一种冷电联产系统
阅读：889发布：2024-02-11
专利汇可以提供一种冷电联产系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种冷电联产系统，所述系统包括：自由 活塞 斯特林 发动机 (1)、声学谐振管(2)、脉管制冷机(3)和直线 电机 (4)，所述自由活塞 斯特林发动机 (1)通过声学谐振管(2)与脉管制冷机(3)相连，所述直线电机(4)连接于脉管制冷机(3)的脉管室温侧。本发明将燃烧、 液化 和发 电流 程有效隔离，充分保证了系统的安全性，同时系统具备冷 热电联产 功能，可满足自然条件恶劣地区矿井的需求。此外，系统的可靠性和整机热效率高，在小型 天然气 液化和空间应用等领域有广阔的应用潜 力 。，下面是一种冷电联产系统专利的具体信息内容。
1.一种冷电联产系统，所述系统包括：自由活塞斯特林发动机(1)、声学谐振管(2)、脉管制冷机(3)和直线电机(4)，所述自由活塞斯特林发动机(1)通过声学谐振管(2)与脉管制冷机(3)相连，其特征在于，所述直线电机(4)连接于脉管制冷机(3)的脉管室温侧；
所述自由活塞斯特林发动机(1)包括若干个的主体和该若干个主体共用的压缩腔(17)；所述若干个主体中的任一个主体包括膨胀腔(11)、高温换热器(12)、排出器(13)、回热器(14)、室温换热器(15)和排出器底座(16)；所述排出器(13)与外壳形成膨胀腔(11)，排出器(13)与排出器底座(16)相连，排出器底座(16)与外壳之间形成压缩腔(17)；
外壳上环绕排出器(13)设置有高温换热器(12)、回热器(14)和室温换热器(15)，高温换热器(12)一端与膨胀腔(11)相连，另一端与回热器(14)相连；
室温换热器(15)一端与压缩腔(17)相连，另一端与回热器(14)相连。
2.按权利要求1所述的冷电联产系统，其特征在于，所述主体的数量为两个，采用对称的方式布置。
3.按权利要求1所述的冷电联产系统，其特征在于，所述高温换热器(12)和室温换热器(15)为翅片式换热器或者壳管式换热器，壳体材料为不锈钢，壁面材料为紫铜；所述回热器(14)内部填充材料为不锈钢丝网、不锈钢丝绵或者不锈钢纤维毡。
4.按权利要求1所述的冷电联产系统，其特征在于，所述声学谐振管(2)为等径直管或变径锥管。
5.按权利要求1所述的冷电联产系统，其特征在于，所述脉管制冷机(3)包括制冷机室温换热器(31)、制冷机回热器(32)、冷端换热器(33)和脉管(34)；
所述制冷机室温换热器(31)、制冷机回热器(32)、冷端换热器(33)和脉管(34)沿熵流按顺序依次布置。
6.按权利要求5所述的冷电联产系统，其特征在于，所述制冷机室温换热器(31)和冷端换热器(33)为翅片式换热器或者壳管式换热器，换热器的壳体材料为不锈钢，换热器的壁面材料为紫铜；所述制冷机回热器(32)内部填充材料为不锈钢丝网、不锈钢丝绵或者不锈钢纤维毡。
7.按权利要求1所述的冷电联产系统，其特征在于，所述直线电机(4)采用双台对称布置以减小振动，或单台布置以提高系统紧凑性。
8.按权利要求1所述的冷电联产系统，其特征在于，所述冷电联产系统采用氦气作为工质气体。
一种冷电联产系统
技术领域
背景技术
[0002] 我国天然气资源蕴藏十分丰富，但是气源种类较多，分布也比较分散，大型气田相对较少。大量零散小气田单井产量小，能够开采时间短，不具备大型气田的常规开采、处理的经济规模，部分偏远气田甚至要求液化装置能够离电网运行。因此需要大力开发小型撬装天然气液化装置采收零散气和放散气资源。此外，小型天然气液化装置还可用于煤层气、页岩气的液化以及车用LNG燃料的加注，因此市场应用前景广阔。适用于小型撬装天然气液化装置的液化技术主要有：级联式液化流程、带膨胀机液化流程和混合工质液化流程。级联式液化流程能耗低，技术成熟，但机组多、流程十分复杂。带膨胀机液化流程系统简单，易于操作，但是能耗较大。混合工质液化流程系统设备少，投资费用低，能耗较级联式液化流程略高，而且混合制冷剂合理配比和物性计算均较为困难。
