CN104079142B - 一种双温位热源驱动的热声三相交流发电*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双温位热源驱动的热声三相交流发电***，包括磁流体发电装置和构成环路的热声转换装置，所述环路内充有可相变工质，该可相变工质的液相作为磁流体发电装置的工质，可相变工质的气相作为热声转换装置的工质；所述磁流体发电装置和相匹配的热声转换装置作为一个环路单元，所述热声三相交流发电***至少有两个环路单元，各环路单元之间相互连通共用所述的可相变工质。以气液相变热声转换机构产生一定量的声功，再以行波热声发动机作为放大级把产生的声功放大。中温换热器与高温换热器加热温度的不同，可实现双温位热源利用，驱动***工作，可提高中低温位低品位热源的利用率。***内存在气液相变，具有自适应调节能力。

Description

一种双温位热源驱动的热声三相交流发电***

技术领域

本发明涉及发电***，尤其涉及一种双温位热源驱动的热声三相交流发电***。

背景技术

热声发动机由于没有机械运动部件、结构简单、运行可靠、寿命长的特点，是近年来的研究热点。行波热声发动机早在200多年前就出现了雏形，但由于回热器处声抗较低，工作振动速度较大，造成严重的粘性损失，从而限制了发动机效率。美国诺斯阿拉莫斯国家实验室的Backhaus和Swift等人提出的热声斯特林发动机，性能有了显著的提高，但是驻波的谐振管仍然为其主要部分，且尺寸通常较大，轴向尺寸约为4m-10m，其中储存的能量无法利用而是直接耗散。

目前新近发展的气液耦合热声发动机，利用液态工质的高密度质量惯性的特性，作为声感代替传统气体工质谐振管。

公开号为CN101282074A的中国专利文献公开了一种热声液态磁流体交流发电***，包括热声发动机的液态磁流体发电机，所述热声发动机的谐振管耦合在所述磁流体交流发电机的、用于容纳液态磁流体的管道的一个开口端上，该管道放置在磁场中，使得液态磁流体在管道中流动时切割磁力线产生电能，其特征是，所述热声发动机的工质为气体工质。

公开号为CN101309040A的中国专利文献公开了一种采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***，包括依次连接的第一环路行波热声核、谐振管、室温离子液体、发电装置及第二环路行波热声核，同时还包括连接于两个行波热声核之间的稳频装置。环路行波热声核包括依次连接的反馈管、声感管、声容管、第一水冷器。发电装置由矩形不锈钢外套、绝缘夹层、永磁体、电极和引线接头组成，同时还包括周期振荡的室温离子液体。稳频装置由两个带调节阀的气库通过两个截止阀连接到行波热声核。

为了解决传统热声发动机低频下谐振管尺寸较长、与负载匹配困难等一系列问题，中科院理化技术研究所罗二仓等人提出了新型的气-液双作用行波热声发动机，将三台完全相同的热声发动机串联成环路，中间采用内含液体活塞的U型谐振管连接。

公开号为CN103147949A的中国专利文献公开了一种热声双作用油润滑发电***，具有至少三级串接的基本单元，每级基本单元均由热声转换装置、谐振装置和油润滑发电机组成；热声转换装置由依次连接的第一室温转换器、回热器、非室温换热器、热缓冲管和第二室温换热器组成；谐振装置的双U型管内装互不相溶的液体A和液体B；双U型管的三根竖直管内液面之上分别具有空腔；油润滑发电机与液体B液面上的空腔相连；上一级基本单元的第一空腔与下一级基本单元的热声转换装置的第一常温换热器相连，末级基本单元的第一空腔与下一级基本单元的热声转换装置的第一常温换热器相连。

利用环形结构虽然解决了声功回收的问题，可以使热声发动机获得更高的效率。但是，环路的拓扑结构会有直流的产生，可能导致U型管中的液体溢出，进入核心部件中，影响发动机安全运行。此结构利用液体活塞，主要是为利用液体工质的高密度质量惯性来调节***谐振频率，气相热声发动机的起振温度、稳定工作温度普遍较高的问题仍然存在，限制了对于低品位热源的利用。

