CN105299951B - 一种环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其由N个热声发动机单元通过谐振管首尾相连构成的环路结构及N个脉管制冷机单元组成；N为3～10正整数；每一谐振管的连接发动机次冷却器端起的一段谐振管段两端分别连接一前和一后连接管，该谐振管段、脉管制冷机单元和前连接管依次相连成封闭回路；一发动机单元和一封闭回路构成热声转换单元；本发明的发动机回路实现声功回收，制冷机回路实现声功回收，发动机单元和制冷机单元的回热器实现行波转换，具有潜在整机高效率；无运动部件，可靠性高，结构紧凑，功率密度高，具有良好的应用前景。

Description

一种环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统

技术领域

本发明属于制冷领域，特别涉及一种环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统。

背景技术

热声现象是发生在振荡流体和固体壁面之间的热能和机械能之间的相互转化过程，它的两个重要应用就是热声发动机和脉管制冷机。在热声发动机中，通过加热器对气体加热，系统内产生自激的压力振荡，热能被转换为声能；在脉管制冷机中，声功在回热器内将热量从低温端搬运到高温端被消耗掉。如果用热声发动机产生的压力波动来驱动脉管制冷机，便产生一种从驱动源到冷端都没有任何运动部件的制冷机—热声驱动脉管制冷机，它具有可靠性高、寿命长和潜在热效率高等优点，受到人们的广泛关注。根据热声转换的声场特性，热声发动机通常分为行波热声发动机和驻波热声发动机。行波热声发动机基于可逆的热声斯特林循环，相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言潜在热效率高，应用前景好。

图1为Backhaus和Swift设计的一台带谐振管的环形管行波热声发动机。从声场性质来看，这是一台高效行/驻波混合型热声发动机。该行波热声发动机主要由行波环路和谐振管21组成，通过设计使发动机回热器5处于行波声场，同时在驻波谐振管末端引进了局部行波回路，提高了发动机回热器5处的阻抗，在性能上有很大的提高。但是，该行波热声发动机有很大一部分声功在驻波谐振管21中耗散掉，不能得以利用，潜在效率较低；同时，谐振管尺寸很大，系统功率密度低，制约了其进一步的应用。

图2为专利WO2010107308A1公布的一种四级行波热声发动机系统。该多级行波热声发动机系统由多个相同的热声发动机单元通过谐振管21相连构成的环路，每个热声发动机单元由依次相连的发动机主冷却器4、发动机回热器5和加热器(6)组成。该系统能够有效地回收耗散在谐振管21中的声功，潜在效果高。同时，增大了发动机回热器5处的面积，有效地减小了工质振荡速率，粘性损失减小。该系统采用的谐振管21体积较小，能够有效地避免图1中的谐振管21带来的体积过大，功率密度低等问题。但是，该热声发动机中未加入热缓冲管等结构，容易造成冷热气体混合损失，导致热量大量损耗在谐振管中，同时在环路系统中未安装发动机直流抑制器，降低了系统的效率。

图3为罗二仓等人提出的环路多级热声制冷系统。该系统主要由多级热声发动机单元1和至少一个脉管制冷机单元2组成。每一级热声发动机单元1通过谐振管21首尾相连构成环路结构，脉管制冷机单元2旁接于谐振管21。该系统结构紧凑，功率密度高，且热声发动机的声功能够得到回收，潜在热效率高。与图2相比，热声发动机单元1中增加了热缓冲管8、发动机次冷却器10、高温端层流化元件7和发动机室温端层流化元件9，在利用高温热源时，可以大大减少谐振管21内的热量损失；同时，增加的发动机直流抑制器3可消除环路直流带来的影响，使性能明显提高。但是，该系统中脉冲管制冷机单元2中从制冷机次冷却器19出来的声功被耗散在调相机构22中，完全没有得到回收，因此限制了系统效率的进一步提升。

