一種環路多級熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置，其由M個熱聲發動機單元及旁接其出口的脈管制冷機單元組成，M為3～6正整數；一制冷機回熱器和一低溫端換熱器為一制冷單元，脈管制冷機單元具兩個以上制冷單元；在制冷機回熱器和脈沖管間設多路旁通管路，使兩者相連形成至少一條旁通氣流通道；熱聲發動機自激產生的聲功在制冷機回熱器中發生熱聲轉換，多個低溫端換熱器維持在不同制冷溫度下；待液化氣體依次通過每一低溫端換熱器，溫度梯級下降而被液化；具無運動部件，結構緊湊，功率密度高；環路結構使發動機單元處行波相位；多路旁通結構實現氣體膨脹制冷可提高脈沖管制冷機效率；同時多級制冷單元梯級降低氣體溫度，有效減少不可逆傳熱損失。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于氣體液化領域的氣體液化裝置，特別涉及一種環路多級熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置。
技術介紹
液化過程指物質由氣態轉變為液態的過程。由于氣體液化后體積會變成原來的幾千分之一，便于貯藏和運輸，現實中通常對一些氣體進行液化處理。實現液化有兩種手段，一是降低溫度，二是壓縮體積。任何氣體在溫度降到足夠低時都可以液化。因此，如何能制造可靠性高、壽命長、高效且能夠梯級液化氣體的低溫制冷機成為了令人關注的問題。熱聲發動機是一種利用管道和換熱器在其內部獲得合適的聲場，并通過工作介質和回熱器固體填料之間的相互作用將外部熱能轉化為聲能的裝置，具有無機械運動部件、可靠性高、壽命長和潛在熱效率高等優點，受到人們的廣泛關注。在目前廣泛應用的低溫制冷機中，脈沖管制冷機是利用壓力周期性變化的氣流在一根低導熱率的管中振蕩來完成制冷過程，它省去了低溫端的運動部件，因此具有結構簡單、振動小、可靠性高等優點。將熱聲發動機中自激振蕩產生的聲功來驅動脈管制冷機，便產生了一種從驅動源到冷端都沒有任何運動部件的制冷機，具有可靠性高、壽命長和潛在熱效率高等優點，受到人們的廣泛關注。近幾年，聲學共振型熱聲制冷系統因具有結構緊湊、功率密度高、潛在熱效率高等優點，引起了廣泛關注，并進一步推動了熱驅動脈管制冷機的發展。圖1為專利CN1035788提出的多路旁通脈沖管制冷機。它是由依次相通連接的制冷機主水冷器2、制冷機回熱器3、低溫端換熱器4、連接管5、脈沖管7、制冷機次水冷器10、慣性管11和氣庫12組成，由壓力波發生器驅動。在制冷機回熱器和脈沖管中間部位的適當位置處，通過多路旁通管路13將兩者相連通，每級制冷機回熱器中形成至少一條旁通氣流通路；同時，在脈沖管適當地設置阻力填料，能使氣體均勻、順利通過。這種脈沖管制冷機可以獲得更大的制冷功率和更低的制冷溫度，從而提高了制冷效率。圖2為羅二倉等人提出的聲學共振型熱聲制冷系統。該系統主要由多個熱聲發動機單元14和脈管制冷機單元I組成，每個脈沖制冷機單元只有一級低溫端換熱器。每一級熱聲發動機單元通過諧振管23首尾相連構成環路結構。該系統結構緊湊，能實現諧振管中聲功回收，潛在熱效率高，并且可根據冷量的需要串入任意數量的熱聲發動機單元及脈管制冷機單元。系統可被應用于液化氣體流程的最后部分，即吸收液化溫度下氣體的潛熱，使氣體由氣態變為液態。但是，若利用該系統完成將常溫氣體液化到低溫液體的整體液化過程，則會由于無法實現氣體梯級降溫而產生很大的傳熱損失，效率非常低。為了解決以上存在的問題，本專利技術提出一種能夠實現氣體液化一體化的環路多級熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置；它完全沒有運動部件，安全可靠，發動機核心部件均在行波相位中；具有多個不同溫度的低溫端換熱器，可以梯級地降低氣體溫度，有效減小傳熱損失；利用多路旁通結構，使得脈沖管內壓力波動變大，壓力波和體積流率的相位更接近同相，可以獲得更大的制冷功率和更低的制冷溫度；系統結構簡單，運動部件較少，安全可A+-.與巨O
