一种家用沼气热电联产装置
阅读：651发布：2020-05-14
专利汇可以提供一种家用沼气热电联产装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种家用沼气 热电联产 装置，该装置包括：第一 燃烧室 、 热声 发动机 和双向透平发电装置；第一燃烧室用于燃烧可燃气体获得热量，在第一燃烧室内部设置采热装置，采热装置通 过热 桥与热声发动机相连，热声发动机与双向透平发电装置相结合构成热声发电装置，热声发动机同时与 水 路相 接触 连接。本发明提供的一种家用沼气热电联产装置，通过设置采用双向透平发电的热声发电装置，结构简单，运行可靠，整机成本低，同时对热声发动机的余热加以利用，热效率可得到进一步提高，热声发电的规模可根据实际需要灵活设计，适合小中户型的家用系统。，下面是一种家用沼气热电联产装置专利的具体信息内容。
1.一种家用沼气热电联产装置，其特征在于，包括：第一燃烧室、热声发动机和双向透平发电装置；所述第一燃烧室用于燃烧可燃气体获得热量，在所述第一燃烧室内部设置采热装置，所述采热装置通过热桥与所述热声发动机相连，所述热声发动机与所述双向透平发电装置相连，所述热声发动机同时与水路相接触连接。
2.根据权利要求1所述的家用沼气热电联产装置，其特征在于，还包括：第二燃烧室；所述第二燃烧室用于燃烧可燃气体，在所述第二燃烧室内设置换热装置，所述换热装置与所述水路相连，所述水路中的水流经所述换热装置。
3.根据权利要求2所述的家用沼气热电联产装置，其特征在于，还包括：净化装置和储气罐；所述净化装置的一端与沼气抽气泵的一端相连，所述沼气抽气泵的另一端与沼气源相连，所述净化装置的另一端通过输气管路与所述储气罐相连，所述储气罐通过第一沼气调节阀与所述第一燃烧室相连，所述储气罐通过第二沼气调节阀与所述第二燃烧室相连，所述第一燃烧室与第一空气调节阀相连，所述第二燃烧室与第二空气调节阀相连。
4.根据权利要求3所述的家用沼气热电联产装置，其特征在于，还包括：控制装置；所述控制装置包括控制器和电能存储器，所述控制器分别与所述沼气抽气泵、第一沼气调节阀、第二沼气调节阀、第一空气调节阀和第二空气调节阀相连，所述电能存储器与所述双向透平发电装置相连。
5.根据权利要求4所述的家用沼气热电联产装置，其特征在于，所述储气罐分别连接压力传感器和气体检测仪，所述压力传感器和所述气体检测仪分别与所述控制器相连。
6.根据权利要求3所述的家用沼气热电联产装置，其特征在于，在所述储气罐的外侧壁上涂覆散热用涂料。
7.根据权利要求3所述的家用沼气热电联产装置，其特征在于，所述输气管道与所述储气罐的直径比为：1:5-1:8。
8.根据权利要求1或4所述的家用沼气热电联产装置，其特征在于，所述热声发动机包括至少一个发动机基本单元；任一所述发动机基本单元由第一连接管、主冷却器、回热器、热端换热器、热缓冲管、次冷却器和第二连接管依次连接，所述热端换热器与所述热桥相连，所述第一连接管和所述第二连接管通过谐振管相连。
9.根据权利要求8所述的家用沼气热电联产装置，其特征在于，多个所述发动机基本单元通过谐振管串联形成环路，所述双向透平发电装置串接或旁接于环路中，所述双向透平发电装置放置在靠近次冷却器的谐振管顶部位置，在一个发动机基本单元的第一连接管中设置直流抑制器。
10.根据权利要求1所述的家用沼气热电联产装置，其特征在于，所述双向透平发电装置具体包括：透平动叶片、导流叶片、连接轴、整流罩和旋转式发电机；在所述透平动叶片的两侧分别设置导流叶片，所述透平动叶片通过所述连接轴与所述旋转式发电机的旋转轴相连，所述旋转式发电机设置在所述透平动叶片的一侧或两侧，所述整流罩用于整流流入与流出的气体，所述旋转式发电机设置在所述整流罩的内部或外部。
一种家用沼气热电联产装置
技术领域
背景技术