为了解决以上存在的问题，本发明提出了一种环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统。它不仅保持了发动机回路可实现声功回收功能，而且也能使制冷机回路实现声功回收，具有潜在的整机高效率；热声发动机单元和脉管制冷机单元的回热器均可实现行波转换，热声转换效率高；系统无任何运动部件，可靠性高，结构紧凑，功率密度高；该系统可根据冷量的需求串联多个热声单元实现大冷量输出，适合应用于天然气液化、气体再冷凝等大冷量需求场合，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其整机无运动部件，结构紧凑，能量密度高；脉管制冷机并联于谐振管，能使制冷机回路实现声功回收，具有潜在的整机高效率；热声发动机单元和脉管制冷机单元的关键部件均在环路中，可实现行波转换，热声转换效率高；该装置在天然气液化等大冷量需求场合具有广阔的发展和应用前景。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的环路多级热驱动型行波热声制冷系统，一种环路多级热驱动型行波热声制冷系统，其由N个热声发动机单元1通过谐振管21首尾相连构成的环路结构及N个脉管制冷机单2组成；N为3～10的正整数；

每一热声发动机单元1均由依次相连的发动机主冷却器4、发动机回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、发动机室温端层流化元件9和发动机次冷却器10组成；

每一脉管制冷机单元2均由依次相连的制冷机主冷却器13、制冷机回热器14、冷头15、低温端层流化元件16、脉冲管17、制冷机室温端层流化元件18和制冷机次冷却器19组成；所述每一脉管制冷机单元2的低温端层流化元件16安装在每一脉冲管17的低温侧，所述每一脉管制冷机单元2的制冷机室温端层流化元件(18)安装在每一脉冲管17的室温侧；

每一谐振管21的连接发动机次冷却器10端起的一段谐振管段两端分别连接一前连接管11和一后连接管20，前连接管11长度大于后连接管20长度，前连接管11和后连接管20之间连接脉管制冷机单元2，脉管制冷机单元2的制冷机次冷却器19与后连接管20相连，脉管制冷机单元2的制冷机主冷却器13与前连接管11相连；该一段谐振管段、脉管制冷机单元2和前连接管11依次相连并形成封闭回路；一个热声发动机单元1和一个该封闭回路构成一热声转换单元；所述环路多级热驱动型行波热声制冷系统有N个热声转换单元，N个热声转换单元结构相同；

每一热声发动机单元1的加热器6均与热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；所述发动机主冷却器4和发动机次冷却器10通过冷却器的冷却水冷却以维持在室温范围；为此，每一热声发动机单元的发动机回热器5上形成相同的温度梯度；在该温度梯度下，发动机回热器5内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器6的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到谐振管21中，另一部分通过前连接管11传递到制冷机回热器14中发生热声转换，将每一脉管制冷机单元2的冷头15热量泵送至该脉管制冷机单元2的制冷机主水冷器13输出，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一脉管制冷机单元2冷头15保持低温；从制冷机次冷却器19出来的声功通过后连接管20回收到谐振管21中，与之前传递到谐振管21的声功一起继续传递到下一热声转换单元中，重复上述过程完成环路多级热驱动型行波热声制冷。

每一热声发动机单元1的制冷剂主冷却器4入口处连接一发动机直流抑制器3；每一热脉管制冷机单元2的制冷机主冷却器13入口处连接一制冷机直流抑制器12；所述发动机直流抑制器3和制冷机直流抑制器12为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。

所述前连接管11和后连接管20的直径相等或不相等。

所述后连接管20连接于谐振管21的任意位置处。

所述脉冲制冷机单元2中的脉冲管17冷端垂直向下布置，以降低自然对流带来的损失。

所述的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。

本发明的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其优点在于：将脉管制冷机并联于谐振管，能使制冷机回路实现声功回收，同时热声发动机串接于环路，也能够实现声功回收，具有潜在的整机高效率；整机无运动部件，结构紧凑，能量密度高；热声发动机单元和脉管制冷机单元的关键部件均在环路中，可实现行波转换，热声转换效率高；可根据冷量需求串联多个热声转换单元，实现大冷量输出。

