一種熱聲發動機裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種熱聲發動機裝置，尤其是涉及一種利用液化天然氣冷能的熱聲發動機裝置。
【背景技術】
[0002]熱聲發動機是一種通過熱聲效應可以將熱能轉化為聲功的裝置。熱聲發動機的優點是沒有運動部件、成本低廉和易于制造。但是熱聲發動機的應用受到其體積過大以及熱聲轉換效率低的限制。1999年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Backhaus和Swift在Nature上發表了一篇文章，介紹他們研制的一臺熱聲斯特林發動機，其熱效率高達0.3，完全可以媲美傳統的內燃機(0.25—0.4)和活塞式斯特林發動機(0.20-0.38)。這引起了世界各國科研工作人員和工業界的高度關注。這臺機器的研制使得行波型熱聲發動機成為相關科研人員研究的熱點。也使得熱聲斯特林發動機具有了實際應用的價值。
[0003]熱聲機可以利用不同溫度的熱源來實現熱聲轉換。通常會利用高溫熱源(>300K)和室溫(》300K)在熱聲機的板疊(回熱器)中形成溫度梯度來產生熱聲效應。但是，也有研究人員對熱聲機工作在室溫和低溫(80K左右)區間內的情況進行了研究。比如H.Luck研究了低溫下的熱聲震蕩，從實驗上說明了冷能驅動熱聲發動機的可行性。
[0004]而熱聲發動機反方向運轉，即向系統內輸入聲功時，可以在冷端獲得制冷量，即熱聲制冷機。而由熱聲發動機驅動的熱聲制冷機，整機無任何運動部件，也即無部件的磨損。理論上來說若運行工況不變，可一直按設計要求運行。所以這一優點對于航天應用來說具有重要意義。因為其工作部件需要保證長時間無故障運行。
[0005]另一方面，液化天然氣在汽化時會吸收大量的熱量，每噸的液化天然氣在氣化時要吸收830,000KJ的熱量，轉化為電能為230千瓦時。2014年中國液化天然氣進口量為1985萬噸，其冷量折合電量為45.6億千瓦時。如果能將這部分能量利用起來，也具有很大的經濟和環保價值。當前液化天然氣冷能的利用方式主要有冷能發電、空氣分離、作為低溫冷庫的冷源等。這些系統一般比較復雜，需要復雜的設備和系統。更常規的做法是直接用海水與液化天然氣進行換熱，帶走這部分熱量，但這樣會對海洋生態環境造成一定的影響。
[0006]中國專利201510476949.3公開了一種液化天然氣冷能驅動的熱聲系統，該熱聲系統包括熱源、液化天然氣冷源，以及依次連接的熱端換熱器、回熱器、冷端換熱器和諧振腔，所述的熱端換熱器連接熱源，所述的冷端換熱器和諧振管設置在液化天然氣冷源中；利用熱端換熱器和冷端換熱器的溫差，在回熱器內部建立溫度梯度，從而在諧振管中產生壓力波動，將冷能轉化為聲功。但由于熱聲系統的冷端換熱器和諧振管均處于低溫環境下，其輸出功無法直接被利用需要將低溫環境中產生的聲功傳輸到室溫下再加以利用。
【發明內容】
[0007]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種利用液化天然氣冷能的熱聲發動機裝置。
[0008]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0009]—種熱聲發動機裝置，包括熱聲發動機組件和聲功利用組件，所述的熱聲發動機組件置入低溫環境中工作，所述的聲功利用組件在室溫環境中工作，所述的熱聲發動機裝置還包括聲功輸出組件，其兩端分別連接熱聲發動機組件和聲功利用組件。