[0002] 可再生能源是实现可持续发展的重要能源，沼气发电技术是集环保和节能于一体的能源综合利用新技术。它是利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废物(如粪便、秸秆、城市垃圾、污水等)，经厌氧发酵处理产生的沼气，将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，它是一种有效利用沼气的重要方式。目前，家用沼气的用户量巨大，约2亿农户有40％左右使用家用沼气池。如果能把沼气稍加处理加以利用，每年将会节约上百亿的建设资金以及上千万吨的煤。同时利用可再生能源发电，也能为能源安全和环境保护提供有力的保障。
[0003] 目前，沼气发电所采用的的沼气内燃机分为两类，即双燃料式和全烧式。双燃料式采用柴油加沼气双燃料，通过压燃少量柴油以点燃沼气进行燃烧发电。其缺点在于系统复杂，必须同时具有供油和供气两套装置，大大增加了成本，不适用于分散性农户沼气发电。全烧式采用点燃式汽油机，全烧沼气，功率小，效率低，同时其电子调速系统也大大增加了成本。
[0004] 中国专利CN201215037X公开了一种家用沼气发电装置，如图1所示，它包括气体混合装置11，内燃发动机12，气体增压储存装置，发电机13，整机系统庞大，建造成本高，维护难度大。中国专利CN202883023U公开了一种沼气发电装置，如图2所示，包括气水分离器21，脱硫塔22，凝水器23，加压储气罐24，沼气发电系统25，整个系统复杂性高，不易于操作，不适合小中户型的家庭利用。中国专利CN201778847U公开了一种沼气发电装置，如图3所示，包括沼气池，加压储气箱，汽轮机及其该汽轮机传动连接的发电机，发电机与变压器相连，系统简单易于操作，但是采用的汽轮机及其相应的发电机，仍然具有较高成本，且该系统的热能利用率仍较低。
[0005] 现有的沼气发电装置大多存在热能利用率低、设备复杂、成本高以及不适合小中户型家庭利用的问题。
发明内容
[0006] 本发明提供一种克服现有的沼气发电装置大多存在热能利用率低、设备复杂、成本高以及不适合小中户型家庭利用的问题或者至少部分地解决上述问题的一种家用沼气热电联产装置。
[0007] 根据本发明，提供一种家用沼气热电联产装置，该装置包括：第一燃烧室、热声发动机和双向透平发电装置；所述第一燃烧室用于燃烧可燃气体获得热量，在所述第一燃烧室内部设置采热装置，所述采热装置通过热桥与所述热声发动机相连，所述热声发动机与所述双向透平发电装置相连且二者结合构成热声发电装置，所述热声发动机同时与水路相接触连接。
[0008] 在上述方案的基础上，一种家用沼气热电联产装置还包括：第二燃烧室；所述第二燃烧室用于燃烧可燃气体，在所述第二燃烧室内设置换热装置，所述换热装置与所述水路相连，所述水路中的水流经所述换热装置。
[0009] 在上述方案的基础上，一种家用沼气热电联产装置还包括：净化装置和储气罐；所述净化装置的一端与沼气抽气泵的一端相连，所述沼气抽气泵的另一端与沼气源相连，所述净化装置的另一端通过输气管路与所述储气罐相连，所述储气罐通过第一沼气调节阀与所述第一燃烧室相连，所述储气罐通过第二沼气调节阀与所述第二燃烧室相连，所述第一燃烧室与第一空气调节阀相连，所述第二燃烧室与第二空气调节阀相连。
[0010] 在上述方案的基础上，一种家用沼气热电联产装置还包括：控制装置；所述控制装置包括控制器和电能存储器，所述控制器分别与所述沼气抽气泵、第一沼气调节阀、第二沼气调节阀、第一空气调节阀和第二空气调节阀相连，所述电能存储器与所述双向透平发电装置相连。
[0013] 在上述方案的基础上，所述输气管道与所述储气罐的直径比为：1:5-1:8。
[0014] 在上述方案的基础上，所述热声发动机包括至少一个发动机基本单元；任一所述发动机基本单元由第一连接管、主冷却器、回热器、热端换热器、热缓冲管、次冷却器和第二连接管依次连接，所述热端换热器与所述热桥相连，所述第一连接管和所述第二连接管通过谐振管相连。
[0015] 在上述方案的基础上，多个所述发动机基本单元通过谐振管串联形成环路，所述双向透平发电装置串接或旁接于环路中，所述双向透平发电装置放置在靠近次冷却器的谐振管顶部位置，在一个发动机基本单元的第一连接管中设置直流抑制器。
