CN1012195B - 气体谐振装置 - Google Patents

Abstract

一种热力驱动气体谐振装置，包括沿长度截面扩张的谐振管，位于管一端的热源，激发管内气体振荡的装置。最好是脉冲热源，其脉冲重复频率和管的谐振频率相同。振荡气体产生的机械能，用来操作一压力振荡气体分离器，它包括处于管另一端的分子筛材料层。此外，机械能还可用来驱动热泵。在管子一端设置热槽，靠近另一端还设置蓄热器，在面向热源的侧壁上的装置使管中气体和低热源间进行热交换。

Description

本发明涉及一种气谐振装置。

在一个振荡气体柱内，一薄层气体首先沿某一方向位移，受压缩，向相反方向后移，并膨胀。在压缩时，气体被加热，在膨胀时，被冷却。当这种振荡气体柱和静态的固体介质进入接触时，在气体和介质之间出现了传热。如果该介质比气体具有大的实际热容量，并在气体振荡的前进方向上有低的传热率，它便贮存了由于气体绝热压缩而获得热量，随后在气体膨胀后又将该贮存的热量还给气体。虽然对于常处在介质附近的几层气体这是正确的，然而在介质的两端有着不同的情况。在介质的下流端，若假定处在振荡的前进方向，则和介质二端保持热接触的那层气体在振荡时便沿离开介质的方向移动并压缩。该气体由于压缩而加热。随后，由于移向另一方向，并膨胀，它回到了近挨介质那端的位置上。在这里，由于膨胀时冷却，它再一次从介质那里接收热量。这便导致一段受热的气体从介质的下流端顺流而下。相反，在介质的上流端，不常和介质接触的气体粒子在振荡时沿一个方向向前移动，被压缩和加热，此时在它们前移的位置上和介质保持热接触，故将热量传给介质。当这层气体向相反方向后移回到原始位置时，它膨胀和冷却。由于在其原始位置上，气体粒子不和介质保持热接触，便导致一层冷却的气体从介质的上流端逆流而上。

这种处于振荡气体柱中的介质通常被称作蓄热器，常和斯特林发动机一起应用。通常，这样一种蓄热器，须有尽可能大的表面积，和气体相比有高的实际热容量，并沿气体运动方向有低的传热率。任何压实金属丝的传统的填料已用作蓄热器，但也有可能采用压实的非金属板层，在减少气体摩擦损失和热传导方面这些是较为有效的。因此，蓄热器的应用便能由振荡气体流来建立温度差。反过来说，也已知道，如果在这种蓄热器的二端施加一足够大的温度差，那么在包围着这种蓄热器的气体中自然会诱发振荡。

也已知道，在处于谐振控的气体柱中，只要对该腔的一端加热，如果建立起足够高的温差，便能产生振荡。作为这种气体的例子，在风琴管乐器内借助于管乐器底部内的氢火焰，可以产生谐振，早在1777年Higgins就已作了叙述，而在1949年，当时在室温下将一管子放入冷冻贮藏器内做试验，发表了Taconis谐振现象。

在Wheatley·Hofler，Swift和Migliori所写的题为“本征不可逆热声发动机”的文章里对这些效应进行了论证讨论，该文发表在美国物理杂志，53（2）卷，第147页，1985年2月。

在美国专利3，819，318中公开了一种脉冲燃烧装置，它包括一个在其一端封闭而在其另一端具有一个颈部的燃烧室，从燃烧室内延伸出一排气管。一进气管收缩延伸到颈部，在颈部和排气管共轴并局部地共同扩展。进、排气管和燃烧室的长度被设计得能对燃烧室内的流动燃烧剂产生谐振条件。

本发明的目的是要提供一种热力驱动气体谐振装置，它包括一个其截面沿其长度从一端向另一端扩张的谐振管;一个处于谐振管一端的热源;和一个激发谐振管中气体振荡的装置。

该热源可由单个简接加热器组成，其中热源，诸如电加热元件、气体或石油燃烧器，被用来加热构成或处于气体谐振管一端的板。最好这一被加热的板装有散热片，以改善谐振管一端从加热板至气体的传热。在谐振管内可设置一蓄热器，它接近于加热板，但不与其接触，并且和激发振荡的装置分离。该蓄热器由某种材料组成，这种材料具有大面积、较谐振管中的气体有大的有效热容量，沿谐振管的长度有低的导热率，在使用中该装置是这样的，热源沿蓄热器建立起温度梯度，这一温度梯度激发谐振管中的气体振荡。