附图说明

图1是Swift等人提出的带谐振管的环形管行波热声发动机结构示意图；

图2是De Block等人提出的四级行波热声发动机结构示意图；

图3是罗二仓等人提出的环路多级行波热声制冷系统结构示意图；

图4是本发明的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统实施例的结构示意图；

图5是本发明的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统实施例中单个热声转换单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明可在热声发动机和脉管制冷机末端实现声功回收，具有潜在的整机高效率；整机无运动部件，结构紧凑，能量密度高；热系统环路中各个位置可实现行波相位，提高工作效率；可根据冷量需求串联多个热声转换单元，实现大冷量输出，在天然气液化、再冷凝方面具有良好的应用前景。

实施例1

图4是本发明的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统实施例的结构示意图；图5为本发明的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统实施例中单个热声转换单元的结构示意图；如图4和5所示，本实施例1的本发明提供的环路多级热驱动型行波热声制冷系统，其由4个热声发动机单元1通过谐振管21首尾相连构成的环路结构及4个脉管制冷机单元2组成；N为3～10的正整数；

每一热声发动机单元1均由依次相连的发动机主冷却器4、发动机回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、发动机室温端层流化元件9和发动机次冷却器10组成；

每一脉管制冷机单元2均由依次相连的制冷机主冷却器13、制冷机回热器14、冷头15、低温端层流化元件16、脉冲管17、制冷机室温端层流化元件18、制冷机次冷却器19组成；所述每一脉管制冷机单元2的低温端层流化元件16安装在每一脉冲管17的低温侧，所述每一脉管制冷机单元2的制冷机室温端层流化元件18安装在每一脉冲管17的室温侧；

每一谐振管21连接热声发动机单元1的发动机次冷却器10端起的一段谐振管段两端分别连接一前连接管11和一后连接管20，前连接管11长度大于后连接管20，前连接管11和后连接管20之间连接脉管制冷机单元2，脉管制冷机单元2的制冷机次冷却器19与后连接管20相连，脉管制冷机单元2的制冷机主冷却器(13)与前连接管11相连；

依次相连的所述一段谐振管段、脉管制冷机单元2和前连接管11形成封闭回路；一个热声发动机单元1和一个所述封闭回路构成一热声转换单元；所述环路多级热驱动型行波热声制冷系统的N个热声转换单元结构相同；

每一热声发动机单元1的制冷剂主冷却器4的入口处连接一发动机直流抑制器3；每一热脉管制冷机单元2的制冷机主冷却器13的入口处连接一制冷机直流抑制器12；所述发动机直流抑制器3和制冷机直流抑制器12均为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。

所述后连接管20连接于谐振管21的任意位置处。

所述脉冲制冷机单元2中的脉冲管17冷端垂直向下布置，以降低自然对流带来的损失。

所述的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。

本实施例的发动机直流抑制器3和制冷机直流抑制器(12)均为弹性隔膜元件。所述前连接管11和后连接管20的直径相等或不相等

由于自然对流的影响和实际应用中布置的需求，本实施例的热缓冲管8的布置方向与重力方向垂直，脉冲管17的布置方向平行于重力方向，冷端垂直向下布置。

每一加热器6与热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端(923K)；所述发动机主冷却器4和发动机次冷却器10通过冷却水冷却以维持在室温范围(303K)；为此，每一热声发动机单元的发动机回热器5上形成温度梯度；在温度梯度下，发动机回热器5内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器6的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到谐振管21中，另一部分通过前连接管11传递到制冷机回热器14中发生热声转换，将每一冷头15的热量泵送至每一制冷机主水冷器13输出，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一冷头15保持低温；从制冷机次冷却器19出来的声功通过后连接管20回收到谐振管中，与之前传递到谐振管21的声功一起继续传递到下一热声转换单元中，如此循环，以使环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统正常工作。