能源品位是能源做功能力的定性表述。通常情况下，人类利用能源的本质是利用其能量做功，能源所含有的有用成分百分比越高则品位越高。电能是一种高品位能量，利用、传输和分配都比较方便。火力发电在当今电力生产中还占据相当大的比重，但由于火力发电需先经化石燃料燃烧转换，中间环节多，转换效率低，且过程中排放大量的有害气体，造成环境污染。工业企业有很多高温过程，生产过程完成后剩余大量的废热，这些废热得不到有效利用，即属于低品位能源。若能利用这些低品位能源发电，不但可以节省传统火力发电所消耗的能源，节约成本，更能对空气污染现状起改善作用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种双温位热源驱动的热声三相交流发电***，在较小的驱动温差下实现热声发动机起振，并稳定运行，以提高低品位热源在热声热机中的适用性。

本发明解决问题的技术方案为：

一种双温位热源驱动的热声三相交流发电***，包括磁流体发电装置和构成环路的热声转换装置，所述环路内充有可相变工质，该可相变工质的液相作为磁流体发电装置的工质，可相变工质的气相作为热声转换装置的工质；

所述磁流体发电装置和相匹配的热声转换装置作为一个环路单元，所述热声三相交流发电***至少有两个环路单元，各环路单元之间相互连通并共用所述的可相变工质。

作为优选，所述热声转换装置包括首尾依次连接构成环路的高温换热器、回热器、中温换热器、液体缓冲管和室温换热器，U形管、反馈管和声容管；其中各环路单元的U形管相互连通。

热声转换装置包括两部分，一部分是室温换热器、液体缓冲管和中温换热器组成的气液相变热声转换机构，另一部分为高温换热器、回热器和中温换热器组成的气相行波热声转换机构。气液相变热声转换机构相对于气相行波热声转换机构只需较小的驱动温差即可实现稳定的热能向声功的转换。气液相变热声转换机构作为起振机构并产生一定声功，气相行波热声转换机构再将声功放大。

由于可相变工质气液相变产生的高温蒸发膨胀与低温冷凝压缩的作用使工质在热声发动机中发生自激振荡，将部分热量转化为声功，行波热声发动机作为放大级把产生的声功放大。

作为优选，所述环路单元为三个，该三个环路单元通过三通Y型连接。

热声转换装置的U型管和连接三个U型管的三通处均填充有可相变工质，可相变工质的液面位于液体缓冲管内；***运行时，可相变工质的液面会进入每个环路单元的中温换热器和室温换热器，并在中温换热器和室温换热器之间往复运动，但其液面不进入回热器。由三个完全相同的基本结构星形连接而成，使得每个单元体积流率分别与相邻单元处体积流率形成120°相位差。

三个环路单元通过三通连接，处于液态的可相变工质可以在三个环路单元之间流动，其中一个环路单元内压力较大时，其内部的可相变工质有一部分被挤压到其他两个环路单元内。当三个单元的结构参数或加热功率不对称时，可能引起某个环路单元中压力过高或过低，但是，在本发明中由于环路单元内存在气液相变，产生周期性蒸发、冷凝，可避免其中一个单元内压力持续偏高或偏低，从而具有自适应调节能力。

