CN101256040B

CN101256040B - 风能驱动的热声制冷机

Info

Publication number: CN101256040B
Application number: CN2008100603060A
Authority: CN
Inventors: 孙大明; 邱利民; 甘智华; 王波
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2028-04-03
Also published as: CN101256040A

Abstract

本发明公开了一种风能驱动的热声制冷机。它具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括相连接的收缩风管、中央柱管和扩散风管，热声制冷装置具有第一驻波热声制冷机单元、第二驻波热声制冷机单元、第三驻波热声制冷机单元和第四驻波热声制冷机单元，每个制冷机单元包括相连接的谐振管、冷端换热器、热声回热器和室温换热器，谐振管前端依次设有冷端换热器、热声回热器和室温换热器，谐振管后端与中央柱管出风口相连接。本发明可利用再生能源一风能驱动，不需要消耗电能和热能，大大降低了运行成本；整个系统没有运动部件，制造和维护成本低；制冷机出了可以对外输出制冷量外，还可以利用热声回热器两端的温差驱动热电半导体发电。

Description

风能驱动的热声制冷机

技术领域

本发明涉及热声制冷机，尤其涉及一种风能驱动的热声制冷机。

背景技术

热声效应是热与声之间相互转换的现象，即声场中的时均热力学效应。热声热机本质上是一种通过热声效应实现热能与声能之间相互转化或传输的装置。热声热机不需要外部的机械手段就可以使振荡流体的速度和压力之间建立起合理的相位关系，因此，不需要机械传动部件，大大简化了系统的结构。按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡，为热声发动机的工作机理；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输，为热声制冷机的工作原理。只要具备一定的条件，热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。

从上世纪七十年代开始，关于热声热机的研究开始迅速发展。1969-1980年瑞士苏黎士联邦技术研究所的Rott提出了热声振荡定量理论，奠定了现代线性热声理论的基础。1979年，Ceperley提出在具有温度梯度的回热器中传输的声波使气体工质经历着与Stirling热机相同的热力过程，当声波沿一个方向传输时会得到强化，而沿相反的方向传输时会被消弱，其思想成为高效行波热声热机研究的起点。受这一思想的影响，1999年美国LANL的Backhaus和Swift设计制作了一台新型行波热声发动机，该热声发动机实现了30％的热功转换效率，相对卡诺效率约为42％，这一结果可以同内燃机(30-40％)相媲美。Backhaus等人的研究成果表明，热声热机不但结构简单、工质环保，而且可以达到很高的热力学效率。此后，热声发动机和制冷机的研究进展更加迅猛，取得了一系列重要研究成果。目前行波热声发动机的压比已经达到1.30以上，热声发动机驱动的脉管制冷机也已相继达到液氮和液氢温区。

迄今为止，几乎所有的热声热机研究中都采用热能(大多通过电能转换产生)对热声发动机供能，产生的声能用来驱动制冷机获得冷量。为获得强声场和大功率声功输出，目前热声发动机加热器的工作温度一般在500℃以上。对高温热源的依赖不利于提高系统的热效率，并限制了热声热机的实用化。为弥补这一弱点，越来越多的研究者开始把注意力转向低温位热能，如采用外加压力扰动、混合工质和结构改进等手段降低热声发动机的起振温度和工作温度，以期利用太阳能、工业废热等驱动。

事实上，自然风等时均流(或平均流，Mean Flow)具有数量可观的可利用动能，如能结合热声效应加以利用对于利用可再生能源和提高能源利用率具有重要意义，这也将大大拓展热声热机的应用空间。热声制冷机内是交变流场，而自然风和管道内的气流是时均流，要实现二者的结合，就必须通过特殊设计的声学管道把自然风等时均流的能量转换成声场能。时均流流过这个特殊设计的流道时，会诱导出一个驻波声场，而热声制冷机就可以利用这个驻波声场工作，产生制冷效应。

