分天然气需在当地液化天然气汽化站中经过再汽化才能投入使用或输送至用户端。在该过程中，液化天然气将释放约830-860kJ/kg的冷量；在传统液化天然气汽化站中，这部分冷量通常被海水带走，造成极大浪费。
液化天然气冷能的利用方式主要包括冷能发电、空气分离、冷库、空调以及低温养殖、栽培等。在诸多的液化天然气冷能回收形式中，冷能发电技术根据其原理不同可分为两大类，一是将其用于改善现有动力循环系统，提高效率以增加发电量，另一类是采用相对独立的低温动力循环；常见的冷能发电方式主要包括：直接膨胀法、低温朗肯循环的二次冷媒法、燃气轮机循环以及各类联合发电方法。
热声技术自出现以来就因其高本征效率与高可靠性受到了广泛关注。热声斯特林发动机的核心部件包括冷端换热器、加热器、回热器、热缓冲管、室温端换热器与谐振结构等组件。其中，行波热声斯特林发动机通过消耗冷、热㶲在回热器中建立温度梯度，在系统内维持行波声场驱动工质气团微元作斯特林循环以产生声功，并以压力波动的形式向发动机负载输出。根据气团微元所经历动力循环划分，将维持系统内行波声场的热声斯特林发动机可统称作热声斯特林发动机。
同其他动力循环系统相比，热声热机拥有更简单的结构，更低的制造成本与更高的稳定性。时至今日，热声斯特林发动机技术经历了从驻波热声发动机到行波热声发动机，从单级热声发动机到多级环路热声发动机的演化，已进入了实现其工业应用的关键时期，在液化天然气冷能利用领域拥有广阔的应用前景。
实现工业应用的关键时期，在液化天然气冷能利用领域拥有广阔的应用前景。
目前广泛应用的热声斯特林发电系统除上述核心部件外，还设有热缓冲管及室温端换热器。其中，热缓冲管的作用是：抑制射流的产生，降低通过工质及壁面流向非回热器侧的热损失。室温端换热器的作用是阻止通过工质及热缓冲管壁面传递的剩余热量进入谐振结构内。热缓冲管与室温端换热器相互配合，在热声斯特林发动机的冷、热端换热器外侧建立良好绝热，起到保护声-电换能器元件，降低能量损失的作用。如中国专利CN103670974A中的环路型多级热声斯特林发动机，在冷、热端都换热器的外侧都设有热缓冲管与室温端换热器以避免直线电机在过冷或过热环境下运行。而事实上，在气体工质在经过室温端换热器时也不可避免的造成粘性损失及换热温差带来的不可逆换热损失，降低了系统整体效率。此外，这种结构导致热声系统除冷能、热能供应系统外，还需额外引入一条室温端介质循环回路，系统复杂度明显增大，系统成本明显升高。
在中国专利CN105114268A中，实用新型人通过在谐振管外部设置换热夹套的方式替代传统的热缓冲管与室温端换热器。液化天然气流经换热夹套，与热声斯特林发动机外壳换热，系统除加热器和回热器外，全部在低温下运行。该结构能够避免室温端换热器中的粘性损失，但其冷能消耗量较大，对冷能回收效率影响较大，且未考虑到声功的引出位置与声-电换能器问题。
实用新型内容
为了解决现有的热声发电机在气体工质技术经过室温端换热器时也不可避免的造成粘性损失及换热温差带来的不可逆换热损失，降低了系统整体效率。此外，这种结构导致热声系统除冷能、热能供应系统外，还需额外引入一条室温端介质循环回路，系统复杂度明显增大，系统成本明显升高的缺陷，以及通过在谐振管外部设置换热夹套的方式替代传统的热缓冲管与室温端换热器进而导致的冷能消耗量较大，对冷能回收效率影响较大，且未考虑到声功的引出位置与声-电换能器问题；本实用新型提供了一种应用于冷能回收的热声斯特林发电系统，包括至少一级的热声斯特林发动机单元，首尾相连构成环路；所述热声斯特林发动机单元由一个热声斯特林发动机和一个声-电换能器组成；所述热声斯特林发动机包括依次相连的冷端换热器、回热器、热端换热器和谐振管；所述声-电换能器置于前后热声斯特林发动机单元之间，相邻热声斯特林发动机单元通过谐振管相连；当所述的热声斯特林发电系统包括一个热声斯特林发动机单元时，所述的热声斯特林发动机的各个组件与声-电换能器首尾相连构成环路；
当所述的热声斯特林发电系统包括多余一个热声斯特林发动机单元时，所述声-电换能器置于前后热声斯特林发动机单元之间，相邻热声斯特林发动机单元通过谐振管相连。
优选地，所述的热声斯特林发电系统还包括配套的冷能供应系统和热能供应系统，分别将冷能、热能介质输送至各级热声斯特林发动机的冷端换热器和热端换热器；
优选地，所述的热声斯特林发动机为多级热声斯特林发动机时，冷、热能供应系统中的各级冷、热端换热器可采用串联或并联的连接形式；
优选地，所述的热声斯特林发动机为行波热声斯特林发动机；所述热声斯特林发动机为单级或多级环路行波热声斯特林发动机；
优选地，所述声-电换能器包括直线电机、压电材料、双向透平及其他形式的声-电换能器和声-功换能器；
优选地，所述声-电换能器在热声斯特林发动机单元中的具体位置由热端换热器工作温度及声-电换能器的种类共同决定：当热声斯特林发动机的热端工作温度为室温或近室温时，为获得最大化声功输出，将声-电换能器置于谐振管入口处，靠近热端换热器；当热声斯特林发动机的热端工作温度超过声-电换能器的许用温度时，出于安全性考虑，包括直线电机在内的热敏性声-电换能器应置于热声斯特林发动机谐振管中部近室温环境下；
优选地，所述热声斯特林发动机谐振管内壁做抛光处理；在承压能力允许范围内，尽量降低谐振管壁面厚度；
