一種環(huán)路多級熱聲發(fā)動機驅(qū)動的氣體多級液化裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體液化領域的氣體液化裝置，特別涉及一種環(huán)路多級熱聲發(fā)動機驅(qū)動的氣體多級液化裝置。
【背景技術】
[0002]液化過程指物質(zhì)由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程。由于氣體液化后體積會變成原來的幾千分之一，便于貯藏和運輸，現(xiàn)實中通常對一些氣體進行液化處理。實現(xiàn)液化有兩種手段，一是降低溫度，二是壓縮體積。任何氣體在溫度降到足夠低時都可以液化。因此，如何能制造可靠性高、壽命長、高效且能夠梯級液化氣體的低溫制冷機成為了令人關注的問題。
[0003]熱聲發(fā)動機是一種利用管道和換熱器在其內(nèi)部獲得合適的聲場，并通過工作介質(zhì)和回熱器固體填料之間的相互作用將外部熱能轉(zhuǎn)化為聲能的裝置，具有無機械運動部件、可靠性高、壽命長和潛在熱效率高等優(yōu)點，受到人們的廣泛關注。在目前廣泛應用的低溫制冷機中，脈沖管制冷機是利用壓力周期性變化的氣流在一根低導熱率的管中振蕩來完成制冷過程，它省去了低溫端的運動部件，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、振動小、可靠性高等優(yōu)點。將熱聲發(fā)動機中自激振蕩產(chǎn)生的聲功來驅(qū)動脈管制冷機，便產(chǎn)生了一種從驅(qū)動源到冷端都沒有任何運動部件的制冷機，具有可靠性高、壽命長和潛在熱效率高等優(yōu)點，受到人們的廣泛關注。近幾年，聲學共振型熱聲制冷系統(tǒng)因具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、潛在熱效率高等優(yōu)點，引起了廣泛關注，并進一步推動了熱驅(qū)動脈管制冷機的發(fā)展。
[0004]圖1為專利CN1035788提出的多路旁通脈沖管制冷機。它是由依次相通連接的制冷機主水冷器2、制冷機回熱器3、低溫端換熱器4、連接管5、脈沖管7、制冷機次水冷器10、慣性管11和氣庫12組成，由壓力波發(fā)生器驅(qū)動。在制冷機回熱器和脈沖管中間部位的適當位置處，通過多路旁通管路13將兩者相連通，每級制冷機回熱器中形成至少一條旁通氣流通路；同時，在脈沖管適當?shù)卦O置阻力填料，能使氣體均勻、順利通過。這種脈沖管制冷機可以獲得更大的制冷功率和更低的制冷溫度，從而提高了制冷效率。
[0005]圖2為羅二倉等人提出的聲學共振型熱聲制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由多個熱聲發(fā)動機單元14和脈管制冷機單元I組成，每個脈沖制冷機單元只有一級低溫端換熱器。每一級熱聲發(fā)動機單元通過諧振管23首尾相連構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能實現(xiàn)諧振管中聲功回收，潛在熱效率高，并且可根據(jù)冷量的需要串入任意數(shù)量的熱聲發(fā)動機單元及脈管制冷機單元。系統(tǒng)可被應用于液化氣體流程的最后部分，即吸收液化溫度下氣體的潛熱，使氣體由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。但是，若利用該系統(tǒng)完成將常溫氣體液化到低溫液體的整體液化過程，則會由于無法實現(xiàn)氣體梯級降溫而產(chǎn)生很大的傳熱損失，效率非常低。
