一种冷电联供系统技术方案

本发明专利技术公开了一种冷电联供系统，所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机(1)、直线电机(2)、声学谐振管(3)和脉冲管制冷机(4)；所述直线电机(2)连接于自由活塞斯特林发动机(1)的压缩腔(16)；所述声学谐振管(3)一端连通于压缩腔(16)，另一端连通于脉冲管制冷机(4)。本发明专利技术不仅可提供气体液化所需制冷量，而且可提供发动机散热以及其他外部设备运行所需的电力，具备冷电联供功能。同时，该系统布置结构可显著降低发动机的起振温度，降低谐振管损失，提高功率密度，提高系统的稳定性和可靠性。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种冷电联供系统
本专利技术涉及能源利用领域，尤其涉及一种冷电联供系统。
技术介绍
冷电联供装置通过燃烧较低比例(一般在15％～30％)的可燃气(如天然气、煤层气和页岩气等)而将剩余大比例的该气体液化，并提供辅助设备(如泵、风机、阀门和控制系统等)运行所需要的电力，在小型气体液化领域如零散气田、远洋LNG(液化天然气)运输船等场合具有重要的应用前景。相比于常规的内燃机发电-压缩-膨胀相变液化流程，回热式冷电联供系统无需额外配置发电机，工质环保、系统简单、可靠性高。中国专利技术专利申请CN103835903A和CN105805974A提出了两种回热式冷电联供系统结构，CN103835903A公开的行波热声冷电联供系统的热效率较高，适用于多温区、大功率应用场合，但存在结构和换热流程复杂、不一致性严重等问题。CN105805974A公开的一种声学谐振管耦合自由活塞斯特林发动机和脉冲管制冷机的冷电联供系统，其功率范围可覆盖从几十瓦至几千瓦量级，结构简单、可靠性高。作为一种多子单元耦合系统，该系统充分利用了各子单元的优点，包括：(1)自由活塞斯特林发动机的高功率密度和高热效率；(2)脉冲管制冷机冷端无运动部件、结构简单和加工装配要求低；(3)声学谐振管结构简单、可靠性高；(4)由直线电机调节脉冲管制冷机声场，既可以实现制冷机的高效率，又能回收制冷机室温端声功，实现冷电联供。鉴于CN105805974A专利申请内容的上述优点，专利技术人开展了实验验证工作，相关实验结果验证了
技术实现思路
的可行性，但结合实验过程、实验结果和数值计算分析，专利技术人发现该结构仍存在下述问题：(1)声学谐振管的驻波成分较大，一方面导致自由活塞斯特林发动机与脉冲管制冷机的匹配困难，另一方面导致谐振管传输声功能力较差、损失较大；(2)系统的起振惯性大，而置于脉冲管制冷机室温侧的直线电机对辅助起振的作用差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述结构的缺点，提出了一种冷电联供系统。它既能充分利用子单元——自由活塞斯特林发动机、脉冲管制冷机、声学谐振管和直线电机的优点，更为重要的是，直线电机能有效调节声学谐振管的声场结构、增加其行波分量，从而降低自由活塞斯特林发动机与脉冲管制冷机的匹配难度、降低声学谐振管损失并提高其功率密度。同时，置于靠近自由活塞斯特林发动机压缩腔侧的直线电机能有效辅助系统起振，降低系统的起振温度、提高系统的稳定性。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种冷电联供系统，所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机1、直线电机2、声学谐振管3和脉冲管制冷机4；所述直线电机2连接于自由活塞斯特林发动机1的压缩腔16；所述声学谐振管3一端连通于压缩腔16，另一端连通于脉冲管制冷机4。作为本专利技术的一个优选技术方案，所述的自由活塞斯特林发动机1与直线电机2采用耦合式连接；所述的自由活塞斯特林发动机1包括：耐压壳体11、室温换热器12、回热器13、高温换热器14、膨胀腔15、压缩腔16、缸体17和排出器18；所述直线电机2包括：动力活塞21、定子22和动子23；排出器18的排出器杆181穿过动力活塞21后与平面支撑弹簧182连接。作为本专利技术的另一个优选技术方案，所述的自由活塞斯特林发动机1与直线电机2采用分置式连接；所述直线电机2包括：动力活塞21、定子22和动子23。进一步优选地，所述的自由活塞斯特林发动机1包括：耐压壳体11、室温换热器12、回热器13、高温换热器14、膨胀腔15、压缩腔16、缸体17、排出器18和内腔体19；排出器18的排出器杆181穿过内腔体的内腔体缸体192后与位于内腔体19中的平面支撑弹簧182连接；所述直线电机为两个，呈对置式布置，通过一个四通均与声学谐振管相连通，所述直线电机和声学谐振管均还通过同一个四通以及过渡流道191与自由活塞斯特林发动机的压缩腔16连通。进一步优选地，所述的自由活塞斯特林发动机1包括：耐压壳体11、室温换热器12、回热器13、高温换热器14、膨胀腔15、压缩腔16、缸体17、排出器18和排出器固定底座120；所述排出器固定底座120为T型结构，其边缘与缸体连接，其中心杆固定平面支撑弹簧182；所述直线电机为两个，呈对置式布置，通过一四通均与声学谐振管相连通，所述直线电机和声学谐振管均还通过同一个四通以及排出器固定底座上的小孔与自由活塞斯特林发动机的压缩腔16。本专利技术中，所述脉冲管制冷机4包括：制冷机耐压壳体47，以及按顺序依次安装于制冷机耐压壳体的内壁上的主室温端换热器41、制冷机回热器42、冷端换热器43、脉冲管44、次室温端换热器45和声学调相机构46。优选地，所述脉冲管制冷机的回热器与脉冲管呈直线布置结构或呈同轴布置结构。优选地，所述声学调相机构是惯性管+气库型、室温排出器型或电机调相型。优选地，所述声学谐振管是等径直管或变径锥管。排出器18的排出器杆181穿过动力活塞21后与平面支撑弹簧182连接，在本专利技术中既可以采用平面支撑弹簧支撑，也可以采用气浮轴承支撑。所述直线电机可以采用动圈式、动磁式和动铁式。本专利技术中，自由活塞斯特林发动机高温换热器和室温换热器均可采用翅片式或者壳管式换热器，室温换热器的壁面材料可为紫铜、铝合金或者不锈钢，高温换热器的材料为不锈钢或者内衬紫铜的不锈钢；本专利技术中，回热器内部填充不锈钢丝网、不锈钢纤维毡或者不锈钢丝绵；本专利技术中，排出器为等径的圆筒或者为变径带锥度的圆筒，其材质为不锈钢或者不锈钢与铝合金的组合体。当直线电机与自由活塞斯特林发动机为耦合式连接时，排出器杆穿过电机动力活塞后与平面支撑弹簧连接；当直线电机与自由活塞斯特林发动机为分置式连接时，排出器杆穿过内腔体的缸体后与平面支撑弹簧连接，或者排出器通过平面支撑弹簧与排出器固定底座连接。所述排出器由平面支撑弹簧提供往复力，在膨胀腔和压缩腔之间往复运动，排出器与缸体、排出器杆与缸体、排出器与动力活塞之间均采用间隙密封。在特殊情况下，排出器亦可由气体弹簧提供部分往复力。所述声学谐振管为一等径或者变径管道，其材质为不锈钢或者铝合金等；所述回热器和脉冲管的壁面材料为不锈钢或有机材料，所述回热器与所述脉冲管可以是直线型布置方式，即两者顺次连接且均为圆筒或者圆筒带一定锥度结构，亦可以是同轴型布置方式，即脉冲管与回热器同轴嵌套，脉冲管为中间圆筒形结构，而回热器为外侧环状结构；所述室温端换热器、冷端换热器和次室温端换热器可以采用翅片式、壳管式或者填充丝网式，换热器的外侧耐压壳体材料为不锈钢或者紫铜，其内部根据结构形式的不同而对应地采用紫铜翅片式、紫铜或不锈钢管壳管式、紫铜丝网填充丝网式；所述回热器内一般填充不锈钢丝网、不锈钢纤维毡或者不锈钢丝绵；所述声学调相机构包括惯性管和气库，惯性管为单一直径或组合直径紫铜管，气库为一定容积的腔体，气库材料为不锈钢。本专利技术中直线电机辅助自由活塞斯特林发动机起振并协助建立系统内的合适声场，使自由活塞斯特林发动机在较低温度起振，并持续不断地通过热声效应(正效应)将外部高温热源的热量转化为声功，该声功经由声学谐振管传输后在脉冲管制冷机处进一步通过热声效应(逆效应)产生制冷量，实现外部气体液化。借助上述热力循环和能量转换，该系统不仅可提供气体液化所需制冷量，而且可提供发动机散热以及其他外部设备运行所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冷电联供系统，所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机(1)、直线电机(2)、声学谐振管(3)和脉冲管制冷机(4)；其特征在于，所述直线电机(2)连接于自由活塞斯特林发动机(1)的压缩腔(16)；所述声学谐振管(3)一端连通于压缩腔(16)，另一端连通于脉冲管制冷机(4)。