然而，最最好的是热源和激发谐振管中气体谐振的装置均由具有相应于气体谐振管谐振频率的脉冲热源构成。这样一种脉冲热源可以包括一脉冲燃烧器或谐振火焰，经一阀供以可燃气体或蒸汽和空气的混合物，再加上火焰收集器，还包括一点燃器，它最初点燃谐管一端中或通至谐振管的燃烧室中的混合物。最好，导入混合气的阀是由调准的止回阀构成，它响应脉冲燃烧，在其开、闭状态振荡，以引导一股混合气进入谐振管的一端或燃烧室，以备随后点燃。采用激发谐振管中气体振荡的脉冲热源在宽广的工况范围内为起动提供方便，并使谐振稳定运行。点燃器可由火花构成，以便脉冲热源达到最初的点燃，但一经点燃，脉冲热源最好能自持。这可以是混合气连续进爆的 结果，这些混合气被来自前期燃烧脉冲的衰减火焰所点燃，被压缩波引起的自发点燃而点燃，或者被具有产生局部热点点燃的灼热塞形成的点燃器所点燃。

该脉冲热源还可以包括处于谐振管一端的简接式加热器。简接式加热器可以由被脉冲热源加热的热交换面所组成，以便将燃烧热大体上均匀地传播在谐振管一端的横截面上。如果气体谐振装置包括一脉冲燃烧器，那么谐振管的一端最好作成一抛物反射器，它能把脉冲燃效应更为均匀地传播到谐振管的一端。在此情况下，将脉冲燃烧安排成大体上发生在抛物面反射器的焦点上。在气体谐振装置包括一脉冲热源的情况下，它还可以包括一蓄热器，它和跨在它二端的温度梯度相配合，以增强由脉冲热源诱发的振荡。

就所有这些产生气体谐振的装置来说，需要设计谐振管的形状，以便为谐振管二端提供所需要的有关压力和绝热温度值，并减少会限制气体谐振振荡的气体一壁面摩擦损失，由于谐振管的截面从其一端向另一端扩大，在小端上较大端产生了较大的压力和绝热温度值，这一点随后要详细的动力学的讨论。最好，谐振管具有截头锥形的形状，底径和高度的比约为1∶3。首先，这样为纵向谐振提供了一种直径和长度比，这可以认为是一种和实际上一样大的气体活塞，因而减少了壁面摩擦损失。谐振管的谐振频率主要取决于它的长度，而与其形状无关。通过使谐振管的截面积从一端向另一端增加，有可能增加谐振气体质量，并在给定的容积压缩比下降低了它的速率。摩擦损失 和气体速度的三次方成正比，因此，这就减少了摩擦损失，从而大大提高谐振装置的性能。最好，谐振管纵截面具有截顶蛋形形状，这样，沿横向看时，其侧壁呈向外弓形。这使接近这一端的谐振气体质量进一步增加，故使摩擦损失更进一步减少。

由于其谐振管的纵截面具有有利的特殊形状，和美国专利3，819，318中所公开的具有严格锥形的谐振装置相比，降低了壁面摩擦损失，并显著提高了谐振装置的效率。

在气体谐振装置内的振荡气体中产生的机械能，可被用来操作一具有分子筛材料的压力振荡气体分离器。最简单的方案之一是把气体谐振荡装置应用于从空气中进行压力振荡分离氧的装置。在此情况下，谐振管的另一端包含一分子筛材料，在分子筛材料面向热源的一侧开有气体交换孔口，而在分子筛材料背向热源的一侧设有气体出口。谐振时，当空气前移经过分子筛材料层时，氮气被分子筛材料优先吸附。当空气后移时，压力降低，被吸附在分子筛材料表面上的气体放出来了。这样，当分子筛材料在谐振管中经受所产生的振荡时，被分子筛材料优先吸附的氮气会回到谐振管内，并从气体交换孔口流出，而氧气，很少为分子筛材料所吸附，会被推动，经分子筛材料层，并在分子筛材料的下流则从气体出口处流出。在振荡时产生的气体有限位移使谐振管中的平均压力稍微高于周围压力，因此在分子筛材料层的下边形成被分离的氧气的持续流。

通常，分子筛材料是一种膨胀的浮石，但也可采用活性炭。分子筛材料最好具有足够大的表面积，以便能有高的氮气吸附率，业已发现，吸附和放出的累积率和压力振荡成正比。而和循环速率几乎无关。

在另一种构造内，在谐振管振荡气体中产生的机械能被用来驱动一热泵。在此情况下，气体谐振装置包括位于其另一端的热槽;位于靠近另一端的蓄热器;以及蓄热器面向热源一侧侧壁上的装置，以便在谐振管中气体和低热源之间进行热交换。

借助这一装置，前面讨论过的效应被利用来形成一热机，驱动热泵。这样，谐振管气体中的振荡作用于蓄热器，使在其二端产生温度差，在谐振管另一端的蓄热器的下游，气体被加热，而在蓄热器的上游，气体被冷却。发生在蓄热器上游的热交换为蓄热器上游的气体膨胀提供热量，并提供一种热源，它被泵吸来产生为处于谐振管另一端的热槽所带走的部分热量。除此之外，谐振管另一端的热槽也接受热源提供的热量。申请人已压印了首字母缩写词HASER以说明带有代表“Heat    Amplification    by    stimulated    Emission    of    Radiation”的首字母缩写词的这类驱动热泵的热机，它类似于首字母缩写词LASER（Light    Amplification    by    stimulated    emission    of    radiation）和MESER（Micro    Wive    Amplification    by    stimulated    Emission    of    radiation）。

