空氣冷卻方式的熱聲發動機的製作方法
2023-10-11 10:16:04 1
專利名稱：空氣冷卻方式的熱聲發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱聲發動機，尤其涉及一種空氣冷卻方式的熱聲發動機。
背景技術：
熱聲效應是熱與聲之間相互轉換的現象，即聲場中的時均熱力學效應。熱聲熱機本質上是一種通過熱聲效應實現熱能與聲能之間相互轉化或傳輸的裝置。熱聲熱機不需要外部的機械手段就可以使振蕩流體的速度和壓力之間建立起合理的相位關係，因此，不需要機械傳動部件，大大簡化了系統的結構。按能量轉換方向的不同，熱聲效應可分為兩類一是用熱來產生聲，即熱驅動的聲振蕩，為熱聲發動機的工作機理；二是用聲來產生熱，即聲驅動的熱量傳輸，為熱聲制冷機的工作原理。只要具備一定的條件，熱聲效應在行波聲場、駐波聲場以及兩者結合的聲場中都能發生。
熱聲發動機利用熱聲效應把熱能轉換為聲能，具有如下突出優點一是沒有機械運動部件，結構簡單，壽命長；二是直接以熱能驅動，可以應用於電能缺乏的場合，特別是近海或者邊遠地區油氣田上天然氣和石油伴生氣的液化和分離；三是工質是氮氣或惰性氣體，對環境友好，順應了環境保護趨勢。而脈管制冷機和其它型式的熱聲制冷機，消除了低溫端的運動部件。它的最大特點是結構簡單，具有低振動、運行可靠、低磁噪聲以及長壽命等優點。熱聲發動機與熱聲制冷機相結合就可以構成完全沒有運動部件的熱聲驅動脈管制冷系統，從根本上消除常規機械制冷機中存在的磨損與振動，在天然氣液化、石油伴生氣的液化與分離、電子元器件冷卻等方面具有廣闊的應用前景。
根據聲場特性不同，熱聲發動機主要分為駐波型、行波型及駐波行波混合型三種型式。行波聲場中速度波和壓力波動相位相同，而在駐波聲場中二者相差90°。駐波熱聲發動機一般為直線型布置，所有的部件都在一條軸線上。由於駐波場中速度和壓力之間的相位差為90°，當板疊處氣體速度處於正向最大時，氣體在板疊通道中高速向熱端極限移動，掠過正向半個周期運動中的絕大部分位移(即掠過大部分的溫度梯度)，因此，這一過程應該是加熱最強烈的時間段。但此時也正是壓力變化最大的時候，氣體在這一時段被迅速壓縮，壓縮過程和加熱過程同時發生，從熱力學的角度看既不利於壓縮也不利於加熱，因此造成氣體與固體之間傳熱的滯後，這一熱滯後使得當氣體運動變緩吸收熱量時氣體與固體介質之間已經有相當的溫差，從而造成很大的不可逆損失。但是我們也應當看到，如果沒有熱滯後，駐波聲場理論上不能產生聲功，它是以降低熱力學效率為代價來產生聲功的；同理，當氣體經歷膨脹過程時，卻同時經歷氣體高速向低溫端運動的冷卻過程，這樣的過程既不利於膨脹也不利於放熱。從上面的過程分析可以看到為了在駐波場中實現熱功轉化就必須採用間距較大的板疊以形成熱滯後，使一部分加熱發生在壓縮過程之後，一部分冷卻發生在膨脹過程之後，然而氣體同固體間的有限溫差熱傳遞造成的不可逆熱力過程使整個裝置的效率大大降低。
行波熱聲發動機中回熱器填料的空隙尺寸遠小於氣體熱滲透深度，實現了固體與氣體間的理想熱接觸，加熱和冷卻近似為可逆等溫過程。同時，行波聲場中速度和壓力同相位。在行波熱聲發動機回熱器處，當氣體被迅速壓縮時，氣體運動速度很小，跨過回熱器上較小的溫度增量，因此可以被高效地壓縮，而在加熱過程中，氣體具有最大的正向速度，跨過最大的溫度增長區間，而此時壓力卻變化很小，因此可以實現高效的吸熱膨脹過程，從熱力學角度來看這無疑是對熱能到聲功的轉換非常有利；同理，當氣體進入壓力降低階段後，氣體運動速度較小，掠過熱聲回熱器較小的溫度區間，所以利於壓力的降低，當氣體壓力降到一定程度時速度變大，溫度變化迅速，氣體對回熱器放熱，氣體先經歷膨脹再放熱。從以上分析可以看出行波聲場中的熱聲轉換過程自然進行，沒有不可逆過程的參與，並且很小的回熱器水利半徑能夠保證氣體與回熱器的等溫傳熱，因此，行波熱聲發動機理論上進行的是可逆熱聲轉換過程，可以獲得比駐波熱聲發動機更高的熱力學效率。
