CN108180673B - 一种环路热驱动热声制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环路热驱动热声制冷系统，其包括N个结构相同的热声单元(15)通过谐振管(14)首尾相连组成环路结构，N＝1～20范围内的正整数；所述热声单元包括：一级热声发动机、一级热声制冷机和二级热声制冷机；所述一级热声发动机、所述一级热声制冷机和所述二级热声制冷机依次顺序相连；通过一级热声发动机产生声功来驱动两级热声制冷机的方式，能高效的应用于室温温区制冷；所述环路热驱动热声制冷系统具有结构紧凑、无运动部件、功率密度高、能量利用效率高、可靠性较高、使用环保气体工质的优点。

Description

一种环路热驱动热声制冷系统
技术领域
本发明属于能源动力和低温制冷技术领域，具体涉及一种环路热驱动热声制冷系统。
背景技术
在一定的声场条件下，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。热驱动热声制冷机采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，进而达到制冷作用。热驱动热声制冷机具有完全无运动部件、工质环保、结构简单可靠性高等优点，是热声热机发展的一个重要方向。
1990年，美国Las Alamos国家实验室率先开展了热驱动热声制冷机的研究。Radebaugh和Swift等人采用一台驻波型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。但是，驻波热声发动机由于其内在不可逆性，工作效率较低。
1999年，Backhaus和Swift设计了一台带驻波谐振管的环路行波热声发动机结构，如图1所示。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组成，通过设计使发动机回热器处于行波声场，同时在驻波谐振管末端引进了局部行波回路，提高了回热器处的阻抗，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中耗散掉，不能得以利用；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。
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。
2010年，荷兰KeesDeBlok的专利WO2010107308A1公布了一种新型四阶行波热声发动机系统，如图2所示。该环路行波热声发动机由四个热声单元通过谐振管组成环路结构，每个热声单元包括：加热器、回热器和室温端换热器。该环路行波热声发动机的谐振管的尺寸比传统行波热声发动机的谐振管的尺寸大大减小，功率密度得到大幅提升。该系统采用的谐振管直径较小，能够有效地避免图1中的直径很大的谐振管带来的体积过大，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直流抑制器，降低了系统的效率。
图3为专利CN103808063A公布的一种声学共振型热驱动行波热声制冷系统的结构示意图。该行波热声制冷系统由N个弹性膜和N个通过谐振管首尾相连并形成环形回路的热声单元组成，每个热声单元由热声发动机和脉管制冷机组成，两者共用一个冷却器。相比于图1的系统，该系统中谐振管的尺寸大大减小，结构紧凑，并且在连接管内的声功能被回收到下一个单元，具有潜在高效率，功率密度得到提高；与图2系统相比，热声发动机中加入了热缓冲管和层流化丝网结构，较好的解决了冷热气流混合引起的损失问题，同时该系统安装了环路直流抑制器，消除了系统的直流。但是，由于热声发动机产生的声功与加热温度和室温温度之比成正比，热声制冷机消耗的声功与室温温度和制冷温度之比成正比，那么热声发动机与热声制冷机直接相连的结构存在的问题在于，加热温度与制冷温度需要匹配，否则整机的效率会大大降低。若加热温度为200℃以上，那么该热驱动热声制冷机适合的制冷温度为0℃以下，应用于室温温区空调制冷时，效率会降低。