如果低热源是空气，那么在大气和蓄热器上游区域内的气体之间最好进行直接热交换。为了促使这种气体交换，在谐振管壁部，位于压力零点处设置一些孔口，当纵向振荡沿谐振管向下传递时，在压缩 振荡已穿过孔口之后，大气会经孔口被吸入谐振管内。此时，从大气中被吸入到谐振管内的气体跟谐振管内的气体混合，结果，使来自大气的气体和已在谐振管中的气体发生热交换。然而，下一个振荡会推动现已冷却的来自大气的空气从孔口中排出。

然而，HASER最好还包括一风扇，驱动来自大气的空气经气体交换孔口进入谐振管。最好，有一外腔包围谐振管，在具有热源的谐振管一端的顶部设置一风扇，一波形圆环状导流器靠近气体交换口，以引导被风扇吹下来的空气经一半孔口流入，并使已冷却的空气从另一半孔口离开，最后经外腔下部流出。流经外腔的空气吸收由热源和气体谐振管上部放出的热量，这一热量又重新被输入该系统中作为低热部分，故进一步改善了HASER的热输出。

谐振管横截面从一端向另一端扩张对HASER还有另外的优点。二端的相对横截面积决定了由此产生压缩比。小横截面产生高压缩比，反之亦然。这一结果可从小位移的声学理论中推导出来，并随即被提出来作为特殊的例子。谐振管横截面从其一端到另一端扩张导致了驱动端的高压缩比和泵吸端的低压缩比，从而提供了最佳的热效率。

在谐振管另一端的热槽可包括一浅水池，在此情况下，作为良好导热体的散热片，诸如金属散热片，最好和水池保持热接触，并在水池和蓄热器下游侧之间的空间内延伸。这样一种热槽跟蓄热器下游的热气体具有良好的热接触。池中的水沿某一个系统进行循环，从谐振管的另一端把热量带走，而这一循环系统可包括水池二端的止回流，这样，通过谐振管内压力波动作用于池中水表面，使水沿该系统流动。

这样一种HASER，作为用于居民楼采暖和致冷的热水发生器具有特殊的用途。HASER一般处于建筑物的屋顶空间内，在冬天，屋 顶空间是通风的，或者空气自外部被引入屋顶空间内，故空气提供了低热源。谐振管另一端的热槽被用来把水加热到譬如说40℃，而这种水是满足民用热水需要的，它沿建筑物中央供热系统循环。在夏季通过关闭屋顶空间的通风设备并打开屋顶空间下面房间天花板内的冷气通风口或引导空气离开HASER进入房间，HASER被用来为建筑物提供制冷。来自谐振腔另一端热槽的水通常被用来满足民用热水需求，也被向外引到被致冷的建筑物外边的热交换器。从谐振管排出的所形成的冷空气冷却屋顶空间，随后，经天花板内的冷气通风口，或经管道使建筑物致冷。

通过在蓄热器上部的谐振腔内安装分子筛材料，压力振荡气体分离器可和HASER组合在一起。通过这一组合，自出口的输出量是冷的，并富氮。这样一种输出对于保藏易腐品是很好的，并且这样一种组合装置提供了一种轻便的、自持的富于冷空气的氮气源。

现在参照附图，将叙述根据本发明的HASER的详细的实施例，其中：

图1是压力振荡气体分离器的局部纵剖视图;

图2是HASER局部纵剖视图;

图3是通过热源的横剖视图;

图4是说明谐振管和气体位移大小的简图;

图5是表示谐振管特性的曲线图;

图6是说明位移和密度幅值的谐振管长度上如何相对于时间变化的另一曲线图;

图7是说明蛋形补偿效果的又一曲线图;

图8是说明蓄热器工作的温度相对于位置的曲线图;

示于图1中的压力振荡气体分离器和示于图2中HASER两者均包括一个由脉冲热源2形成的热机1，它安装在其纵剖面是蛋形的谐振管的一端。谐振管3的外形尺寸是这样的，它的高度大约是它底径的3倍。靠近谐振管顶部可包括一蓄热器4，它是由非金属蜂窝材料制造的，通常是玻璃或玻璃状材料，同轴外环腔5包围谐振管3，在顶部安装一电动风扇6，将空气向下吹，流经同轴外环腔5。一波纹环形导流器7引导空气流流过处于压力零点的谐振管3侧壁上的间隔孔口8。空气经另外的孔口8和同轴外环腔5的下部排出。孔口8形成喷嘴流，因此经间隔孔口8的输入空气流便强烈地会聚，确保了经孔口8的空气和排气不会过份混合。

在图3中更为详细地表示了脉冲热源2，它包括一气体混合空间9，气体和空气输入该空间，并在其中混合;还包括一谐振止回阀10，其谐振频率和谐振管相同，还包括一火焰收集器。谐振止回阀10可以和安装在二冲程发动机上的相同，它包括一开口12，被一端固定在开口12上的簧片13盖住。随着谐振管3中的瞬态压力增大，达到气体混合空间9内的压力，该阀由簧片13保持关闭，以密封开口12的周沿;而随着谐振管中内的瞬时压力下降到低于气体混合空间9内的压力，簧片13弯曲，使气体和空气混合物通过开口12并进入谐振管3。