熱聲發動機利用熱聲效應把熱能轉換為聲能，回熱器軸向溫度梯度為其直接驅動力，當該溫度梯度超過臨界溫度梯度後熱聲發動機進入工作狀態。為在回熱器上形成足夠的溫度梯度，在熱聲發動機回熱器的兩端分別設有冷卻器和加熱器，冷卻器一般為水冷式，加熱器可採用電熱管加熱、燃氣加熱和感應加熱。
冷卻器是熱聲發動機的核心部件之一，對熱聲發動機的總體性能起到決定性作用。一個設計良好的熱聲發動機冷卻器應當具有以下特點，首先，其提供的冷量要足夠大；其次，從流動阻力上考慮，熱聲發動機冷卻器的工質流道和冷卻介質流道應當在滿足換熱面積的情況下流動阻力小；最後，從熱聲學的角度看，熱聲發動機冷卻器應當滿足一定的聲學條件，其結構受到熱聲發動機管道布置方式的限制，冷卻器的軸向長度和換熱面的布置須滿足具體熱聲發動機的工作條件。總體來說，熱聲發動機冷卻器設計中的主要挑戰是要在一個有限的空間內得到儘可能大的冷卻效應，同時具有較小的流動阻力。
目前熱聲發動機中多採用水作為冷卻介質，主要原因在於水的比熱大、水的對流換熱係數高、水冷卻對環境氣溫變化不敏感。但隨著社會生產迅速發展，工業用水量大幅度增加，出現了供水不足現象。除了水源缺乏外，人們開始注意保護環境，以河水作為冷卻介質，熱汙染會造成河流的生態破壞。因此，在一些應用場合，空氣冷卻已經取代水冷卻。空氣冷卻的優點有空氣可以免費取得，不需要任何輔助設備和費用；採用空氣冷卻，場址選擇不受限制；空氣腐蝕性低，不需要採取任何清垢和清洗措施；空冷器的運行費用低，空冷器的維護費用一般為水冷器的20％左右。
基於上述考慮，本發明提出在熱聲發動機中採用空冷器的設計方案，這一方案將使熱聲發動機更加具有環保性，而且可以拓展熱聲發動機的應用空間。
發明內容
本發明的目的是提供一種空氣冷卻方式的熱聲發動機。
一種空氣冷卻方式的熱聲發動機具有行波環路、諧振支路，其中行波環路具有依次連接的直流控制部件、主空氣冷卻器、回熱器、加熱器、熱緩衝管、次空氣冷卻器、反饋迴路，空氣冷卻器具有空氣導流槽，在空氣導流槽中設有工作介質管道，在空氣導流槽端部設有風機。
另一種空氣冷卻方式的熱聲發動機具有依次連接的消聲器、加熱器、熱聲板疊、空氣冷卻器、諧振直路，空氣冷卻器具有空氣導流槽，在空氣導流槽中設有工作介質管道，在空氣導流槽端部設有風機。
本發明通過在熱聲發動機中採用空氣冷卻技術，使熱聲發動機不依賴水源工作，更具有環保性，而且大大拓寬其應用範圍。另外，採用空冷器可以帶來以下好處空氣可以免費取得，不需要各種輔助設備和費用；採用空氣冷卻，場址選擇不受限制；空氣腐蝕性低，不需要採取任何清垢和清洗措施；空冷器的運行費用低，維護費用一般為水冷器的20％左右。因此，在一些缺少水源或者環境溫度較低的場所，空冷式熱聲發動機將具有應用前景。
圖1一種空氣冷卻方式的熱聲發動機結構示意圖；圖2另一種空氣冷卻方式的熱聲發動機結構示意圖；圖3本發明的空氣冷卻器的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1、3所示，一種空氣冷卻方式的熱聲發動機具有行波環路、諧振支路，其中行波環路具有依次連接的直流控制部件、主空氣冷卻器、回熱器、加熱器、熱緩衝管、次空氣冷卻器、反饋迴路，空氣冷卻器具有空氣導流槽，在空氣導流槽中設有工作介質管道，在空氣導流槽端部設有風機。