作为优选，所述可相变工质包括溶剂以及提供正离子和负离子的溶质，溶剂的蒸气为可相变工质的气相。

可相变工质常温下为液态，在加热达到可相变工质中的溶剂的沸点后，溶剂蒸发成为气体工质。

溶剂选择会影响气液相变热声转换机构的工作温度，例如选择沸点低于100℃的溶剂，可以在低于100℃的温度下驱动气液相变热声转换机构工作。作为理想的溶剂应当具备的属性是：室温条件下，呈现液态，粘滞系数较小、化学性质稳定；常压条件下，沸点较低，气化潜热较小等。可选用的溶剂有丙酮、甲醇和乙醇等低沸点溶剂，丙酮、甲醇和乙醇的沸点都低于100℃。作为理想的溶质应当具备的属性是：溶解于溶剂后形成的可相变工质具有良好的导电性能，可相变工质的热稳定性好且溶质不与溶剂发生反应。氯化钙、硝酸银、硝酸钡、氯化铜、氯化钾、溴化钠、氯化钠和硝酸钙都可溶于丙酮、甲醇和乙醇中，且不与其溶剂发生反应。

作为优选，所述溶剂为丙酮、甲醇或乙醇，所述溶质为氯化钙、硝酸银、硝酸钡、氯化铜、氯化钾、溴化钠、氯化钠或硝酸钙。

其中，甲醇的溶解性能比乙醇好，常温下为无色透明液体，常压下，沸点为64.7℃，相对密度为0.7915(20/4℃)，粘度(20℃)为0.5945mPa·s，硝酸钙在其中溶解度高达138.0(g/100g甲醇)，优选的，所述溶剂为甲醇，所述溶质为硝酸钙。

硝酸钙溶解于甲醇形成硝酸钙的甲醇溶液，该硝酸钙的甲醇溶液就是一种可相变工质，由于甲醇的蒸发温度为64.7℃，可在低于100℃的温度下驱动气液相变热声转换机构工作，也即是说中温换热器需要的加热温度低于100℃。气态的甲醇是气相行波热声转换机构的工质，气相行波热声转换机构可在200℃到300℃的温度下稳定工作，也即是说高温换热器加热温度为200℃到300℃。由于中温换热器需要的热源温度低于高温换热器，而且中温换热器和高温换热器同时对***加热，可实现双温位热源利用，驱动装置工作，可提高中低温位低品位热源的利用率。

由于高温换热器的温度高于中温换热器的温度，中温换热器可作为气相行波发动机的低温热源。来自于高温换热器的温度较高的气相蒸气在中温换热器处放热，释放热量可作为气液相变热声转换机构的驱动热量，强化气液相变热声转换过程，输出的声功增加，驱动气相行波热声发动机工作。

中温换热器既是气液相变热声转换机构的高温换热器端，又是气相行波热声转换机构的室温换热器端。通过调节高温换热器的加热量，使得气相行波热声转换机构在中温换热器处放热量低于气液相变热声转换机构在中温换热器处放热量，使得***在中温换热器处吸热，实现较低温位热源的利用。

为防止由于液面振荡使液体进入气相行波热声转换机构中，可以采用在回热器和中温换热器之间设置弹性膜，该弹性膜能让气体通过同时阻止液体通过，但是增加弹性膜会影响工作效率，弹性膜成本高，而且在工作温度较高时，其稳定性较差。因此比较好的方式是将中温换热器加长，其他换热器与常规换热器长度一致，由于流体截面为小截面，液体飞溅进入回热器的情况不严重，根据实际工作情况，适当的加长中温换热器可有效的防止液面振荡使液体进入气相行波热声转换机构中。

溶质溶解于溶剂后形成正离子和负离子，从而可相变工质的液相中含有正离子和负离子，带有正离子和负离子的可相变工质高速穿过磁流体发电装置内的磁感线时，由于洛伦兹力的作用，正离子和负离子分别向两电极偏移，于是正电荷和负电荷分别在两个电极上累积并在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以形成电路***。由于可相变工质做的是周期性变化的往复运动，因此形成的是交变电流。磁流体发电装置的结构包括对称分布的永磁体和位于两个永磁体之间的电极，和电极围成了可相变工质的通道。

作为优选，所述磁流体发电装置的设有用于提供磁感线的一对永磁体，该永磁体具有拱形结构。电极和拱形的永磁体围成的通道更大，单位时间流过磁流体发电装置的可相变工质更多，可以产生更大的电流。

