CN102734099A

CN102734099A - 低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机

Info

Publication number: CN102734099A
Application number: CN2012102093942A
Authority: CN
Inventors: 汤珂; 李康; 金滔; 黄盛超; 黄迦乐
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102734099B

Abstract

本发明公开了一种低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机。它包括顺次连接的第一加热器、第一热缓冲管、第一冷却器、U形管、第二冷却器、第二热缓冲管、第二加热器，U形管内设有液体活塞。本发明是基于气液相变热声效应实现热声转换，其理想热力循环可近似为两个等压过程和两个绝热过程。与传统气体工质热声发动机系统相比，本发明的特点是冷热源温差小，可小温差大压比运行，利于实现对低品位热源的利用；单位体积能量密度大，有利于实现系统装置的小型化；气液耦合振动，可综合利用气态工质的可压缩性和液态工质的高密度质量惯性优化热声发动机系统的声阻抗。

Description

低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机

技术领域

本发明涉及热发动机装置，尤其涉及一种低品位热源驱动的热声发动机。

背景技术

热声发动机也称热声压缩机，或者热声驱动器，它仅有换热器和管段构成，除交变流动的流体工质外，没有机械运动部件，因此具有结构简单、运行稳定可靠、长寿命等特点，受到学术界和工业界的关注。

热声发动机通常采用气体作为工质，利用气体声场在回热器（或板叠）中与固体边界的热相互作用将热能转换为机械能，具体表现为在输入热量的条件下，当沿回热器（或板叠）的温度梯度大于临界值时，气体工质将产生自激振荡，热能被转换为气体压力波的机械能，并可将所产生的机械能以压力波的形式输出，而压力波可被用于驱动发电机发电或者制冷机获得制冷效应，以满足人们的应用需求。

虽然热声现象的发现可以追溯到200年以前，但由于热声发动机是自激振荡系统，不依赖于传统回热式气体热机中的曲柄、连杆、活塞等固体运动机械结构来强制流体的运动规律，虽然结构简单，但内部耦合机制非常复杂，直到最近20年热声发动机才获得突破性进展。

目前，采用气体工质的热声发动机压比可达1.4。利用热声发动机驱动直线发电机已经可以输出数百瓦的电功率，热电转换效率已经达到15%。采用热声发动机，通过弹性膜和声压放大器构成的耦合结构驱动脉管制冷机已经实现低于20K的制冷温度。通过燃烧一部分天然气的热量来驱动热声发动机，再由热声发动机驱动脉管制冷机进而液化天然气也已经实现了装置示范，对于远洋或者荒漠中开采天然气并以液化天然气的形式加以运输具有应用前景。

然而，分析现有气体工质热声发动机的工作机理和技术现状可以发现，它们存在诸如驱动热源温度较高（通常高于300℃）而难以直接利用低品位热源，以及能量密度相对较小导致系统体积较大等不足，限制其实际应用，是目前热声发动机相关研究领域亟待解决的重要问题。

正是在这样的技术背景下，本发明提出了一种低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机。相比于传统气体工质热声发动机，本发明主要利用了工质气液相变的物性特点（包括工质在理想的气液相变过程中温度是恒定的，较小的温度变化可对应较大的饱和压力变化，以及气液相变前后工质比容变化大等），通过气液相变热声效应实现热声转换，其主要目的就是为了改善热声发动机对于低品位热源的适应性，并提高热声发动机的单位体积能量密度，进而推进其实用化进程。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机。

低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机包括顺次连接的第一加热器、第一热缓冲管、第一冷却器、U形管、第二冷却器、第二热缓冲管、第二加热器，U形管内设有液体活塞。

所述的液体活塞为二氟甲烷CH₂F₂、氨NH₃、五氟一氯乙烷CF₂ClCF₃、八氟丙烷CF₃CF₂CF₃，液体活塞液面以上的系统空间中为所采用液体活塞工质的蒸气。

本发明公开的低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机，利用了工质气液相变的物性特点，可小温差大压比运行，利于实现对低品位热源的利用；单位体积的能量密度远大于传统气体工质热声发动机系统，有利于实现系统装置的小型化；并且气液耦合振动，可综合利用气态工质的可压缩性和液态工质的高密度质量惯性优化热声发动机系统的声阻抗。

附图说明

图1是驻波型气液相变热声发动机示意图；

图中：第一加热器1、第一热缓冲管2、第一冷却器3、U形管4、液体活塞5、第二冷却器6、第二热缓冲管7、第二加热器8；

图2是驻波声场的位移、速度和压力振动图；

图3是驻波声场气液相变热声效应理想热力循环图。

具体实施方式

如附图1所示，低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机包括顺次连接的第一加热器1、第一热缓冲管2、第一冷却器3、U形管4、第二冷却器6、第二热缓冲管7、第二加热器8，U形管4内设有液体活塞5。

所述的液体活塞5为二氟甲烷CH₂F₂、氨NH₃、五氟一氯乙烷CF₂ClCF₃、八氟丙烷CF₃CF₂CF₃，液体活塞液面以上的系统空间中为所采用液体活塞工质的蒸气。