【技术特征摘要】
1.一种冷电联供系统，所述冷电联供系统包括自由活塞斯特林发动机(1)、直线电机(2)、声学谐振管(3)和脉冲管制冷机(4)；其特征在于，所述直线电机(2)连接于自由活塞斯特林发动机(1)的压缩腔(16)；所述声学谐振管(3)一端连通于压缩腔(16)，另一端连通于脉冲管制冷机(4)。2.根据权利要求1所述的冷电联供系统，其特征在于，所述的自由活塞斯特林发动机(1)与直线电机(2)采用耦合式连接；所述的自由活塞斯特林发动机(1)包括：耐压壳体(11)、室温换热器(12)、回热器(13)、高温换热器(14)、膨胀腔(15)、压缩腔(16)、缸体(17)和排出器(18)；所述直线电机(2)包括：动力活塞(21)、定子(22)和动子(23)；排出器(18)的排出器杆(181)穿过动力活塞(21)后与平面支撑弹簧(182)连接。3.根据权利要求1所述的冷电联供系统，其特征在于，所述的自由活塞斯特林发动机(1)与直线电机(2)采用分置式连接。4.根据权利要求3所述的冷电联供系统，其特征在于，所述的自由活塞斯特林发动机(1)包括：耐压壳体(11)、室温换热器(12)、回热器(13)、高温换热器(14)、膨胀腔(15)、压缩腔(16)、缸体(17)、排出器(18)和内腔体(19)；排出器(18)的排出器杆(181)穿过内腔体的内腔体缸体(192)后与位于内腔体(19)中的平面支撑弹簧(182)连接；所述直线电机为两个，呈对置式布置，通过一个四通均...

【专利技术属性】
技术研发人员：余国瑶，戴巍，李小伟，吴张华，罗二仓，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11