CN101440791A - 多级热声压缩系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级热声压缩系统，包括多级驻波热声压缩系统、多级纯行波热声压缩系统以及多级行波驻波混合热声压缩系统。通过引入单向阀，将热声压缩机从低压至高压串联起来，利用热声压缩机中产生的压力波动压缩工质，并实现从低压至高压级的输送，达到压缩的目的。相对于常规的多级机械式压缩系统，本发明提出的多级热声压缩系统无机械运动部件，采用热驱动，结构简单，成本低，运行可靠，并且可实现大气量压缩。

Description

多级热声压缩系统

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，尤其涉及一种可实现无机械运动部件、长寿命运行和大气量的气体压缩的多级热声压缩系统。

背景技术

压缩机是一种将气体体积缩小，压力增高的动力机械。传统的机械式压缩机可分为螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、活塞式压缩机和离心式压缩机等。这些机械式压缩机中无不存在着机械运动部件，结构较为复杂且加工难度较大，而且传统的机械式压缩机由于存在磨损，难以维持长寿命无故障运转，成本高。另外，传统的机械式压缩机都只能利用电能驱动，在电能缺乏场合使用受限。由于汽缸容积的限制，机械式压缩机难以实现大气量的压缩。

热声效应是热能与声能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。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；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输。利用前者工作的热声热机被称为热声压缩机或热声发动机，后者则被称为热声制冷机。在热声压缩机的回热器或板叠中，气体工质在沿固体介质纵向振荡的同时，与固体介质发生横向热量传递，在经历一个循环后热量被气体工质从高温端传递到低温端，一部分热能转化为声能。

根据声场特性不同，热声压缩机主要分为驻波型、行波型及驻波行波混合型三种型式。行波声场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差90°。

热声压缩机不同于常规的机械式压缩机，它没有机械运动部件，具有潜在高效率、结构简单、运行可靠、无维护工作时间长和工质环境友好的显著优点。热声压缩机采用热能驱动，可利用工业废热、太阳能等低品位能源，是一种极具潜力的压缩机。

常规的机械式压缩已经实现多级压缩，但热声压缩机的研究由于起步较晚，且由于热声压缩机的自身特点，热声压缩机内的气体压力变化是在平均压力附近的一种压力波，不同于常规的机械式压缩机吸入低压气体、排出高压气体的气体增压过程，所以多级热声压缩难以实现，目前尚无多级热声压缩系统的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多级热声压缩系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多级热声压缩系统，它主要由若干个热声压缩机、单向阀和气源组成。所述气源与热声压缩机之间通过单向阀相连，热声压缩机之间依次通过单向阀串联。

进一步地，所述热声压缩机为驻波热声压缩机，所述驻波热声压缩机主要由气库、谐振管、冷却器、热声板叠和加热器组成。

进一步地，所述热声压缩机为纯行波热声压缩机，所述纯行波热声压缩机主要由谐振管、冷却器、加热器、单向阀、气源和回热器组成。

进一步地，所述热声压缩机为行波驻波混合热声压缩机，所述行波驻波混合热声压缩机主要由加热器、单向阀、气源、回热器、谐振直路、热缓冲管、主冷却器、次冷却器和反馈回路组成。

本发明的有益效果是：本发明通过使用单向阀，将热声压缩机从低压至高压串联起来，利用热声压缩机中产生的压力波动，实现压缩工质从低压至高压的输送，达到大压比压缩的目的。相对于常规机械式压缩系统，本发明提出的多级热声压缩系统由于无机械运动部件，具有结构简单，成本低，运行可靠的显著优点；其次，多级热声压缩机系统直接采用热能驱动，摆脱了对电能的依赖；再次，热声压缩机具有较大的谐振腔，在其内实现压缩和膨胀过程，因而气量要比一般的机械式压缩机大的多，可实现大气量的压缩；最后，热声压缩机的工作频率可以很方便地通过改变谐振管的长度和结构型式调节。

附图说明

图1是多级驻波热声压缩系统示意图；

图2是多级纯行波热声压缩系统示意图；

图3是多级行波驻波混合热声压缩系统示意图；

图中，1、气库，2、谐振管，3、冷却器，4、热声板叠，5、加热器，6、单向阀，7、气源，8、回热器，9、谐振直路，10、热缓冲管，11、主冷却器，12、次冷却器，13、反馈回路。