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種環路多級熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置，其無運動部件，可靠性高，結構簡單，且熱聲發動機單元工作在行波相位，工作效率高；多個低溫端換熱器的溫度從室溫依次降低到氣體液化溫度，能夠梯級降低氣體的溫度，有效減小傳熱損失；多路旁通結構能夠使脈沖管旁通點成為制冷部位，管中形成膨脹制冷過程，因此制冷機具有更優的制冷性能；在脈沖管旁通點處布置阻力填料，減小氣流紊亂帶來的混合損失；該裝置可實現氣體液化的整體流程，在氣體液化方面具有廣闊的發展和應用前景。本專利技術的技術方案如下:本專利技術提供的環路多級熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置，其由M個熱聲發動機單元14通過諧振管23首尾相連構成的環路結構及M個脈管制冷機單元I組成，M = 3?6正整數；所述熱聲發動機單元14由依次相連的直流抑制器15、發動機主冷卻器16、發動機回熱器17、加熱器18、高溫端層流化元件19、熱緩沖管20、發動機室溫端層流化元件21和發動機次冷卻器22組成；每一熱聲發動機單元14的發動機次冷卻器22出口處旁接一個脈管制冷機單元I ;所述脈管制冷機單元I由依次相連的制冷機主水冷器2、第一至第N級制冷單元、連接管5、脈沖管7、制冷機次水冷器10、慣性管11和氣庫12組成，其中N = 2?6的正整數；所述制冷單元由一個制冷機回熱器3及與其串接的一個低溫端換熱器4組成；第I級制冷單元的制冷機回熱器3與制冷機主水冷器2相連，第N級制冷單元的低溫端換熱器4通過連接管5與脈沖管7冷端相連接；脈沖管7兩端分別裝有低溫端導流絲網6和制冷機室溫端導流絲網9 ;在每一脈管制冷機單元I中，制冷單元的制冷機回熱器3通過旁通管路13與脈沖管7相連形成至少一條旁通氣流通道；脈沖管7內裝有阻力填料8，阻力填料8軸向層疊于氣體工質進出脈沖管7的接口兩側，所述阻力填料8為絲網或者多孔介質材料；每一熱聲發動機單元14的加熱器18與熱源相連以吸收熱源熱量形成相同溫度的高溫端；發動機主冷卻器16和發動機次冷卻器22均通過水冷器冷卻以維持在室溫范圍；因此，每一級熱聲發動機單元14的發動機回熱器17上形成溫度梯度；在該溫度梯度下，發動機回熱器17內部工作氣體與其內的固體填料間產生熱聲效應，將輸入到加熱器18的熱量轉化成聲功；聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大，一部分聲功傳遞到脈管制冷機單元I中，另一部分通過諧振管23傳遞到下一級熱聲發動機單元中重復以上過程；在脈管制冷機單元I中，制冷機主水冷器2和制冷機次水冷器10通過冷卻水冷卻維持在室溫范圍；在第N級制冷單元中，從熱聲發動機中產生的聲功傳遞到制冷機回熱器3中發生熱聲轉換，將第N級低溫端換熱器4的熱量栗送到第N-1級的低溫端換熱器中，第N級低溫端換熱器4保持低溫；如上所述，傳遞到第N-1級制冷單元中的聲功經過熱聲轉換，將第N-1級低溫端換熱器的熱量栗送到第N-2級的低溫端換熱器中，第N-1級低溫端換熱器保持低溫；最終，所有低溫端換熱器的熱量均栗送到制冷機主水冷器2中，熱量由冷卻水帶走，N級低溫端換熱器的制冷溫度依次降低至氣體液化溫度；待液化氣體按照制冷溫度從高到低的順序依次通過每一制冷單元的低溫端換熱器，氣體熱量被吸收，溫度梯級降低，最終氣體被液化；其中，通過從每級制冷機回熱器3旁通到脈沖管7內一部分氣體形成膨脹制冷。上述裝置中，脈管制冷機單元I的脈沖管7與制冷單元的制冷機回熱器3非同軸布置。