在日常生活中就有不少时均流动引起声振荡的例子，如：当对着竖直放置的瓶口水平吹气时，可以听到瓶内传出的嗡嗡声，这说明口中吹出的气流(时均流)在瓶内引起了声振荡(声场)。瓶内气体由静止转为振荡必然吸收了外界的能量，由于瓶壁静止，所以能量只能来自于从瓶口掠过的气流。类似的例子，还有吹口琴和笛子。事实上，这些日常现象的背后有着复杂的物理过程发生，首先，当气流掠过时，受瓶内静止气体的影响粘性边界层在瓶口脱离；其次，脱离的边界层以漩涡的形式卷起形成涡结构，并向瓶内的声场传递能量；再次，能量的传递和声场的存在又反过来影响了随后的漩涡的形成。整个过程形成一个能量反馈回路，具有高度共振特性。如果把口中吹出的气流换成高速的自然风，瓶子换成特制的单端开口密闭腔体，高速空气流会向腔体内传递大的多的能量，从而诱导出一个具有大声能密度的驻波声场；另一方面，如果此时声场中存在热声回热器(或其它固体多孔介质)，这个声振荡就可以驱动沿回热器轴向的热量传输，从而产生泵热效应，这是热声效应的一种形式——声振荡驱动的热量传输。把上述两个过程结合在一起，就构成自然风驱动的热声振荡系统。这个系统以风能为驱动源，以声振荡作为能量转换的桥梁，最终在热声系统的回热器上产生一个显著的轴向温度梯度(或可用温差)。

关于时均流诱导声振荡的研究开始于上世纪五十年代，此类研究的声场内不设有多孔介质，因而不发生显著的热效应，为纯声振荡，研究的目的是消除流体输送管道中自激强振荡引起的结构震动、疲劳破坏和噪音。德国Karlsru大学的Naudascher和美国Lehigh大学的Rockwell根据形成机理把时均流诱导声振荡分成三大类：1)流体-动力振荡型，特征是振荡源于流体流动的固有不稳定性，纯的流体-动力振荡只发生于腔体深度与振荡波长相比很小的情况；2)流体-共振振荡型，特征是流体振荡受共振波动(驻波声场)效应影响显著，频率较高，腔体的深度与波长处于同一量级；3)流体-弹性振荡型，特征是流体振荡与固体边界的运动耦合在一起，此类振荡发生于当腔体的一个或多个壁面经历较大位移，且足够对时均流的剪切边界层扰动施加反作用时。上世纪七十年代以来，针对流体-共振振荡的研究逐渐增多，流场以不稳定的时均流剪切边界层、漩涡的产生和脱落以及强驻波声场为主要特征。这类研究的对象都可以抽象成一个主流管道和一截面尺寸相当的单端开口密闭支路，二者内的流体相互连通，主流管道内是时均流场，密闭支路内建立的是驻波声场。图1给出了一个典型的时均、交变流场的十字型连接(双对称T型连接)示意图，两对称支路腔体自然耦合成1/2波长谐振器(λ＝4L)，曲线表示驻波声场的压力振幅分布。当然，两支路腔体亦可单侧布置，也可以只设置一个腔体，前者依然是1/2波长谐振器，而后者则变为1/4波长谐振器。基于漩涡声学理论，Bruggeman对发生于具有旁支路的管路内的空气声学现象进行了系统的研究。他认为：在T型连接处-主管道与旁支路的结合处-将主流体与封闭支路内的滞止流体分离的不稳定剪切边界层是驱动管路子系统内共振声场的能量源，声场建立后又反作用于主流的水力扰动。他通过实验研究发现T型连接处的流动特征强依赖于非稳态(声场)和稳态(时均流)流速比p′/ρcU₀，其中p′为密闭腔体封闭端的压力振幅，ρ、c、U₀分别为流体密度、声速和时均流速。对于时均流诱导单端开口密闭腔体内的振荡来说，该比值通常大于10^-3。当10^-3＜p′/ρcU₀＜10^-1时，剪切边界层的上游特征尚能用线性稳定理论描述，而当p′/ρcU₀＝O(1)时，流动已经本质上非线性了。