在促使气体混合物的供应在相位上更接近于谐振腔压缩脉冲、从而导致脉冲燃烧相应改善的某一优选结构里，谐振止回阀包括一个直径比较大的金属盘，和燃烧室同轴线安装，以其边缘卡持在略为中凹的底座板上，在该底座板上还同轴线地安装着火焰收集器。气体混合物以低压波引入到接近夹持边缘的中间环形空间，并从那里朝火焰收 集器、用脉冲径向向内输送。该盘的厚度要作成使其轴向自然振荡频率低于谐振腔的频率，这样，气体阻尼和谐振腔压力脉冲的联合作用便使该盘以谐振腔的谐振频率基本上产生反相振荡。这样振荡将气体混合物经火焰收集器引入到燃烧室，引入是在压力升高的时刻进行的，而不是在最大负压时进行的，前者减少了过早燃烧的程度，这种过早燃烧就热机工作来说是低效率的。

脉冲热源2还包括一火花室14，谐振管3的顶部做成抛物面反射体15，它使脉冲热源在谐振管3的上空达到基本均匀的扩散。

热机1沿谐振管3向下驱动一振荡气体，垂直振荡气体团起到活塞作用，在谐振管3的顶部和底部产生压力和绝热温度波动，振荡是由火花塞14最初点燃引入谐振管3顶部的气体和空气混合物而激发的，然后，当谐振管3中的气体开始谐振，而阀10引入连续喷出的混合物时，这些混合物被先前点燃的衰弱的火焰所点燃。这便产生了脉冲燃烧，在具有长度约1米的谐振管的装置中，脉冲燃烧具有约200赫兹的重复频率。蓄热器4由于提高了谐振管3顶部的温度并增大了所产生的振荡幅度而提高了热机1的效率。

上面叙述的热机1可用于向压力振荡气体分离器提供机械能输入，在此情况下，如在图1中所示，优先吸附氮的沸石薄层16安装在靠近谐振管3的下端，谐振管3的底部由平板17密封，后者包括一气体出口18。处于谐振管3中谐振期间，当空气向前移动进入沸石层16时，氮优先被沸石所吸附。当空气向后移动时，压力降低了，被吸附在沸石表面上的气体放出来了，因此，富氮的空气被放出来了。由于在谐振期内产生的气体位移是有限的，在谐振管3内的平均压力要大于大气压力，所以一气体流流经沸石层16，导致一气体流从出 口18处流出来，这一气体流是富氧的，而从孔口8出来并流经腔5的下部的气流是富氮的。

热机1可交替地被用来提供机械能来驱动一热泵19。驱动热泵的热机有一总性能系数（Cop）其中：

Cop＝ (低热源输出)/(高热源输出)

如果前者的绝热温度比明显地大于后者的绝热温度比，那么Cop超过1。热量输出也可由热机1排出的热量来直接补充。该装置的热泵部分19包括一蓄热器20，它是由非金属蜂窝材料制成的，通常是用玻璃或类玻璃材料和一热槽21构成。热槽21由浅水池22和金属散热片23构成，浅水池处于谐振管3的大直径端内，金属散热片和延伸到谐振管3内的浅水池22保持热接触，靠近蓄热器20。在此情况下提供低热源的空气经孔口8进入和离去，通过热泵19从该空气中吸取热量，并传给热槽21中的水。

这样，在运行中，通过热机1把气体振荡引入谐振管3内。这些振荡为包括蓄热器20的热泵19提供了驱动功率。当气体在蓄热器20前后振荡时，在蓄热器20底下的空间被加热，而在蓄热器20上面的空间被冷却。流经孔口8的空气流和谐振管3中的气体相混合，把热量传给蓄热器20上面的谐振管3内的气体。热槽21带走在蓄热器20底下累积的热量。

通常，热槽21中循环水浅池22的水平面是受浮子阀（未出示）控制的。水池22的进水口和出水口包括止回阀（未出示），在谐振管3中形成的气体振荡作用于水池22中的水表面上，使水经进、 出口止回阀形成循环。一般水的出口温度高于40℃，这便可用作民用热水源或运转集中供热系统的热水源。如本例所示，

通常安装于在冬季通风的房屋的屋顶空间里，使来自大气的空气形成进、出孔口8的低热源。在夏季若希望建筑物致冷，屋顶空间的气窗是关闭的，而天花板通风口是打开的，以使由HASER产生的冷空气下降到屋内。在此情况下，由热槽21排出的热水，按照民用的需要供以热水后，进入户外的大气热交换器，把在再循环前在HASER中产生的热量散失掉。相应于该种HASER供暖型的CoP目标值是2。