相对于传统采用气体工质的热声发动机，本发明热声发动机中液体活塞工质将发生气液相变过程，因此合理的液体活塞工质选择非常重要。我们在300K和330K冷热源温度条件下，针对十余种工质进行图3所示的理想热力循环性能分析。分析结果显示，正常沸点和临界点温度相对较高，且气化潜热较大的工质可获得更高的热效率；而饱和压力较大的工质有利于实现更高的单位气体体积能量密度。综合两个方面，二氟甲烷CH₂F₂、氨NH₃、五氟一氯乙烷CF₂ClCF₃、八氟丙烷CF₃CF₂CF₃是较为理想的工质选择。

低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机运行时，首先需对热声发动机系统进行抽真空，排除系统中原有的空气；之后通过高压工质钢瓶向抽空后的热声发动机系统注入工质，使得工质液面处于第一加热器1和第一冷却器3以及第二加热器8和第二冷却器6之间。然后，开启驱动热源和冷却水，由于冷却水的冷却作用，第一冷却器3和第二冷却器6始终保持在室温，而驱动热源通过第一加热器1和第二加热器8向系统输入热量，第一加热器1和第二加热器8的温度升高，系统中工质压力也随之升高，并对系统中的工质产生一定的扰动。当加热器与冷却器之间的温差超过一定阈值时，由于工质与加热器和冷却器之间的传热作用，产生气液相变的热声转换，将部分热能转换为声功，工质在热声发动机中发生自激振荡，热声发动机进入正常工作状态。此时，液体活塞5的液面在第一加热器1和第一冷却器3以及第二加热器8和第二冷却器6之间往复运动，周期性的经历等压吸热、绝热膨胀、等压放热、绝热压缩的热力循环过程（见图3），实现热能至声功的转换。

此外，本发明提出的驻波型气液相变热声发动机是同一种工质的气态和液态的耦合振动系统，可以综合利用气态工质的可压缩性和液态工质的高密度质量惯性优化热声发动机系统的声阻抗，通过合理设计第一加热器1、第一热缓冲管2、第二加热器8和第二热缓冲管7中气相空间的体积，以及U形管4和液体活塞5的长度和直径，可以方便地控制热声发动机的谐振频率。

下面采用拉格朗日方法，结合驻波声场特点，分析气液相变热声效应热力循环过程，进而揭示驻波型气液相变热声发动机的工作原理。图1所示的驻波型气液相变热声发动机为左右对称结构，我们以左边部分为例进行工作原理说明。图2给出了驻波声场的位移、速度和压力振动图，其中压力与位移同相，压力与速度相差90度相位。参与热声转换的工质微元在第一加热器和第一冷却器之间往复运动，其热力循环（见图3）具体包括，1-2等压吸热过程：状态点1的过冷液体工质微元在正向极限位置附近，即在第一加热器中，由于加热器壁面温度高于过冷液体微元的温度，热量从固体壁面传递给过冷液体，使其在近似等压的条件下被加热至饱和，并进一步汽化至饱和气体；2-3绝热膨胀过程：状态点2的饱和气体微元从正向极限位置向负向极限位置快速移动，即从第一加热器通过第一热缓冲管向第一冷却器移动，由于热缓冲管的水力直径较大，气体微元来不及与热缓冲管固体边界换热，同时由于压力降低，气体微元经历近似绝热膨胀过程；3-4等压放热过程：在负向极限位置附近，即在第一冷却器中，由于冷却器壁面温度低于工质微元的温度，热量从工质微元传递给壁面，工质微元在近似等压的条件下被冷凝为饱和液体；4-1绝热压缩过程：状态点4的饱和液体微元从负向极限位置向正向极限位置快速移动，即从第一冷却器通过第一热缓冲管向加热器运动，同样由于热缓冲管的水力直径较大，液体微元来不及与热缓冲器固体边界换热，同时由于压力升高，液体微元经历近似绝热压缩过程，回到状态点1，完成循环。可见，在驻波声场中，参与气液相变热声转换的工质微元在第一加热器和第一冷却器之间中往复运动，所经历的理想热力循环包括两个等压过程和两个绝热过程，从总体上看，该循环实现了从高温热源吸热，向低温热源放热，进而将热能转换为声功。

以二氟甲烷CH₂F₂工质为例，设定冷热源温度恒定为300K和330K，工质与冷热源的传热温差均为5K，根据针对闭系的能量守恒关系式，结合二氟甲烷CH₂F₂的工质物性，可计算图3所示的驻波型气液相变热声转换理想热力循环的性能。计算结果显示，考虑5K传热温差后，二氟甲烷CH₂F₂在325K和305K下对应的饱和气体压力分别为，3.289MPa和2.029MPa，压比为1.62，单位体积工质（取状态点2的气体密度计算）的做功能力为1459.35kJ/m³；相对卡诺效率为62.57%，工质与冷热源的传热温差是该热力循环的主要不可逆因素。

Claims

1.一种低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机，其特征在于包括顺次连接的第一加热器（1）、第一热缓冲管（2）、第一冷却器（3）、U形管（4）、第二冷却器（6）、第二热缓冲管（7）、第二加热器（8），U形管（4）内设有液体活塞（5）。

2.根据权利要求1所述的一种低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机，其特征在于所述的液体活塞（5）为二氟甲烷CH₂F₂、氨NH₃、五氟一氯乙烷CF₂ClCF₃、八氟丙烷CF₃CF₂CF₃，液体活塞液面以上的系统空间中为所采用液体活塞工质的蒸气。