一种串级冷热电联产装置的制作方法

本发明涉及功能节能技术领域，更具体地，涉及一种串级冷热电联产装置。

背景技术：

在工业生产及居民生活中的很多应用场合都同时需要冷、热、电资源。能源领域多年前就提出了分布式的冷热电联产方案，可以同时提供电力，生活用冷能和热能。现有的冷热电联产系统多以天然气或者液体燃料作为一次能源，利用燃气轮机、内燃机或者蒸汽轮机产生电能，再利用吸收式或者吸附式制冷将上述系统的较高温余热转化为冷能，流程中略高于环境温度的余热用于生活供热。通过能源的梯级利用，一方面实现了冷热电的同时输出，另一方面也提高了一次能源的综合利用率。但是，传统的冷热电联产方案通常至少由一个发电子系统和一个制冷子系统构成，有时甚至由多个子系统耦合在一起，系统复杂度较高。此外，由于制冷技术的限制，制冷温度不能进一步降低；而且小功率系统性能低下等问题，限制了其它领域的应用。

公开号为CN100427848C的中国发明专利提供了一种可回收声功式的行波热声发动机驱动行波热声制冷机的装置，行波热声制冷机的膨胀功被重新送到发动机。然而，这种方式使得制冷机与发动机间的耦合难度大大增加，系统设计及制作难度都大幅增加。公开号为CN102734098B中国发明专利公布了一种双作用行波热声发电系统，该系统中采用了三个及三个以上的行波热声发动机，在两个行波热声发动机之间串联了一个直线发电机。该发电机可以实现热能到电能的转化，但存在发动机与发电机之间耦合困难等问题。公开号为CN103835903B的中国发明专利公布了一种行波热声冷热电联供系统，其至少由三台行波热声发动机、至少一台行波热声制冷机和直线电机以及谐振单元组成。行波热声发动机通过谐振单元首尾相连构成环路，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，通过热声行波热声发动机实现热声到声功的转化，通过行波热声制冷机和直线发电机实现声功到冷热电的转化。但是，该系统为环路结构，系统庞大，产生的直流以及单元的不一致性极大的影响了系统效率，这在级数越高时尤其如此。公开号为CN105805974A的中国专利申请公开了一种自由活塞斯特林发动机驱动的脉管制冷机系统，同时采用直线电机提供制冷机高效运行所需要的声阻抗并回收利用制冷机脉管室温端声功发电。但采用直线电机发电使得整个装置的功率范围及经济性受限。

综上，现有的冷热电联产装置中声电转化部分均采用直线电机作为声功转换装置，但是随着热声系统向大功率实用化方向的发展，直线电机的劣势也越来越明显：(1)直线电机中，受支撑机制决定，活塞往复运动的位移受限，导致线圈切割磁力线的速度只有数米/秒，直线电机的功率不容易做大，功率密度也很低；(2)目前热声系统中应用的直线电机未形成大规模批量生产，间隙密封、板簧支撑、大量采用永磁体等因素导致其成本非常高，与常规旋转式电机比有量级上的差别，对其实际应用产生了严重阻碍；(3)随着功率需求的增大，由于采用直线电机的热声发电系统有谐振要求，活塞面积和动子质量越来越大，在支撑连接等结构强度、磁路设计和系统振动抑制等方面带来的技术难度也越来越大。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种串级冷热电联产装置，解决了现有技术中直线电机作为声功转换装置导致功率低、成本高、技术难度大，不利于实际应用的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种串级冷热电联产装置，包括依次连接的压缩机、行波热声发动机、脉管制冷机和双向透平发电装置；所述压缩机用于产生压力波，将电能转化为声波形式的机械能；

所述行波热声发动机用于产生热声效应，放大所述声功并输出；

所述脉管制冷机用于接收放大后的声功，消耗声功产生制冷效应，并将消耗声功后的剩余声功传输至所述双向透平发电装置；

所述双向透平发电装置用于将剩余声功转换为电能，将部分电能返馈回至所述压缩机，以供压缩机运行，并将剩余的电能传输至其他用电、储电设备。

作为优选的，所述行波热声发动机与所述脉管制冷机间还设有第一调相谐振子，所述脉管制冷机与所述双向透平发电装置间还设有第二调相谐振子；

所述第一调相谐振子用于将所述行波热声发动机的声能传输至所述脉管制冷机；

所述第二调相谐振子用于将脉管制冷机的剩余声能传输至所述双向透平发电装置。

作为优选的，所述第一调相谐振子与所述第二调相谐振子的结构相同，都包括调相气缸、调相活塞和弹性复位键，所述调相活塞连接所述弹性复位键，所述调相活塞可在所述调相气缸中直线往复运动。