作为优选，所述三个环路单元中的磁流体发电装置产生的电压大小相等且相位互差120°。

热声转换装置产生的声功驱动液态的可相变工质在管道内往复运动，经过磁流体发电装置的可相变工质切割磁感线产生电能。在电子工程学中，三相交流电一般是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的交流电路组成的电力***。通常来说，三相交流电分三角形接法(Δ)和星型接法(Y)两种。三角形接法即为将各相电源依次首尾相连，形成一个三角环；而星型接法则是将各相电源的一端连接在一点，形成一个中性点，这种接法又称为三相三线制。如果从该中性点再引出一条中性线，则整个结构变为三相四线制。两种电路可以进行变化，即Y-Δ变换或称为星角变换，是一种把Y形电路转换成等效的Δ形电路，或把Δ形电路转换成等效的Y形电路的方法。

根据声电类比可知，将流体压差P比拟成电压U，流量Q_M比拟成电流I，流阻R_M、流容C_M与流感L_M分别比拟为电阻R、电容C以及电感L，即可将流抗Z_M＝R_M-j/ωC_M+jωL_M比拟为阻抗Z。

将三个磁流体发电装置各相电动势为E_A、E_B、E_C的等效星形连接对称三相电源。电源的电动势为E'_A、E'_B、E'_C。若计及电源内阻抗Z_i，则Z_i'＝Z_i/3，各相电动势为：

对于已有的环路行波热声发动机的三个基本单元内交变流动的压力、速度等参数频率相同、幅值相等、相位互差120°。根据电路知识可将已有的环路行波热声发动机转化为星形结构。因此，每个环路单元内液体工质的流动速度、气态工质的压力等参数均随时间按正弦规律变化，其中压力与速度同相。由于三个环路单元的结构完全相同，因此，三个环路单元内交变流动的压力、速度等参数频率相同、幅值相等、相位互差120°。在电磁感应的作用下，三个环路单元产生相位相差120°的电压。另外根据电磁感应公式：E＝BLv，可知输出电动势E的变化规律与交变流动速度v的变化规律相同，热声转换装置的振荡频率即为输出电压的频率。通过导线将三个磁流体发电装置的电路引出按照上述的三角形接法(Δ)和星型接法(Y)连接，即形成类似现有交流发电装置产生的交流电。

本发明的有益效果在于：以气液相变热声转换机构产生一定量的声功，再以行波热声发动机作为放大级把产生的声功放大。中温换热器与高温换热器加热温度的不同，可实现双温位热源利用，驱动***工作，可提高中低温位低品位热源的利用率。***内存在气液相变，产生周期性蒸发、冷凝，可避免其中一个单元内压力持续偏高或偏低，具有自适应调节能力。

附图说明

图1为本发明的双温位热源驱动的热声三相交流发电***的结构示意图；

图2为本发明的双温位热源驱动的热声三相交流发电***中磁流体发电装置的截面示意图；

图3为本发明的双温位热源驱动的热声三相交流发电***的电路采用三角形连接时与传统交流发电机的对照图；

图4为本发明的双温位热源驱动的热声三相交流发电***的电路采用星型连接时与传统交流发电机的对照图；

图5为本发明的双温位热源驱动的热声三相交流发电***的行波声场的位移、速度和压力振动图；

图6为本发明的双温位热源驱动的热声三相交流发电***的三相正弦电压图。

附图标记：

1为高温换热器，2为回热器，3为中温换热器，4为液体缓冲管，5为室温换热器，6为硝酸钙的甲醇溶液，7为U形管，8为反馈管，9为声容腔，10为磁流体发电装置，11为三通，12为绝缘夹层，13为永磁体，14为排气阀，15为进液阀，16为充液阀，17为液位计，18为电极，19为引线接头，20为导线，21为绝缘套，22为不锈钢外套，23为通道。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，双温位热源驱动的热声三相交流发电***包括三个结构相同的环路单元，分别为环路单元a、环路单元b和环路单元c，每个环路单元包括热声转换装置和磁流体发电装置。