[0003] 回热式热驱动制冷机是采用外燃回热式发动机驱动回热式制冷机的技术，即用燃烧部分天然气产生的热量来驱动发动机，进而在制冷机上获得低温冷量从而液化剩余部分的天然气，因此在小型天然气液化领域具有较大的应用潜力。中国专利申请CN104807234A公开了一种热驱动低温制冷机系统，它由自由活塞斯特林发动机驱动一台自由活塞斯特林制冷机组成，采用声学谐振管实现发动机与制冷机之间声学阻抗的匹配。但是该结构制冷机存在运动部件排出器，由于排出器反馈体积流率，获得相同回热器声场分布,自由活塞斯特林制冷机入口声场与脉管制冷机相比驻波占比更大，这会导致谐振管尺寸的增大和谐振管中声功损失的增加。此外，由于排出器与气缸之间采用无油润滑的间隙密封技术，因而该部件对加工和装配精度要求较高,低温下的运动部件降低了系统的可靠性。中国专利申请CN105066500A公开了一种热驱动脉管制冷机系统，该系统制冷机子系统无运动部件，具有结构简单、振动小、可靠性高的优点。但该结构无声功回收能力，脉管室温端声功耗散在调相机构如惯性管中，造成能量损失和额外的热负荷，在大功率下该效应尤为显著。中国CN103835903A公开了一种行波热声冷电联供系统，由至少三台发动机组成环路，系统功率较大；行波热声制冷机一端旁接于谐振单元，另一端与直线发电机相连，制冷机脉管室温端声功得到了回收，制冷机子系统效率较高。但是由于发动机采用环路结构，系统结构较为复杂，实际中发动机也往往很难获得最优声场，而且各发动机单元不一致性对系统影响较大。此外，该系统中谐振管直径较小，谐振管中功损失较大。而且系统中存在直流，严重影响了发动机的性能，当前还缺乏可靠高效的手段抑制。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对上述结构的缺点，提供了一种冷电联产系统；它充分利用了斯特林发动机效率高、功率密度高的特点和脉管制冷机无运动部件、结构简单、加工装配精度要求较低、振动小的优点，同时，相对斯特林制冷机，由于没有排出器反馈体积流率，脉管制冷机入口声场更加接近行波声场，这有利于缩减谐振管尺寸并减小谐振管中的声功损失；采用谐振管耦合发动机和制冷机，系统结构较为简单，而且分隔了发动机和制冷机，提高了系统的安全性；同时采用直线电机提供制冷机高效运行所需的声阻抗并回收利用制冷机脉管室温端声功发电，提高了系统的热效率。用于天然气液化时，可以为装置其他用电设备供电，装置能够离电网运行，提高了装置复杂环境的适应性。
[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0006] 一种冷电联产系统，所述系统包括：自由活塞斯特林发动机1、声学谐振管2、脉管制冷机3和直线电机4，所述自由活塞斯特林发动机1通过声学谐振管2与脉管制冷机3相连，所述直线电机4连接于脉管制冷机3的脉管室温侧。
[0007] 所述自由活塞斯特林发动机1包括若干个的主体和该若干个主体共用的压缩腔17；所述若干个主体中的任一个主体包括膨胀腔11、高温换热器12、排出器13、回热器14、室温换热器15和排出器底座16；所述排出器13与外壳形成膨胀腔11，排出器13与排出器底座
16相连，排出器底座16与外壳之间形成压缩腔17；
16相连，排出器底座16与外壳之间形成压缩腔17；
[0008] 外壳上环绕排出器13设置有高温换热器12、回热器14和室温换热器15，高温换热器12一端与膨胀腔11相连，另一端与回热器14相连；
[0009] 室温换热器15一端与压缩腔17相连，另一端与回热器14相连。
[0010] 优选地，所述主体的数量为两个或一个，当数量为两个时采用对称的方式布置。
[0012] 所述高温换热器12和室温换热器15在小换热量时可采用翅片换热器，而换热量较大时可采用壳管式换热器。换热器壁面材料为紫铜。
[0014] 所述发动机回热器14部填充多孔材料，例如不锈钢丝网或不锈钢纤维毡。
[0015] 优选地，所述声学谐振管2为等径直管或变径锥管，一端与发动机的压缩腔连通，另一端与制冷机的压缩腔连通，在实现发动机与制冷机阻抗匹配的同时，也实现声功由发动机向制冷机的传输。
[0016] 本发明中，所述脉管制冷机3包括制冷机室温换热器31、制冷机回热器32、冷端换热器33和脉管34；
[0017] 所述制冷机室温换热器31、制冷机回热器32、冷端换热器33和脉管34沿熵流按顺序依次布置。
[0018] 优选地，所述制冷机室温换热器31和冷端换热器33为翅片式换热器或者壳管式换热器，换热器的壳体材料为不锈钢，换热器的壁面材料为紫铜；所述制冷机回热器32内部填充材料为不锈钢丝网、不锈钢丝绵或者不锈钢纤维毡。
[0019] 所述制冷机室温换热器31和冷端换热器33既可采用翅片式也可采用壳管式。
[0020] 所述脉管34材质一般为不锈钢。
