CN108291751B - 热声能量转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热声能量转换系统，包括：封闭的圆周形外壳(104)，其填充有工作流体，在使用该系统时，声波能够沿传播方向穿过所述工作流体传播，以及，布置在所述外壳中的至少一个组件，该组件包括两个热交换器(102,103)和夹在二者之间的交流换热器(101)，其中至少一个所述组件大致平行于所述外壳的局部纵向轴线(106)布置。

Description

热声能量转换系统
技术领域
本发明涉及一种热声能量转换系统，包括：
-封闭的圆周形外壳，其填充有工作流体，在使用该系统时，声波能够沿传播方向穿过工作流体传播，及
-布置在所述外壳中的至少一个组件，该组件包括两个热交换器和夹在其中的交流换热器。
背景技术
这样的系统例如从国际专利申请WO99/20957中已知。WO99/20957中的系统包括声学或机械-声学谐振器电路，和夹在两个热交换器之间的交流换热器。热交换器可连接至外部气体或液体回路，来向其供应热交换流体，通过这种方式，热量被提供给热交换器或者从热交换器中排出。上述系统可以被用作热泵或发动机。如果上述系统被用作热泵，则例如通过上述发动机、波纹管、自由活塞结构、赫姆霍兹谐振器或其他任何适合的装置，使工作流体振荡。通过工作流体的振荡，热量从一个热交换器转移到另一个热交换器，以使得系统可用于制冷或者加热。如果所述系统被用作发动机，则向一个热交换器供应热量，并在另一个热交换器处排出热量。这导致工作流体振荡，该振荡可以通过在一个热交换器处的持续热量供应和在另一个热交换器处的热排出来维持。振荡的工作流体例如可以用作用于热泵的所述振荡装置和/或例如被转化为电能。
随着热交换流体流过各个热交换器，热交换流体在一个热交换器中冷却并在另一个热交换器中升温。这样，每个热交换器的入口侧的热交换流体的温度不同于每个热交换器的出口侧的热交换流体的温度。这种径向不均匀的温度梯度影响穿过热交换器行进的声波，并会在组件内引起不希望有的径向声波和热流，因此对组件的性能产生了负面影响。
已经有过尝试来试图克服这一缺点，并且作为资料为人所知。然而，这些尝试，包括流向矫直装置和圆形(径向)热交换器，都还未成功。
发明内容
本发明的一个目的，是至少部分地克服上述的缺点和/或改善在WO99/20957中公开的系统。
此目的已通过与本发明相对应的、根据前序所述的系统而实现，此系统有这样的特点：所述至少一个组件大致平行于所述外壳的局部纵向轴线布置。
通过将组件平行于所述外壳的局部纵向轴线布置，而不是如WO99/20957中所公开的系统那样正交，声波沿组件的速率、尤其是声阻抗，与沿组件的纵向不均匀的温度分布相匹配，从而提供了沿组件或多或少均匀的功率密度，因此阻止或至少增小了组件内不希望有的径向声功率和热流。特别地，如在声波的传播方向上看到的那样，声波的速率和声阻抗从组件的上游端向下游端分别增大和减小，并且跨交流换热器上的温度梯度从组件的所述上游端到所述下游端减小，这将沿组件产生或多或少恒定的功率密度。
需要注意的是，所述声波在传播方向上沿所述外壳的局部纵向方向传播。所述组件因此布置为与声波的传播方向平行。
进一步需要注意的是，所述外壳呈大致周向或环状形式，使得外壳的纵向轴线的方向在外壳的长度上变化。该组件布置成使得它大致平行于所述外壳的局部纵向轴线布置。
特别地，上述工作流体可以是气体。优选地，上述气体是具有在恒压热容和恒容热容之间相对较高的比率γ的气体。优选地，该比率γ至少为1.4。例如，空气或者氮气都是具有比率γ约为1.4的合适气体。空气，作为上述气体，还具有额外的优点，即它易于使用。比率γ甚至更优选地为约1.6，这包括所有的惰性气体，比如氦气、氢气或氩气。
此交流换热器可以是任何已知的交流换热器，而且通常是由具有良好热交换性能的多孔材料制成的。
在根据本发明的热声能量转换系统的一个实施例中，所述系统包括布置在所述外壳中的第一阻挡装置，用于阻挡如在所述传播方向上看到的所述组件的上游的外壳的横截面区域的第一部分；还包括布置在所述外壳中的第二阻挡装置，用于阻挡如在所述传播方向上看到的所述组件的下游的外壳的横截面区域的第二、相对的部分，其中，所述第一和第二阻挡装置布置为阻止所述声波绕过所述组件，并且指引声波沿指引方向通过两个热交换器中的第一热交换器，然后经由交流换热器再通过两个热交换器中的第二热交换器。
