一種以氫氣為工質的熱聲發動機的製作方法

2023-12-03 23:23:31

一種以氫氣為工質的熱聲發動機的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種以氫氣為工質的熱聲發動機，包括主冷卻器、熱聲板疊（回熱器）、加熱器和諧振直路，在熱聲板疊不鏽鋼固體平板中添加儲氫合金，在熱聲板疊高溫溫區，金屬氫化物分解出氫氣，系統壓力增大；在熱聲板疊低溫溫區，儲氫合金與氫氣發生化合作用，生成金屬氫化物，系統壓力減小。本實用新型有效增大了熱聲發動機的輸出壓比，提高了系統效率。此外，本實用新型採用氫氣作為工質，與氦氣相比，氫氣具有較小的熱滲透深度，熱聲板疊間距較小，增強了熱聲振蕩效應，對於提高熱聲發動機的效率具有重要意義。
【專利說明】
一種以氫氣為工質的熱聲發動機
技術領域
[0001]本實用新型涉及熱聲發動機，尤其涉及一種以氫氣為工質的熱聲發動機。
【背景技術】
[0002]熱聲發動機是基於熱聲效應的一種新型壓力波振蕩發生裝置。系統中沒有任何運動部件，從根本上消除了常規機械制冷機中存在的磨損與振動，簡單可靠維護少;還可以採用熱能驅動，可用廢熱、太陽能和燃氣等作為熱源，這樣不僅有利於提高系統的熱力學效率，而且對於那些缺乏電能的場合更具實際意義。
[0003]雖然熱聲發動機擁有傳統發動機不具備的優勢，但是由於現有熱聲理論的不完善，系統內部存在的損失由多方面組成，其中一個重要來源是熱聲板疊中的熱損失和動力損失。熱聲發動機中的熱聲板疊是發生熱聲振蕩效應的關鍵部件。傳統熱聲板疊內部由於不同溫位的工質熱滲透深度與單一目數絲網水力直徑不匹配而導致熱聲板疊內部熱損失，同時由於粘性與熱聲板疊參數的不匹配造成在熱聲板疊中動力損失。這些損失造成熱聲發動機的輸出壓比與輸出聲功均較小。因此，提高熱聲發動機的熱聲轉化效率和輸出聲功能力，對推進熱聲發動機的實用化進程具有重要意義。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是針對【背景技術】中所涉及到的缺陷，提供一種以氫氣為工質的熱聲發動機。
[0005]本實用新型為解決上述技術問題採用以下技術方案:
[0006]—種以氫氣為工質的熱聲發動機，包括主冷卻器(I)、熱聲板疊(2)、加熱器(3)、熱緩衝管(4)、副冷卻器(5)、反饋管路(6)、聲容管路(7)、T型管(8)和諧振直路(9);
[0007]所述反饋管路(6)的一端、聲容管路(7)、主冷卻器(1)、熱聲板疊(2)、加熱器(3)、熱緩衝管(4)、副冷卻器(5)的一端依次相連；
[0008]所述T型管(8)為三通管，其中兩端分別與反饋管路(6)的另一端、副冷卻器(5)的另一端相連，另一端與諧振直路(9)相連；
[0009]所述熱聲發動機米用氫氣作為工質，且熱聲板疊(2)中含有儲氫合金。
[0010]本實用新型還公開了該以氫氣為工質的熱聲發動機的控制方法，包括以下步驟:
[0011]步驟I)，加熱器(I)對系統進行加熱直到起振溫度，然後維持在消振溫度之上，維持振湯；
[0012]步驟2)，主冷卻器(I)和加熱器(3)之間的溫度差使得熱聲板疊(2)上產生溫度梯度，從而使熱聲板疊(2)內的氣體微團在平衡位置作來回振動，通過與相鄰固體介質的能量交換來實現不同性質的熱力循環，在主冷卻器(I)往加熱器(3)的方向上，氣體微團壓力升高，體積變大，進行膨脹過程，對外做聲功，在加熱器(3)往主冷卻器(I)的方向上，氣體微團壓力降低，體積變小，進行壓縮過程，消耗能量；
[0013]步驟3)，聲功從加熱器(3)向外傳遞，通過熱緩衝管(4)，進入副冷卻器(5)降低傳遞聲功的氣體溫度；
[0014]步驟4)，聲功進入諧振直路(9)並在直路上形成駐波相位，其餘行波成分進入反饋管路(6)後在通過聲容管路(7)最終在熱聲板疊(2)處形成行波相位，形成循環。
[0015]本實用新型採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
[0016]本實用新型改變熱聲板疊材料和工質，在熱聲板疊材料不鏽鋼固體平板中添加儲氫合金，並且採用氫氣作為工質。當系統工作時，在熱聲板疊高溫溫區，金屬氫化物分解出氫氣，系統壓力增大;在熱聲板疊低溫溫區，儲氫合金與氫氣發生化合作用，生成金屬氫化物，系統壓力減小。從而使得整個工作循環的壓比增大，提高了做功效率。並且儲氫合金的吸氫放氫反應過程中產生的反應熱儲存在不鏽鋼中，不與外界發生熱量交換，不影響熱量在加熱器與冷卻器之間的傳遞。
[0017]另外由於工質在熱聲發動機中的作用機理，應該選擇具有低Pr數和低聲速特性的工質。而氫氣在300K時普朗特數Pr比氦氣低29%，其聲速比氦氣高29%，並不相差太大。但是在同樣的聲振頻率、溫度和壓力下，氫氣具有較小的熱滲透深度，決定了熱聲板疊中板疊的板間距較小。板間距決定了板疊壁與工質氣團間的熱接觸性質，也是激發熱聲振蕩的重要條件。使用氫氣決定了較小的板間距，能夠增強熱聲振蕩效應，提高效率。
[0018]綜合兩個方面來看，添加儲氫合金作為熱聲板疊以氫氣為工質，能夠有效提高熱聲發動機的熱聲轉換效率和輸出聲功能力。
【附圖說明】