实验研究证明自然风等时均流能够在密闭腔体内诱导出具有高声能密度的驻波声场，其压力振幅可以达到平均压力的20％以上，在此基础上能够实现高效的热声转换过程，从而为有效利用风能提供了一种简单、可靠的方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种风能驱动的热声制冷机。

一种风能驱动的热声制冷机具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括依次相连接的收缩风管、中央柱管和扩散风管，热声制冷装置具有第一驻波热声制冷机单元、第二驻波热声制冷机单元、第三驻波热声制冷机单元和第四驻波热声制冷机单元，每个制冷机单元包括相连接的谐振管、冷端换热器、热声回热器和室温换热器，谐振管前端依次设有冷端换热器、热声回热器和室温换热器，谐振管后端与中央柱管出风口相连接。

另一种风能驱动的热声制冷机具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括依次相连接的收缩风管、中央柱管和扩散风管，热声制冷装置具有第一行波热声制冷机单元、第二行波热声制冷机单元、第三行波热声制冷机单元和第四行波热声制冷机单元，每个制冷机单元都具有谐振管、惯性管、声容、室温换热器、热声回热器、冷端换热器和热缓冲管，在谐振管前端依次设有热缓冲管、冷端换热器、热声回热器、室温换热器、声容，谐振管后端与中央柱管出风口相连接。

另一种风能驱动的热声制冷机具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括依次相连接的收缩风管、中央柱管和扩散风管，热声制冷装置具有第一带环路的行波热声制冷机单元、第二带环路的行波热声制冷机单元、第三带环路的行波热声制冷机单元和第四带环路的行波热声制冷机单元，每个制冷机单元都具有谐振管、惯性管、声容、室温换热器、热声回热器、冷端换热器和热缓冲管，谐振管前端设有行波环路，行波环路依次设有热缓冲管、冷端换热器、热声回热器、室温换热器、声容、惯性管，谐振管后端与中央柱管出风口相连接。

所述的风能驱动装置的截面为圆形或多边形。收缩风管和扩散风管的形状为锥形或喇叭形。

本发明把自然风首先进行压缩，增强了中央柱管的风压和流速，从而提高了风能的品位。在中央柱管处引出数个热声制冷机单元的谐振管，谐振管是单端开口密闭腔体，其与中央柱管的连接处将发生显著的空气声学现象，在不稳定边界层的作用下，热声制冷机的谐振腔内将建立稳定的驻波声场。通过在谐振腔内设置换热器和热声回热器，可以获得热声制冷效应。风能驱动的热声制冷机改变了以往热声制冷机的驱动型式，不需要热声发动机或其他形式的压力波发生器驱动，消除了所有机械运动部件，通过特殊设计的管道，把自然风进行浓缩后进行有效利用，为可再生能源的利用提供了一种解决方案。

附图说明

图1是时均、交变流场“十字”型连接示意图；

图2(a)是风能驱动的驻波热声制冷机结构主视图；

图2(b)是风能驱动的驻波热声制冷机结构侧视图；

图3(a)是风能驱动的行波热声制冷机结构主视图；

图3(b)是风能驱动的行波热声制冷机结构侧视图；

图4(a)是风能驱动的带环路结构的行波热声制冷机结构主视图；

图4(b)是风能驱动的带环路结构的行波热声制冷机结构侧视图；

图中：第一驻波热声制冷机单元1、第二驻波热声制冷机单元2、第三驻波热声制冷机单元3、第四驻波热声制冷机单元4、风能驱动装置具有收缩风管5、中央柱管6、扩散风管7、谐振管8、冷端换热器9、热声回热器10、室温换热器11、第一行波热声制冷机单元12、第二行波热声制冷机单元13、第三行波热声制冷机单元14、第四行波热声制冷机单元15、第一带环路的行波热声制冷机单元19、第二带环路的行波热声制冷机单元20、第三带环路的行波热声制冷机单元21、第四带环路的行波热声制冷机单元22、惯性管23、声容24、热缓冲管25。

