一種冷電聯供系統技術方案

本發明專利技術公開了一種冷電聯供系統，所述冷電聯供系統包括自由活塞斯特林發動機(1)、直線電機(2)、聲學諧振管(3)和脈沖管制冷機(4)；所述直線電機(2)連接于自由活塞斯特林發動機(1)的壓縮腔(16)；所述聲學諧振管(3)一端連通于壓縮腔(16)，另一端連通于脈沖管制冷機(4)。本發明專利技術不僅可提供氣體液化所需制冷量，而且可提供發動機散熱以及其他外部設備運行所需的電力，具備冷電聯供功能。同時，該系統布置結構可顯著降低發動機的起振溫度，降低諧振管損失，提高功率密度，提高系統的穩定性和可靠性。

A cold electricity supply system

The invention discloses a combined cooling and power supply system, the combined cooling and power system comprises a free piston engine (1), Stryn (2), linear motor acoustic resonance tube (3) and pulse tube refrigerator (4); the linear motor (2) connected to the free piston engine (1) in Stryn the compression chamber (16); the acoustic resonance tube (3) is connected to the compression chamber (16), the other end is connected to the pulse tube cooler (4). The invention can provide not only the refrigerating capacity required for gas liquefaction, but also the power needed for the engine heat dissipation and other external equipment operation, and has the function of combined cooling and electricity supply. At the same time, the system layout structure can significantly reduce the starting temperature of the engine, reduce the loss of the resonant tube, improve power density, and improve the stability and reliability of the system.

