[發明專利]一種環路聲學共振型壓縮機系統

有效

• 申請號: 201410055076.4
• 申請日: 2014-02-18
• 公開（公告）號: CN103790802A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 羅二倉;戴巍;童歡;吳張華;張麗敏;陳燕燕
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所;中科力函（深圳）熱聲技術有限公司
• 主分類號: F04B37/00
• 分類號: F04B37/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉

技術領域

本發明涉及一種壓縮機系統，特別是涉及一種新型的環路聲學共振型壓縮機系統。

背景技術

隨著石油及煤炭資源的日益消耗及其對環境污染的日益加劇，增大天然氣在一次能源中的比例成為我國優化能源結構的重要途徑。目前僅常規天然氣的開發就已達到了與石油相當的水平，而非常規天然氣的領域更廣闊、潛力更大。為了充分利用境內外兩種資源,滿足用量需求,我國的長輸天然氣管道正以年均6000km的增速進行建設。這些長距離天然氣輸送管道的建成,將有助于能源短缺地區經濟的高速發展。天然氣長距離輸運所帶來的問題就是管道壓力的維持，壓縮機和驅動機的選型設計就成為是天然氣輸送管道工程中的主要工作內容之一，是實現長距離輸送天然氣的重要保證。在市場經濟條件下,對輸供氣的穩定性、可靠性和經濟性要求更高。另一方面，隨著經濟的迅速發展，煤化工、石油化工和大化肥等行業迅速崛起,對大型大型空分設備的需求越來越多,而且這些大型裝置絕大部分對產品氧、氮的壓力要求很高，這些產品壓力的獲取絕大部分是通過低溫液體泵加壓工藝實現的,即通常所說的內壓縮流程。對空氣、氮氣等氣體的增壓也是空分工程中的一大難題。

行波熱聲發動機因其具有運行可靠、使用壽命長、潛在效率高等優點而受到人們的廣泛關注，用行波熱聲發動機作為壓縮機進行氣體增加還未有應用，本發明提出的環路聲功共振壓縮機系統便可用于各種氣體的加壓，系統可以實現完全無運動部件并且完全無油，進一步增加了可靠性。

對于熱聲熱聲發動機而言，其熱聲能量的轉換在很大程度上決定于壓力波動與體積流率波動之間的相位差。體積流率可表示成與壓力波動同相的行波分量和與壓力波動相位相差90°的駐波分量之和，純駐波即壓力波動與體積流率的相位差為90°時是不能產生聲功的，聲功的產生靠行波分量，即壓力波動與體積流率同相位的分量，因此使聲場中行波分量盡量增大對提高熱聲機械轉換效率具有積極的意義。

1979年美國的Ceperley首次提出了行波熱聲發動機的概念，但由于對熱聲轉換機理理解的有限并且對降低行波熱聲發動機產生熱功轉換核心部件回熱器阻抗沒有提出有效降低的技術方案，因此并沒有研制出可工作的行波熱聲發動機。

1998年，在行波熱聲發動機發展之初，日本的Yazaki、Iwata等人提出了環形管行波熱聲發動機，如圖1所示，他們在實驗中采用激光多普勒測速儀測量了工作氣體振蕩速度，并意識到由于發動機板疊處工作氣體振蕩速度較大，造成了嚴重的粘性損失，限制了行波熱聲發動機的效率，但是并沒有提出妥善的解決方案。

隨后，美國的Backhaus和Swift等人提出的熱聲斯特林熱機及一些類似結構的熱聲發動機，引入了諧振管結構，如圖2所示，雖然在系統性能上有了很大的提高，但是諧振管部分基本仍是以駐波聲場為主，熱聲發動機很大一部分聲功在諧振管中耗散，并且諧振管的引入極大的降低了系統的功率密度。

2010年，荷蘭的KeesdeBlok提出了一種新型4階行波熱聲發電機，其結構與Yazaki等人環形管行波熱聲發動機類似，但是增大了回熱器的面積，如圖3所示，使得工作氣體振蕩速度在回熱器里有效降低，解決了Yazaki等人環形管行波熱聲發動機回熱器中粘性損失的問題。但是在熱聲發動機中并未加入熱緩沖管結構，會造成冷熱氣體混合，產生極大的換熱不可逆損失；并且在環路系統中并未加入薄膜等抑制環路直流的裝置，環路中的直流會造成系統中氣體的定向流動，使得氣體換熱與回熱器、換熱器的換熱效果變差，極大的影響熱聲性能，所以也這種結構也并未取得較好的結果。

2012年，中科院理化所羅二倉課題組提出雙作用流程，如圖4所示，熱聲發動機與雙作用直線電機首尾相連形成環路，能夠回收聲功，極大的提高系統效率。但是雙作用電機的引入增加了系統不一致性問題，當其中一個電機與其他電機有差異時，這種差異會在環路中被放大最終影響到系統性能。

本發明正是基于以上帶諧振管的熱聲發動機、環路行波熱聲發動機、以及雙作用熱聲發動機中存在的問題，提出了一種新型的設計，即解決了回熱器處阻力過大以及諧振管體積過大的問題，又解決了DeBlock環路系統中出現的冷熱損失、環路直流等問題，同時也解決了雙作用系統中不一致性的問題。環路聲學共振型熱聲壓縮機完全沒有運動部件且無油，提高了運行可靠性；環路中能實現純行波相位，能且能夠有效的回收聲功，提高了系統工作效率。此系統不僅可以用于一級壓縮，對于需求更高壓比的場合，只需要通過管道連接即可實現多級壓縮，在氣體壓縮領域有良好的應用前景。

發明內容