现在提供关于气体谐振动态特性、蛋形谐振腔的客观需要性、壁面摩擦损失的讨论、蓄热器20特性的讨论的细节。

气体谐振动态特性

为了设计一HASER，需要研究对气体运动的定量处理。在平行结构（图4a）中的均匀固体的线性弹性位移由众知的方程式决定：

其中α是在参考距离X上的位移;

t是时间间隔;

C是音速;

对于在横截面均匀的、二端封闭的管中的标准波，α正比于：

sin (πx)/(l) sin (πct)/(l)

对于球面对称、适于截头圆锥中的振荡流，其相应的支配方程式 自Canchy和Doisson时代起早就知道：

其中r由图4b决定。在二种情况下，

$\mathrm{c=}\sqrt{\frac{{\mathrm{rp}}_o}{{\rho }_o}}$

其中r是比热率，P₀是平均压力，在该压力下密度是P₀。当圆锥在半径b处被截头时，能容易证明，对于任意常数A，其标准波解为：

rα＝ (Al)/(π) sin (π)/(l) （r-b）sin (πct)/(l)

故：

$\mathrm{\alpha =A}\frac{\sin \frac{\pi }{1}\mathrm{(r-b)}}{\frac{\mathrm{\pi r}}{1}}\sin \frac{\mathrm{\pi ct}}{1}$

在r＝b，r＝a二处，因为a-b＝1，故α＝0

设下列各个量为：

(πr)/(l) ＝θ， (πb)/(l) ＝θ₀， (πα)/(l) ＝θ′， (πA)/(l) ＝μ，

(πc)/(l) ＝ω，

故：

θ′=u (sin(θ-θ_o)sinω_t)/(θ) (4)

当 因而当θ＝tan（θ-θ₀）时，θ′最大，对于稳定的θ值，根据θ₀，可解得θ′，如图5中所示，注意

(b)/(a) = (θ_o)/(π+θ_o) (d)/1 = (θ-θ_o)/(π) ，

其中d是离小端最大位置的距离。

若忽略二阶小量，其瞬态密度率可表示为：

当θ＝-tan〔θ-θ₀〕时，上式＝1，按计算 (d′)/(l) 的同样方法来求解，其结果画在图5中。可以看到最大的位移和速度出现在自中点移向圆锥小端的某一位置，而密度和压力零点则向大端移动一相应距离。

按照方程式（5），当Cosωt和Cos（θ-θ₀）二者都为±1时，要得到ρ₀的极值。因此，分别相应于小端和大端的容积压缩比m₀和m₁便可确定。于是：

$m_o=\frac{\mathrm{1+}\frac{A}{b}}{\mathrm{1-}\frac{A}{b}}{\mathrm{,\; m}}_1=\frac{\mathrm{1+}\frac{A}{a}}{\mathrm{1-}\frac{A}{a}}$

若规定了m₀和 (b)/(a) ，通过推导，A可从方程式（6）中被消去：

(A)/(b) = (m_o-1)/(m_o+1)

于是：

$m_1=\frac{\mathrm{1+}\frac{b}{a}·\frac{m_o\mathrm{-1}}{m_o\mathrm{+1}}}{\mathrm{1-}\frac{b}{a}·\frac{m_o\mathrm{-1}}{m_o\mathrm{+1}}}$

此外，结合图5，它可以从方程式3或4中推导出来，对于离小端任一点距离X：

$\mathrm{\theta ＇=}\frac{\mathrm{\pi \alpha }}{1}=\frac{m_o\mathrm{-1}}{m_o\mathrm{+1}}·\frac{\sin \frac{\mathrm{\pi x}}{1}}{\mathrm{1+}\frac{x}{1}(\frac{a}{b}\mathrm{-1)}}$

在特殊情况下，对于最大位移和速度X＝d，在密度或压力变化的零点，对于相应的位移和速度，X＝d′。然而，当考虑了有限的位移，如在图6中所示的 (ρ)/(ρ_o) 极值对 (x)/(l) 的曲线图上，可以看到在零点的 (ρ)/(ρ_o) 的实际值相对于参考值1相应地下降。这一相应下降值△ (ρ)/(ρ_o) 可根据由方程式（5）获得的曲线的斜率借助于零点乘以相 应位移计算出来，于是：

Δ (ρ)/(ρ_o) =( (πα)/1 )²(9)

便可根据方程式8令x＝d′得到。由此可以看到，对于开式循环，有一等效过量平均密度和压力，因为流入和流出必须平衡。

已经说过，过程分析是基于线性-弹性关系，仅用小位移的气体来获得的。绝热状态是非线性的，但非线性度对自由活塞应用的影响已广泛地研究，发现仅对高压缩比是明显的，它们本身比按线性弹性法计算值或多或少地增加，而时间变化率瞬时地增加，因此，频率稍高于计算值。在用振荡HASER的实验中该线性理论成功地预示了压力零点的位置，但观察到的谐振频率要高于预示值，二者和上述的绝热气体压缩的非线性度相一致，而在谐振管的上部音速随温度增加。因此，可以断言所提出的理论可以有把握地应用，具有足够的精度，并且相应成比例的压力和绝热温度的绝热偏差可通过把后者相应提高到r和r^-1次幂来从成比例的密度偏差中得到。

