CN107223196B - 热声热泵 - Google Patents

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Abstract

一种通过声波来转移能量的热声装置(1、2、3、4、5、6)包括：源(10)，其用于生成声波；热力学区段，其形成声学网络并且包括顺应性空间(140)、热声核心(150)和流体惯性(160)。热力学区段位于谐振器与源之间。热声核心在热力学区段内并且包括冷端(HX1)、热端(HX2)和回热器(151)。回热器置于热端与冷端之间。源包括活塞式压缩机(18)。压缩机被布置成机械双作用往复活塞式压缩机，其具有用于在活塞的一侧上生成的压力波的第一出口和用于在活塞的另一侧上生成的压力波的第二出口。第一出口与第一热力学区段联接，并且第二出口与第二热力学区段联接。

Description

热声热泵
技术领域
本发明涉及热声装置，具体地，涉及热声热泵。
背景技术
热声装置用于将声能转换成热能，反之亦然。例如，从US 5,647,216中得知这样的热声装置。
该热声装置被配置成将管子或容器用作其中设置有热力学区段的谐振器空腔。热力学区段包括声学网络。该网络的中心是热声核心，所述热声核心包括回热器和两个热交换器。热交换器位于回热器的外端并且各自被配置成在相应的外部流体流与回热器之间交换热量。声学驱动器位于容器中，距回热器一定距离。
由声学驱动器以声波的形式传递到热泵的声功率在回热器上产生温差，从而导致一端的一个热交换器中的流体流冷却而另一端的另一热交换器中的流体流加热。通过这种方式，热声装置充当用于将热量从低温泵送到高温的热声热泵(TAHP(thermo-acousticheat pump))。
TAHP的设计当前限于相对低的热功率应用，这是因为缺乏具有足够高的声输出功率的合适的驱动器。不利的是，许多工业应用需要大量的工艺用热，而这是当前的TAHP装置无法提供的。
从US 5,647,216中得知一种热声装置，该热声装置充当热声制冷机，其包括半波长谐振器、位于所述谐振器的第一端和第二端并在壳体中的第一驱动器和第二驱动器、两个推进器圆锥、多个热交换器、第一堆叠和第二堆叠，利用能够调到驱动器谐振频率的可压缩气体混合物。推进器圆锥由音圈(扬声器)驱动并且充当耦合声源，所述声源以180度相对相移在扬声器中生成声波。这种TAHP的输出功率由音圈所生成的声场的强度限制。扬声器的电声效率受限，构造不够稳健到足以产生较高声压，并且扬声器无法放大到高功率(例如，在MW范围内)。
JP 2008051408公开一种脉冲管制冷机，其包括：包括第一贮冷装置的第一制冷部分、具有第一高温端和第一低温端的第一脉冲管、第一通道控制构件以及第一缓冲罐，它们相继地连接到振动发生器；包括第一贮冷装置和第二贮冷装置的第二制冷部分、具有第二高温端和第二低温端的第二脉冲管、第二通道控制构件以及第二缓冲罐，它们相继地连接到振动发生器的高压通道和低压通道；第一通道，其连接第一贮冷装置和振动发生器；第二通道，其连接第一通道控制构件和第一脉冲管；以及第三通道，其连接第二通道控制构件和第二脉冲管，其中脉冲管制冷机还包括连接相应通道和通道的旁路通道、设在旁路通道中的缸，以及在缸的轴向长度方向上往复运动的置换器。
DE 4220840公开一种脉冲管制冷机系统，其包括用于压缩工作流体的压缩机容积、联接到压缩机容积并且被布置成散发热量的散热器，以及与散热器联接的回热器。
EP 2781856涉及双功能热驱动行波热声制冷系统，并且公开一种热启动式双作用行波热声制冷系统，其包括：至少三个基本单元，其中每个基本单元包括热声发动机、热声制冷机和谐振装置；热声发动机和热声制冷机依次包括主热交换器、回热器、非常温热交换器、热缓冲管和辅助热交换器；谐振装置包括密封壳体，其中它配备有进行往复运动的移动部分，其中移动部分将壳体分成至少两个腔室；每个热声发动机和热声制冷机的主热交换器和辅助热交换器分别连接到不同壳体的腔室，从而形成气体介质流的双回路结构。在对热声发动机的非常温热交换器进行加热以产生声功率时，热声发动机和热声制冷机的内部会产生热声能量转换。本发明的目标是克服现有技术的一个或多个缺点。
发明内容