作为优选的，所述调相活塞包括截面相等或不相等的两个活塞，以及连接两个活塞的连杆。

作为优选的，所述双向透平发电装置包括透平动叶片、导流叶片、整流罩及旋转式发电机，所述透平动叶片两侧都设有导流叶片和整流罩，且所述整流罩、导流叶片和透平动叶片通过连接轴连接，所述连接轴上还设有旋转式发电机。

作为优选的，所述双向透平发电装置包括两组反向设置的单向阀，且每组所述单向阀的流通方向上设有一组单向透平，所述单向透平包括依次连接的整流罩、导流叶片、透平动叶片和旋转式发电机。

作为优选的，所述双向透平发电装置还连接有气库，所述气库用于调节双向透平发电装置入口处的体积流率。

作为优选的，所述行波热声发动机与所述第一调相谐振子间还设有第一绝热段，所述第一绝热段的一端与所述第一调相谐振子的调相活塞相连，所述脉管制冷机与所述第二调相谐振子间还设有第二绝热段，所述第二绝热段的一端与所述第二调相谐振子的调相活塞相连。

作为优选的，所述第一绝热段与所述调相活塞连接的一端的直径与所述调相活塞的直径相同，所述第一绝热段的另一端的直径小于所述调相活塞的直径；所述第二绝热段与所述调相活塞连接的一端的直径与所述调相活塞的直径相同，所述第二绝热段的另一端的直径小于所述调相活塞的直径。

作为优选的，所述行波热声发动机与所述脉管制冷机间还设有第一声学谐振管，所述脉管制冷机与所述双向透平发电装置间还设有第二声学谐振管；

所述第一声学谐振管用于将所述行波热声发动机的声能传输至所述脉管制冷机；

所述第二声学谐振管用于将脉管制冷机的剩余声能传输至所述双向透平发电装置。

本发明提出一种串级冷热电联产装置，结合行波热声发动机以及脉管制冷机的高效、结构简单等优点，同时利用双向透平发电装置结构简单、功率可扩展性强和经济性高的特点，采用调相结构高效串接发动机、制冷机以及双向透平发电装置，将双向透平发电装置产生的电能部分供给压缩机，以供压缩机运行，实现压缩机除启动外无需额外供能。并将压缩机消耗后剩余的电能传输至其他用电、储电设备。实现了冷热电的联产，具有能源适应性好，结构简单，在低成本大功率的领域具有广阔应用潜力。

附图说明

图1为根据本发明实施例的串级冷热电联产装置结构示意图；

图2为根据本发明实施例的威尔斯透平动叶片示意图；

图3为根据本发明实施例的双向冲击式透平动叶片示意图；

图4为根据本发明实施例的双向固定导叶示意图；

图5为根据本发明实施例的双向可调节导叶示意图；

图6为根据本发明实施例的双向透平发电装置结构示意图；

图7为根据本发明实施例的带整流阀的双向透平发电装置结构示意图；

图8为根据本发明实施例的调相谐振子串接示意图；

图9为根据本发明实施例的调相谐振子旁接示意图；

图10为根据本发明实施例的压缩机结构示意图；

图11为根据本发明实施例的行波热声发动机结构示意图；

图12为根据本发明实施例的脉管制冷机结构示意图；

图13为根据本发明实施例的串级冷热电联产装置结构一种变形示意图；

图14为根据本发明实施例的串级冷热电联产装置结构另一种变形示意图。

具体实施方式

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。

如图1所示，图中示出了一种串级冷热电联产装置，包括依次连接的压缩机1、行波热声发动机1、脉管制冷机4和双向透平发电装置5；所述压缩机1用于产生压力波，将电能转化为声波形式的机械能，发送声功；

所述行波热声发动机1用于产生热声效应，放大所述声功并输出；

所述脉管制冷机4用于接收放大后的声功，消耗声功产生制冷效应，并将消耗声功后的剩余声功传输至所述双向透平发电装置5；

所述双向透平发电装置5电连接所述压缩机1，所述双向透平发电装置5用于将多余的声功转换为电能，将部分电能返馈回至所述压缩机1，部分电能用于为压缩机1运行提供能量，使压缩机1在启动后不需要再提供额外的功能；供压缩机1运行消耗后剩余部分的电能则传输至其他用电、储电设备，实现电能的极致应用。

