CN103808064A - 一种环形声学共振型热驱动热声制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其由N个热声单元和谐振管组成，N=3～10正整数；每个热声单元由并联的热声发动机单元和热声制冷单元组成；N个热声发动机单元通过谐振管首尾串联形成环路；热声制冷单元的制冷调相管接于热声发动机单元的主换热器入口前，热声制冷单元的制冷次换热器接于热声发动机单元的次换热器出口之后；系统工作时，加热器被加热，发动机回热器处形成温度差，系统中产生往复振荡压力波动，压力波动作用在制冷回热器产生制冷效应使热量从低温端换热器泵送至主换热器；系统内无任何运动部件，且发动机回热器和制冷回热器处相位均为行波相位，效率高，可在低温下获得千瓦、兆瓦甚至更高的冷量。

Description

一种环形声学共振型热驱动热声制冷系统

技术领域

本发明涉及能源动力以及低温制冷技术领域，尤其涉及一种环形声学共振型热驱动热声制冷系统。

背景技术

一定声场条件下，通过在狭窄流道中来回振荡的可压缩气体与周围固体介质之间的热交换，可实现声波主要传输方向上功的放大效应或泵热效应，即热声效应。热声发动机就是利用热声效应将外界高温热源输入的热量转换成声能的装置。而热声制冷机则是利用热声效应通过外界产生的压力波动实现热量从低温向高温的输运。热驱动热声制冷机，即用热声发动机产生的压力波动来驱动热声制冷机，实现从热量到冷量的转换达到制冷作用。

1990年，Radebaugh和Swift等人用一台驻波热声发动机成功驱动一台小孔气库型脉管制冷机获得了90K的低温，这是世界上第一台完全无运动部件的热驱动热声制冷机。但是驻波热声发动机由于其内在不可逆性，效率较低。1999年，Backhaus和Swift研制了一种带谐振管的行波热声发动机。2007年，胡剑英等人采用行波热声发动机驱动两级脉管制冷机获得了18.7K的低温。行波热声发动机的效率明显提高，但是其所带谐振管的体积很大，使得整个系统的功率密度很低。而且脉管制冷机采用小孔气库或者惯性管气库调相，损失较大。

1995年，肖家华提出过一种无运动部件的热声制冷机（申请号：95105965.3），如图1所示。上部分是热声发动机，由发动机换热器4、发动机回热器5、加热器6和发动机热缓冲管7组成。下部分是热声制冷机，由制冷机主换热器10、制冷机回热器11、低温端换热器12和制冷机热缓冲管13组成。热声发动机与热声制冷机串联成环路。加热器6从外界高温热源吸收热量后，在发动机回热器5中实现热声转换，热能转化成声能，声波经发动机热缓冲管7后进入热声制冷机，制冷机回热器11消耗声功使得热量从低温端换热器12向处在环境温度的制冷机主换热器10泵送，实现制冷。为了使发动机回热器5和制冷机回热器11工作在合适的声场，该系统需要配备多个调节阀17。这种无运动部件的热声制冷机，具有无运动部件、结构紧凑等优点。但是，控制系统内的声场较为复杂，且该系统能提供的冷量有限，目前未见其实际应用的报道。

2008年，李青等人在Swift研制的带谐振管行波热声机基础上提出了一种行驻波声场的热驱动热声制冷机装置（申请号：200810104592.6），如图2所示。该装置包括依次相连的发动机换热器4、发动机回热器5、加热器6、发动机热缓冲管7、制冷机主换热器10、制冷机回热器11和低温端换热器12。低温端换热器12与发动机回热器5之间由反馈管组成环路，与反馈管相连通的还有另一支路上的谐振管3。该装置也是利用发动机回热器5处的热声效应将热能转化成声能，进入制冷机回热器11消耗声功使热量从低温端换热器12泵送至制冷机主换热器10，达到制冷作用。该装置与图1所示装置的不同之处在于，环路中的声场通过环路中反馈管和支路上谐振管3来调节，声场调节简单。但是，与行波热声发动机一样，该制冷系统所带的谐振管体积较大，整机的功率密度难以提高。