[0016] 在上述方案的基础上，所述双向透平发电装置具体包括：透平动叶片、导流叶片、连接轴、整流罩和旋转式发电机；在所述透平动叶片的两侧分别设置导流叶片，所述透平动叶片通过所述连接轴与所述旋转式发电机的旋转轴相连，所述旋转式发电机设置在所述透平动叶片的一侧或两侧，所述整流罩用于整流流入与流出的气体，所述旋转式发电机设置在所述整流罩的内部或外部。
[0017] 本发明提供的一种家用沼气热电联产装置，通过采用双向透平发电装置与热声发动机相结合的热声发电装置，结构简单，整机成本低，相比于以往系统，更为可靠经济，同时对热声发动机的余热加以利用，热效率可得到进一步提高，在小中户型的利用方面，具有很大优势；整个系统结构简单，热能利用率高，热声发电的规模可根据实际需要灵活设计，其建造规模可大可小，建设成本低，周期短，适合小中户型的家用系统。附图说明
[0018] 图1为现有技术中一种家用沼气发电装置的结构示意图；
[0019] 图2为现有技术中一种沼气发电装置的结构示意图；
[0020] 图3为现有技术中一种沼气发电装置的结构示意图；
[0021] 图4为根据本发明实施例的一种家用沼气热电联产装置的结构示意图；
[0022] 图5为根据本发明实施例的威尔斯透平动叶片的结构示意图；
[0023] 图6为根据本发明实施例的双向冲击式透平动叶片的结构示意图；
[0024] 图7为根据本发明实施例的带导流叶片的双向冲击式透平的结构示意图；
[0025] 图8为根据本发明实施例的一种家用沼气热电联产装置中热声发动机基本单元的结构示意图；
[0026] 图9为根据本发明实施例的一种家用沼气热电联产装置中双向透平发电装置的结构示意图；
[0027] 图10为根据本发明实施例的一种家用沼气热电联产装置的结构示意图。
[0028] 附图标记说明：
[0029] 12—内燃发动机； 11—气体混合装置； 13—发电机；
[0030] 21—气水分离器； 22—脱硫塔； 23—凝水器；
[0031] 24—加压储气罐； 25—沼气发电系统； 31—控制装置；
[0032] 33—净化装置； 32—沼气抽气泵； 34—输气管路；
[0033] 35—储气罐； 36—第一沼气调节阀； 37—第二沼气调节阀；
[0034] 38—第一燃烧器； 39—第一空气调节阀； 310—第二空气调节阀；
[0035] 311—第二燃烧器； 312—第一燃烧室； 313—采热装置；
[0036] 314—第一排气管； 315—第二燃烧室； 316—换热装置；
[0037] 317—第二排气管； 318—热桥； 319—热声发动机；
[0038] 320—直流抑制器； 321—双向透平发电装置； 322—谐振管；
[0039] 323—水路； 101—控制器； 102—电能存储器；
[0040] 501—压力传感器； 502—气体检测仪； 211—透平动叶片；
[0041] 212—导流叶片； 191—第一连接管； 192—主冷却器；
[0042] 193—回热器； 194—热端换热器； 195—热缓冲管；
[0043] 196—次冷却器； 197—第二连接管； 213—连接轴；
[0044] 215—整流罩； 214—旋转式发电机； 216—连接管道。
具体实施方式
[0045] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0046] 本实施例根据本发明提供一种家用沼气热电联产装置，参考图4，该装置包括：第一燃烧室312、热声发动机319和双向透平发电装置321；所述第一燃烧室312用于燃烧可燃气体获得热量，在所述第一燃烧室312内部设置采热装置313，所述采热装置313通过热桥318与所述热声发动机319相连，所述热声发动机319与所述双向透平发电装置321相连且二者结合构成热声发电装置，所述热声发动机319同时与水路323相接触连接。
[0047] 本实施例提供的一种家用沼气热电联产装置，包括第一燃烧室312、热声发动机319和双向透平发电装置321。第一燃烧室312用于燃料的燃烧。采热装置313设置在第一燃烧室312的内部，可直接与燃料燃烧的高温烟气接触，获得热量。
