[發(fā)明專利]一種熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)耦合的自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010044319.X
• 申請(qǐng)日: 2020-01-15
• 公開（公告）號(hào): CN111206989B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王凱;邱國(guó)毅;邱利民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): F02B71/04
• 分類號(hào): F02B71/04;F02G5/02;F03G7/00
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 馬士林

本發(fā)明公開了一種熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)耦合的自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)，屬于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，包括自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和連接在所述自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上的直線發(fā)電機(jī)，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃燒室和一端與燃燒室活動(dòng)連接的對(duì)置雙活塞，對(duì)置雙活塞的另一端活動(dòng)連接至導(dǎo)波管，導(dǎo)波管與熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振管連通；燃燒室的排氣孔連通至熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱器內(nèi)。通過(guò)低品位熱源驅(qū)動(dòng)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱能梯級(jí)利用的第二級(jí)，通過(guò)與自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)耦合，實(shí)現(xiàn)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱的回收利用。其中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可以是駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)、行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)、行波駐波混合型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)、多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)耦合的自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)

自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)是一種耦合了自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和直線發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，相比于傳統(tǒng)曲柄連桿活塞發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組，具有優(yōu)越的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。自由活塞線性發(fā)電系統(tǒng)的活塞不鏈接到曲軸或飛輪，而是在氣缸中自由移動(dòng)。自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換率高和燃料適應(yīng)性好等特點(diǎn)，近年來(lái)成為多個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)屬于一種內(nèi)燃機(jī)。燃料在自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)的排氣溫度一般可以達(dá)到400～900℃。根據(jù)熱力學(xué)原理，這些高溫排氣仍然蘊(yùn)含著較大的做工潛力，有效回收排氣預(yù)熱有望進(jìn)一步提高自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)效率。然而，據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，目前仍沒(méi)有針對(duì)自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)排氣預(yù)熱回收利用的一體化設(shè)計(jì)方案。

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是利用熱聲效應(yīng)工作的一種新型熱機(jī)，熱聲效應(yīng)是熱在可壓縮介質(zhì)(一般為氣體)中與固體介質(zhì)產(chǎn)生聲與熱的相互作用引發(fā)的聲學(xué)自激振蕩的物理現(xiàn)象，利用該原理可將熱能轉(zhuǎn)化為壓力波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)就是利用熱聲效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)熱能到機(jī)械能轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能輸出的能量轉(zhuǎn)換裝置。

根據(jù)聲場(chǎng)特性不同，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)分為駐波型、行波型及駐波行波混合型等多種型式。行波聲場(chǎng)中速度波和壓力波動(dòng)相位相同，而在駐波聲場(chǎng)中二者相差90°。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種新型的熱力機(jī)械，不同于常規(guī)的機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)，具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，可以采用多種熱源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，適合用于低品位熱源的回收。

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可用于回收各類動(dòng)力機(jī)械的余熱，如內(nèi)燃機(jī)尾氣余熱、燃?xì)廨啓C(jī)余熱等。然而，在這些基于熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱回收系統(tǒng)中，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與相應(yīng)動(dòng)力機(jī)械都是完全獨(dú)立運(yùn)行的，兩者間僅通過(guò)尾氣進(jìn)行連接以傳遞余熱。這類系統(tǒng)往往體積較大，緊湊性較差。現(xiàn)有文獻(xiàn)中未見有兩者在結(jié)構(gòu)上直接耦合的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的為提供一種熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)耦合的自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)，可以將自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣作為低品位熱源以驅(qū)動(dòng)與之通過(guò)雙活塞相耦合的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)做功發(fā)電，實(shí)現(xiàn)燃料能源的梯級(jí)利用，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)耦合的自由活塞直線發(fā)電系統(tǒng)，包括自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和連接在所述自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上的直線發(fā)電機(jī)，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃燒室和一端與燃燒室活動(dòng)連接的對(duì)置雙活塞，對(duì)置雙活塞的另一端活動(dòng)連接至導(dǎo)波管，導(dǎo)波管與熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振管連通；燃燒室的排氣孔連通至熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱器內(nèi)。

上述技術(shù)方案中，通過(guò)低品位熱源驅(qū)動(dòng)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱能梯級(jí)利用的第二級(jí)，通過(guò)與自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)耦合，實(shí)現(xiàn)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱的回收利用。其中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可以是駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)、行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)、行波駐波混合型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)、多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。

作為優(yōu)選，燃燒室的兩端均設(shè)有對(duì)置雙活塞，兩端的對(duì)置雙活塞的另一端均通過(guò)導(dǎo)波管連接至同一諧振管。

通過(guò)一套對(duì)置雙活塞將兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)相耦合，協(xié)同強(qiáng)化兩者的機(jī)械振蕩，進(jìn)一步通過(guò)與之相連的直線發(fā)電機(jī)提高單位燃料的電能輸出量，提升系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率。

作為優(yōu)選，諧振管為直管狀，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)沿諧振管向?qū)Рü艿姆较蛞来卧O(shè)有加熱器、熱聲板疊和冷卻器。此時(shí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)為駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。