一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于气体液化领域的气体液化装置，特别涉及一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置。
【背景技术】
[0002]液化过程指物质由气态转变为液态的过程。由于气体液化后体积会变成原来的几千分之一，便于贮藏和运输，现实中通常对一些气体进行液化处理。实现液化有两种手段，一是降低温度，二是压缩体积。任何气体在温度降到足够低时都可以液化。因此，如何能制造可靠性高、寿命长、高效且能够梯级液化气体的低温制冷机成为了令人关注的问题。
[0003]热声发动机是一种利用管道和换热器在其内部获得合适的声场，并通过工作介质和回热器固体填料之间的相互作用将外部热能转化为声能的装置，具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长和潜在热效率高等优点，受到人们的广泛关注。在目前广泛应用的低温制冷机中，脉冲管制冷机是利用压力周期性变化的气流在一根低导热率的管中振荡来完成制冷过程，它省去了低温端的运动部件，因此具有结构简单、振动小、可靠性高等优点。将热声发动机中自激振荡产生的声功来驱动脉管制冷机，便产生了一种从驱动源到冷端都没有任何运动部件的制冷机，具有可靠性高、寿命长和潜在热效率高等优点，受到人们的广泛关注。近几年，声学共振型热声制冷系统因具有结构紧凑、功率密度高、潜在热效率高等优点，引起了广泛关注，并进一步推动了热驱动脉管制冷机的发展。
[0004]图1为专利CN1035788提出的多路旁通脉冲管制冷机。它是由依次相通连接的制冷机主水冷器2、制冷机回热器3、低温端换热器4、连接管5、脉冲管7、制冷机次水冷器10、惯性管11和气库12组成，由压力波发生器驱动。在制冷机回热器和脉冲管中间部位的适当位置处，通过多路旁通管路13将两者相连通，每级制冷机回热器中形成至少一条旁通气流通路；同时，在脉冲管适当地设置阻力填料，能使气体均匀、顺利通过。这种脉冲管制冷机可以获得更大的制冷功率和更低的制冷温度，从而提高了制冷效率。
[0005]图2为罗二仓等人提出的声学共振型热声制冷系统。该系统主要由多个热声发动机单元14和脉管制冷机单元I组成，每个脉冲制冷机单元只有一级低温端换热器。每一级热声发动机单元通过谐振管23首尾相连构成环路结构。该系统结构紧凑，能实现谐振管中声功回收，潜在热效率高，并且可根据冷量的需要串入任意数量的热声发动机单元及脉管制冷机单元。系统可被应用于液化气体流程的最后部分，即吸收液化温度下气体的潜热，使气体由气态变为液态。但是，若利用该系统完成将常温气体液化到低温液体的整体液化过程，则会由于无法实现气体梯级降温而产生很大的传热损失，效率非常低。
[0006]为了解决以上存在的问题，本发明提出一种能够实现气体液化一体化的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置；它完全没有运动部件，安全可靠，发动机核心部件均在行波相位中；具有多个不同温度的低温端换热器，可以梯级地降低气体温度，有效减小传热损失；利用多路旁通结构，使得脉冲管内压力波动变大，压力波和体积流率的相位更接近同相，可以获得更大的制冷功率和更低的制冷温度；系统结构简单，运动部件较少，安全可A+-.与巨O
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其无运动部件，可靠性高，结构简单，且热声发动机单元工作在行波相位，工作效率高；多个低温端换热器的温度从室温依次降低到气体液化温度，能够梯级降低气体的温度，有效减小传热损失；多路旁通结构能够使脉冲管旁通点成为制冷部位，管中形成膨胀制冷过程，因此制冷机具有更优的制冷性能；在脉冲管旁通点处布置阻力填料，减小气流紊乱带来的混合损失；该装置可实现气体液化的整体流程，在气体液化方面具有广阔的发展和应用前景。
[0008]本发明的技术方案如下:
[0009]本发明提供的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其由M个热声发动机单元14通过谐振管23首尾相连构成的环路结构及M个脉管制冷机单元I组成，M = 3?6正整数；所述热声发动机单元14由依次相连的直流抑制器15、发动机主冷却器16、发动机回热器17、加热器18、高温端层流化元件19、热缓冲管20、发动机室温端层流化元件21和发动机次冷却器22组成；每一热声发动机单元14的发动机次冷却器22出口处旁接一个脉管制冷机单元I ;