[0048] 具体地，在第一燃烧室312的顶部设置第一燃烧器38，第一燃烧器38内设置燃料燃烧所需的相关部件。燃料即可燃气体从第一燃烧室312的顶部进入第一燃烧器38中燃烧。
[0049] 第一燃烧室312和第一燃烧器38相连通，燃料燃烧产生的高温烟气会聚集在第一燃烧室312中。第一燃烧室312的内部空腔用于设置采热装置313。设置第一燃烧室312可便于设置采热装置313，且可尽可能的让采热装置313与高温烟气充分换热。
[0050] 在采热装置313和热声发动机319之间设置热桥318。热桥318一端与采热装置313相接，另一端与热声发动机319相连。热桥318将采热装置313获得的热量传递给热声发动机319。热声发动机319利用该热量产生往复式的气体机械能。
[0051] 将热声发动机319与双向透平发电装置321相结合。双向透平发电装置321可将往复式的机械能转变为单向的旋转运动，从而可带动旋转式发电机214进行发电。
[0052] 进一步地，将热声发动机319同时与水路323相接触连接。水路323即内部介质为水的管路。水路323流经热声发动机319，可通过对流换热吸收热声发动机319的余热，产生热水，供生活所用。
[0053] 热声发动机319作为外燃式发动机的一种，工作温区宽泛(起振温度可低于100℃)，与声电转换装置结合则可以形成热声发电系统，在低品位热源利用方面具有巨大的潜力。由于热声发动机319运动部件少，内禀效率高，工作介质对环境友好，稳定性和可靠性高，在近年获得快速发展。
[0054] 利用可燃气体燃烧产生的热能带动热声发动机319。热声发动机319将热能转变为往复式的气体机械能，从而驱动双向透平发电装置321将往复气体的机械能转变为电能输出。
[0055] 热声发动机319和双向透平发电装置321相结合使用，形成热声发电装置，结构简单，运行可靠，整机成本低，相比于以往系统，更为经济可靠。
[0056] 同时热声发动机319的余热还可回收用来加热生活用水，提高了热能利用率。整个系统结构简单，热能利用率高，热声发电的规模可根据实际需要灵活设计，其建造规模可大可小，建设成本低，周期短，适合小中户型的家用系统。
[0057] 进一步地，采热装置313可以为多个热管组成。由于热管具有较好的传热性能，因此，采用热管可以有效提高采热装置313的换热效率，保证采热装置313的采热效率。此外，实际应用中所述的采热装置313也可采用其他方式进行传热，如高温流体传热等，具体地，可根据实际的需要选择合适的传热材料。
[0058] 在上述实施例的基础上，进一步地，一种家用沼气热电联产装置还包括：第二燃烧室315；所述第二燃烧室315用于燃烧可燃气体，在所述第二燃烧室315内设置换热装置316，所述换热装置316与所述水路323相连，所述水路323中的水流经所述换热装置316。
[0059] 本实施例基于上述实施例，增设了第二燃烧室315。第二燃烧室315同样用于可燃气体或其他燃料的燃烧。第二燃烧室315内燃料的燃烧所获得的热量用于进一步的通过换热装置316对水路323中的水进行加热，以满足用户对热水的需求。
[0060] 具体地，在第二燃烧室315的顶部设置第二燃烧器311，第二燃烧器311内设置燃料燃烧所需的相关部件。燃料即可燃气体从第二燃烧室315的顶部进入第二燃烧器311中燃烧。
[0061] 第二燃烧室315和第二燃烧器311相连通，燃料燃烧产生的高温烟气会流入第二燃烧室315中。第二燃烧室315的内部空腔用于设置换热装置316。设置第二燃烧室315可便于设置换热装置316，且可尽可能的让流经换热装置316的水与高温烟气充分对流换热。
[0062] 在第二燃烧室315内设置换热装置316。换热装置316与水路323相连。水路323中的水在吸收了热声发动机319的余热即进行了预热之后流入换热装置316中，可与高温烟气对流换热，进行进一步的加热。
[0063] 设置第二燃烧室315，可获得更高温度的热水，以满足用户的需要。