【技術實現步驟摘要】
一種冷電聯供系統
本專利技術涉及能源利用領域，尤其涉及一種冷電聯供系統。
技術介紹
冷電聯供裝置通過燃燒較低比例(一般在15％～30％)的可燃氣(如天然氣、煤層氣和頁巖氣等)而將剩余大比例的該氣體液化，并提供輔助設備(如泵、風機、閥門和控制系統等)運行所需要的電力，在小型氣體液化領域如零散氣田、遠洋LNG(液化天然氣)運輸船等場合具有重要的應用前景。相比于常規的內燃機發電-壓縮-膨脹相變液化流程，回熱式冷電聯供系統無需額外配置發電機，工質環保、系統簡單、可靠性高。中國專利技術專利申請CN103835903A和CN105805974A提出了兩種回熱式冷電聯供系統結構，CN103835903A公開的行波熱聲冷電聯供系統的熱效率較高，適用于多溫區、大功率應用場合，但存在結構和換熱流程復雜、不一致性嚴重等問題。CN105805974A公開的一種聲學諧振管耦合自由活塞斯特林發動機和脈沖管制冷機的冷電聯供系統，其功率范圍可覆蓋從幾十瓦至幾千瓦量級，結構簡單、可靠性高。作為一種多子單元耦合系統，該系統充分利用了各子單元的優點，包括：(1)自由活塞斯特林發動機的高功率密度和高熱效率；(2)脈沖管制冷機冷端無運動部件、結構簡單和加工裝配要求低；(3)聲學諧振管結構簡單、可靠性高；(4)由直線電機調節脈沖管制冷機聲場，既可以實現制冷機的高效率，又能回收制冷機室溫端聲功，實現冷電聯供。鑒于CN105805974A專利申請內容的上述優點，專利技術人開展了實驗驗證工作，相關實驗結果驗證了
技術實現思路
的可行性，但結合實驗過程、實驗結果和數值計算分析，專利技術人發現該結構仍存在下述問題：(1)聲學諧振管的駐波成分較大，一方面導致自由活塞斯特林發動機與脈沖管制冷機的匹配困難，另一方面導致諧振管傳輸聲功能力較差、損失較大；(2)系統的起振慣性大，而置于脈沖管制冷機室溫側的直線電機對輔助起振的作用差。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對上述結構的缺點，提出了一種冷電聯供系統。它既能充分利用子單元——自由活塞斯特林發動機、脈沖管制冷機、聲學諧振管和直線電機的優點，更為重要的是，直線電機能有效調節聲學諧振管的聲場結構、增加其行波分量，從而降低自由活塞斯特林發動機與脈沖管制冷機的匹配難度、降低聲學諧振管損失并提高其功率密度。同時，置于靠近自由活塞斯特林發動機壓縮腔側的直線電機能有效輔助系統起振，降低系統的起振溫度、提高系統的穩定性。為達到上述目的，本專利技術的技術方案如下：一種冷電聯供系統，所述冷電聯供系統包括自由活塞斯特林發動機1、直線電機2、聲學諧振管3和脈沖管制冷機4；所述直線電機2連接于自由活塞斯特林發動機1的壓縮腔16；所述聲學諧振管3一端連通于壓縮腔16，另一端連通于脈沖管制冷機4。作為本專利技術的一個優選技術方案，所述的自由活塞斯特林發動機1與直線電機2采用耦合式連接；所述的自由活塞斯特林發動機1包括：耐壓殼體11、室溫換熱器12、回熱器13、高溫換熱器14、膨脹腔15、壓縮腔16、缸體17和排出器18；所述直線電機2包括：動力活塞21、定子22和動子23；排出器18的排出器桿181穿過動力活塞21后與平面支撐彈簧182連接。作為本專利技術的另一個優選技術方案，所述的自由活塞斯特林發動機1與直線電機2采用分置式連接；所述直線電機2包括：動力活塞21、定子22和動子23。進一步優選地，所述的自由活塞斯特林發動機1包括：耐壓殼體11、室溫換熱器12、回熱器13、高溫換熱器14、膨脹腔15、壓縮腔16、缸體17、排出器18和內腔體19；排出器18的排出器桿181穿過內腔體的內腔體缸體192后與位于內腔體19中的平面支撐彈簧182連接；所述直線電機為兩個，呈對置式布置，通過一個四通均與聲學諧振管相連通，所述直線電機和聲學諧振管均還通過同一個四通以及過渡流道191與自由活塞斯特林發動機的壓縮腔16連通。進一步優選地，所述的自由活塞斯特林發動機1包括：耐壓殼體11、室溫換熱器12、回熱器13、高溫換熱器14、膨脹腔15、壓縮腔16、缸體17、排出器18和排出器固定底座120；所述排出器固定底座120為T型結構，其邊緣與缸體連接，其中心桿固定平面支撐彈簧182；所述直線電機為兩個，呈對置式布置，通過一四通均與聲學諧振管相連通，所述直線電機和聲學諧振管均還通過同一個四通以及排出器固定底座上的小孔與自由活塞斯特林發動機的壓縮腔16。本專利技術中，所述脈沖管制冷機4包括：制冷機耐壓殼體47，以及按順序依次安裝于制冷機耐壓殼體的內壁上的主室溫端換熱器41、制冷機回熱器42、冷端換熱器43、脈沖管44、次室溫端換熱器45和聲學調相機構46。優選地，所述脈沖管制冷機的回熱器與脈沖管呈直線布置結構或呈同軸布置結構。優選地，所述聲學調相機構是慣性管+氣庫型、室溫排出器型或電機調相型。優選地，所述聲學諧振管是等徑直管或變徑錐管。排出器18的排出器桿181穿過動力活塞21后與平面支撐彈簧182連接，在本專利技術中既可以采用平面支撐彈簧支撐，也可以采用氣浮軸承支撐。所述直線電機可以采用動圈式、動磁式和動鐵式。本專利技術中，自由活塞斯特林發動機高溫換熱器和室溫換熱器均可采用翅片式或者殼管式換熱器，室溫換熱器的壁面材料可為紫銅、鋁合金或者不銹鋼，高溫換熱器的材料為不銹鋼或者內襯紫銅的不銹鋼；本專利技術中，回熱器內部填充不銹鋼絲網、不銹鋼纖維氈或者不銹鋼絲綿；本專利技術中，排出器為等徑的圓筒或者為變徑帶錐度的圓筒，其材質為不銹鋼或者不銹鋼與鋁合金的組合體。當直線電機與自由活塞斯特林發動機為耦合式連接時，排出器桿穿過電機動力活塞后與平面支撐彈簧連接；當直線電機與自由活塞斯特林發動機為分置式連接時，排出器桿穿過內腔體的缸體后與平面支撐彈簧連接，或者排出器通過平面支撐彈簧與排出器固定底座連接。所述排出器由平面支撐彈簧提供往復力，在膨脹腔和壓縮腔之間往復運動，排出器與缸體、排出器桿與缸體、排出器與動力活塞之間均采用間隙密封。在特殊情況下，排出器亦可由氣體彈簧提供部分往復力。所述聲學諧振管為一等徑或者變徑管道，其材質為不銹鋼或者鋁合金等；所述回熱器和脈沖管的壁面材料為不銹鋼或有機材料，所述回熱器與所述脈沖管可以是直線型布置方式，即兩者順次連接且均為圓筒或者圓筒帶一定錐度結構，亦可以是同軸型布置方式，即脈沖管與回熱器同軸嵌套，脈沖管為中間圓筒形結構，而回熱器為外側環狀結構；所述室溫端換熱器、冷端換熱器和次室溫端換熱器可以采用翅片式、殼管式或者填充絲網式，換熱器的外側耐壓殼體材料為不銹鋼或者紫銅，其內部根據結構形式的不同而對應地采用紫銅翅片式、紫銅或不銹鋼管殼管式、紫銅絲網填充絲網式；所述回熱器內一般填充不銹鋼絲網、不銹鋼纖維氈或者不銹鋼絲綿；所述聲學調相機構包括慣性管和氣庫，慣性管為單一直徑或組合直徑紫銅管，氣庫為一定容積的腔體，氣庫材料為不銹鋼。本專利技術中直線電機輔助自由活塞斯特林發動機起振并協助建立系統內的合適聲場，使自由活塞斯特林發動機在較低溫度起振，并持續不斷地通過熱聲效應(正效應)將外部高溫熱源的熱量轉化為聲功，該聲功經由聲學諧振管傳輸后在脈沖管制冷機處進一步通過熱聲效應(逆效應)產生制冷量，實現外部氣體液化。借助上述熱力循環和能量轉換，該系統不僅可提供氣體液化所需制冷量，而且可提供發動機散熱以及其他外部設備運行所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種冷電聯供系統，所述冷電聯供系統包括自由活塞斯特林發動機(1)、直線電機(2)、聲學諧振管(3)和脈沖管制冷機(4)；其特征在于，所述直線電機(2)連接于自由活塞斯特林發動機(1)的壓縮腔(16)；所述聲學諧振管(3)一端連通于壓縮腔(16)，另一端連通于脈沖管制冷機(4)。