[0010]所述脉管制冷机单元I由依次相连的制冷机主水冷器2、第一至第N级制冷单元、连接管5、脉冲管7、制冷机次水冷器10、惯性管11和气库12组成，其中N = 2?6的正整数；所述制冷单元由一个制冷机回热器3及与其串接的一个低温端换热器4组成；第I级制冷单元的制冷机回热器3与制冷机主水冷器2相连，第N级制冷单元的低温端换热器4通过连接管5与脉冲管7冷端相连接；脉冲管7两端分别装有低温端导流丝网6和制冷机室温端导流丝网9 ;
[0011]在每一脉管制冷机单元I中，制冷单元的制冷机回热器3通过旁通管路13与脉冲管7相连形成至少一条旁通气流通道；脉冲管7内装有阻力填料8，阻力填料8轴向层叠于气体工质进出脉冲管7的接口两侧，所述阻力填料8为丝网或者多孔介质材料；
[0012]每一热声发动机单元14的加热器18与热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；发动机主冷却器16和发动机次冷却器22均通过水冷器冷却以维持在室温范围；因此，每一级热声发动机单元14的发动机回热器17上形成温度梯度；在该温度梯度下，发动机回热器17内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器18的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到脉管制冷机单元I中，另一部分通过谐振管23传递到下一级热声发动机单元中重复以上过程；在脉管制冷机单元I中，制冷机主水冷器2和制冷机次水冷器10通过冷却水冷却维持在室温范围；在第N级制冷单元中，从热声发动机中产生的声功传递到制冷机回热器3中发生热声转换，将第N级低温端换热器4的热量栗送到第N-1级的低温端换热器中，第N级低温端换热器4保持低温；如上所述，传递到第N-1级制冷单元中的声功经过热声转换，将第N-1级低温端换热器的热量栗送到第N-2级的低温端换热器中，第N-1级低温端换热器保持低温；最终，所有低温端换热器的热量均栗送到制冷机主水冷器2中，热量由冷却水带走，N级低温端换热器的制冷温度依次降低至气体液化温度；待液化气体按照制冷温度从高到低的顺序依次通过每一制冷单元的低温端换热器，气体热量被吸收，温度梯级降低，最终气体被液化；其中，通过从每级制冷机回热器3旁通到脉冲管7内一部分气体形成膨胀制冷。
[0013]上述装置中，脉管制冷机单元I的脉冲管7与制冷单元的制冷机回热器3非同轴布置。
[0014]本发明的环路多级热声发动机驱动的气体多级液化装置，其由M个热声发动机单元14通过谐振管23首尾相连构成的环路结构及M个脉管制冷机单元I组成，M = 3?6正整数；所述热声发动机单元14由依次相连的直流抑制器15、发动机主冷却器16、发动机回热器17、加热器18、高温端层流化元件19、热缓冲管20、发动机室温端层流化元件21和发动机次冷却器22组成；每一热声发动机单元14的发动机次冷却器22出口处旁接一个脉管制冷机单元I ;
[0015]所述脉管制冷机单元I由制冷机主水冷器2，与制冷机主水冷器2相连的第一级至第N级制冷单元，位于所述第一级至第N级制冷单元的制冷机回热器3之内的脉冲管7，制冷机次水冷器10、惯性管11和气库12组成，其中N = 2?6的正整数；所述制冷单元由一个制冷机回热器3及与其串接的一个低温端换热器4组成；第I级制冷单元的制冷机回热器3及脉冲管7室温端与制冷机主水冷器2相连，第N级制冷单元的低温端换热器4与脉冲管7冷端相连接；脉冲管7两端分别装有低温端导流丝网6和制冷机室温端导流丝网9 ;
[0016]在每一脉管制冷机单元I中，制冷单元的制冷机回热器3与脉冲管7通过两者共同壁面上开的多个通孔或者直接制作的多孔介质壁面相连通；脉冲管7内装有阻力填料8，阻力填料8轴向层叠于气体工质进出脉冲管7的接口两侧，所述阻力填料8为丝网或者多孔介质材料；
[0017]每一热声发动机单元14的加热器18与热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；发动机主冷却器16和发动机次冷却器22均通过水冷器冷却以维持在室温范围；因此，每一级热声发动机单元14的发动机回热器17上形成温度梯度；在该温度梯度下，发动机回热器17内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器18的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到脉管制冷机单元I中，另一部分通过谐振管23传递到下一级热声发动机单元中重复以上过程；在脉管制冷机单元I中，制冷机主水冷器2和制冷机次水冷器10通过冷却水冷却维持在室温范围；在