[0065] 在上述实施例的基础上，进一步地，所述可燃气体包括：沼气。
[0066] 本实施例基于上述实施例，对可燃气体进行了说明。该热电联产装置可采用沼气作为可燃气体产生热量。
[0067] 沼气作为作为可再生能源，利用沼气进行发电和制热，既能节约能耗，提高经济性，且能实现能源的充分利用，可减轻能源短缺的压力。
[0068] 现有的家用沼气发电装置，系统复杂程度高，成本较大，维护不便，且沼气的热能利用率不高，在使用时并不是高效和经济合理的。
[0069] 基于以上问题，本实施例根据本发明提供的一种家用沼气热电联产装置利用沼气作为燃料，且采用热声发动机319，具有效率高，结构简单，运行可靠等优点，同时采用经济性高、功率扩展性强的双向透平发电作为声电转换装置，对沼气进行燃烧发电，同时还可对热声发动机319的余热进行回收加以利用，提出了一种具有结构简单，操作维护方便，在效率和经济性方面更为合理的沼气热电联产装置，在小中户型的家用沼气利用方面具有更大优势与潜力。
[0070] 在上述实施例的基础上，参考图4，一种家用沼气热电联产装置还包括：净化装置33和储气罐35；所述净化装置33的一端与沼气抽气泵32的一端相连，所述沼气抽气泵32的另一端与沼气源相连，所述净化装置33的另一端通过输气管路34与所述储气罐35相连，所述储气罐35通过第一沼气调节阀36与所述第一燃烧室312相连，所述储气罐35通过第二沼气调节阀37与所述第二燃烧室315相连，所述第一燃烧室312与第一空气调节阀39相连，所述第二燃烧室315与第二空气调节阀310相连。
[0071] 本实施例基于上述实施例，增设了净化装置33、沼气抽气泵32、输气管路34、储气罐35、第一沼气调节阀36和第二沼气调节阀37，用作可燃气体引入装置。首先，沼气抽气泵32将沼气从沼气源抽至净化装置33中进行净化。
[0072] 在燃烧前对沼气进行净化，可提高燃烧效率，且减少污染物的产生，避免对环境造成污染。
[0073] 经净化装置33后的沼气通过输气管路34进入储气罐35中进行存储。在需要发电时，需点燃第一燃烧室312。此时，可启动第一沼气调节阀36，调节从储气罐35进入第一燃烧室312的沼气的流量，从储气罐35中将沼气输送至第一燃烧室312中进行燃烧。
[0074] 同时，第一燃烧室312还与第一空气调节阀39相连。第一空气调节阀39可与外界空气源相连。第一空气调节阀39用于调节进入第一燃烧室312的空气的流量，将空气输送至第一燃烧室312内部，用于沼气燃烧所需。
[0075] 在需要点燃第二燃烧室315以获得高温热水时，可启动第二沼气调节阀37，调节从储气罐35进入第二燃烧室315的沼气的流量，从储气罐35中将沼气输送至第二燃烧室315中进行燃烧。
[0076] 同时，第二燃烧室315还与第二空气调节阀310相连。第二空气调节阀310可与外界空气源相连。第二空气调节阀310用于调节进入第二燃烧室315的空气的流量，将空气输送至第二燃烧室315内部，用于沼气燃烧所需。
[0077] 第一沼气调节阀36、第二沼气调节阀37、第一空气调节阀39和第二空气调节阀310均为流量调节阀，用于通过流量的调节来控制沼气和空气的输送。
[0078] 在上述实施例的基础上，进一步地，参考图4，一种家用沼气热电联产装置还包括：控制装置31；所述控制装置31包括控制器101和电能存储器102，所述控制器101分别与所述沼气抽气泵32、第一沼气调节阀36、第二沼气调节阀37、第一空气调节阀39和第二空气调节阀310相连，所述电能存储器102与所述双向透平发电装置321相连。
[0079] 本实施例基于上述实施例，对一种家用沼气热电联产装置进行了进一步的说明。在上述实施例提供的热电联产装置的基础上，增设了控制装置31，用于实时监测整个系统的运行状况，确保整个系统的安全高效。
[0080] 控制装置31中设有控制器101。控制器101可通过电缆线分别与沼气抽气泵32和各个调节阀连接。控制器101可用于分别对沼气抽气泵32和各个调节阀进行控制，进而控制整个系统进行供电或供热。通过控制沼气抽气泵32和各个调节阀的启停以及具体的流量，对整个系统进行更精确的控制。