同理，本发明提供的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其由N个热声发动机单元1通过谐振管21首尾相连构成的环路结构及N个脉管制冷机单元2组成；N为3～10的正整数，均可以实施。

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；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.一种环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其由N个热声发动机单元(1)通过谐振管(21)首尾相连构成的环路结构及N个脉管制冷机单元(2)组成；N为3～10的正整数；

每一热声发动机单元(1)均由依次相连的发动机主冷却器(4)、发动机回热器(5)、加热器(6)、高温端层流化元件(7)、热缓冲管(8)、发动机室温端层流化元件(9)和发动机次冷却器(10)组成；

每一脉管制冷机单元(2)均由依次相连的制冷机主冷却器(13)、制冷机回热器(14)、冷头(15)、低温端层流化元件(16)、脉冲管(17)、制冷机室温端层流化元件(18)和制冷机次冷却器(19)组成；所述每一脉管制冷机单元(2)的低温端层流化元件(16)安装在每一脉冲管(17)的低温侧，所述每一脉管制冷机单元(2)的制冷机室温端层流化元件(18)安装在每一脉冲管(17)的室温侧；

每一谐振管(21)的连接发动机次冷却器(10)端起的一段谐振管段两端分别连接一前连接管(11)和一后连接管(20)，前连接管(11)长度大于后连接管(20)长度，前连接管(11)和后连接管(20)之间连接脉管制冷机单元(2)，脉管制冷机单元(2)的制冷机次冷却器(19)与后连接管(20)相连，脉管制冷机单元(2)的制冷机主冷却器(13)与前连接管(11)相连；该一段谐振管段、后连接管(20)、脉管制冷机单元(2)和前连接管(11)依次相连并形成封闭回路；一个热声发动机单元(1)和一个该封闭回路构成一热声转换单元；所述环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统有N个热声转换单元，N个热声转换单元结构相同；

每一热声发动机单元(1)的加热器(6)均与热源相连以吸收热源热量形成相同温度的高温端；所述发动机主冷却器(4)和发动机次冷却器(10)通过冷却器的冷却水冷却以维持在室温范围；为此，每一热声发动机单元的发动机回热器(5)上形成相同的温度梯度；在该温度梯度下，发动机回热器(5)内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器(6)的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，一部分声功传递到谐振管(21)中，另一部分通过前连接管(11)传递到制冷机回热器(14)中发生热声转换，将每一脉管制冷机单元(2)的冷头(15)热量泵送至该脉管制冷机单元(2)的制冷机主冷却器(13)输出，热量由冷却器中的冷却水带走，使每一脉管制冷机单元(2)冷头(15)保持低温；从制冷机次冷却器(19)出来的声功通过后连接管(20)回收到谐振管21中，与之前传递到谐振管(21)的声功一起继续传递到下一热声转换单元中，重复上述过程完成环路多级热驱动型行波热声制冷。

2.按权利要求1所述的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其特征在于，每一热声发动机单元(1)的制冷剂主冷却器(4)入口处连接一发动机直流抑制器(3)；每一脉管制冷机单元(2)的制冷机主冷却器(13)入口处连接一制冷机直流抑制器(12)；所述发动机直流抑制器(3)和制冷机直流抑制器(12)为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。

3.按权利要求1所述的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其特征在于，所述前连接管(11)和后连接管(20)的直径相等或不相等。

4.按权利要求1所述的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其特征在于，所述后连接管(20)连接于谐振管21的任意位置处。

5.按权利要求1所述的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其特征在于，所述脉管制冷机单元(2)中的脉冲管(17)冷端垂直向下布置，以降低自然对流带来的损失。

6.按权利要求1所述的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统，其特征在于，所述的环路多级声功回收型热驱动行波热声制冷系统使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。