依照本发明，此组件平行于所述外壳的局部纵向轴线布置。然而，由于这种布置，声波可能会绕过此组件。第一和第二阻挡装置阻止了声波的这种绕行并且以这样的方式指引声波：使其先通过第一热交换器，然后经由交流换热器再通过第二热交换器。
优选地，第一阻挡装置直接布置在所述组件的上游。
优选地，第二阻挡装置直接布置在所述组件的下游。
在根据本发明的热声能量转换系统的另一个实施例中，所述第一阻挡装置沿传播方向自外壳的内壁逐渐升高，从而在所述指引方向上引导所述声波。
在指引方向上引导声波会产生相对较高的系统效率。
在根据本发明的热声能量转换系统的另一个实施例中，所述第二阻挡装置沿传播方向朝外壳的内壁逐渐降低，从而在传播方向上引导所述声波。
沿传播方向引导离开组件的声波会产生相对较高的系统效率。
在根据本发明的热声能量转换系统的另一个实施例中，所述外壳在所述组件的区域中具有相对于所述外壳的其他部分而言的增大的横截面尺寸，其中在如在所述传播方向上看到的所述组件的上游处，外壳的横截面尺寸逐渐增大至所述增大的尺寸，并且其中在如在传播方向上看到的所述组件的下游处，外壳的横截面尺寸逐渐减小至其在所述其他部分的尺寸，其中所述第一阻挡装置和/或第二阻挡装置布置在所述外壳的分别逐渐增大/减小的部分，其中所述第一阻挡装置和/或所述第二阻挡装置以这样的方式分别逐渐升高/降低：在所述分别增大/减小部分处的所述外壳的通流区域的横截面在第一阻挡装置和/或第二阻挡装置的长度上是大致恒定的，并且大致等于外壳的其他部分中的通流区域的横截面。
在阻挡装置的长度上穿过通流区域为大致恒定，并大致等于外壳的其他部分中的通流区域的横截面，这么做的一个优点是，基本没有能够影响声波的、穿过通流区域的变化。
在根据本发明的热声能量转换系统的另一个实施例中，所述外壳在所述组件区域具有相对于所述外壳的(所述)其他部分增大的横截面尺寸，其中，在如在所述传播方向上看到的所述组件的上游，外壳的横截面尺寸逐渐增大至所述增大的尺寸；并且在如在所述传播方向上看到的所述组件的下游，外壳的横截面尺寸逐渐减小至与其在其他部分的尺寸，并且在外壳的内壁与第一热交换器之间和/或外壳的内壁与第二热交换器之间所界定的通流区域的横截面大致等于外壳的其他部分中的通流区域的横截面。
所述通流区域的横截面大致等于外壳的其他部分中的通流区域的横截面，其优点是，基本没有能够影响声波的、穿过通流区域中的变化。
在根据本发明的热声能量转换系统的另一个实施例中，用于向第一热交换器供应热交换流体的入口布置在如在传播方向上看到的第一热交换器的上游端，其中用于从第一热交换器排出该热交换流体的出口布置在如在传播方向上看到的第一热交换器的下游端。
在第一热交换器中热交换流体吸收热量，使得热交换流体的温度在入口处低于在出口处。通过将入口布置在第一热交换器的上游端同时将出口布置在下游端，温度梯度在入口出大于在出口处，如此温度梯度与上述声阻抗相匹配。
在根据本发明的热声能量转换系统的另一个实施例中，用于向第二热交换器供应热交换流体的入口布置在如在传播方向上看到的第二热交换器的上游端，其中用于从第二热交换器中排出该热交换流体的出口布置在如在传播方向上看到的第二热交换器的下游端。
在此实施例中，此组件用作发动机。
在根据本发明的热声能量转换系统的另一个实施例中，用于向第二热交换器供应热交换流体的入口布置在如在传播方向上看到的第二热交换器的下游端，其中用于从第二热交换器中排出该热交换流体的出口布置在如在传播方向上看到的第二热交换器的上游端。
在此实施例中，此组件用作热泵。
在根据本发明的热声能量转换系统的另一个实施例中，所述系统包括在所述外壳的轴向上彼此相隔的多个组件，优选地，以相等的间隔距离彼此相隔。
事实上，所述多个组件中的一部分用作发动机，这为所述多个所述组件中用作热泵的其他部分提供动力。
所述系统可以包括任何合适数量的组件，比如，两个或者四个组件。
在根据本发明的热声能量转换系统的另一个实施例中，所述或每个组件的长度为外壳的平均总周向长度的至少5％、优选地至少10％、更优选地至少15％。
附图说明
将参照附图中所述的图进一步阐释本发明，其中：
图1是根据现有技术的热声能量转换系统的组件的示意图；
图2是图1中的组件的热交换器的透视图；
图3是根据本发明的第一个实施例的热声能量转换系统的组件的示意图；