[0006]為了解決以上存在的問題，本發(fā)明提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)氣體液化一體化的環(huán)路多級熱聲發(fā)動機驅(qū)動的氣體多級液化裝置；它完全沒有運動部件，安全可靠，發(fā)動機核心部件均在行波相位中；具有多個不同溫度的低溫端換熱器，可以梯級地降低氣體溫度，有效減小傳熱損失；利用多路旁通結(jié)構(gòu)，使得脈沖管內(nèi)壓力波動變大，壓力波和體積流率的相位更接近同相，可以獲得更大的制冷功率和更低的制冷溫度；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運動部件較少，安全可A+-.與巨O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)路多級熱聲發(fā)動機驅(qū)動的氣體多級液化裝置，其無運動部件，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，且熱聲發(fā)動機單元工作在行波相位，工作效率高；多個低溫端換熱器的溫度從室溫依次降低到氣體液化溫度，能夠梯級降低氣體的溫度，有效減小傳熱損失；多路旁通結(jié)構(gòu)能夠使脈沖管旁通點成為制冷部位，管中形成膨脹制冷過程，因此制冷機具有更優(yōu)的制冷性能；在脈沖管旁通點處布置阻力填料，減小氣流紊亂帶來的混合損失；該裝置可實現(xiàn)氣體液化的整體流程，在氣體液化方面具有廣闊的發(fā)展和應用前景。
[0008]本發(fā)明的技術方案如下:
[0009]本發(fā)明提供的環(huán)路多級熱聲發(fā)動機驅(qū)動的氣體多級液化裝置，其由M個熱聲發(fā)動機單元14通過諧振管23首尾相連構(gòu)成的環(huán)路結(jié)構(gòu)及M個脈管制冷機單元I組成，M = 3?6正整數(shù)；所述熱聲發(fā)動機單元14由依次相連的直流抑制器15、發(fā)動機主冷卻器16、發(fā)動機回熱器17、加熱器18、高溫端層流化元件19、熱緩沖管20、發(fā)動機室溫端層流化元件21和發(fā)動機次冷卻器22組成；每一熱聲發(fā)動機單元14的發(fā)動機次冷卻器22出口處旁接一個脈管制冷機單元I ;
[0010]所述脈管制冷機單元I由依次相連的制冷機主水冷器2、第一至第N級制冷單元、連接管5、脈沖管7、制冷機次水冷器10、慣性管11和氣庫12組成，其中N = 2?6的正整數(shù)；所述制冷單元由一個制冷機回熱器3及與其串接的一個低溫端換熱器4組成；第I級制冷單元的制冷機回熱器3與制冷機主水冷器2相連，第N級制冷單元的低溫端換熱器4通過連接管5與脈沖管7冷端相連接；脈沖管7兩端分別裝有低溫端導流絲網(wǎng)6和制冷機室溫端導流絲網(wǎng)9 ;
[0011]在每一脈管制冷機單元I中，制冷單元的制冷機回熱器3通過旁通管路13與脈沖管7相連形成至少一條旁通氣流通道；脈沖管7內(nèi)裝有阻力填料8，阻力填料8軸向?qū)盈B于氣體工質(zhì)進出脈沖管7的接口兩側(cè)，所述阻力填料8為絲網(wǎng)或者多孔介質(zhì)材料；
[0012]每一熱聲發(fā)動機單元14的加熱器18與熱源相連以吸收熱源熱量形成相同溫度的高溫端；發(fā)動機主冷卻器16和發(fā)動機次冷卻器22均通過水冷器冷卻以維持在室溫范圍；因此，每一級熱聲發(fā)動機單元14的發(fā)動機回熱器17上形成溫度梯度；在該溫度梯度下，發(fā)動機回熱器17內(nèi)部工作氣體與其內(nèi)的固體填料間產(chǎn)生熱聲效應，將輸入到加熱器18的熱量轉(zhuǎn)化成聲功；聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