[0019]圖1為熱聲發動機結構簡圖；
[0020]圖2為熱聲發動機原理示意圖；
[0021]圖3為氫氣在40Hz和一定壓力下隨溫度變化的熱滲透深度曲線；
[0022]圖4為在2MPa和40Hz下氫氣和氦氣熱滲透深度隨溫度的變化曲線；
[0023]圖中，1-主冷卻器、2-熱聲板疊、3-加熱器、4-熱緩衝管、5-副冷卻器、6-反饋管路、7-聲容管路、8-T型管、9-諧振直路、10-高溫熱源、11-低溫熱源。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明:
[0025]如圖1所示，本實用新型公開了一種以氫氣為工質的熱聲發動機，包括主冷卻器1、熱聲板疊2、加熱器3、熱緩衝管4、副冷卻器5、反饋管路6、聲容管路7、T型管8和諧振直路9，其中主冷卻器I在熱聲板疊2上方，加熱器3在熱聲板疊2下方，熱緩衝管4位於加熱器3與副冷卻器5之間，聲容管路7在主冷卻器I的上方連接行波環路的左右兩個支路，T型管8是一個三通管用於連接副冷卻器5、反饋管路6和諧振直路9。另外採用氫氣作為工質，具有較小熱滲透深度，熱聲板疊間距較小。在熱聲板疊2中添加儲氫合金，與氫氣工質發生吸氫放氫反應，改變系統壓力，提高輸出壓比。
[0026]如圖2所示，在熱聲發動機工作時，高溫熱源10向加熱器3提供熱能Qh，被加熱的工質在熱聲板疊2中產生熱聲振蕩，把一部分熱能變為機械能，進入諧振直路9，產生聲功率W，其餘熱量Q。則作為廢熱，通過冷卻器釋放到低溫熱源11中。
[0027]如圖3和圖4所示，氫氣的熱滲透深度分別隨壓力的升高而減小，隨溫度的升高而增大。並且在相同聲振頻率、壓力和溫度下，氫氣的熱滲透深度始終小於氦氣的熱滲透深度，因此利用氫氣時的板疊間距比利用氦氣時較小，能夠增強系統內的熱聲振蕩效應，提高效率。
[0028]本實用新型還公開了以氫氣為工質的熱聲發動機的控制方法，包括以下步驟:
[0029]步驟I)，加熱器對系統進行加熱直到起振溫度，然後維持在消振溫度之上，維持振蕩;
[0030]步驟2)，主冷卻器和加熱器之間的溫度差使得熱聲板疊上產生溫度梯度，從而使熱聲板疊內的氣體微團在平衡位置作來回振動，通過與相鄰固體介質的能量交換來實現不同性質的熱力循環，在主冷卻器往加熱器的方向上，氣體微團壓力升高，體積變大，進行膨脹過程，對外做聲功，在加熱器往主冷卻器的方向上，氣體微團壓力降低，體積變小，進行壓縮過程，消耗能量；
[0031]步驟3)，聲功從加熱器向外傳遞，通過熱緩衝管，進入副冷卻器降低傳遞聲功的氣體溫度；
[0032]步驟4)，大部分聲功進入諧振直路並在直路上形成駐波相位，其餘行波成分進入反饋管路後在通過聲容管路最終在熱聲板疊處形成行波相位，形成循環。
[0033]本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本實用新型所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。
[0034]以上所述的【具體實施方式】，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的【具體實施方式】而已，並不用於限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【主權項】
1.一種以氫氣為工質的熱聲發動機，其特徵在於，包括主冷卻器(I)、熱聲板疊(2)、加熱器(3)、熱緩衝管(4)、副冷卻器(5)、反饋管路(6)、聲容管路(7)、T型管(8)和諧振直路(9)； 所述反饋管路(6)的一端、聲容管路(7)、主冷卻器(1)、熱聲板疊(2)、加熱器(3)、熱緩衝管(4)、副冷卻器(5)的一端依次相連； 所述T型管(8)為三通管，其中兩端分別與反饋管路(6)的另一端、副冷卻器(5)的另一端相連，另一端與諧振直路(9)相連； 所述熱聲發動機米用氫氣作為工質，且熱聲板疊(2)中含有儲氫合金。
【文檔編號】F03G7/00GK205714616SQ201620412277
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】侯聰, 張方駒, 李卓裴, 蔣彥龍
【申請人】南京航空航天大學