性能系数

因为在加热端卡诺（Carnot）的热效率，由循环中绝热温度之比决定，为：

(m_o ^r-1-1)/(m_o ^r-1)

而相应的热泵增益，由吸收装置端的循环中绝对温度之比决定，为：

(m₁ ^r-1)/(m₁r-1-1)

由此得出理想性能系数为：

COP= (m_o ^r-1-1)/(m_o ^r-1) · (m₁ ^r-1)/(m₁ ^r-1-1) (10)

对于空气，r＝1.4，对于图6的例子，该值为2.77，但它由于若干因素而改变。

首先，可以证明，在相应于加热端膨胀的低温下，热量既不放出，在相应于吸收装置端充分压缩的温度下也不吸收，这是以后考虑到对于已说过的蓄热器，蓄热器的功能是提高二端的平均温度，所以，更加接近理想的。

其次，虽然壁面摩擦热的一部分可通过水套来回收，如同在热机端排出热量的情况一样，前者受热机功能有限热效率的支配作为机械能必须提供的，并受到很大的影响。机械能除了一部分消耗于壁面摩擦损失，还经孔口7和8，散失于空气的输入和排出中，因为两者均和边界层有关。

蛋形变型

对于给定的端部尺寸，其目的是要增和振荡气体量，因而对于给定的容积压缩比，是要提高其速度。由于摩擦损失正比于速度三次幂，其效果是值得考虑的。一种全数字分析法是很方便的，但其效果很可能要包括相当的修正。

修正程序的关键是找出自然频率f对长度l的一次函数关系，而和形状、是否平行、锥形或蛋形无关，如：

f＝ (c)/(2l)

振荡系统的角频率ω也取决于：

ω＝√ (k)/(m)

其中K是刚度，m是质量，因此在蛋形情况下，必须考虑刚度按和质量相同的比例增加。这一结果在图7中可以看到，其中有三种理论上的同轴锥OA、OB和OC。OA包含二端的直径，OB外切蛋形曲线。OC是插入物。可以看到，上述理论对于三种圆锥是不变的，因为它们都有相同比b/a。圆锥OC和蛋形曲线相交，形成一质量区和二刚度区。如果OA和OC之间的直径比是l+e，根据容积和横截面积，可以推定其刚度也随所述比率l+e增加。然而，跟e的确定无关，标有质量的被包围的面积按大于l+2e的某一比率增加，这一异常现象可以通过液体动力学关于假想质量的概念来解释，在此情况下，假想质量是负的，因为在扩大的横截面内，速度比较低。既然刚度毫不含糊地能被计算，那么认为刚度和视在质量二者随l+e增加是合适的，并且OC被定义为处于二端部（相同表面积）之间蛋形曲线的中轴，这样BC＝e/2。然后，蛋形表现出和摩擦损失成比例，而不和压缩比或输出成比例，好像它是一个具有随比率l+e增加的直径的圆锥，但其最大速度随比率 (l)/(l+2e) 下降，在图1 和图2中所示蛋形的效果相对于其它情况减少了摩擦损失5%。

壁面摩擦损失

在缺乏关于锥体内振荡流的详细资料的情况下，认为在等效长度和直径的平行管道中为稳态边界层摩擦是合适的。摩擦系数C_f取决于雷诺数相称表面的粗糙度，已由Nikuradse给出了标准数据。由于雷诺数＞10⁶，而表面粗糙度＜50微米，C_f的适当值应为0.0035。

如果在半径为R，半波长度为L的圆柱形管内的轴向位移给定为：

α＝α₀cos (πx)/(l) cosωt

则轴向速度

，壁面的切剪应力为Cf (ρu²)/2 ，当地瞬态工作率为C_f· (ρu²)/2 ，平均工作率W，沿管长相对于时间积分，便得：

${\mathrm{w=\pi C}}_f\mathrm{\rho Rl\omega }{}^3{\alpha }_o{}^3［\frac{2}{\pi }{\∫}_O^{\frac{\pi }{2}}{\cos }^3\mathrm{\theta d\theta ·}\frac{2}{w}{\∫}_O^{\frac{\pi }{2}}{\sin }^3\mathrm{\phi ·d\phi }$

注意括号中的数值为 1/(π) （ (T（2）)/(T（2.5）) ）²，并计算出咖马函数，

${\mathrm{w=0.566c}}_f\mathrm{\rho Rl\omega }{}^3{\alpha }_o{}^3$ ，（11）

=C_fA (ρu₁ ³)/2

其中u₁＝0.565u₀

u₀为轴向速度幅值，A为壁面总面积。可以用管中气体最大动能的比值n来表示，则在半个冲程内累计摩擦力为：

η= (0.72πc_fα)/(R) （12）

这些研究表明，虽然壁面摩擦损失是所产生的机械能的很大部分，如果含有蛋形，它们特别可以控制。

蓄热器的特性

自从斯特林循环发动机首次建造以来，蓄热器一直被采用着，应该承认它们使效率有大幅度增加。它们的功能，作为热过滤器，是贮存处于绝热容积变化期间当气体经过时在一部分往复循环中获得的热量，并且当循环反向时把热量还给气体。它们的两个基本性质是如此大的表面积暴露在气体中，在气体运动方向上，伴随着小的热传导率。通常它们具有间隔的非金属板的叠层结构，因为这些在减少气体摩擦损失和热传导方面是有效的。