具体实施方式

本发明提出了一种基于热声技术的多级热声压缩机系统，可将工质从低压压缩至高压。它主要有多级驻波热声压缩系统、多级纯行波热声压缩系统以及多级行波驻波混合热声压缩系统三种型式。在一个多级热声压缩系统中亦可以同时存在不同型式的热声压缩机。

本发明的多级热声压缩系统主要由若干个热声压缩机、单向阀和气源组成。气源与热声压缩机之间通过单向阀相连，热声压缩机之间依次通过单向阀串联。单向阀保证了气流从气源单向依次流入第一级热声压缩机、第二级热声压缩机、第三级热声压缩机……。

下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

实施例1

如图1所示，多级驻波热声压缩系统包括若干个驻波热声压缩机、单向阀6和气源7，驻波热声压缩机主要由气库1、谐振管2、冷却器3、热声板叠4和加热器5组成。气源7与第一级驻波热声压缩机的谐振管2之间安装单向阀6，只能允许气流从气源7单向流入第一级驻波热声压缩机，而不能反向流动。第一级驻波热声压缩机的平均压力约等于气源压力，第一级驻波热声压缩机工作时，其中的气体压力在平均压力附近以正弦波动，当第一级驻波热声压缩机内压力低于气源7压力并且压力差超过单向阀6的阈值压差时，气体便被吸入到第一级驻波热声压缩机中。同样，第一级驻波热声压缩机与第二级驻波热声压缩机间也设有单向阀6，当第一级驻波热声压缩机中的压力由于压力波动高于第二级热声压缩机时，气体便从第一级驻波热声压缩机压出，进入第二级驻波热声压缩机。此后的低压级驻波热声压缩机与其相邻的高压级驻波热声压缩机间均设有单向阀6，工作过程与以上相同。在各级的驻波热声压缩机中，气体引入的最佳位置一般在谐振管2上，也可以在气库1处，气体引出的位置应该在压力振幅较大的谐振管2的靠近冷却器3处。尽管图中仅仅示出了一个三级热声压缩系统，根据压比的需要，该系统可以扩展到更多级的系统。

实施例2

如图2所示，多级纯行波热声压缩系统包括若干个纯行波热声压缩机、单向阀6和气源7，纯行波热声压缩机主要由谐振管2、冷却器3、加热器5、单向阀6、气源7和回热器8组成。工作过程与多级驻波热声压缩系统相同。气体引入位置为图2所示的谐振管2处，可适当调整；引出位置通常位于冷却器3附近。

实施例3

如图3所示，多级行波驻波混合热声压缩系统包括若干个行波驻波混合热声压缩机、单向阀6和气源7，行波驻波混合热声压缩机主要由加热器5、单向阀6、气源7、回热器8、谐振直路9、热缓冲管10、主冷却器11、次冷却器12和反馈回路13组成。工作过程与图1多级驻波热声压缩系统相同，不同点在于气体引入引出位置的差异。各级行波驻波混合热声压缩机引入口位置如图3所示，可以位于谐振直路9右端，亦可以位于行波环路和谐振直路的其他位置；由于气体引出口的位置一般应该在压力振幅较大处，所以引出口位置应该在图3中所示的环路声容附近，亦可以位于谐振直路9与环路的交点处。

上述各种多级热声压缩系统中，不局限于只使用同种类型的热声压缩机，也可多种类型热声压缩机混合组成多级热声压缩系统。本发明所提出的多级热声压缩系统无机械运动部件，采用热驱动，结构简单，成本低，运行可靠，并且可实现大气量压缩。

Claims (4)

1.一种多级热声压缩系统，其特征在于，它主要由若干个热声压缩机、单向阀和气源组成。所述气源与热声压缩机之间通过单向阀相连，热声压缩机之间依次通过单向阀串联。

2.根据权利要求1所述多级热声压缩系统，其特征在于，所述热声压缩机为驻波热声压缩机，所述驻波热声压缩机主要由气库、谐振管、冷却器、热声板叠、加热器等组成。

3.根据权利要求1所述多级热声压缩系统，其特征在于，所述热声压缩机为纯行波热声压缩机，所述纯行波热声压缩机主要由谐振管、冷却器、加热器、单向阀、气源、回热器等组成。

4.根据权利要求1所述多级热声压缩系统，其特征在于，所述热声压缩机为行波驻波混合热声压缩机，所述行波驻波混合热声压缩机主要由加热器、单向阀、气源、回热器、谐振直路、热缓冲管、主冷却器、次冷却器、反馈回路等组成。

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