图4是根据本发明的第二个实施例的热声能量转换系统的组件的示意图；
图5是根据本发明的第三个实施例的热声能量转换系统中的组件的透视图；
图6是包括根据图5中的多个组件的热声能量转换系统的透视图。
值得注意的是，在图中相同的组件被指定以相同的附图标记，但增加了100。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的组件，该组件构成了热声能量转换系统的一部分。此组件包括被固定在第一热交换器2与第二热交换器3之间的交流换热器1。该组件布置在闭合的圆周形外壳4中，该外壳中填充有工作流体，声波可以沿着传播方向5传播以穿过该工作流体。图1仅示出了外壳4的一部分。该组件被布置成与局部纵向轴6正交。热交换器2指的是第一热交换器，因为它布置在如在传播方向上看到的交流换热器1的上游，以使得声波首先穿过第一热交换器2，然后经由交流换热器1穿过第二热交换器3。第一和第二热交换器2、3包括连接器7-10。每个热交换器2、3都有入口连接器和出口连接器，用于分别地向热交换器供应热交换流体和从中排出热交换流体。取决于作为热泵或发动机的组件的作用，连接器7-10可以合适地被选做入口连接器或出口连接器。
图2更详细地示出了第二热交换器3和其温度分布11。在此示例中，连接器9用作流体入口，同时连接器10用作流体出口，使得组件用作发动机。随着热量从自入口9流过第二热交换器3到出口10的热交换流体中排出，其温度在出口10的方向上在第二热交换器的长度上降低。如现有技术所描述，这造成了的上述所谓的径向非均匀温度分布，由于热声增益从入口9侧向出口10侧降低，因此其违反了最优性能的波条件。
图3示出了根据本发明的系统的第一个实施例，其中组件，特别是第一热交换器102、交流换热器1和第二热交换器103，大致平行于外壳104的局部纵向轴106平行布置，从而大致平行于声波的传播方向105。在如在传播方向105上看到的组件的上游直接布置有第一阻挡装置112，该第一阻挡装置112从外壳104的内壁向内径向地延伸。通常，外壳具有圆形横截面，使得第一阻挡装置112具有在从正交于传播方向105和局部纵向轴106的横截面中看到的圆形的一部分的形状，如细节图A所示。第一阻挡装置112挡住了外壳104的横截面区域的第一部分。如在传播方向105上看到的组件的下游处，直接布置有第二阻挡装置113，该第二阻挡装置113从外壳104的内壁向内径向延伸。如果外壳104的横截面呈圆形，则第二阻挡装置具有与第一阻挡装置112相同的形状，只是被旋转了180度，使得它挡住了外壳104的横截面的第二、相反的部分。在传播方向105上传播的声波首先被阻挡装置112阻挡，然后在组件的下游端被第二阻挡装置113阻挡，阻挡装置112，113因此阻止声波绕过组件，同时引导声波以使得声波首先通过第一热交换器102，然后经由交流换热器通过第二热交换器103。布置在组件的上游端处的第一热交换器102的连接器108是流体入口，用于供应热交换器流体；布置在组件的下游端处的连接器107是流体出口，用于排出热交换流体。随着热交换流体吸收热量，其温度从入口108处的第一、较低温度在第一热交换器102的长度上升高至出口107处的第二、较高温度。这样，温度梯度沿着声波的传播方向105降低。
如果该组件用作发动机，则布置在组件的上游端处的连接器110是流体入口，用于供应热交换流体，而布置在组件的下游端处的连接器109是流体出口，用于排出热交换流体。被供应给第二热交换器103的流体，举例来说，可以被过剩的热量或太阳加热，该热量被排出到行进穿过第二热交换器103的声波。随着热交换流体排出热量，其温度从入口110处的第一、相对较高温度在第一热交换器102的长度上降低至出口109处的第二、较低温度。这样，温度梯度在该组件的上游端处最大，然后沿声波的传播方向105降低。所述在组件的长度上降低的温度梯度与声波的速度或声阻抗相匹配，从而提供了沿组件的或多或少均匀的功率密度，从而阻止、或至少减小了组件内所述不希望有的径向声功率和热流。