图4为专利CN105276855A公布的一种环路多级行波热驱动制冷系统的结构示意图。在上述热驱动热声制冷机的热声发动机和热声制冷机间加入了谐振管。谐振管可以调节热声发动机出口与热声制冷机入口的相位，满足不同加热温度和制冷温度的应用场合需求。但是，谐振管的引入，增加了声功的损失。另外，谐振管的调节能力有限，特别是对制冷温度在0℃以上的室温温区的空调制冷，热声发动机产生的声功远大于热声制冷机消耗的声功，谐振管通过消耗声功来获得二者的匹配会使整机的效率提高受到限制。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的热驱动热声制冷系统存在上述缺陷，本发明提供了一种环路热驱动热声制冷系统，通过一级热声发动机产生声功来驱动两级热声制冷机的方式，能高效的应用于室温温区制冷。另外，所述环路热驱动热声制冷系统具有结构紧凑、无运动部件、功率密度高、能量利用效率高、可靠性较高、使用环保气体工质的优点。此外，该制冷系统可以采用余热或太阳能等低品位热源作为加热热源，且可以高效的同时实现两个不同制冷温度的冷量需求，在余热空调制冷领域具有广阔的发展和应用前景。
为了实现上述目的，本发明提供了一种环路热驱动热声制冷系统，其包括N个结构相同的热声单元通过谐振管首尾相连组成环路结构，N＝1～20范围内的正整数；其中，所述热声单元包括：一级热声发动机、一级热声制冷机和二级热声制冷机；所述一级热声发动机、所述一级热声制冷机和所述二级热声制冷机依次顺序相连。
所述一级热声发动机包括：主室温换热器、发动机回热器、加热器和发动机热缓冲管；其中，主室温换热器、发动机回热器、加热器和发动机热缓冲管依次顺序相连。
所述一级热声制冷机包括：一级制冷机室温换热器、一级制冷机回热器、一级低温换热器和一级制冷机热缓冲管；其中，一级制冷机室温换热器、一级制冷机回热器、一级低温换热器和一级制冷机热缓冲管依次顺序相连。
所述二级热声制冷机包括：二级室温换热器、二级制冷机回热器、二级低温换热器、二级制冷机热缓冲管和次室温换热器；其中，二级室温换热器、二级制冷机回热器、二级低温换热器、二级制冷机热缓冲管和次室温换热器依次顺序相连。
热声单元的截面面积与谐振管的截面面积之比介于3～25范围内。
所述环路热驱动热声制冷系统还包括：直流抑制器；所述直流抑制器至少为一个；所述直流抑制器安装在主室温换热器之前。其中，所述热声单元和谐振管组成的环路中安装至少一个直流抑制器。
其中，所述直流抑制器为弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件。
所述环路热驱动热声制冷系统内充入工质气体，所述工质气体为氦气、氩气、氢气、空气、氮气、二氧化碳中的一种或多种的混合气体。
加热器从外部热源吸收热量，主室温换热器、一级制冷机室温换热器、二级制冷机室温换热器和次室温换热器通过风冷或水冷维持在室温温度。当发动机回热器内达到一定的温度梯度时，该环路热驱动热声制冷系统会自激起振。在发动机回热器内实现热量转化成声功，声功从主室温换热器端向加热器端传播，经过发动机热缓冲管后进入一级制冷机消耗部分声功获得冷量，然后进入二级制冷机消耗部分声功获得冷量，剩余部分声功通过谐振管进入下一个热声单元，如此循环工作。
本发明的优点在于：
本发明的所述环路热驱动热声制冷系统具有结构紧凑、无运动部件、功率密度高、能量利用效率高、可靠性较高、使用环保气体工质的优点。此外，该制冷系统可以采用余热或太阳能等低品位热源作为加热热源，且可以高效的同时实现两个不同制冷温度的冷量需求，在余热空调制冷领域具有广阔的发展和应用前景。
附图说明
图1是现有技术Backhaus和Swift等人提出的一台带驻波谐振管的环路行波热声发动机的结构示意图；