熱聲發動機工作時工作介質沿工作介質管道9軸嚮往復運動，即周期性的振蕩，運動方向如圖3中實心箭頭表示，冷卻介質——空氣在風機11的誘導下沿水平方向垂直衝刷工作介質管道，方向如圖3中空心箭頭所示，工作氣體和冷卻空氣的流動方向垂直。為增強空氣側的換熱，在工作介質管道的外壁面布置了擴展傳熱面，如翅片、外肋片等。
本實例熱聲發動機在主冷卻器2和次冷卻器6處同時採用空氣冷卻，區別在於次冷卻器6處所需的換熱面積較小，只是主冷卻器的1/2左右。如圖1所示安裝行波熱聲發動機，並按照圖3布置空氣冷卻器。將空氣冷卻器空氣導流槽內的風機開啟，之後在加熱器處對熱聲發動機供熱，當回熱器兩側的溫度差超過臨界溫差時熱聲發動機內的工作氣體從靜止狀態突然開始振蕩，即轉入工作狀態。工作時冷卻空氣吸收工作氣體的熱量，完成了冷卻任務後被排出空氣導流槽。行波熱聲發動機工作時，把熱量轉化為聲功，聲功的傳輸方向如圖1中的實心箭頭所示。
如圖2、3所示，另一種空氣冷卻方式的熱聲發動機具有依次連接的消聲器12、加熱器13、熱聲板疊14、空氣冷卻器15、諧振直路16，空氣冷卻器具有空氣導流槽10，在空氣導流槽中設有工作介質管道9，在空氣導流槽端部設有風機11。
由於駐波熱聲發動機中空氣冷卻器的結構與前述實例基本相同，所以空氣冷卻器的結構示意圖仍然用圖3表示。按照圖3所示把空氣冷卻器的工作介質管道9、空氣導流槽10和風機11安裝完成，一併裝入駐波熱聲發動機中冷卻器的位置，如圖2所示，並最終把熱聲發動機的消聲器12、加熱器13、熱聲板疊14、冷卻器15和諧振直路16安裝完成。工作時，將空氣冷卻器空氣導流槽內的風機開啟，之後在加熱器處對熱聲發動機供熱，當回熱器兩側的溫度差超過臨界溫差時熱聲發動機內的工作氣體從靜止狀態突然開始振蕩，即轉入工作狀態。工作時冷卻空氣吸收工作氣體的熱量，完成了冷卻任務後被排出空氣導流槽。熱聲發動機工作後，把熱量轉化為聲功，聲功的傳輸方向如圖2中的實心箭頭所示。
權利要求
1.一種空氣冷卻方式的熱聲發動機，其特徵在於它具有行波環路、諧振支路(8)，其中行波環路具有依次連接的直流控制部件(1)、主空氣冷卻器(2)、回熱器(3)、加熱器(4)、熱緩衝管(5)、次空氣冷卻器(6)、反饋迴路(7)，空氣冷卻器具有空氣導流槽(10)，在空氣導流槽中設有工作介質管道(9)，在空氣導流槽端部設有風機(11)。
2.一種空氣冷卻方式的熱聲發動機，其特徵在於它具有依次連接的消聲器(12)、加熱器(13)、熱聲板疊(14)、空氣冷卻器(15)、諧振直路(16)，空氣冷卻器具有空氣導流槽(10)，在空氣導流槽中設有工作介質管道(9)，在空氣導流槽端部設有風機(11)。
全文摘要
本發明公開了一種空氣冷卻方式的熱聲發動機。它具有行波環路、諧振支路，其中行波環路具有依次連接的直流控制部件、主空氣冷卻器、回熱器、加熱器、熱緩衝管、次空氣冷卻器、反饋迴路，空氣冷卻器具有空氣導流槽，在空氣導流槽中設有工作介質管道，在空氣導流槽端部設有風機。本發明通過在熱聲發動機中採用空氣冷卻技術，使熱聲發動機不依賴水源工作，更具有環保性，而且大大拓寬其應用範圍。另外，採用空冷器可以帶來以下好處空氣可以免費取得，不需要各種輔助設備和費用；採用空氣冷卻，場址選擇不受限制；空氣腐蝕性低，不需要採取任何清垢和清洗措施；空冷器的運行費用低，維護費用一般為水冷器的20％左右。
文檔編號F03G7/00GK1916403SQ20061005327
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月5日 優先權日2006年9月5日
發明者邱利民, 孫大明 申請人:浙江大學