串级式冷热电联产系统基于热声原理，在一个装置中同时实现冷、热和电的输出。它利用压缩机1启动，行波热声发动机2将声功放大，产生的声功用来驱动脉管制冷机4产生冷能，双向透平发电装置5则回收脉管制冷机4出口声功用来发电。行波热声发动机2和脉管制冷机4中高于环境温度的余热可用于生活供热。这样就同时实现了热能到冷和电的转化。而双向透平发电装置5产生的电能可以部分反馈给压缩机1，实现在压缩机启动后不再需要额外的供能，并将压缩机1运行消耗后剩余的电能传输至其他用电、储电设备。具有能源适应性好，结构简单，在低成本大功率的领域具有广阔应用潜力。

具体的在本实施例中，所述双向透平发电装置5可以为威尔斯透平或双向冲击式透平；如图2所示，为威尔斯透平动叶片示意图，其原理属于“升力型”，采用对称翼。如图3所示，为双向冲击式透平动叶片示意图，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19，来自上游的导流叶片19类似喷嘴叶栅，下流的导流叶片19类似扩压叶栅。往复流体流经导流叶片19后，产生的推力都使透平朝同一方向旋转。导流叶片19可分为固定式导流叶片和可调节导流叶片，分别如图4和图5，可调节导流叶片可根据气流的方向自动或被动换向，从而提高了透平效率。图6为双向透平发电装置5结构示意图，包括透平动叶片18，导流叶片19，整流罩20，旋转式发电机21，连接轴22。整流罩20用于整流流入与流出透平区域气体，减少损失。旋转式发电机21可以置于整流罩20内，也可以置于整流罩20外。旋转式发电机21可以对称布置，也可以单侧布置。双向透平发电装置5将往复气体的交变流动转换为旋转运动，从而带动旋转式发电机21发电。

如图7所示为带整流阀的双向透平发电装置5结构示意图，其双向不是由透平实现，而是由整流阀实现。往复流动由两组单向阀23整流为单向流动，从而驱动单向透平24旋转。单向透平24可以是一组或者是与单向阀相对应的两组。相对于双向透平，单向透平24不受对称结构与双向导叶限制，可显著提高透平效率。

在本实施例中，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24串接而成，共同带动同一旋转轴单向旋转，驱动旋转式发电机21发电。

在本实施例中，所述行波热声发动机1与所述脉管制冷机4间、所述脉管制冷机4与所述双向透平发电装置5间还设有调相谐振子3；

所述两个调相谐振子3分别用于将所述行波热声发动机1的声能传输至所述脉管制冷机4，将脉管制冷机4的剩余声能传输至所述双向透平发电装置5。

具体的，在本实施例中，如图8所示，所述调相谐振子3包括调相气缸25、调相活塞26和弹性复位键27，所述调相活塞26连接所述弹性复位键27，所述调相活塞26可在所述调相气缸25中直线往复运动。

具体的，所述调相活塞26包括截面相等或不相等的两个活塞，以及连接两个活塞的连杆。

如图8和图9所示，在本实施例中，图8为调相谐振子3串接示意图，也可以旁接。图9中(a)图为调相谐振子3旁接时可以单侧放置，图9中(b)图对置放置。所述调相谐振子3对置放置时有利于减弱系统振动。

在本实施例中，如图10所示，所述压缩机1通过压缩气缸30推动压缩机活塞6的往复直线运动，产生压力波，将电能转化为声波形式的机械能。所述压缩机1可以是单一输入，也可以是对置输入，所述压缩机1对置布置时，有利于增大系统输入功率并减弱系统振动。具体的，所述压缩机1可采用单一电机布置，如图10中(a)图所示，也可采用对置电机布置，包括一对相对设置的压缩气缸30和压缩机活塞6，如图10中(b)图所示。

在本实施例中，具体的，如图11所示，所述行波热声发动机2包括依次相连的发动机主冷却器7、发动机回热器8、发动机热端换热器9、发动机热缓冲管10和发动机次冷却器11；所述发动机热端换热器9用于接受外部热量。所述发动机主冷却器7用于带走发动机回热器8室温端的热量，从而在发动机回热器8的轴向产生很大的温度梯度。所述发动机主冷却器7将热量释放给冷却水，实现余热的利用。所述发动机回热器8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。所述热缓冲管10位于发动机热端换热器9与发动机次冷却器11之间，用于实现发动机热端换热器9与发动机次冷却器11的热隔离，以减少发动机热端换热器9向发动机次冷却器11的漏热，同时使得声功从发动机高温区域向外传递。所述热缓冲管10在有高温活塞配合时可以取消。