具体实施方式

如图2所示，风能驱动的驻波热声制冷机具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括依次相连接的收缩风管5、中央柱管6和扩散风管7，热声制冷装置具有第一驻波热声制冷机单元1、第二驻波热声制冷机单元2、第三驻波热声制冷机单元3和第四驻波热声制冷机单元4，每个制冷机单元包括相连接的谐振管8、冷端换热器9、热声回热器10和室温换热器11，谐振管8前端依次设有冷端换热器9、热声回热器10和室温换热器11，谐振管8后端与中央柱管6出风口相连接。所述的风能驱动装置的截面为圆形或多边形。收缩风管5和扩散风管7的形状为锥形或喇叭形。

风向如图2中的箭头所指方向。自然风吹过时，首先经过收缩风管5加速，经过浓缩的风具有更多的动能，流动更加均匀和稳定。当空气流掠过中央柱管6和制冷机谐振管8的连接处时，剪切边界层会失稳，形成涡结构并脱离，不稳定的边界层作用于制冷机内的滞止气体，滞止气体又给它施加了一个反作用，于是在制冷机的声学管道内建立了一个驻波声场。声场驱动了沿热声回热器10轴向方向的热量传输，热量被从冷端换热器9传输到室温换热器11，从而在冷端换热器9得到制冷效应。

如图3所示，风能驱动的行波热声制冷机具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括依次相连接的收缩风管5、中央柱管6和扩散风管7，热声制冷装置具有第一行波热声制冷机单元12、第二行波热声制冷机单元13、第三行波热声制冷机单元14和第四行波热声制冷机单元15，每个制冷机单元都具有谐振管8、惯性管16、声容17、室温换热器11、热声回热器10、冷端换热器9和热缓冲管18，在谐振管8前端依次设有热缓冲管18、冷端换热器9、热声回热器10、室温换热器11、声容17，谐振管8后端与中央柱管6出风口相连接。所述的风能驱动装置的截面为圆形或多边形。收缩风管5和扩散风管7的形状为锥形或喇叭形。

风向如图3中的箭头所指方向。自然风吹过时，首先经过收缩风管5加速，经过浓缩的风具有更多的动能，流动更加均匀和稳定。当空气流掠过中央柱管6和制冷机谐振管8的连接处时，剪切边界层会失稳，形成涡结构并脱离，不稳定的边界层作用于制冷机内的滞止气体，滞止气体又给它施加了一个反作用，于是在制冷机的声学管道内建立了一个稳定的声场。声场驱动了沿热声回热器10轴向方向的热量传输，热量被从冷端换热器9传输到室温端换热器11，从而在冷端换热器9得到制冷效应。惯性管16，声容17在制冷机中起到调节压力波动和速度波动相位的作用，使二者之间的相位在热声回热器10的轴向中点处相同或接近相同。

如图4所示，风能驱动的带环路的行波热声制冷机具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括依次相连接的收缩风管5、中央柱管6和扩散风管7，热声制冷装置具有第一带环路的行波热声制冷机单元19、第二带环路的行波热声制冷机单元20、第三带环路的行波热声制冷机单元21和第四带环路的行波热声制冷机单元22，每个制冷机单元都具有谐振管8、惯性管23、声容24、室温换热器11、热声回热器10、冷端换热器9和热缓冲管25，谐振管8前端设有行波环路，行波环路依次设有热缓冲管25、冷端换热器9、热声回热器10、室温换热器11、声容24、惯性管23，谐振管8后端与中央柱管6出风口相连接。所述的风能驱动装置的截面为圆形或多边形。收缩风管5和扩散风管7的形状为锥形或喇叭形。