[0021] 所述直线电机4采用双台对称布置以减小振动，或单台布置以提高系统紧凑性。所述直线电机4接于制冷机脉管室温端，其包括前腔41、定子42、活塞43、支撑板簧44和背腔45。所述直线电机动力活塞既可采用平面支撑板簧支撑，也可采用气浮轴承支撑。直线振荡电机可采用动圈式，也可采用动磁式、动铁式，此处不作任何限制。
[0022] 本发明中，所述冷电联产系统采用氦气作为工质气体。
[0023] 本发明采用直线电机回收制冷机脉管室温端膨胀功，实现了冷电联产，提高了系统的热效率。
[0024] 本发明所述制冷机利用直线电机来调节其内部声场分布，无次水冷器和气库结构。本发明将燃烧、液化和发电流程有效隔离，充分保证了系统的安全性，同时系统具备冷热电联产功能，可满足自然条件恶劣地区矿井的需求。此外，系统的可靠性和整机热效率高，在小型天然气液化和空间应用等领域有广阔的应用潜力。
[0025] 本发明的有益效果在于：
[0026] 1、采用直线电机调节制冷机内声场相位，调节范围更广，调节方式更灵活；
[0027] 2、采用直线电机回收利用脉管室温端声功，实现了冷电联产，提高了系统的热效率；
[0029] 图1是实施例1提供的冷电联产系统结构示意图；
[0030] 图2是实施例1提供的冷电联产系统热量、声功及电功流向示意图；
[0031] 图3是实施例2提供的冷电联产系统结构示意图；
[0032] 图4是实施例3提供的冷电联产系统结构示意图；
[0033] 附图标记：1、自由活塞斯特林发动机；11、膨胀腔；12、高温换热器；13、排出器；14、回热器；15、室温换热器；16、排出器底座；17、压缩腔；2、声学谐振管；3、脉管制冷机；31、制冷机室温换热器；32、制冷机回热器；33、冷端换热器；34脉管；4、直线电机；41、前腔；42、定子；43、活塞；44、支撑板簧；45、背腔。
具体实施方式
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加的清楚，下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的是本发明一部分实施例，而不是全部。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035] 实施例1
[0036] 如图1所示，一种冷电联产系统，所述系统包括：自由活塞斯特林发动机1、声学谐振管2、脉管制冷机3和直线电机4，所述自由活塞斯特林发动机1通过声学谐振管2与脉管制冷机3相连，所述直线电机4连接于脉管制冷机3的脉管室温侧。
[0037] 所述自由活塞斯特林发动机1包括1个的主体和压缩腔17；所述主体包括膨胀腔11、高温换热器12、排出器13、回热器14、室温换热器15和排出器底座16；所述排出器13与外壳形成膨胀腔11，排出器13与排出器底座16相连，排出器底座16与外壳之间形成压缩腔17；
[0038] 外壳上环绕排出器13设置有高温换热器12、回热器14和室温换热器15，高温换热器12一端与膨胀腔11相连，另一端与回热器14相连；
[0039] 室温换热器15一端与压缩腔17相连，另一端与回热器14相连。
[0040] 所述高温换热器12和室温换热器15为翅片式换热器，壳体材料为不锈钢，壁面材料为紫铜；所述回热器14内部填充材料为不锈钢丝网。
[0041] 所述排出器13采用平面板簧支撑并提供往复力。排出器高温端为薄壁筒结构，同时内部装有防辐射屏。排出器与气缸壁之间采用间隙密封。
[0042] 所述声学谐振管2为等径直管，一端与发动机的压缩腔连通，另一端与制冷机的压缩腔连通，在实现发动机与制冷机阻抗匹配的同时，也实现声功由发动机向制冷机的传输。
[0043] 所述脉管制冷机3包括制冷机室温换热器31、制冷机回热器32、冷端换热器33和脉管34；
[0044] 所述制冷机室温换热器31、制冷机回热器32、冷端换热器33和脉管34沿熵流按顺序依次布置。
[0045] 所述制冷机室温换热器31和冷端换热器33为翅片式换热器，换热器的壳体材料为不锈钢，换热器的壁面材料为紫铜；所述制冷机回热器32内部填充材料为不锈钢丝网。
[0046] 所述脉管34材质为不锈钢。
[0047] 所述直线电机4采用双台对称布置以减小振动。所述直线电机4接于制冷机脉管室温端，其包括前腔41、定子42、活塞43、支撑板簧44和背腔45。所述直线电机动力活塞采用平面支撑板簧支撑。直线振荡电机采用动圈式。
[0048] 所述冷电联产系统采用氦气作为工质气体。