[0081] 整个系统可只启动第一燃烧室312进行供电，或者只启动第一燃烧室312进行供电同时利用余热来供热。也可只启动第二燃烧室315进行供热。或者可同时启动第一燃烧室312和第二燃烧室315，既供电又供热，能在供电的同时提供较高温度的热水。
[0082] 沼气燃烧产生的热能既能用作发电，或热电联产，也可单独加热生活用水，供电供热可根据需要选择不同模式。
[0083] 控制装置31还包括电能存储器102。电能存储器102可通过电缆线与双向透平发电装置321连接，用于将产生的电能存储起来，方便使用。
[0084] 本实施例提出的一种家用沼气热电联产装置，基于热声发电机，主要由控制装置31，沼气净化装置33，储气罐35，第一燃烧室312，第二燃烧室315，热声发动机319，双向透平发电装置321，水路323，输气管路34以及相应的的沼气抽气泵和各个调节阀等组成。
[0085] 由于热声发动机319具有较小的体积，结构简单，且具有较高的热能利用率，因此，可有效简化整个系统的结构，热声发电的规模可根据实际需要灵活设计，其建造规模可大可小，建设成本低，周期短，适合家用的沼气利用系统。
[0086] 进一步地，净化装置33内设有脱硫填料。用于减小沼气中的含硫量，提高沼气纯度从而促进发电效率，保护环境。
[0087] 在上述实施例的基础上，进一步地，所述储气罐35分别连接压力传感器501和气体检测仪502，所述压力传感器501和所述气体检测仪502分别与所述控制器101相连。
[0088] 本实施例基于上述实施例，在储气罐35上增设了压力传感器501和气体检测仪502。
[0089] 储气罐35上设有压力传感器501和气体检测仪502，通过压力传感器501实时监测储气罐35内的压力，确保储气罐35内压在合理水平，保证储气罐35内有足够的沼气量。通过气体检测仪502实时监测储气罐35内是否存在沼气泄露。
[0090] 控制装置31中的控制器101分别与压力传感器501和气体检测仪502相连，可随时对储气罐35的安全状态进行监测。
[0091] 增设压力传感器501和气体检测仪502可保证储气罐35的安全，提高整个系统的安全性。
[0092] 在上述实施例的基础上，进一步地，在所述储气罐35的外侧壁上涂覆散热用涂料。
[0093] 本实施例基于上述实施例，在储气罐35的外侧壁上涂覆散热用涂料，例如可为散热涂料。储气罐35用于储存净化后的沼气，在储气罐35各部件的外壁上涂覆有一层散热涂料，以提高沼气在储气罐35中的稳定性。
[0094] 在储气罐35的外侧壁上涂覆散热涂料，可防止沼气爆炸，并对沼气罐各部件的热量进行传导，避免热量堆积在气罐内部，避免在高温天气储气罐35内的沼气温度升高而存在的隐患。
[0095] 同时散热涂料还具有一定的阻燃，防锈，耐刮，耐有机化学品的性能，可提升储气罐35表面的硬度和耐冲击的性能，有利于提升储气罐35的安全性。
[0096] 在上述实施例的基础上，进一步地，所述输气管道与所述储气罐35的直径比为：1:5-1:8。
[0097] 本实施例基于上述实施例，对输气管道和储气罐35的相对尺寸进行了说明。所述输气管道与储气罐35的直径比为1:5-8，有利于控制输入与输出沼气的速度避免气流过快和过小的安全隐患。
[0098] 本实施例基于上述实施例，对双向透平发电装置321进行了说明。双向透平发电装置321包括透平和旋转式发电机214。双向透平可用于将气体震荡的机械能转化为单向的旋转运动。从而带动旋转式发电机214发电。
[0099] 透平具体可为威尔斯透平或双向冲击式透平。
[0100] 如图5所示的威尔斯透平动叶片211示意图，其原理属于“升力型”，采用对称翼。如图6所示为双向冲击式透平动叶片211示意图，其与传统单级轴流冲击式叶轮机相同。在威尔斯透平或双向冲击式透平的两侧，各装配有一组导流叶片212，如图7所示，来自上游的导流叶片212类似喷嘴叶栅，下流的导流叶片212类似扩压叶栅。往复流体流经导流叶片212后，产生的推力都使透平朝同一方向旋转。