由通过声波来转移能量的热声装置来实现所述目标，该热声装置包括：-声源，其用于生成声波；-热力学区段，其形成声学网络并且包括顺应性容积、热声核心和流体惯性；热力学区段与声源相邻；热声核心位于热力学区段中并且包括冷端区段、热端区段和回热器，回热器置于热端区段与冷端区段之间，其中声源包括用于产生压力波的往复活塞式压缩机，该压缩机被布置成机械双作用往复活塞式压缩机，其具有--用于在活塞的一侧上生成的压力波的第一出口，和--用于在活塞的另一侧上生成的压力波的第二出口；热力学区段分成第一热力学子区段和第二热力学子区段；第一出口与第一热力学子区段流体连通，并且第二出口与第二热力学子区段流体连通。
通过使用这样的机械压缩机，本发明实现：声学驱动器可以生成比扬声器或线性电动机可产生的声波高的相对高输出功率电平的声波，从而有助于热泵的高功率输出。通过这种方式，可以在比到目前为止可实现功率范围的更大的功率范围上开发热声热泵。此外，使用被配置成给两个热声核心供给动力的双作用机械压缩机会改善TAHP的热输出。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中第一热力学子区段是热力学区段的第一部分，其中第一部分联接到第一出口，并且第二热力学子区段是同一热力学区段的第二部分，其中第二部分联接到第二出口。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中第一热力学子区段是联接到第一出口的第一热声装置，并且第二热力学子区段是联接到第二出口的第二热声装置。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中第一热力学子区段包括第一热声核心部分，并且第二热力学子区段包括第二热声核心部分，使得第一出口与第一热声核心部分流体连通，并且第二出口与第二热声核心部分流体连通。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中双作用往复活塞式压缩机被配置成用于生成频率在10到30Hz范围内的声波。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中双作用往复活塞式压缩机被配置成用于生成压力振幅在1到10bar范围内的声波。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中热声装置的系统压力在约20到约100atm的范围内。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中双作用往复活塞驱动式压缩机具有在约50与约1000kW之间的每活塞声功率输入。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中冷端区段和热端区段各自在热力学区段的第一部分和热力学区段的第二部分中延伸，回热器包括声学网络的第一部分中的第一回热器和声学网络的第二部分中的第二回热器。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中热声核心包括热力学区段的第一部分中的第一热声核心和热力学区段的第二部分中的第二热声核心，第一热声核心和第二热声核心中的每个包括冷端、热端和回热器。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中第一热声核心与第二热声核心串联热联接。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中第一热声核心与第二热声核心并联热联接。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中热力学区段包括纵长分隔件，所述纵长分隔件形成第一部分和第二部分。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中每个所述部分包括与所述部分中的热声核心的部分相邻的旁路通道。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中每个热力学子区段与相应的谐振器区段联接，并且热力学子区段位于谐振器区段与声源之间。