风向如图4中的箭头所指方向。自然风吹过时，首先经过收缩风管5加速，经过浓缩的风具有更多的动能，流动更加均匀和稳定。当空气流掠过中央柱管6和制冷机谐振管8的连接处时，剪切边界层会失稳，形成涡结构并脱离，不稳定的边界层作用于制冷机内的滞止气体，滞止气体又给它施加了一个反作用，于是在制冷机的声学管道内建立了一个稳定的声场。声场驱动了沿热声回热器10轴向方向的热量传输，热量被从冷端换热器9传输到室温端换热器11，从而在冷端换热器9得到制冷效应。惯性管23，声容24在制冷机中起到调节压力波动和速度波动相位的作用，使二者之间的相位在热声回热器10的轴向中点处相同或接近相同。

每种风能驱动的热声制冷机中所设置的制冷机单元数是可以根据实际情况变化的。每种风能驱动的热声制冷机中也可以采用混合的制冷机单元，即一种风能驱动的热声制冷机上可以同时具有驻波热声制冷机单元和行波热声制冷机单元。

Claims

1.一种风能驱动的热声制冷机，其特征在于它具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括依次相连接的收缩风管(5)、中央柱管(6)和扩散风管(7)，热声制冷装置具有第一驻波热声制冷机单元(1)、第二驻波热声制冷机单元(2)、第三驻波热声制冷机单元(3)和第四驻波热声制冷机单元(4)，每个制冷机单元包括相连接的谐振管(8)、冷端换热器(9)、热声回热器(10)和室温换热器(11)，谐振管(8)前端依次设有冷端换热器(9)、热声回热器(10)和室温换热器(11)，谐振管(8)后端与中央柱管(6)出风口相连接。

2.根据权利要求1所述的一种风能驱动的热声制冷机，其特征在于所述的收缩风管(5)和扩散风管(7)的形状为锥形或喇叭形。

3.一种风能驱动的热声制冷机，其特征在于：它具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括依次相连接的收缩风管(5)、中央柱管(6)和扩散风管(7)，热声制冷装置具有第一行波热声制冷机单元(12)、第二行波热声制冷机单元(13)、第三行波热声制冷机单元(14)和第四行波热声制冷机单元(15)，每个制冷机单元都具有谐振管(8)、惯性管(16)、声容(17)、室温换热器(11)、热声回热器(10)、冷端换热器(9)和热缓冲管(18)，在谐振管(8)前端依次设有热缓冲管(18)、冷端换热器(9)、热声回热器(10)、室温换热器(11)、声容(17)，谐振管(8)后端与中央柱管(6)出风口相连接。

4.根据权利要求3所述的一种风能驱动的热声制冷机，其特征在于所述的收缩风管(5)和扩散风管(7)的形状为锥形或喇叭形。

5.一种风能驱动的热声制冷机，其特征在于：它具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括依次相连接的收缩风管(5)、中央柱管(6)和扩散风管(7)，热声制冷装置具有第一带环路的行波热声制冷机单元(19)、第二带环路的行波热声制冷机单元(20)、第三带环路的行波热声制冷机单元(21)和第四带环路的行波热声制冷机单元(22)，每个制冷机单元都具有谐振管(8)、惯性管(23)、声容(24)、室温换热器(11)、热声回热器(10)、冷端换热器(9)和热缓冲管(25)，谐振管(8)前端设有行波环路，行波环路依次设有热缓冲管(25)、冷端换热器(9)、热声回热器(10)、室温换热器(11)、声容(24)、惯性管(23)，谐振管(8)后端与中央柱管(6)出风口相连接。

6.根据权利要求5所述的一种风能驱动的热声制冷机，其特征在于所述的收缩风管(5)和扩散风管(7)的形状为锥形或喇叭形。