[0101] 在上述实施例的基础上，进一步地，参考图8，所述热声发动机319包括至少一个发动机基本单元；任一所述发动机基本单元由第一连接管191、主冷却器192、回热器193、热端换热器194、热缓冲管195、次冷却器196和第二连接管197依次连接，所述热端换热器194与所述热桥318相连，所述第一连接管191和所述第二连接管197通过谐振管322相连。
[0102] 在上述实施例的基础上，进一步地，参考图8，多个所述发动机基本单元通过谐振管322串联形成环路，所述双向透平发电装置321串接或旁接于环路中，所述双向透平发电装置321放置在靠近次冷却器196的谐振管322顶部位置，在一个发动机基本单元的第一连接管191中设置直流抑制器320。
[0103] 本实施例基于上述实施例，对热声发动机319的结构进行了说明。热声发动机319由发动机基本单元构成。热声发动机319基本单元依次包括第一连接管191，发动机主冷却器192，发动机回热器193，发动机热端换热器194，热缓冲管195，发动机次冷却器196，第二连接管197。
[0104] 发动机热端换热器194用于与热桥318相连，接受外部热量。发动机主冷却器192用于带走发动机回热器193室温端的热量，从而在发动机回热器193的轴向产生很大的温度梯度。
[0105] 发动机回热器193用于被加热的工质气体在其中产生热声振荡，把热能变成机械能，产生声功。热缓冲管195位于发动机热端换热器194与发动机次冷却器196之间，用于实现发动机热端换热器194与发动机次冷却器196的热隔离，以减少发动机热端换热器194向发动机次冷却器196的漏热，同时使得声功从发动机高温区域向外传递。
[0106] 进一步地，热声发动机319基本单元的个数可根据实际需要来设定。在需要供电量较低时，可采用较少个数的发动机基本单元。在需要供电量较高时，可采用较多个数的发动机基本单元。
[0107] 热声发动机319只有一个发动机基本单元时，谐振管322连接第一连接管191和第二连接管197，形成一个环路。在热声发动机319由两个或两个以上发动机基本单元时，发动机基本单元串联连接，任意两个相邻的基本单元之间通过谐振管322相连，形成环路。
[0108] 双向透平发电装置321可串接或旁接于环路中。理论上，双向透平发电装置321可位于环路中的任何位置处。优选地，双向透平发电装置321放置在靠近次冷却器196的谐振管322顶部位置，即谐振管322与第二连接管197相接处。
[0109] 进一步地，直流抑制器320可设置在任意一个发动机基本单元主冷却器192入口处，用以抑制环路内产生的质量流，对系统效率有显著的提高。在多个热声发动机319串联形成的环路中，只需设置一个直流抑制器320，一个直流抑制器320可设置在任意一个发动机基本单元的第一连接管191中。
[0110] 进一步地，可将水路323与热声发动机319的主冷却器192相接触。水路323吸收主冷却器192的废热，对水进行加热升温。
[0111] 在上述实施例的基础上，进一步地，参考图9，所述双向透平发电装置具体包括：透平动叶片211、导流叶片212、连接轴213、整流罩215和旋转式发电机214；在所述透平动叶片211的两侧分别设置导流叶片212，所述透平动叶片211通过所述连接轴213与所述旋转式发电机214的旋转轴相连，所述旋转式发电机214设置在所述透平动叶片211的一侧或两侧，所述整流罩215用于整流流入与流出的气体，所述旋转式发电机214设置在所述整流罩215的内部或外部。
[0112] 本实施例基于上述实施例，对双向透平发电装置321的具体结构进行了说明。双向透平发电装置321包括透平动叶片211，导流叶片212，连接轴213，旋转式发电机214，整流罩215。整流罩215用于整流流入与流出透平区域气体，减少损失。
[0113] 透平动叶片211，导流叶片212，连接轴213，旋转式发电机214，整流罩215均设置在连接管道216内部。