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中谐振器区段包括声学谐振器。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中谐振器区段包括作为机械谐振器的质点弹簧布置。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，该热声装置包括谐振器区段，其中谐振器区段是封闭空腔，所述封闭空腔相对于声源而位于热力学区段之后，其中热力学区段在声源与顺应性容积的中间。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中热力学区段布置在封闭空腔中，所述封闭空腔相对于声源而位于热力学区段之后，其中热力学区段在声源与顺应性容积的中间。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，该热声装置包括其中设置有两个热力学子区段的封闭容积，每个热力学子区段具有相应的热声核心区段和顺应性容积，热力学子区段由分隔壁在封闭容积中形成。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中该装置被配置成加热和/或冷却装置。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声装置，其中通过将活塞作为驱动元件联接到发电机而将该装置配置成发电装置的一部分，以产生电力。
根据一方面，本发明提供热声系统，该热声系统包括至少一个如上文所述的热声装置。
根据一方面，本发明提供如上文所述的热声系统，其中机械双作用往复活塞式压缩机是具有多个双作用活塞的往复多活塞式压缩机，其中通过将相应活塞的第一输出和第二输出联接到相关联的声源装置的第一入口和第二入口，每个活塞充当相关联的声源装置的声源。
从属权利要求进一步限定有利的实施例。
附图说明
下文将参考附图更详细地说明本发明，附图中示出本发明的实施例。附图用于说明性目的，而不限制本发明的保护范围。本发明由所附权利要求书的主旨限定。
在附图中，
图1示意性地示出根据现有技术的热声装置；
图2示意性地示出根据本发明的实施例的热声装置；
图3示意性地示出根据本发明的实施例的热声装置；
图4示意性地示出根据本发明的热声装置；
图5示意性地示出根据本发明的热声装置；
图6示意性地示出根据本发明的热声装置；以及
图7示出根据本发明的多个热声装置的布置。
在每个图中，具有相同参考编号的实体是指对应的实体。应理解，除非另有描述，否则此类实体基本上相同或等效。
具体实施方式
图1示意性地示出根据现有技术的热声装置100。
热声装置100包括谐振器区段110、热力学区段120以及声源130。热力学区段120通常布置在谐振器区段110与声源130的中间。本领域技术人员将了解，图1中只示出了谐振器区段110的入口。
根据现有技术，声源130通常包括扬声器或线性电动机。
热力学区段120包括顺应性容积140(顺应性C)、热声核心(流体阻力R)150以及流体惯性160(惯性L)。顺应性容积140、热声核心150以及流体惯性160形成声学电路(RLC)，所述声学电路被配置成在使用期间形成需要在斯特林循环(Stirling cycle)中操作的声波的行波相位。
热声核心包括置于两个热交换器HX1、HX2之间的回热器151。回热器151是热声装置100中发生热声热泵效应(如上文所述)的位置。
两个热交换器HX1、HX2(冷和热)是分别与外部热源和散热器(均未示出)交换热量所必需的。可选地，热力学区段120包括第一热缓冲区TBZ。第一热缓冲区TBZ位于热声核心150与谐振器区段110之间。第一热缓冲区TBZ中的气柱为面对谐振器的热交换器HX1提供热绝缘。应注意，第二热缓冲区可以布置在另一热交换器HX2与顺应性容积140之间。
此外，第一热缓冲区和第二热缓冲区TBZ可选地包括位于它们远端的周围环境热交换器AHX，以拦截从第一热缓冲区和第二热缓冲区TBZ泄漏的热量。