在本申请案中有益地采取蓄热器，可以从绝热温度变化（图7）的极值曲线中看到，这些曲线是从图5中相应的密度比曲线得出的。图7中的倾斜线定量地描绘了被经历着绝热温度变化的一团气体所采取的 路径，但为了简化，处于不逆状态中，因为实际上考虑了热传导，这些线是弯曲的。表示了蓄热器3和4的位置，可以看到，这些并不延伸到谐振管的端部，在端部设有传热面。其间的间隙大到足以避免热接触。

线条BB′和EE′代表小团气体，它总是留在蓄热器内。这些小团气体，在膨胀时通过获得热量逆着温度梯度泵热，并在靠近谐振腔中心的位置上冷却。因此，在蓄热器内，存在温度梯度，它们向谐振腔的端部向上倾斜。蓄热器的平均温度同样高于环境温度，因为来自压缩气体的热交换比来自变稀了的气体更为有效。

蓄热器最奥妙的效应出现在靠近谐振腔端部的它们的端部，因为在这些位置上，当膨胀并变冷时，气体进入并吸收热量。当它成为压缩气体并变热时离开，因此，在谐振腔端部的平均温度显著升高。其效应可用条线AA′和FF′来描绘。可逆效应出现在蓄热器的内部两端，从线条CC′和DD′可以看到。其总的效应是平均温度显著升高了蓄热器外侧温度值的一半，并在蓄热器内侧大容积内降低了一较小的量。

蓄热器的长度应当超过在优先选用位置上的全位移，下蓄热器和吸热装置之间的间隙应切实可行的。蓄热器材料最佳的标准是每一循环传导的浸润深度不超过该窄条的厚度，按照有关瞬态热流的分析，可以表示为：

$\mathrm{t～2}\sqrt{\frac{\mathrm{2\alpha }}{\omega }}$

设t＝0.1毫米，ω＝817/秒，这表明一优选的导热系数α大约 等于10^-2厘米²/秒，就玻璃质材料来说将会满足的。金属也是导热的。

Claims (38)

1、一种热力驱动气体谐振装置，它包括一个其横截面沿其长度从一端向另一端扩展的谐振管(3)，一个位于谐振管(3)一端的热源(2)，以及激发谐振管(3)中气体振荡的装置(2、4)，其特征在于谐振管(3)在纵截面内具有截头蛋形的形状，因此，若从横向看，其侧壁呈向外弓形，激发谐振管(3)中气体振荡的热源和装置均由一脉冲热源(2)形成，脉冲热源具有和气体谐振管(3)的谐振频率相应的脉冲重复频率。

2、按照权利要求1所述的气体谐振装置，其特征在于，脉冲热源包括一阀（10），所供给的可燃气体或蒸汽和空气经此阀输入，后面有收集器（11），还包括最初点燃谐振管（3）一端内混合物的点燃器（14）。

3、按照权利要求2所述的气体谐振装置，其特征在于导入混合气的阀（10）是由调准的止回阀构成的，它响应脉冲燃烧，在开启和关闭状态之间振荡，引导一股混合气进入谐振管（3）的一端，以备随后点燃。

4、按照权利要求1或2或3所述的气体谐振装置，其特征在于脉冲热源还包括处于谐振管（3）一端的非直接加热器。

5、按上述权利要求1-3任一项所述的气体谐振装置，其特征在于蓄热器（4）处于谐振管（3）内，接近其一端，但不和其接触。

6、按上述权利要求4所述的气体谐振装置，其特征在于蓄热器（4）处于谐振管（3）内，接近其一端，但不和其接触。

7、按上述权利要求1-3中任一项所述的气体谐振装置，其特征在于谐振管（3）的另一端包括一层分子筛材料（16），其中在分子筛材料层（16）面向热源（2）一端的谐振管上开有气体交换口（8），而在远离热源（2）一端的谐振管上开有出气口（18），以形成压力振荡气体分离器。

8、按上述权利要求4所述的气体谐振装置，其特征在于谐振管（3）的另一端包括一层分子筛材料（16），其中在分子筛材料层（16）面向热源（2）一端的谐振管上开有气体交换口（8），而在远离热源（2）一端的谐振管上开有出气口（18），以形成压力振荡气体分离器。

9、按上述权利要求5所述的气体谐振装置，其特征在于谐振管（3）的另一端包括一层分子筛材料（16），其中在分子筛材料层（16）面向热源（2）一端的谐振管上开有气体交换口（8），而在远离热源（2）一端的谐振管上开有出气口（18），以形成压力振荡气体分离器。