图2是现有技术KeesDeBlok等人提出的一种新型四阶行波热声发动机系统的结构示意图；
图3是现有技术罗二仓等人提出的一种声学共振型热驱动行波热声制冷系统的结构示意图；
图4是现有技术罗二仓等人提出的一种环路多级行波热驱动制冷系统的结构示意图；
图5是本发明的一种环路热驱动热声制冷系统的结构示意图。
附图标记：
1、主室温换热器 2、发动机回热器
3、加热器 4、发动机热缓冲管
5、一级制冷机室温换热器 6、一级制冷机回热器
7、一级低温换热器 8、一级制冷机热缓冲管
9、二级制冷机室温换热器 10、二级制冷机回热器
11、二级低温换热器 12、二级制冷机热缓冲管
13、次室温换热器 14、谐振管
15、热声单元
具体实施方式
本发明提供了一种环路热驱动热声制冷系统，通过一级热声发动机产生声功来驱动两级热声制冷机的方式，能高效的应用于室温温区制冷。另外，所述环路热驱动热声制冷系统具有结构紧凑、无运动部件、功率密度高、能量利用效率高、可靠性较高、使用环保气体工质的优点。此外，该制冷系统可以采用余热或太阳能等低品位热源作为加热热源，且可以高效的同时实现两个不同制冷温度的冷量需求，在余热空调制冷领域具有广阔的发展和应用前景。
为了实现上述目的，如图5所示，本发明提供了一种环路热驱动热声制冷系统，其包括N个结构相同的热声单元15通过谐振管14首尾相连组成环路结构，N＝3；其中，所述热声单元包括：一级热声发动机、一级热声制冷机和二级热声制冷机；所述一级热声发动机、所述一级热声制冷机和所述二级热声制冷机依次顺序相连。优选地，所述环路热驱动热声制冷系统采用三个热声单元15通过谐振管14首尾相连组成三角形环路结构，可实现最大能量利用率。
所述一级热声发动机包括：主室温换热器1、发动机回热器2、加热器3和发动机热缓冲管4；其中，主室温换热器1、发动机回热器2、加热器3和发动机热缓冲管4依次顺序相连。
所述一级热声制冷机包括：一级制冷机室温换热器5、一级制冷机回热器6、一级低温换热器7和一级制冷机热缓冲管8；其中，一级制冷机室温换热器5、一级制冷机回热器6、一级低温换热器7和一级制冷机热缓冲管8依次顺序相连。
所述二级热声制冷机包括：二级室温换热器9、二级制冷机回热器10、二级低温换热器11、二级制冷机热缓冲管12和次室温换热器13；其中，二级室温换热器9、二级制冷机回热器10、二级低温换热器11、二级制冷机热缓冲管12和次室温换热器13依次顺序相连。
热声单元15的截面面积与谐振管的截面面积之比介于3～25范围内。优选地，采用三个热声单元15组成的环路热驱动热声制冷系统，其中，热声单元15的截面面积与谐振管的截面面积之比介于10～18范围内。合适的面积比可以使回热器处在高阻抗声场中，减少回热器损失，实现较高的热声转换效率。
为了抑制环路中的直流，所述环路热驱动热声制冷系统还可以包括：直流抑制器；所述直流抑制器至少为一个；所述直流抑制器安装在主室温换热器1之前。其中，所述热声单元15和谐振管14组成的环路中安装至少一个直流抑制器。
其中，所述直流抑制器为弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件。
所述环路热驱动热声制冷系统内充入工质气体，所述工质气体为氦气、氩气、氢气、空气、氮气、二氧化碳中的一种或多种的混合气体。
加热器3从外部热源吸收热量，主室温换热器1、一级制冷机室温换热器5、二级制冷机室温换热器9和次室温换热器13通过风冷或水冷维持在室温温度。当发动机回热器2内达到一定的温度梯度时，该环路热驱动热声制冷系统会自激起振。在发动机回热器2内实现热量转化成声功，声功从主室温换热器1端向加热器2端传播，经过发动机热缓冲管4后进入一级制冷机消耗部分声功获得冷量，然后进入二级制冷机消耗部分声功获得冷量，剩余部分声功通过谐振管14进入下一个热声单元，如此循环工作。通过采用三单元结构设计，环路结构中主要以行波分量为主，回热器处于理想的行波声场，具有较高的热声转换效率。