图2示出根据本发明的实施例的热声装置1。热声装置1包括热力学区段，该热力学区段被分隔壁16分成第一热力学区段部分或子区段120A和第二热力学区段部分或子区段120B，该第一热力学子区段120A和第二热力学子区段120B在声源10与谐振器区段110的入口之间彼此平行地延伸。
第一热力学子区段120A包括热声核心部分150A，该热声核心部分150A具有置于两个热交换器之间的回热器。类似地，第二热力学子区段120B包括第二热声核心部分150B，该第二热声核心部分150B具有置于两个热交换器之间的回热器。在此实施例中，每个热交换器(HX1和/或HX2)可以布置成在第一热力学子区段和第二热力学子区段中延伸的一个热交换器，或者布置成相应热力学子区段内的单独热交换器。如果是第一热力学子区段和第二热力学子区段的每一个中具有单独热交换器的情况，则这些热交换器可以串联连接或并联连接。
声源10通过第一入口12联接到第一热力学子区段120A并且通过第二入口14联接到第二热力学子区段120B。
根据本发明，声源10包括具有活塞18的往复活塞式压缩机，其中活塞18用于产生压力波以作为声波。
声源10布置成机械双作用往复活塞驱动式压缩机，其具有用于由活塞的一侧(即，在第一冲程方向上)生成的压力波的第一出口和用于由活塞的另一侧(即，在相反的第二冲程方向上)生成的压力波的第二出口。
冲程方向基本上垂直于热声装置1的主轴，所述主轴经由热声核心从声源延伸到谐振器区段(对于每个热力学区段)。
第一出口与热声装置1的第一入口12流体连通，第二出口与热声装置1的第二入口14流体连通。
使用机械活塞式气体压缩机允许产生高强度的声波，从而允许热泵可以处理较大的热流。压缩机可以处理较大的气体扫掠体积(gas sweep volume)并且在较大功率范围上可通过商业得到。
此外，通过使用双作用模式下的压缩机，与具有类似孔和冲程的单作用压缩机相比，所述压缩机的输出功率加倍。为了利用两个冲程方向上的压力波，第一热力学子区段120A联接到压缩机的一个出口并且由对应的活塞面在一个冲程方向上生成的压力波驱动。第二热力学子区段120B联接到压缩机的另一出口，因而由第二活塞面在相反冲程方向上生成的压力波驱动。
图3在声学上类似于图2所示的布置，具有两个分开的热力学子区段。两个热力学子区段借助于中间热交换器HX3进行串联热联接，而在图2所示的实施例中，使用两个热力学部分的并联热联接。
图4示意性地示出根据本发明的实施例的热声装置布置3。
在此实施例中，热声装置布置包括第一热声装置TD1和第二热声装置TD2。
机械双作用往复活塞式压缩机的声源10分别借助于第一入口12和第二入口14联接到第一热声装置TD1和第二热声装置TD2。
每个热声装置TD1、TD2配备有已经参考图1说明的相应热力学子区段250、350和谐振器210、310。应注意，只示出谐振器区段的入口，谐振器区段由虚线轮廓示意性地示出。
在另一实施例中，两个热声装置TD1、TD2的谐振器210、310可以进行联接以形成封闭的谐振器环路。
图5示意性地示出根据本发明的热声装置4。
在此实施例中，热声装置4包括封闭容积30，其中放置了具有相应热声核心区段150A、150B和相应顺应性容积140A、140B的两个热力学子区段250和350。热力学子区段已经由分隔壁16形成。压缩机10的缸分别联接到热力学子区段250和350的第一入口12和第二入口14，使得活塞18的一侧被布置成在第一入口12处提供压力波并且活塞18的另一侧被布置成在第二入口14处提供压力波。
压缩机通过以给定的频率周期性地压缩和扩张气体而在热力学子区段250和350中生成压力波动。换言之，压缩机的往复活塞起机械谐振器的作用，即，取代谐振器。
图6示意性地示出根据本发明的热声装置7，其类似于参考图5描述的实施例。
热声装置包括被布置成具有朝向/离开热声核心的往复运动的往复活塞，所述往复运动与主轴平行，即，活塞的一侧平行于热声核心的主轴方向。
图7示出根据本发明的多个热声装置TD1、TD2、TD3、TD4的布置6。
根据实施例，机械双作用往复活塞驱动式压缩机20是多活塞往复式压缩机。活塞21、22、23、24中的每个用作可以根据任一上述实施例构建的一个热声装置TD1、TD2、TD3、TD4的声源。