优选地，所述热声斯特林发电系统可利用高温热源、也可利用包括工业废热、地热能、太阳能在内的低品位热源及海水、空气等常温热源
根据上述技术方案，本实用新型的有益效果是：提出一种应用于冷能回收的热声斯特林发电系统，通过对冷能驱动热声斯特林发动机的谐振管及声功利用方式进行改进，在不影响系统性能及安全性的前提下移除了传统行波热声斯特林发动机中的热缓冲管及室温端换热器。提高了热声系统的紧凑性，降低了系统复杂度；具有安全可靠，转化效率高，变工况适应性好，初投资及维护成本低等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例1的热声斯特林发电系统流程示意图。
图2是本实用新型实施例2的热声斯特林发电系统流程示意图。
图3是本实用新型实施例3的热声斯特林发电系统流程示意图管路图示如下。
热能供应管路：
冷能供应管路：→
附图标记说明如下：1、热端换热器；2、回热器；3、冷端换热器；4、谐振管；5、直线电机；6、冷能供应系统；7、热能供应系统；8、双向透平9、旋转电机。
其中图2、图3中未标号部分与图1中对应的标号部分结构一致。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
以下各实施例中，热声发电子系统由热端换热器1、回热器2、冷端换热器3，各级热声斯特林发动机单元之间以谐振管4相连。此外，还包括直线电机5、冷能供应系统6、热能供应系统7、双向透平8、旋转电机9，各组件的连接关系如图1、2、3中所示；对谐振管内部做抛光处理，以抑制射流的产生，降低损失；在满足承压条件的前提下尽量降低谐振管壁厚，以增大谐振管轴向热阻，降低导热损失。
实施例1：
如附图1所示，本实施例中同时利用液化天然气冷能和海水中近室温热能发电，液化天然气气化后对天然气冷能进行进一步利用或直接并入天然气管网。
本实施例中，采用直线电机为声-电换能器。
本实施例中，液化天然气抽离储罐，分别进入三级热声斯特林发动机的冷端换热器，冷端温度为110K；与海水换热后的热能介质分别进入三级热声斯特林发动机的热端换热器，热端温度为300K，在回热器两端建立温度梯度产生声功，并以压力波动的形式输出，进入谐振管。
本实施例中，谐振管两端分别与上级热声斯特林发动机热端换热器及下级热声斯特林发动机冷端换热器相连，谐振管壁面及其内部气体工质存在110-300K 的温度梯度。为实现输出声功最大化，直线电机的声功引出位置位于各级热声斯特林发动机的热端换热器出口，此处气体工质温度近300K，处于直线电机的许用温度范围内。来自热声斯特林发动机的压力波动通过气体工质传输至直线电机中，最终转化为电功输出。
实际应用中，与循环水回路进行热交换的海水等热源往往伴随有季节性的温度变化，但同其他的动力循环相比，热声斯特林发动机在工作中对于室温端温度的变化具有较强的适应性，其性能不会受到较大影响。
实施例2：
如附图2所示，本实施例中同时利用液化天然气冷能和中温段工业废热发电，液化天然气气化后对天然气冷能进行进一步利用或直接并入天然气管网。
本实施例中，采用双作用直线电机为声-电换能器。
本实施例中，液化天然气抽离储罐，分别进入三级热声斯特林发动机的冷端换热器，冷端温度为110K；与海水换热后的热能介质分别进入三级热声斯特林发动机的热端换热器，热端温度为500K，在回热器两端建立温度梯度产生声功，并以压力波动的形式输出，进入谐振管。
本实施例中，谐振管两端分别与上级热声斯特林发动机热端换热器及下级热声斯特林发动机冷端换热器相连，谐振管壁面及其内部气体工质存在110-500K 的温度梯度。此时，热声斯特林发动机的热端换热器出口处作为可用声功最高处，其气体工质温度近500K，远超直线电机的许用温度。出于安全性考虑，直线电机的接入位置应取谐振管中部近室温端范围内，可选择将声功通过支路引出(如实施例1)，也可将直线电机直接接入管路。
本实施例中，如附图2所示，将直线电机直接接入谐振管管路，此时直线电机除作为声-电换能器外，还作为热声系统的谐振结构。来自热声斯特林发动机的压力波动通过气体工质传输至直线电机中，最终转化为电功输出。
实施例3：
如附图3所示，本实施例中同时利用液化天然气冷能和中温段太阳能发电，液化天然气气化后对天然气冷能进行进一步利用或直接并入天然气管网。
本实施例中，采用具有耐热性的双向透平为声学负载。
本实施例中，液化天然气抽离储罐，分别进入三级热声斯特林发动机的冷端换热器，冷端温度为110K；来自太阳能集热装置的热能介质分别进入三级热声斯特林发动机的热端换热器，热端温度近500K，在回热器两端建立温度梯度产生声功，并以压力波动的形式输出，进入谐振管。
本实施例中，谐振管两端分别与上级热声斯特林发动机热端换热器及下级热声斯特林发动机冷端换热器相连，谐振管壁面及其内部气体工质存在110-500K 的温度梯度。为实现输出声功最大化，直线电机的声功引出位置位于各级热声斯特林发动机的热端换热器出口，此处气体工质温度近500K，处于双向透平的许用温度范围内。来自热声斯特林发动机的压力波动通过气体工质传输至谐振管入口处的双向透平，工质气体交变流动，推动双向透平。冷、热能在双向透平中转化为机械功，并通过传动轴驱动旋转电机，输出电功。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