大，一部分聲功傳遞到脈管制冷機單元I中，另一部分通過諧振管23傳遞到下一級熱聲發(fā)動機單元中重復以上過程；在脈管制冷機單元I中，制冷機主水冷器2和制冷機次水冷器10通過冷卻水冷卻維持在室溫范圍；在第N級制冷單元中，從熱聲發(fā)動機中產(chǎn)生的聲功傳遞到制冷機回熱器3中發(fā)生熱聲轉(zhuǎn)換，將第N級低溫端換熱器4的熱量栗送到第N-1級的低溫端換熱器中，第N級低溫端換熱器4保持低溫；如上所述，傳遞到第N-1級制冷單元中的聲功經(jīng)過熱聲轉(zhuǎn)換，將第N-1級低溫端換熱器的熱量栗送到第N-2級的低溫端換熱器中，第N-1級低溫端換熱器保持低溫；最終，所有低溫端換熱器的熱量均栗送到制冷機主水冷器2中，熱量由冷卻水帶走，N級低溫端換熱器的制冷溫度依次降低至氣體液化溫度；待液化氣體按照制冷溫度從高到低的順序依次通過每一制冷單元的低溫端換熱器，氣體熱量被吸收，溫度梯級降低，最終氣體被液化；其中，通過從每級制冷機回熱器3旁通到脈沖管7內(nèi)一部分氣體形成膨脹制冷。
[0013]上述裝置中，脈管制冷機單元I的脈沖管7與制冷單元的制冷機回熱器3非同軸布置。
[0014]本發(fā)明的環(huán)路多級熱聲發(fā)動機驅(qū)動的氣體多級液化裝置，其由M個熱聲發(fā)動機單元14通過諧振管23首尾相連構(gòu)成的環(huán)路結(jié)構(gòu)及M個脈管制冷機單元I組成，M = 3?6正整數(shù)；所述熱聲發(fā)動機單元14由依次相連的直流抑制器15、發(fā)動機主冷卻器16、發(fā)動機回熱器17、加熱器18、高溫端層流化元件19、熱緩沖管20、發(fā)動機室溫端層流化元件21和發(fā)動機次冷卻器22組成；每一熱聲發(fā)動機單元14的發(fā)動機次冷卻器22出口處旁接一個脈管制冷機單元I ;
[0015]所述脈管制冷機單元I由制冷機主水冷器2，與制冷機主水冷器2相連的第一級至第N級制冷單元，位于所述第一級至第N級制冷單元的制冷機回熱器3之內(nèi)的脈沖管7，制冷機次水冷器10、慣性管11和氣庫12組成，其中N = 2?6的正整數(shù)；所述制冷單元由一個制冷機回熱器3及與其串接的一個低溫端換熱器4組成；第I級制冷單元的制冷機回熱器3及脈沖管7室溫端與制冷機主水冷器2相連，第N級制冷單元的低溫端換熱器4與脈沖管7冷端相連接；脈沖管7兩端分別裝有低溫端導流絲網(wǎng)6和制冷機室溫端導流絲網(wǎng)9 ;
[0016]在每一脈管制冷機單元I中，制冷單元的制冷機回熱器3與脈沖管7通過兩者共同壁面上開的多個通孔或者直接制作的多孔介質(zhì)壁面相連通；脈沖管7內(nèi)裝有阻力填料8，阻力填料8軸向?qū)盈B于氣體工質(zhì)進出脈沖管7的接口兩側(cè)，所述阻力填料8為絲網(wǎng)或者多孔介質(zhì)材料；
[0017]每一熱聲發(fā)動機單元14的加熱器18與熱源相連以吸收熱源熱量形成相同溫度的高溫端；發(fā)動機主冷卻器16和發(fā)動機次冷卻器22均通過水冷器冷卻以維持在室溫范圍；因此，每一級熱聲發(fā)動機單元14的發(fā)動機回熱器17上形成溫度梯度；在該溫度梯度下，發(fā)動機回熱器17內(nèi)部工作氣體與其內(nèi)的固體填料間產(chǎn)生熱聲效應，將輸入到加熱器18的熱量轉(zhuǎn)化成聲功；聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大，一部分聲功傳遞到脈管制冷機單元I中，另一部分通過諧振管23傳遞到下一級熱聲發(fā)動機單元中重復以上過程；在脈管制冷機單元I中，制冷機主水冷器2和制冷機次水冷器10通過冷卻水冷卻維持在室溫范圍；在