10、按上述权利要求6所述的气体谐振装置，其特征在于谐振管（3）的另一端包括一层分子筛材料（16），其中在分子筛材料层（16）面向热源（2）一端的谐振管上开有气体交换口（8），而在远离热源（2）一端的谐振管上开有出气口（18），以形成压力振荡气体分离器。

11、按照权利要求7所述的气体谐振装置，其特征在于分子筛材料是一种膨胀的沸石，它吸收氮气先于吸收氧气。

12、按照权利要求8所述的气体谐振装置，其特征在于分子筛材料是一种膨胀的沸石，它吸收氮气先于吸收氧气。

13、按照权利要求9所述的气体谐振装置，其特征在于分子筛材料是一种膨胀的沸石，它吸收氮气先于吸收氧气。

14、按照权利要求10所述的气体谐振装置，其特征在于分子筛材料是一种膨胀的沸石，它吸收氮气先于吸收氧气。

15、按照权利要求1-3任一项所述的和热泵（19）与装置（8）结合在起的气体谐振装置，其特征在于包括位于谐振管（3）另一端的热槽（21）和靠近另一端的蓄热器（20）以及在蓄热器面向热源（2）一侧的装置（8），以使谐振管（3）中的气体和低热源之间进行热交换。

16、按照权利要求4所述的和热泵（19）与装置（8）结合在起的气体谐振装置，其特征在于包括位于谐振管（3）另一端的热槽（21）和靠近另一端的蓄热器（20）以及在蓄热器面向热源（2）一侧的装置（8），以使谐振管（3）中的气体和低热源之间进行热交换。

17、按照权利要求5所述的和热泵（19）与装置（8）结合在起的气体谐振装置，其特征在于包括位于谐振管（3）另一端的热槽（21）和靠近另一端的蓄热器（20）以及在蓄热器面向热源（2）一侧的装置（8），以使谐振管（3）中的气体和低热源之间进行热交换。

18、按照权利要求15所述的气体谐振装置，其特征在于低热源是大气，在大气和蓄热器（20）上游区段中的气体之间直接进行热交换在谐振管（3）的壁上，处于压力零点的位置上开有气体交换孔口（8）。

19、按照权利要求16所述的气体谐振装置，其特征在于低热源是大气，在大气和蓄热器（20）上游区段中的气体之间直接进行热交换，在谐振管（3）的壁上，处于压力零点的位置上开有气体交换孔口（8）。

20、按照权利要求17所述的气体谐振装置，其特征在于低热源是大气，在大气和蓄热器（20）上游区段中的气体之间直接进行热交换，在谐振管（3）的壁上，处于压力零点的位置上开有气体交换孔口（8）。

21、按照权利要求18所述的气体谐振装置，其特征在于还包括一风扇（6），推动大气中的空气，经气体交换口（8）进入谐振管（3）。

22、按照权利要求19所述的气体谐振装置，其特征在于还包括一风扇（6），推动大气中的空气，经气体交换口（8）进入谐振管（3）。

23、按照权利要求20所述的气体谐振装置，其特征在于还包括一风扇（6），推动大气中的空气，经气体交换口（8）进入谐振管（3）。

24、按照权利要求21所述的气体谐振装置，其特征在于还包括包围着谐振管（3）的同轴外环腔（5），在外空顶部装有风扇（6），因为在谐振管（3）的端部具有热源（2），还包括靠近气体交换口（8）的波纹环形导流器（7），引导用风扇（6）吹下来的空气经过半数孔口（8），并允许冷却空气从另一半孔口（8）离开，并经同轴外环腔（5）的下部流出。

25、按照权利要求22所述的气体谐振装置，还包括包围着谐振管（3）的同轴外环腔（5），在外空顶部装有风扇（6），因为在谐振管（3）的端部具有热源（2），还包括靠近气体交换口（8）的波纹环形导流器（7），引导用风扇（6）吹下来的空气经过半数孔口（8），并允许冷却空气从另一半孔口（8）离开，并经同轴外环腔（5）的下部流出。

26、按照权利要求23所述的气体谐振装置，还包括包围着谐振管（3）的同轴外环腔（5），在外空顶部装有风扇（6），因为在谐振管（3）的端部具有热源（2），还包括靠近气体交换口（8）的波纹环形导流器（7），引导用风扇（6）吹下来的空气经过半数孔口（8），并允许冷却空气从另一半孔口（8）离开，并经同轴外环腔（5）的下部流出。

27、按照权利要求15所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

28、按照权利要求16所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

29、按照权利要求17所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

30、按照权利要求18所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

31、按照权利要求19所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

32、按照权利要求20所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

33、按照权利要求21所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

34、按照权利要求22所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

35、按照权利要求23所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

36、按照权利要求24所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间延伸。

37、按照权利要求25所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

38、按照权利要求26所述的气体谐振装置，其特征在于位于谐振管（3）的另一端的热槽（21）包括一浅水池（22），具有良好热传导的散热片（23）和水池保持接触，并在水池（22）和蓄热器（20）的下流端之间的空间内延伸。

Images