如果组件用作热泵，则连接器109是流体入口，用于供应热交换流体，连接器110是流体出口，用于排出热交换流体。供应给第二热交换器103的流体排出热量至声波，使得它冷却，并可以例如用于冷却建筑物，即，在建筑物的空调系统中。随着热交换流体排出热量，其温度从入口109处的第一、较高温度在第一热交换器102的长度上降低至出口109处的第二、相对较低温度。这样，温度梯度在该组件的上游端处最大，沿声波的传播方向105降低。所述在组件的长度上降低的温度梯度与声波的速度和声阻抗相匹配，从而提供了沿组件的或多或少一致的功率密度，从而阻止、或至少增小了组件内不希望有的径向声功率和热流。
如图3进一步所示，外壳104的横截面尺寸以及在此实施例中的直径，在组件所处区域的稍上游处开始沿下游方向逐渐增大，并且在该区域的下游处沿下游方向逐渐减小。因此，外壳104在没有包括所述组件的所述外壳104的其他区域具有第一较小半径d1，而在所述组件的区域具有第二较大半径d2。阻挡装置112、113阻挡了通流区域的横截面的这样一部分，并且第一和第二热交换器102、103被布置为：使得在外壳104的内壁与第一热交换器102之间所界定的通流区域的横截面114、以及在外壳104的内壁与第二热交换器103之间所界定的通流区域115的横截面，与外壳的其他部分的通流区域116的横截面大致相等。
图4是根据本发明的系统的第二个实施例。值得注意的是，在此将仅描述此实施例与图3中的实施例的区别，对第二实施例的进一步描述，读者需参考图3中的描述。第二实施例与图3中的实施例相似，区别仅在于第一阻挡装置212在传播方向205上自外壳204的内壁逐渐升高，从而以这样的方式引导声波：声波首先将通过第一热交换器202，并且第二阻挡装置213在传播方向205上向外壳204的内壁逐渐降低，从而在传播方向205上引导声波。
图5示出了根据本发明的系统的第三实施例。值得注意的是，在此将仅描述其与图3中的实施例的区别，对第三实施例的进一步描述，读者需参考图3中的描述。第三实施例与图3中的实施例相似，区别仅在于第一阻挡装置312在传播方向305上自外壳404的内壁逐渐升高，从而以这样的方式引导声波：声波将先通过第一热交换器302，并且第二阻挡装置313在传播方向305上向外壳304的内壁逐渐降低，从而在传播方向305上引导声波。第一和第二阻挡装置312、313还具有这样的形状：使得通流区域的横截面在第一和第二阻挡装置312、313的长度上保持大致恒定。这样，通流区域的横截面是大致恒定的，并且尤其在不包括组件的其他区域、在阻挡装置的区域、在外壳304的内壁与第一热交换器302之间所界定的区域、以及在外壳304的内壁与第二热交换器303之间所界定的区域，都是相等的。
图6展示了外壳304呈环形，且是圆周形外壳。所述外壳304包括四个图5中的第三实施例中的组件，这些组件优选地以相等的间隔距离在所述外壳304的轴向306上间隔开来。该四个组件中的两个或三个用作发动机，驱动用作热泵的其他的一个或两个组件。每个组件的功能可通过以下方式进行选择：通过向第二热交换器303供应具有适当入口温度的适当热交换流体，并通过使用位于上游端处的连接器310作为发动机入口、位于下游端处的连接器309作为发动机出口；或者通过使用位于下游端处的连接器309作为热泵入口、位于上游端处的连接器310作为热泵出口。沿着外壳304的中心纵向轴线306测量到的外壳304的平均总周向长度优选地根据工作流体和其中生成的声波来选择，并且大致等于波长。每个组件的长度是外壳304的这一平均总周向长度的至少5％、优选地至少10％、更优选地至少15％，且也是波长。
值得注意的是，在附图中，在外壳的内壁与第一或第二热交换器之间界定的通流区域的横截面沿热交换器的长度是大致恒定的。替代性地，通流区域的横截面也可以在热交换器的长度上变化，其中通流区域的横截面可以特别地改变以适应局部温度和声波状态。
还需要注意的是，本发明并不限于所示实施例，也扩展至所附的权利要求的范围内的变化。

Claims (14)

1.一种热声能量转换系统，包括：
封闭的圆周形外壳，其填充有工作流体，在使用该系统时，声波能够沿传播方向穿过所述工作流体传播，及
布置在所述外壳中的至少一个组件，该组件包括两个热交换器和夹在其中的交流换热器，
其特征在于：
至少一个所述组件大致平行于所述外壳的局部纵向轴线布置。