通过这种方式，形成具有随着缸的数量而线性缩放的较高热输出功率的多热泵系统。
当需要大量的工艺用热并且压缩机一般是多缸体系统时，这对工业应用有利。大型多缸体压缩机可以用来给多热泵系统供给动力，以在高温下生成较高热功率。大型多缸体压缩机比针对每个热泵使用单独的较小压缩机便宜。此外，压缩机的控制设备将更便宜，这是因为如果只使用一个大型多缸体压缩机，则将只需要一个控制设备。使用多缸体系统的另一优点是具有机械平衡系统，以最小化系统所产生的振动和噪声。
应了解，在上文中，谐振器可以是声学谐振器(λ、λ/2、λ/4等)，但它也可以是由质点弹簧振荡器(mass-spring oscillator)构成的机械谐振器。
机械双作用往复活塞驱动式压缩机可以由任何类型的驱动机构驱动，诸如，电动机、内燃机或涡轮机。
此外，热声装置可以通过将活塞作为驱动元件联接到发电机而用作发电装置，以产生电力。在此实施例中，热泵被从热量中产生声波以驱动活塞的热声发动机取代。因此，活塞驱动发电机。
尽管已经描述了本发明的具体实施例，但应理解，所述实施例并不意图限制本发明。本发明可以体现任何替代、更改或等效物。本发明意图被解释为包括所附权利要求书的范围内的所有此类更改和改变。

Claims (25)

1.一种通过声波来转移能量的热声装置(1；2；3；4；5；6)，其包括：
-声源(10)，其用于生成所述声波；
-热力学区段，其形成声学网络(RLC)并且包括顺应性容积(140)、热声核心(150)和流体惯性(160)；
-谐振器；
所述热力学区段位于所述谐振器与所述声源之间，并与所述声源相邻；
所述热声核心位于所述热力学区段中并且包括冷端区段(HX1)、热端区段(HX2)和回热器(151)，所述回热器置于所述热端区段与所述冷端区段之间；
其中所述声源(10)包括具有活塞(18)的往复活塞式压缩机，所述活塞(18)用于产生压力波，
所述往复活塞式压缩机被布置成机械双作用往复活塞式压缩机，其具有：
--用于在所述活塞(18)的一侧上生成的压力波的第一出口，和
--用于在所述活塞(18)的另一侧上生成的压力波的第二出口，
所述热力学区段分成第一热力学子区段和第二热力学子区段；
所述第一出口(12)与所述第一热力学子区段流体连通，并且所述第二出口(14)与所述第二热力学子区段流体连通，所述往复活塞式压缩机的冲程方向垂直于所述热声装置的主轴。
2.根据权利要求1所述的热声装置，其中，
所述第一热力学子区段是所述热力学区段的第一部分，其中所述第一部分联接到所述第一出口，并且所述第二热力学子区段是同一热力学区段的第二部分，其中所述第二部分联接到所述第二出口。
3.根据权利要求1所述的热声装置，其中，
所述第一热力学子区段是联接到所述第一出口的第一热声装置，并且所述第二热力学子区段是联接到所述第二出口的第二热声装置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热声装置，其中，所述第一热力学子区段包括第一热声核心部分，并且所述第二热力学子区段包括第二热声核心部分，使得所述第一出口与所述第一热声核心部分流体连通，并且所述第二出口与所述第二热声核心部分流体连通。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的热声装置，其中，所述机械双作用往复活塞式压缩机被布置成用于生成频率在10到30Hz范围内的声波。
6.根据权利要求5所述的热声装置，其中，所述机械双作用往复活塞式压缩机被布置成用于生成压力振幅在1到10bar范围内的声波。
7.根据权利要求5所述的热声装置，其中，所述热声装置的系统压力在20到100atm的范围内。
8.根据权利要求5所述的热声装置，其中，所述机械双作用往复活塞式压缩机具有在50与1000kW之间的每活塞声功率输入。
9.根据权利要求2所述的热声装置，其中，所述冷端区段和所述热端区段各自在所述热力学区段的所述第一部分和所述热力学区段的所述第二部分中延伸，所述回热器包括所述声学网络的第一部分中的第一回热器和所述声学网络的第二部分中的第二回热器。
10.根据权利要求2所述的热声装置，其中，所述热声核心包括所述热力学区段的所述第一部分中的第一热声核心和所述热力学区段的所述第二部分中的第二热声核心，每个热声核心包括冷端、热端和回热器。