2011年，罗二仓等人提出了一种双作用热驱动行波热声制冷系统，如图3所示。该系统包括至少三个基本单元，每个基本单元包括热声发动机、热声制冷机和谐振装置。热声发动机包括依次连通的发动机主换热器4、发动机回热器5、加热器6、发动机热缓冲管7和发动机次换热器8。热声制冷机包括依次连通的制冷机主换热器10、制冷机回热器11、低温端换热器12、制冷机热缓冲管13和制冷机次换热器14。谐振装置包括封闭的壳体，壳体内设置有往复运动的活动部件，活动部件将壳体分割成至少两个内腔。每个热声发动机和热声制冷机的主换热器和次换热器分别与不同的壳体内腔连通，形成气体工质流动的双环路结构。加热器6吸收外界高温热源的热量，在发动机回热器5产生声功，声功进入制冷机回热器11实现制冷效应。该热声系统可以通过多单元结构获得大功率的冷量，且结构紧凑，功率密度高。其不足之处在于，系统中的谐振装置为机械运动部件结构或者液体活塞结构，有损系统的寿命和可靠性。另外，多个单元中谐振装置的不一致性对系统性能的不利影响较大。

发明内容

本发明目的在于提供一种环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其结构简单无运动部件，热声发动机单元和热声制冷单元的回热器均工作在行波相位，整机效率高。采用多个热声单元结构，有利于在低温下获得大功率的冷量，可用于天然气液化等。改变换热器的工作温区，可以作为高温热泵使用，用于石油开采等。本发明提供的环形声学共振型热驱动热声制冷系统具有广阔的发展和应用前景。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其由N个热声单元和N个谐振管3组成，所述N=3～10的正整数；所述N个热声单元中的每个热声单元均由并联的一个热声发动机单元1和一个热声制冷单元2组成；

每个热声发动机单元1均包括依次相连的发动机主换热器4、发动机回热器5、加热器6、发动机热缓冲管7和发动机次换热器8；每个热声制冷单元2均包括依次相连的制冷调相管9、制冷主换热器10、制冷回热器11、低温端换热器12、制冷热缓冲管13和制冷次换热器14；所述N个热声单元的热声发动机单元1通过谐振管3首尾串联形成一环形回路；每一热声制冷单元2的制冷调相管9连接于该热声发动机单元1的发动机主换热器4入口之前，每一热声制冷单元2的制冷次换热器14连接于该热声发动机单元1的发动机次换热器8出口之后。

所述N个热声发动机单元的每一热声发动机单元1还包括用于抑制环路直流的第一阻力元件15；所述第一阻力元件15装于每一热声发动机单元1的发动机主换热器4入口与谐振管3的连接处；所述N个热声制冷单元的每一热声制冷单元2还包括用于抑制环流的第二阻力元件16，所述第二阻力元件16装于制冷主换热器10与制冷调相管9之间，所述第一阻力元件15和第二阻力元件16为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。

所述的第一环路直流阻力元件15安装在制冷换热器10之前方。

所述每一热声发动机单元1的发动机热缓冲管7直径为发动机回热器5直径的0.75-1.25倍；所述热声制冷单元2的制冷热缓冲管13直径为制冷回热器11直径的0.75-1.25倍。

为较好的控制发动机回热器5中的流速以减小损失，所述发动机回热器5截面面积与谐振管3截面面积之比为10～25；制冷回热器11截面面积与制冷调相管9截面面积之比为5～25。

所述热声发动机单元1的发动机热缓冲管7和热声制冷单元2的发动机热缓冲管7均冷端垂直向下布置，以降低其中的热自然对流损失。

本发明的环形声学共振型热驱动热声制冷系统中所使用的工质为氦气、氩气、氢气、氮气、二氧化碳或者它们的混合物气体。

所述加热器6为天然气加热器、乙炔加热器、煤加热器、石油加热器、太阳能加热器、生物质能加热器、工热余热加热器或高温工业烟气加热器；以有利于节约能源并提高能源利用率。