[0049] 图2为冷电联产系统内声功和热量流向示意图，自由活塞斯特林发动机1：气体工质经高温换热器12向高温热源吸热，经室温换热器15向环境放热，由于热声效应，声功在回热器14中放大后，经高温换热器12进入膨胀腔11，再由排出器13传递至另一侧，其中一部分声功经压缩腔17输出到声学谐振管2，另一部分再返回室温换热器15内，循环往复。声学谐振管2：声功由自由活塞斯特林发动机1输入，经声学谐振管传输进入脉管制冷机3。由于声学谐振管中粘性损失会导致部分声功转化为热量，为避免系统内工质气体温度过高，声学谐振管管壁需要良好的冷却。此外，声学谐振管在传输声功的同时也要实现自由活塞斯特林发动机和脉管制冷机之间声场相位的调节和阻抗的匹配。脉管制冷机3：声功经制冷机压缩腔输入进入制冷机室温换热器31，在制冷机回热器32内做功，实现熵流从冷端换热器33向制冷机室温换热器31的输运，从而在冷端换热器33获得冷量负荷，并经制冷机室温换热器31向环境放热。剩余声功经冷端换热器33进入脉管34。直线电机4：声功由制冷机脉管进入直线电机，推动电机活塞43切割磁感线做功，从而向外界输出电功。
[0051] 该系统高效运行的关键在于以下三方面：
[0052] 1、根据热声学，回热器是工热转换的核心部件，也是热声热机 损失产生的主要部件，回热器中 损失主要为粘性损失工质气体和固体填充物之间的换热 损失。因此，需要合理的填充材料和填充率，使得回热器水力半径远小于当地气体热穿透深度，从而减小气体工质与蓄热填料之间的换热 损失。
[0053] 2、为保证脉管中气体工质压缩和膨胀过程均绝热，以减小气体工质循环过程中的热损失，脉管管径必须远大于当地气体的热穿透深度。同时为了确保脉管中气体活塞能够有效隔绝冷热端的热量交换，脉管的长度至少是气体微端简谐振动振幅的3-5倍。
[0054] 3、合理的设计系统，使得系统的核心部件——发动机回热器、谐振管、制冷机回热器中声场行波分量为主，从而最大限度减小上述部件中的粘性损失。
[0055] 基于上述，本发明的冷电联产系统不仅回收利用了制冷机出口声功，实现了冷电联产，提高了系统的热效率，而且制冷机无运动部件，保证了系统的可靠性，同时降低了系统工艺难度，提高了系统的实用性。
[0056] 实施例2
[0057] 图3是实施例2的冷电联产系统结构示意图，由图3可知，与实施例1的区别在于，本实施例的冷电联产系统由两个主体的自由活塞斯特林发动机、一个脉管制冷机、对置式两个直线电机组成。发动机和制冷机之间采用声学谐振管耦合。所述高温换热器12和室温换热器15为壳管式换热器，壳体材料为不锈钢，壁面材料为紫铜；所述回热器14内部填充材料为不锈钢纤维毡。所述声学谐振管2为变径锥管。所述制冷机室温换热器31和冷端换热器33为壳管式换热器，换热器的壳体材料为不锈钢，换热器的壁面材料为紫铜；所述制冷机回热器32内部填充材料为不锈钢纤维毡。所述直线电机动力活塞采用气浮轴承支撑。直线振荡电机采用动铁式。
[0058] 实施例2的工作原理与实施例1相同，区别在于实施例2中的自由活塞斯特林发动机为两个主体，且结构参数完全相同，并对称布置；这种布置方式可以使两个排出器运动相位相差均为180度，从而抵消排出器往复运动导致的振动。相比实施例1，实施例2的振动和噪声均更小，而功率更高。
[0059] 实施例3
[0060] 图4是实施例3的冷电联产系统结构示意图，由图4可知，与实施例1的区别在于，本实施例的冷电联产系统由一个主体的自由活塞斯特林发动机、一个脉管制冷机、一个直线电机组成。发动机和制冷机之间采用声学谐振管耦合。所述高温换热器12和室温换热器15为壳管式换热器，壳体材料为不锈钢，壁面材料为紫铜；所述回热器14内部填充材料为不锈钢丝绵。所述声学谐振管2为变径锥管。所述制冷机室温换热器31和冷端换热器33为壳管式换热器，换热器的壳体材料为不锈钢，换热器的壁面材料为紫铜；所述制冷机回热器32内部填充材料为不锈钢丝绵。所述直线电机动力活塞采用气浮轴承支撑。直线振荡电机采用动磁式。
[0061] 实施例3的工作原理与实施例1相同，区别在于实施例3中的直线电机为一个；相比实施例1，实施例3电机侧振动更大，但结构更加的紧凑。
[0062] 最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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