由于热声制冷机的发展之初是考虑用于液化天然气温区或更低温度下的制冷，热声制冷机入口处需要满足压力波相位落后体积流率的相位效率较高，而热声发动机的出口压力波动相位一般是超前体积流率的相位时效率较高，因此普遍认为热声发动机与热声制冷机之间需要有调节相位的部件，不适合直接相连。但是，根据理论计算表明，当制冷温度提高至-20℃或更高温度的室温温区制冷时，热声制冷机入口压力波相位超前体积流率的相位能高效利用声功实现制冷。在合适的加热温度和制冷温度条件下，热声发动机和热声制冷机直接相连可以实现较高效的热-声-冷的能量转换。本发明提出的环路热驱动热声制冷机系统通过在一个热声单元中采用一个热声发动机驱动两级热声制冷机的方式能有效利用太用能、余热等获得室温温区制冷，且可以高效的同时实现两个不同制冷温度的冷量需求。
当加热温度为400℃，环境温度为50℃，制冷温度为10℃时，热声单元的截面面积与谐振管的截面面积之比为15.4，整机的制冷量与加热量之比COP可达到0.68,相比图3所示的一个热声单元中，采用一个热声发动机驱动一级热声制冷机的结构，采用一个热声发动机驱动两级热声制冷机，效率提升了30％左右。理论计算还表明，一个热声单元中采用一个热声发动机驱动两级热声制冷机，效率得到提升，而采用一个热声发动机驱动三个或更多个热声制冷机时效率会大大下降。因此，采用一个热声发动机驱动两级热声制冷机是最优选的技术方案，且效率显著提升。
相比于传统制冷剂蒸发吸热方式制冷，热驱动制冷效率还有待进一步提高，但是热驱动热声制冷可以直接充分利用余热直接获得冷量，不需要压缩机等机械装置，整机无任何运动部件，且采用环保的气体工质，在余热制冷领域具有很大的发展潜力。
在其他具体实施例中，所述环路热驱动热声制冷系统除了三单元环路结构以外，还可以是其他结构，例如四单元结构或六单元结构。另外，所述环路热驱动热声制冷系统的结构可根据实际需要改变结构类型。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种环路热驱动热声制冷系统，其特征在于，其包括N个结构相同的热声单元(15)通过谐振管(14)首尾相连组成环路结构，N＝1～20范围内的正整数；所述热声单元(15)包括依次顺序相连的一级热声发动机、一级热声制冷机和二级热声制冷机；
所述一级热声发动机包括：主室温换热器(1)、发动机回热器(2)、加热器(3)和发动机热缓冲管(4)；其中，主室温换热器(1)、发动机回热器(2)、加热器(3)、发动机热缓冲管(4)依次顺序相连；
所述一级热声制冷机包括：一级制冷机室温换热器(5)、一级制冷机回热器(6)、一级低温换热器(7)和一级制冷机热缓冲管(8)；其中，一级制冷机室温换热器(5)、一级制冷机回热器(6)、一级低温换热器(7)、一级制冷机热缓冲管(8)依次顺序相连；
所述二级热声制冷机包括：二级室温换热器(9)、二级制冷机回热器(10)、二级低温换热器(11)、二级制冷机热缓冲管(12)和次室温换热器(13)；其中，二级室温换热器(9)、二级制冷机回热器(10)、二级低温换热器(11)、二级制冷机热缓冲管(12)、次室温换热器(13)依次顺序相连。
2.根据权利要求1所述的环路热驱动热声制冷系统，其特征在于，热声单元(15)的截面面积与谐振管(14)的截面面积之比介于3～25范围内。
3.根据权利要求1所述的环路热驱动热声制冷系统，其特征在于，所述环路热驱动热声制冷系统还包括：直流抑制器；所述直流抑制器至少为一个；所述直流抑制器安装在主室温换热器之前。
4.根据权利要求3所述的环路热驱动热声制冷系统，其特征在于，所述直流抑制器为弹性隔膜元件或非对称流道阻力元件。
5.根据权利要求1所述的环路热驱动热声制冷系统，其特征在于，所述环路热驱动热声制冷系统内充入工质气体，所述工质气体为氦气、氩气、氢气、空气、氮气、二氧化碳中的一种或多种的混合气体。
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