所述环形回路中的热声单元优选布置3-10个；并以6个为最优选，其次为4、9、8、3个，再其次为其它个数。

本发明的环形声学共振型热驱动热声制冷系统优点在于：可以解决现有热声制冷系统中的缺陷，即由热声发动机单元和热声制冷单元以及谐振管组成；热声发动机单元和热声制冷机单元并联连接，多个热声单元通过谐振管串联成环路结构；系统中采用谐振管和热声制冷单元中的一段调相管进行调相，声场调节简单；相比Swift提出的行波热声发动机中的谐振管而言，本发明中的谐振管和调相管直径大大减小；而且谐振管和调相管本身又可作为连接各部件的连接管，经过合理的空间布置后，整机的结构很紧凑；本发明同时还具有双作用热声制冷系统的优点，可以串联多个热声单元，获得大功率的冷量；系统中无运动部件，且各单元间的耦合作用相比双作用热声制冷系统大大减小，易于设计和调试，更有利于在实际系统中推广应用。

附图说明

图1为现有技术热驱动热声制冷机一的结构示意图；

图2为现有技术热驱动热声制冷机二的结构示意图；

图3为现有技术热驱动热声制冷机三的结构示意图；

图4为本发明的环形声学共振型热驱动热声制冷系统实施例的结构示意图；

图5为本发明的环形声学共振型热驱动热声制冷系统实施例中单个热声单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明；但实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

图4为本发明的环形声学共振型热驱动热声制冷系统一实施例的结构示意图；图5为本发明的环形声学共振型热驱动热声制冷系统该实施例中的单个热声单元的结构示意图；如图4和5所示，本实施例1的环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其由3个热声单元和3个谐振管3组成；3个热声单元中的每个热声单元均由并联的一个热声发动机单元1和一个热声制冷单元2组成；

每个热声发动机单元1均包括依次相连的发动机主换热器4、发动机回热器5、加热器6、发动机热缓冲管7和发动机次换热器8；每个热声制冷单元2均包括依次相连的制冷调相管9、制冷主换热器10、制冷回热器11、低温端换热器12、制冷热缓冲管13和制冷次换热器14；3个热声单元的3个热声发动机单元1通过谐振管3首尾串联形成一环形回路；每一热声制冷单元2的制冷调相管9连接于该热声发动机单元1的发动机主换热器4入口之前，每一热声制冷单元2的制冷次换热器14连接于该热声发动机单元1的发动机次换热器8出口之后。

本发明系统使用的工质为氦气、氩气、氢气、氮气、二氧化碳或者它们的混合物气体；

该环形声学共振型热驱动热声制冷系统工作时，加热器6从外界高温热源吸收热量，发动机回热器5中实现热能到声能的转换，产生的声功大部分被热声制冷单元利用，少部分消耗在谐振管3中；进入热声制冷单元2的声功在制冷回热器11中产生热声效应，热量从低温端换热器12泵送至制冷主换热器10，实现制冷作用；对加热器6进行加热的热源可以采用天然气、乙炔等可燃气体或煤、石油等燃料，也可采用太阳能、生物质能、工热余热或高温工业烟气等，有利于节约能源并提高能源利用率。

调相管9和谐振管3的作用是调节系统内声场分布，使发动机回热器5和制冷回热器11处在行波声场，提高制冷性能；发动机回热器5截面面积与谐振管3截面的面积之比、制冷回热器11截面面积与调相管9截面面积之比、谐振管3长度和调相管9长度是调节声场的重要参数；为较好的控制发动机回热器5中的流速以减小损失，发动机回热器5截面面积与谐振管3截面面积之比在10-25之间；制冷回热器11截面面积与制冷调相管9截面面积之比在5-25之间；为使热声发动机单元1与热声制冷单元2相匹配，使系统效率较高，发动机回热器5截面面积与制冷回热器11截面面积相当；

由于本发明系统中存在环路结构，环路中存在的直流可能恶化系统的性能；可以采用阻力元件来抑制直流，阻力元件为弹性隔膜元件或者非对称水力元件；为此每一热声发动机单元1还可包括用于抑制环路直流的第一阻力元件15；该第一阻力元件15装于每一热声发动机单元1的发动机主换热器4入口与谐振管3的连接处；每一热声制冷单元2还可以包括用于抑制环流的第二阻力元件16，该第二阻力元件16装于制冷主换热器10与制冷调相管9之间，所述第一阻力元件15和第二阻力元件16为弹性隔膜元件或者非对称水力元件；阻力元件可以根据需要安装一对或多对。