如图12所示，所述脉管制冷机4依次包括制冷机主冷却器12，制冷机回热器13，制冷机冷端换热器14，脉管15和制冷机次冷却器16。。声功经制冷机主冷却器12进入制冷机回热器13，在制冷机回热器13内做功，实现热量从制冷机冷端换热器14到制冷机主冷却器12的输运，从而在制冷机冷端换热器14获得冷量，并经过制冷机主冷却器12将热量释放给冷却水，实现余热的利用。所述脉管15用于实现制冷机冷端换热器14与制冷机次冷却器16的热隔离，以减少脉管制冷机4冷端冷量损失。所述脉管15在有低温活塞配合时可以取消。

在本实施例中图1的结构下，压缩机1，行波热声发动机2，调相谐振子3，脉管制冷机4，双向透平发电装置5以及气库17组成。

所述压缩机1可以是单一输入，也可以是对置输入。所述行波热声发动机1可以是一级，也可以是多级，多级行波热声发动机1之间采用谐振子调相。所述脉管制冷机4可以是一级，也可以是多级，多级脉管制冷机4之间采用谐振子调相。当声波形式的机械能从压缩机1向发动机主冷却器7传输，声波的能量就会在发动机回热器8中被放大。所述谐振子3用于使得相邻两热声组件之间获得良好的阻抗匹配的同时传输声功。所述谐振子3可以串接于管路中，也可以旁接于管路中。所述双向透平发电装置5将往复气体的交变流动转换为旋转运动，从而带动旋转式发电机21发电。所述双向透平可以串接于管路中，也可以旁接于管路中。所述旋转式发电机21发出的电量可以部分返馈回至所述压缩机，以供压缩机运行，并将压缩机消耗后剩余的电能传输至其他用电、储电设备。所述气库17用用于调节双向透平发电装置5入口处的体积流率，提高透平对声功的转化率。

本实施例中，如图13所示，还提供了一种冷热电联产装置的变形结构，与图1相比，去掉了热缓冲管10、发动机次冷却器11、脉管15和制冷机次冷却器16。同时谐振子增加了绝热段28。它由压缩机1，行波热声发动机2，谐振子3，脉管制冷机4和双向透平发电装置5以及气库17组成。所述压缩机1可以是单一输入，也可以是对置输入。所述行波热声发动机1可以是一级，也可以是多级，多级行波热声发动机1之间采用带有绝热段的谐振子调相。所述脉管制冷机4可以是一级，也可以是多级，多级脉管制冷机4之间采用带有绝热段的谐振子调相。所述绝热段28的一端与谐振子的调相活塞相连，直径与调相活塞相同，另一端分别靠近发动机热端换热器9和制冷机冷端换热器14，且直径小于活塞直径，防止其与包裹的壁面之间因热涨和冷缩而卡死。所述绝热段可以解决热缓冲管中气流射流的问题，降低系统声功损失。所述双向透平发电装置5将往复气体的交变流动转换为旋转运动，从而带动旋转式发电机21发电。所述旋转式发电机21发出的电量可以部分返馈回至所述压缩机，以供压缩机运行，并将压缩机消耗后剩余的电能传输至其他用电、储电设备。所述双向透平可以串接于管路中，也可以旁接于管路中。

如图14所示，还提供了冷热电联产装置的又一种变形结构，与图1相比，它去掉了谐振子，并改用声学谐振管29。它由压缩机1，行波热声发动机2，声学谐振管29，脉管制冷机4和双向透平发电装置5组成。所述压缩机1可以是单一输入，也可以是对置输入。所述行波热声发动机1可以是一级，也可以是多级，多级行波热声发动机1之间采用谐振管调相。所述脉管制冷机可以是一级，也可以是多级，多级脉管制冷机之间采用谐振管调相。所述声学谐振管29为等截面或变截面大长径比管道。所述声学谐振管29用于使相邻两热声组件之间获得良好的阻抗匹配的同时传输声功。所述双向透平发电装置5将往复气体的交变流动转换为旋转运动，从而带动旋转式发电机21发电。所述旋转式发电机21发出的电量可以部分返馈回至所述压缩机，以供压缩机运行，并将压缩机消耗后剩余的电能传输至其他用电、储电设备。所述双向透平发电装置5可以串接于管路中，也可以旁接于管路中。

本发明提出一种串级冷热电联产装置，结合行波热声发动机以及脉管制冷机的高效、结构简单等优点，同时利用双向透平发电装置结构简单、功率可扩展性强和经济性高的特点，采用调相结构高效串接发动机、制冷机以及双向透平发电装置，实现了冷热电的联产。同时双向透平发电装置产生的电能又可以部分反馈回压缩机，实现了启动后不需要额外供能，具有能源适应性好，结构简单可靠，在低成本大功率的领域具有广阔应用潜力。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。