[0114] 旋转式发电机214可以置于整流罩215内，也可以置于整流罩215外。旋转式发电机214可以对称布置，也可以单侧布置。双向透平发电装置321将往复气体的交变流动转换为旋转运动，从而带动旋转电机发电。
[0115] 以上所述双向透平可以串接于环路中，也可以旁接于回路中。
[0116] 以上所述双向透平均为单级透平，也可以为N级透平，N为大于1的整数，N级透平由单级透平串接而成，共同带动同一旋转轴单向旋转，驱动旋转电机发电。
[0117] 在上述实施例的基础上，进一步地，参考图4，一种家用沼气热电联产装置，它由控制装置31，沼气净化装置33，储气罐35，第一燃烧室312，第二燃烧室315，热声发动机319，双向透平发电装置321，水路323，输气管路34以及相应的的沼气抽气泵和空气抽气泵组成。
[0118] 热声发电机由三组热声发动机319基本单元通过声学谐振管322首尾串联组成。双向透平发电装置321放置在靠近次冷却器196的谐振管322顶部位置，将往复气体的交变流动转换为旋转运动，从而带动旋转电机发电。
[0119] 双向透平发电装置321可以串接与管路中，也可以旁接于管路中。声学谐振管322用于使得发动机环路系统具有良好的阻抗相位。直流抑制器320可设置在任意一个发动机基本单元主冷却器192入口处，用以抑制环路内产生的质量流，对系统效率有显著的提高。
[0120] 整个系统在运行时，沼气抽气泵32将沼气吸入至净化装置33内，通过净化装置33中的填料与沼气发生反应，去除沼气中大量的硫元素，提高沼气的纯度。净化后的沼气存储至储气罐35内。
[0121] 当需要发电时，启动第一沼气调节阀36、第一空气调节阀39，空气与沼气的混合物进入第一燃烧室312内燃烧产生热量，燃烧产生的废气通过第一排气管314排出。
[0122] 在第一燃烧室312内部，采热装置313将采集的热量经过热桥318传导至热声发动机319的热端换热器194。通过热声发动机319将热能转变为往复式的机械能，从而推动双向透平单向旋转，进而驱动旋转式发电机214发电。
[0123] 电机产生的电能可通过电缆线输送至控制装置31内的电能存储器102，也可向外界输出给其他的用电设备使用。
[0124] 系统中需要加热的水在水路323中首先与热声发动机319工作时产生的废热进行热交换，得到预加热的热水。如果热声发电机供热能够满足用户用水需求时，可不启动第二沼气调节阀37、第二空气调节阀310，此时用户所需热水的加热和发电全部由热声发电机完成。
[0125] 如果热声发电机不能够满足用户用水需要时，可启动第二沼气调节阀37和第二空气调节阀310，空气与沼气的混合物进入第二燃烧室315内燃烧产生热量，燃烧产生的废气通过第二排气管317排出。此时流入第二燃烧室315内的预热水继续在第二燃烧室315内与沼气燃烧产生的高温烟气进行热交换，满足用户用水及用电需求。
[0126] 如果用户不需要热声发电机发电且进入第二燃烧室315的水不需要预热，可关闭第一沼气调节阀36以及第一空气调节阀39，启动第二沼气调节阀37以及第二空气调节阀310，即热声发电机不工作，单独通过第二燃烧室315进行燃烧工作，为用户提供用水需求。
[0127] 在上述实施例的基础上，进一步地，参考图10，一种家用沼气热电联产装置的另一具体实施例，与上述实施例相比，热声发动机319部分包含四组热声发动机319基本单元。该实施例可输出更大的电能以满足用户需求。
[0128] 本实施例提出的一种基于热声发电的家用沼气热电联产装置，通过利用热声发动机319效率高，结构简单，运行可靠等优点，采用经济性高、功率扩展性强的双向透平发电作为声电转换装置，对沼气进行燃烧发电，并对热声发动机319的余热进行回收利用，同时供电供热可根据需要选择不同模式，结构简单，操作维护方便，规模可根据实际需要灵活设计，在小中户型的家用沼气利用方面具有更大优势与潜力。
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