环形回路中的热声单元1理论上可以布置一个或多个；为了使系统效率较高，我们推荐布置3-10个（即N个热声单元，N=3～10的正整数），优选6个，其次为4、9、8、3个，再次为其它个数。

由于重力的存在，若发动机热缓冲管7和制冷热缓冲管13不是冷端垂直向下布置时，会产生热自然对流影响系统性能；热声发动机单元1与热声制冷单元2优选与重力方向平行布置，且热声发动机单元1的热缓冲管7和热声制冷单元2的制冷热缓冲管13均应热端在上、冷端在下布置；若因为实际应用中布置的需要，可以允许发动机热缓冲管7的布置方向与重力方向成任意角度，但制冷机则不允许冷头朝上布置。

此外，改变系统内换热器的工作温区，该结构还可作为热驱动热泵系统；比如，使低温端换热器12工作于环境温度，发动机主换热器4、发动机次换热器8、制冷主换热器10和制冷主换热器14工作在所需的泵热温度（比如80℃、100℃、150℃或其它温度），仅需加热器6从外界高温吸收热量，即可实现热量从环境温度泵送至所需泵热温度，制热系数可达1.5甚至更高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其由N个热声单元和N个谐振管（3）组成，所述N=3～10的正整数；所述N个热声单元中的每个热声单元均由并联的一个热声发动机单元（1）和一个热声制冷单元（2）组成；

每个热声发动机单元（1）均包括依次相连的发动机主换热器（4）、发动机回热器（5）、加热器（6）、发动机热缓冲管（7）和发动机次换热器（8）；每个热声制冷单元（2）均包括依次相连的制冷调相管（9）、制冷主换热器（10）、制冷回热器（11）、低温端换热器（12）、制冷热缓冲管（13）和制冷次换热器（14）；所述N个热声单元的热声发动机单元（1）通过谐振管（3）首尾串联形成一环形回路；每一热声制冷单元（2）的制冷调相管（9）连接于该热声发动机单元（1）的发动机主换热器（4）入口之前，每一热声制冷单元（2）的制冷次换热器（14）连接于该热声发动机单元（1）的发动机次换热器（8）出口之后。

2.按权利要求1所述的环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其特征在于，所述N个热声发动机单元的每一热声发动机单元（1）还包括用于抑制环路直流的第一阻力元件（15）；所述第一阻力元件（15）装于每一热声发动机单元（1）的发动机主换热器（4）入口与谐振管3的连接处；所述N个热声制冷单元的每一热声制冷单元（2）还包括用于抑制环流的第二阻力元件(16)，所述第二阻力元件(16)装于制冷主换热器（10）与制冷调相管（9）之间，所述第一阻力元件（15）和第二阻力元件(16)为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。

3.按权利要求2所述的环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其特征在于：所述的第一环路直流阻力元件（15）安装在制冷换热器（10）之前方。

4.按权利要求1所述的环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其特征在于：所述每一热声发动机单元（1）的发动机热缓冲管（7）直径为发动机回热器（5）的直径的0.75-1.25倍；所述热声制冷单元（2）的制冷热缓冲管（13）直径为制冷回热器（11）直径的0.75-1.25倍。

5.按权利要求1所述的环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其特征在于，所述发动机回热器（5）截面面积与谐振管（3）截面面积之比在10～25；制冷回热器（11）截面面积与制冷调相管（9）截面面积之比在5～25。

6.按权利要求1所述的环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其特征在于：所述热声发动机单元（1）的发动机热缓冲管（7）和热声制冷单元（2）的发动机热缓冲管（7）均冷端垂直向下布置，以降低其中的热自然对流损失。

7.按权利要求1所述的环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其特征在于，所述环形声学共振型热驱动热声制冷系统中使用的工质为氦气、氩气、氢气、氮气、二氧化碳或者它们的混合物气体。

8.按权利要求8所述的环形声学共振型热驱动热声制冷系统，其特征在于，所述加热器（6）为天然气加热器、乙炔加热器、煤加热器、石油加热器、太阳能加热器、生物质能加热器、工热余热加热器或高温工业烟气加热器。

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