[0010]所述的聲功輸出組件為用于連接低溫環境中的熱聲發動機組件和室溫環境中的聲功利用組件的脈管或長活塞。
[0011]所述的脈管的尺寸與熱聲發動機組件的輸出的聲功壓力波的幅值和頻率匹配，脈管連接低溫環境和室溫環境，將低溫環境中產生的功傳輸至室溫；
[0012]所述的長活塞由電木、玻璃鋼或不銹鋼等材料制成。
[0013]所述的低溫環境為液化天然氣冷源或者其它溫度低于環境溫度的冷源。
[0014]所述的聲功利用組件為電能轉化單元或機械能轉化單元。
[0015]所述的電能轉化單元為發電機;所述的機械能轉化單元為將聲功轉化為轉矩的曲柄連桿單元。
[0016]所述的熱聲發動機組件為駐波熱聲發動機組件，包括依次連接的熱端氣庫、熱端換熱器、回熱器、冷端換熱器和諧振管，所述的冷端換熱器和諧振管均置入低溫環境中，所述的熱端氣庫和熱端換熱器均置入高溫熱源中，所述的諧振管連接聲功輸出組件。
[0017]所述的熱聲發動機組件為行波熱聲發動機組件，包括依次連接的熱端換熱器、回熱器、冷端換熱器和反饋管，所述的冷端換熱器和反饋管均置入低溫環境中，所述的熱端換熱器置入高溫熱源中，所述的反饋管連接聲功輸出組件。
[0018]所述的熱聲發動機組件為行波-駐波混合型熱聲發動機組件，包括連接的熱端換熱器、回熱器、冷端換熱器、反饋管和諧振管，所述的冷端換熱器、反饋管和諧振管均置入低溫環境中，所述的熱端換熱器置入高溫熱源中，所述的反饋管和諧振管的連接處連接聲功輸出組件。
[0019]所述的高溫熱源的溫度不低于室溫。
[0020]與現有技術相比，本發明的熱聲發動機組件的大部分部件均置于液化天然氣冷源中，而因為聲功利用組件又只能在室溫端工作，故設置了脈管或者長活塞用于傳輸熱聲發動機組件產生的聲功，這樣不僅將熱聲發動機組件和聲功利用組件分隔在兩個不同的工作環境。脈管具有高效傳輸聲功的能力，其內部有一氣團在管中來回運動，該氣團被稱為“氣體活塞”，“氣體活塞”上形成從低溫到室溫的溫度梯度，從而可以將低溫下的聲功傳輸至高溫環境加以利用。脈管的尺寸參數需要通過詳細的計算來確定，這與熱聲發動機端產生的壓力波的幅值和頻率等因素有關。此外，熱聲發動機組件的低溫冷源采用液化天然氣，與其他液化天然氣冷量利用方式相比，具有結構簡單、成本低廉、運行穩定等優點，與其他熱聲發動系統相比，本發明的熱聲發動機組件的諧振管等部件均置于液化天然氣低溫環境中，這樣不僅沒有對熱聲發動機組件的正常工作造成影響，同時由于諧振管內溫度降低，從而降低了諧振管內氣體的粘性阻力，減小諧振管中傳輸時的聲功損耗，有利于提高熱聲發動機組件的效率。
【附圖說明】
[0021]圖1為采用脈管作為聲功輸出組件的駐波式熱聲發動機裝置的結構示意圖；
[0022]圖2為采用長活塞作為聲功輸出組件的駐波式熱聲發動機裝置的結構示意圖；
[0023]圖3為采用脈管作為聲功輸出組件的行波式熱聲發動機裝置的結構示意圖；
[0024]圖4為采用長活塞作為聲功輸出組件的行波式熱聲發動機裝置的結構示意圖；
[0025]圖5為采用脈管作為聲功輸出組件的駐波-行波混合式熱聲發動機裝置的結構示意圖；
[0026]圖6為采用長活塞作為聲功輸出組件的駐波-行波混合式熱聲發動機裝置的結構示意圖；
[0027]圖中，1-熱端氣庫，2-熱端換熱器，3-回熱器，4-冷端換熱器，5-諧振管，6-活塞，7-連接桿，8-發電機，9-低溫冷源，10-高溫熱源，11-反饋管，12-聲功輸出組件。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0029]以下實施例中的高溫熱源的溫度即為室溫，低溫冷源即為液化天然