2.根据权利要求1所述的热声能量转换系统，包括布置在所述外壳中的第一阻挡装置，用于阻挡如在所述传播方向上看到的所述组件的上游的外壳的横截面区域的第一部分，还包括布置在所述外壳中的第二阻挡装置，用于阻挡如在所述传播方向上看到的所述组件的下游的外壳的横截面区域的第二、相对的部分，其中，所述第一和第二阻挡装置布置为阻止所述声波绕过所述组件，并且指引声波沿指引方向通过两个热交换器中的第一热交换器，然后经由交流换热器再通过两个热交换器中的第二热交换器。
3.根据权利要求2所述的热声能量转换系统，其特征在于，所述第一阻挡装置沿传播方向自外壳的内壁逐渐升高，从而在所述指引方向上引导所述声波。
4.根据权利要求3所述的能量转换系统，其特征在于，所述第二阻挡装置沿传播方向朝外壳的内壁逐渐降低，从而在传播方向上引导所述声波。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的热声能量转换系统，其特征在于，所述外壳在所述组件的区域中具有相对于所述外壳的其他部分而言的增大的横截面尺寸，其中在如在所述传播方向上看到的所述组件的上游处，外壳的横截面尺寸逐渐增大至所述增大的尺寸，并且其中在如在传播方向上看到的所述组件的下游处，外壳的横截面尺寸逐渐减小至其在所述其他部分的尺寸，其中所述第一阻挡装置和/或第二阻挡装置布置在所述外壳的分别逐渐增大/减小的部分，其中所述第一阻挡装置和/或所述第二阻挡装置以这样的方式分别逐渐升高/降低：在所述分别增大/减小的部分处的所述外壳的通流区域的横截面在第一阻挡装置和/或第二阻挡装置的长度上是大致恒定的，并且大致等于外壳的其他部分中的通流区域的横截面。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的热声能量转换系统，其特征在于，所述外壳在所述组件的区域具有相对于所述外壳的其他部分而言的增大的横截面尺寸，其中，在如在所述传播方向上看到的所述组件的上游，外壳的横截面尺寸逐渐增大至所述增大的尺寸，并且其中在如在所述传播方向上看到的所述组件的下游，外壳的横截面尺寸逐渐减小至其在所述其他部分的尺寸，并且其中在外壳的内壁与第一热交换器之间和/或外壳的内壁与第二热交换器之间所界定的通流区域的横截面大致等于外壳的其他部分中的通流区域的横截面。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的热声能量转换系统，其特征在于，用于向第一热交换器供应热交换流体的入口布置在如在传播方向上看到的第一热交换器的上游端，其中用于从第一热交换器排出该热交换流体的出口布置在如在传播方向上看到的第一热交换器的下游端。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的热声能量转换系统，其特征在于，用于向第二热交换器供应热交换流体的入口布置在如在传播方向上看到的第二热交换器的上游端，其中用于从第二热交换器中排出该热交换流体的出口布置在如在传播方向上看到的第二热交换器的下游端。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的热声能量转换系统，其特征在于，用于向第二热交换器供应热交换流体的入口布置在如在传播方向上看到的第二热交换器的下游端，其中用于从第二热交换器中排出该热交换流体的出口布置在如在传播方向上看到的第二热交换器的上游端。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的热声能量转换系统，其特征在于，所述系统包括在所述外壳的轴向上彼此相隔的多个组件。
11.根据权利要求10所述的热声能量转换系统，其特征在于，所述多个组件以相等的间隔距离彼此相隔。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的热声能量转换系统，其特征在于，所述每个组件的长度为外壳的平均总周向长度的至少5％。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的热声能量转换系统，其特征在于，所述每个组件的长度为外壳的平均总周向长度的至少10％。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的热声能量转换系统，其特征在于，所述每个组件的长度为外壳的平均总周向长度的至少15％。
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