热声转换装置包括首尾连接的高温换热器1、回热器2、中温换热器3、液体缓冲管4、室温换热器5、U形管7、反馈管8和声容腔9。其中高温换热器1、回热器2、中温换热器3、液体缓冲管4和室温换热器5为从上至下依次连接，U形管7连接在室温换热器5的下端。

U形管7内有硝酸钙的甲醇溶液6，U形管7内安装有磁流体发电装置10，磁流体发电装置10具有允许硝酸钙的甲醇溶液6能穿过的通道。

图1中仅是为了方便展示各环路单元之间的位置关系，实际情况中，环路单元均是竖直布置，以使得可相变工质的液相位于环路单元的底部，三通和磁流体发电装置均位于环路单元的底部。

下面介绍***的启动过程和工作原理。

本发明的双温位热源驱动的热声三相交流发电***运行前，首先开启排气阀14和进液阀15，关闭充液阀16，利用真空泵通过排气阀14对***进行抽空。完成抽空后，关闭排气阀14，开启充液阀16，进行加注硝酸钙的甲醇溶液，并通过液位计17监控进入***的液体量，当***内的液面高于中温换热器下端并达到设定值后，关闭进液阀15和充液阀16。

完成液体加注后，利用工业余热或废热同时对三个环路单元的中温换热器3加热，温度超过一定阀值(甲醇的沸点)后，甲醇开始蒸发，其中甲醇的蒸气作为气相热声发动机的工质。通过中温换热器3对***进行持续加热，一定时间后U型管7内的液面低于中温换热器3，中温换热器3只与甲醇的蒸气接触且对甲醇的蒸气加热，管内处于高温的甲醇蒸气与低于中温换热器3并且处于低温状态的液态甲醇换热，液态甲醇持续蒸发，***内的压力逐渐增加。

甲醇的蒸发量达到设定值后，由于液态甲醇的减少和气态甲醇的增加使得液面位置低于室温换热器5，开启室温换热器5进行冷却，室温换热器5可采用冷却水进行冷却，室温换热器5的温度始终保持在室温。

室温换热器5和中温换热器3之间形成温度梯度，当温度梯度超过一定临界值后，***内发生振荡。U形管7内的甲醇蒸气接触室温换热器5后温度降低并冷凝成液态，U形管7内压力下降致使液面回升接触中温换热器3，液态甲醇与中温换热器3接触后再次蒸发。

***内发生振荡时，液面在中温换热器3与室温换热器5之间升降，液态甲醇从高温热源中吸热蒸发，气态甲醇在低温热源处放热冷凝。

***内的振荡作用使单个环路单元的U形管内的液体发生往复运动，另外由于三个U形管7通过三通11连接，振荡时硝酸钙的甲醇溶液通过三通在三个环路单元之间流动，三个单元相位相差120°，其中一个U形管7内液面变化，相连两个单元的液位受相位差影响，液面升高或降低，同时任一单元内的甲醇在本单元内完成周期性蒸发冷凝，实现声功的输出。

如图2所示，磁流体发电装置由内而外依次是永磁体13、绝缘夹层12和不锈钢外套22，永磁体之间为电极18，电极18连接有引线接头19，引线接头19外侧包有绝缘套21。其中永磁体13为拱形，永磁体13与绝缘夹层12相贴合，永磁体13和电极18围成通道23，硝酸钙的甲醇溶液在通道23内流动时，硝酸钙的甲醇溶液中的正离子和负离子均会受到洛伦兹力。

在***在振荡过程中，硝酸钙的甲醇溶液在磁流体发电装置的通23道内往复运动，并且溶液的运动方向与磁感线垂直，根据左手定则可以判断溶液的正离子和负离子分别朝向相反的方向运动，并且最终停在对应的电极上。由于硝酸钙的甲醇溶液在磁流体发电装置的通道23内是往复运动的，所以的磁流体发电装置产生的是交流电。