11.根据权利要求10所述的热声装置，其中，所述第一热声核心与所述第二热声核心串联热联接。
12.根据权利要求10所述的热声装置，其中，所述第一热声核心与所述第二热声核心并联热联接。
13.根据权利要求2所述的热声装置，其中，所述热力学区段包括纵长分隔件，所述纵长分隔件形成所述热力学区段的所述第一部分和所述热力学区段的所述第二部分。
14.根据权利要求4所述的热声装置，其中，所述第一热力学子区段和所述第二热力学子区段分别包括与所述第一热声核心部分和所述第二热声核心部分相邻的旁路通道。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的热声装置，其中，每个热力学子区段与相应的谐振器区段联接，并且所述热力学子区段位于所述谐振器区段与所述声源之间。
16.根据权利要求15所述的热声装置，其中，所述谐振器区段包括声学谐振器。
17.根据权利要求15所述的热声装置，其中，所述谐振器区段包括作为机械谐振器的质点弹簧布置。
18.根据权利要求3所述的热声装置，其中，所述热力学区段布置在封闭空腔中，所述封闭空腔相对于所述声源而位于所述热力学区段之后，其中所述热力学区段在所述声源与所述顺应性容积的中间。
19.根据权利要求2所述的热声装置，其包括设置有两个热力学子区段的封闭容积，每个热力学子区段具有相应的热声核心和顺应性容积，所述第一热力学子区段和所述第二热力学子区段由分隔壁在所述封闭容积中形成。
20.根据权利要求1至3中任一项所述的热声装置，其中，所述热声装置被配置成加热和/或冷却装置。
21.根据权利要求1至3中任一项所述的热声装置，其中，通过将所述活塞作为驱动元件联接到发电机而将所述热声装置配置成发电装置的一部分，以产生电力。
22.根据权利要求1所述的热声装置，其中，所述热声装置包括分隔壁，所述分隔壁将所述热力学区段分成所述第一热力学子区段和所述第二热力学子区段，所述第一热力学子区段和所述第二热力学子区段在所述声源与所述谐振器之间彼此平行地延伸。
23.一种通过声波来转移能量的热声装置(1；2；3；4；5；6)，其包括：
-声源(10)，其用于生成所述声波；
-热力学区段，其形成声学网络(RLC)并且包括顺应性容积(140)、热声核心(150)和流体惯性(160)；
所述热力学区段与所述声源相邻；
所述热声核心位于所述热力学区段中并且包括冷端区段(HX1)、热端区段(HX2)和回热器(151)，所述回热器置于所述热端区段与所述冷端区段之间；
其中所述声源(10)包括具有活塞(18)的往复活塞式压缩机，所述活塞(18)用于产生压力波，
所述往复活塞式压缩机被布置成机械双作用往复活塞式压缩机，其具有：
--用于在所述活塞(18)的一侧上生成的压力波的第一出口，和
--用于在所述活塞(18)的另一侧上生成的压力波的第二出口，
所述热力学区段分成第一热力学子区段和第二热力学子区段；
所述第一出口(12)与所述第一热力学子区段流体连通，并且所述第二出口(14)与所述第二热力学子区段流体连通，所述往复活塞式压缩机的冲程方向垂直于所述热声装置的主轴，
所述热声装置是设置有两个热力学子区段的封闭容积，每个热力学子区段具有相应的热声核心区段和顺应性容积，并且，所述两个热力学子区段由所述封闭容积中的分隔壁形成，并且，其中，所述往复活塞式压缩机分别联接到所述热力学子区段的第一入口和第二入口，使得所述往复活塞式压缩机的所述活塞(18)的一侧被布置成在所述第一入口处提供压力波并且所述活塞(18)的另一侧被布置成在所述第二入口处提供压力波，通过以预定的频率在所述热力学子区段中生成压力波动，往复运动的所述活塞(18)起谐振器的作用。
24.一种热声系统，其包括至少一个根据权利要求1～23中任一项所述的热声装置。
25.根据权利要求24所述的热声系统，其中，所述机械双作用往复活塞式压缩机是具有多个活塞的往复多活塞式压缩机，其中，通过将相应缸的第一输出和第二输出联接到相关联的热声装置的第一入口和第二入口，每个所述活塞充当所述相关联的热声装置的声源。
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