【技術特征摘要】
1.一種冷電聯供系統，所述冷電聯供系統包括自由活塞斯特林發動機(1)、直線電機(2)、聲學諧振管(3)和脈沖管制冷機(4)；其特征在于，所述直線電機(2)連接于自由活塞斯特林發動機(1)的壓縮腔(16)；所述聲學諧振管(3)一端連通于壓縮腔(16)，另一端連通于脈沖管制冷機(4)。2.根據權利要求1所述的冷電聯供系統，其特征在于，所述的自由活塞斯特林發動機(1)與直線電機(2)采用耦合式連接；所述的自由活塞斯特林發動機(1)包括：耐壓殼體(11)、室溫換熱器(12)、回熱器(13)、高溫換熱器(14)、膨脹腔(15)、壓縮腔(16)、缸體(17)和排出器(18)；所述直線電機(2)包括：動力活塞(21)、定子(22)和動子(23)；排出器(18)的排出器桿(181)穿過動力活塞(21)后與平面支撐彈簧(182)連接。3.根據權利要求1所述的冷電聯供系統，其特征在于，所述的自由活塞斯特林發動機(1)與直線電機(2)采用分置式連接。4.根據權利要求3所述的冷電聯供系統，其特征在于，所述的自由活塞斯特林發動機(1)包括：耐壓殼體(11)、室溫換熱器(12)、回熱器(13)、高溫換熱器(14)、膨脹腔(15)、壓縮腔(16)、缸體(17)、排出器(18)和內腔體(19)；排出器(18)的排出器桿(181)穿過內腔體的內腔體缸體(192)后與位于內腔體(19)中的平面支撐彈簧(182)連接；所述直線電機為兩個，呈對置式布置，通過一個四通均...

【專利技術屬性】
技術研發人員：余國瑤，戴巍，李小偉，吳張華，羅二倉，
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