本專利技術的環路多級熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置，其由M個熱聲發動機單元14通過諧振管23首尾相連構成的環路結構及M個脈管制冷機單元I組成，M = 3?6正整數；所述熱聲發動機單元14由依次相連的直流抑制器15、發動機主冷卻器16、發動機回熱器17、加熱器18、高溫端層流化元件19、熱緩沖管20、發動機室溫端層流化元件21和發動機次冷卻器22組成；每一熱聲發動機單元14的發動機次冷卻器22出口處旁接一個脈管制冷機單元I ;所述脈管制冷機單元I由制冷機主水冷器2，與制冷機主水冷器2相連的第一級至第N級制冷單元，位于所述第一級至第N級制冷單元的制冷機回熱器3之內的脈沖管7，制冷機次水冷器10、慣性管11和氣庫12組成，其中N = 2?6的正整數；所述制冷單元本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種環路多級熱聲發動機驅動的氣體多級液化裝置，其由M個熱聲發動機單元(14)通過諧振管(23)首尾相連構成的環路結構及M個脈管制冷機單元(1)組成，M為3～6正整數；所述熱聲發動機單元(14)由依次相連的直流抑制器(15)、發動機主冷卻器(16)、發動機回熱器(17)、加熱器(18)、高溫端層流化元件(19)、熱緩沖管(20)、發動機室溫端層流化元件(21)和發動機次冷卻器22組成；每一熱聲發動機單元(14)的發動機次冷卻器(22)出口處旁接一個脈管制冷機單元(1)；所述脈管制冷機單元(1)由依次相連的制冷機主水冷器(2)、第一至第N級制冷單元、連接管(5)、脈沖管(7)、制冷機次水冷器(10)、慣性管(11)和氣庫(12)組成，其中N為2～6正整數；所述制冷單元由一個制冷機回熱器(3)及與其串接的一個低溫端換熱器(4)組成；第1級制冷單元的制冷機回熱器(3)與制冷機主水冷器(2)相連，第N級制冷單元的低溫端換熱器(4)通過連接管(5)與脈沖管(7)冷端相連接；脈沖管(7)兩端分別裝有低溫端導流絲網(6)和制冷機室溫端導流絲網(9)；在每一脈管制冷機單元(1)中，制冷單元的制冷機回熱器(3)通過旁通管路(13)與脈沖管(7)相連形成至少一條旁通氣流通道；脈沖管(7)內裝有阻力填料(8)，阻力填料(8)軸向層疊于氣體工質進出脈沖管(7)的接口兩側，所述阻力填料(8)為絲網或者多孔介質材料；每一熱聲發動機單元(14)的加熱器(18)與熱源相連以吸收熱源熱量形成相同溫度的高溫端；發動機主冷卻器(16)和發動機次冷卻器(22)均通過水冷器冷卻以維持在室溫范圍；為此，每一級熱聲發動機單元(14)的發動機回熱器(17)上形成溫度梯度；在該溫度梯度下，發動機回熱器(17)內部工作氣體與其內的固體填料間產生熱聲效應，將輸入到加熱器(18)的熱量轉化成聲功；聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大，一部分聲功傳遞到脈管制冷機單元(1)中，另一部分通過諧振管(23)傳遞到下一級熱聲發動機單元中重復以上過程；在脈管制冷機單元(1)中，制冷機主水冷器(2)和制冷機次水冷器(10)通過冷卻水冷卻維持在室溫范圍；在第N級制冷單元中，從熱聲發動機中產生的聲功傳遞到制冷機回熱器(3)中發生熱聲轉換，將第N級低溫端換熱器(4)的熱量泵送到第N?1級的低溫端換熱器中，第N級低溫端換熱器(4)保持低溫；如上所述，傳遞到第N?1級制冷單元中的聲功經過熱聲轉換，將第N?1級低溫端換熱器的熱量泵送到第N?2級的低溫端換熱器中，第N?1級低溫端換熱器保持低溫；最終，所有低溫端換熱器的熱量均泵送到制冷機主水冷器(2)中，熱量由冷卻水帶走，N級低溫端換熱器的制冷溫度依次降低至氣體液化溫度；待液化氣體按照制冷溫度從高到低的順序依次通過每一制冷單元的低溫端換熱器，氣體熱量被吸收，溫度梯級降低，最終氣體被液化；其中，通過從每級制冷機回熱器(3)旁通到脈沖管(7)內一部分氣體形成膨脹制冷。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：羅二倉，徐靜遠，張麗敏，陳燕燕，戴巍，胡劍英，吳張華，
申請(專利權)人：中國科學院理化技術研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11
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