通过导线将三个磁流体发电装置的两个电极按照一定方式连接起来，即可形成类似传统交流发电机的电源。

如图3所示，传统交流发电机的三角形接法是将各相绕组依次首尾相连，并将每个相连的点引出，作为三相电的三个相线，本发明的接法是将三个磁流体发电装置通过三角形接法连接，再将三根导线分别连接在三个磁流体发电装置之间，形成与传统交流发电机的三角形接法类似的电路***。

如图4所示，传统交流发电机星形接法是将各相绕组的一端都接在一点上，而它们的另一端作为引出线，分别为三个相线；本发明采用类似的接法，将三个磁流体发电装置的其中一根导线连接在一起，再用三根导线分别连接磁流体发电装置的另一根导线，形成与传统交流发电装置的星型接法类似的电路***。

由于每个磁流体发电装置可引出两根导线，可根据实际用户需要按图3或图4提供的两种不同的方式进行连接。星形接法由于输出功率小，常用于小功率，大扭矩电机，或功率较大的电机起步时候用，这样对机器损耗较小，正常工作后再换用三角形接法。

如图5所示，上方是环路单元内液体流动的速度-时间关系曲线，下方是环路单元内压力-时间关系曲线，单元内流体热声交变流动的速度和单元内的压力均按正弦规律变化，而且压力与速度同相。由于三个基本单元结构完全相同，因此，三个基本单元内交变流动的压力、速度等参数频率相同、幅值相等、相位互差120°。另外根据电磁感应公式：E＝BLv，可知输出电动势E的变化规律与交变流动速度v的变化规律相同，热声转换装置的振荡频率即为输出电压的频率。

如图6所示，A、B、C分别表示环路单元a的磁流体发电装置产生的电压E_A、环路单元a的磁流体发电装置产生的电压E_B和环路单元a的磁流体发电装置产生的电压E_C，E_A、E_B和E_C大小一样，相位互差120°。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双温位热源驱动的热声三相交流发电***，包括磁流体发电装置和构成环路的热声转换装置，其特征在于：所述环路内充有可相变工质，该可相变工质的液相作为磁流体发电装置的工质，可相变工质的气相作为热声转换装置的工质；

所述磁流体发电装置和相匹配的热声转换装置作为一个环路单元，所述热声三相交流发电***至少有两个环路单元，各环路单元之间相互连通并共用所述的可相变工质；

所述热声转换装置包括首尾依次连接构成环路的高温换热器、回热器、中温换热器、液体缓冲管和室温换热器，U形管、反馈管和声容管；其中各环路单元的U形管相互连通。

2.如权利要求1所述的双温位热源驱动的热声三相交流发电***，其特征在于：所述环路单元为三个，该三个环路单元通过三通Y型连接。

3.如权利要求1所述的双温位热源驱动的热声三相交流发电***，其特征在于：所述可相变工质包括溶剂以及提供正离子和负离子的溶质，溶剂的蒸气为可相变工质的气相。

4.如权利要求3所述的双温位热源驱动的热声三相交流发电***，其特征在于：所述溶剂为丙酮、甲醇或乙醇；所述溶质为氯化钙、硝酸银、硝酸钡、氯化铜、氯化钾、溴化钠、氯化钠或硝酸钙。

5.如权利要求4所述的双温位热源驱动的热声三相交流发电***，其特征在于：所述溶剂为甲醇，所述溶质为硝酸钙。

6.如权利要求1所述的双温位热源驱动的热声三相交流发电***，其特征在于：所述磁流体发电装置设有用于提供磁感线的一对永磁体，该永磁体具有拱形结构。

7.如权利要求2所述的双温位热源驱动的热声三相交流发电***，其特征在于：所述三个环路单元中的磁流体发电装置产生的电压大小相等且相位互差120°。