CN113864143A - 热声系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热声技术领域，尤其涉及热声系统，包括热声转换装置、热缓冲管、活塞调相器和发生装置，热声转换装置的室温端与发生装置的压缩腔连通，热声转换装置的热源端、热缓冲管、活塞调相器与发生装置的压缩腔依次连通，热声转换装置在室温端与热源端之间的部分通过旁通通路与热缓冲管连通。通过多路旁通通路实现热能的梯级利用，能有效提高能源的利用率。且活塞调相器采用室温自由活塞调相器进行调相，可以使系统内获得更高压比，功率密度更高，结构紧凑。作为热声发电装置时可高效梯级利用变温热源，可以达到更高的工作压比，实现更高的功率密度。作为热声制冷装置时，可以实现气体的逐级液化。

Description

热声系统

技术领域

本发明涉及热声技术领域，尤其涉及热声系统。

背景技术

目前，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。热声发动机是利用热致声效应将外界高温热源输入的热量转换成声能的装置，热声制冷机是利用声致冷效应消耗声能实现热量从冷端向热端输运的装置。热声热机具有运动部件少、可靠性高、工质无污染等优点。

行波热声发动机虽然将声功放大，但由于板叠处声阻抗低，工作气体振动速度大，造成了严重的粘性损失，该行波热声发动机效率很低。而后，将热声发动机单元环路布置在一段四分之一波长的驻波谐振管一端，通过合适的结构尺寸设计使回热器处于行波声场，大大降低了回热器处的粘性损失，在实验中获得了30％的热声效率，但由于谐振管尺寸庞大，整机的功率密度低，未能在实际应用中获得推广。

多级行波热声发动机系统由多个相同的热声发动机单元组成，每个热声发动机单元通过谐振管连接构成一个环路。但该系统的谐振管尺寸大大减小，功率密度高。由于热声发动机单元未采用热缓冲管结构，造成冷热气体混合损失，因此该系统仅适合利用温度较低的热源。

声学共振型行波热声发电系统由至少三个热声发动机单元和谐振管以及至少一台直线发电机组成，各热声发动机单元通过谐振管相连构成环路。该系统在热声发动机单元中引入了热缓冲管和次冷端换热器，并在环路中安装了直流抑制器，适合采用更大温度范围热源，且系统性能得到较大提高。上述行波热声发动机均采用定温热源，加热器一般工作在固定的温度，不能高效梯级利用变温热源。

利用高温烟气余热的多级行波热声发动机系统，由至少三个热声发动机单元和谐振管组成，各热声发动机通过谐振管相连构成环路结构。每个热声发动机单元的尺寸不同，沿声功传播方向尺寸依次增大，高温烟气依次通过各级热声发动机单元的加热器，实现热源的梯级利用。但是，该系统只能通过增加热声发动机单元数实现热源的梯级利用，若要充分梯级利用热能，则级数较多，且各级结构尺寸不同，使得设计难度较大。

多路旁通型行波热声发动机，通过多路旁通结构实现梯级利用变温热源，采用谐振管作为调相部件，使热声发动机单元处于行波相位。由于谐振管耗功较大，该热声发动机适合工作在压比较低的工况，否则会使系统的效率大大下降。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种热声系统，通过多路旁通通路实现热能的梯级利用，能有效提高能源的利用率。且活塞调相器采用室温自由活塞调相器进行调相，可以使系统内获得更高压比，功率密度更高，结构紧凑。作为热声发电装置时可高效梯级利用变温热源，可以达到更高的工作压比，实现更高的功率密度。克服了现有多路旁通型热声发动机采用谐振管调相时因谐振管耗功过大及系统内压比过低等问题，而且室温自由活塞调相器的耗功较谐振管耗功更低，有利于整机系统获得更高的效率。作为热声制冷装置时，可以实现气体的逐级液化。

根据本发明第一方面实施例的热声系统，包括热声转换装置、热缓冲管、活塞调相器和发生装置，所述热声转换装置的室温端与所述发生装置的压缩腔连通，所述热声转换装置的热源端、所述热缓冲管、所述活塞调相器与所述发生装置的压缩腔依次连通，所述热声转换装置在所述室温端与所述热源端之间的部分通过旁通通路与所述热缓冲管连通。

根据本发明的一个实施例，所述热声转换装置的横截面面积自所述室温端向所述热源端逐渐减小。

根据本发明的一个实施例，所述热声转换装置包括自所述室温端向所述热源端方向依次设置的室温换热器、一个初级换热组件和至少一个次级换热组件，所述初级换热组件与所述次级换热组件均包括自所述室温端向所述热源端方向依次设置的回热器和分级换热器。

根据本发明的一个实施例，每个所述次级换热组件的所述回热器均通过所述旁通通路与所述热缓冲管连通。

根据本发明的一个实施例，所述次级换热组件为1～49个。

根据本发明的一个实施例，所述热缓冲管的管径自与所述发生装置的压缩腔相连的一端向与所述热声转换装置的热源端相连的一端的方向逐渐减小。

根据本发明的一个实施例，所述旁通通路包括管路和节流件，所述节流件设置在所述管路上。

根据本发明的一个实施例，所述热缓冲管与所述热声转换装置同轴向设置于所述热声转换装置的内部，且所述旁通通路为节流通孔。

根据本发明的一个实施例，所述发生装置为发电机。

根据本发明的一个实施例，所述发生装置为压力波发生器。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果：本发明实施例的热泵系统，发生装置的压缩腔、热声转换装置的室温端、热声转换装置的热源端、热缓冲管和活塞调相器依次连通，形成回路，在此回路内填充工质气体。同时，热声转换装置在室温端与热源端之间具有换热回热部件，换热回热部件通过旁通通路与热缓冲管直接连通。本发明通过多路旁通通路实现热能的梯级利用，能有效提高能源的利用率。且活塞调相器采用室温自由活塞调相器进行调相，可以使系统内获得更高压比，功率密度更高，结构紧凑。作为热声发电装置时可高效梯级利用变温热源，可以达到更高的工作压比，实现更高的功率密度。克服了现有多路旁通型热声发动机采用谐振管调相时因谐振管耗功过大及系统内压比过低等问题，而且室温自由活塞调相器的耗功较谐振管耗功更低，有利于整机系统获得更高的效率。作为热声制冷装置时，可以实现气体的逐级液化。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例热声系统的热缓冲管独立于热声转换装置的结构示意图；

图2是本发明实施例热声系统的热缓冲管位于热声转换装置内的结构示意图。

附图标记：

1：热声转换装置；11：初级换热组件；12：次级换热组件；13：回热器；14：分级换热器；15：室温换热器；131：一级回热器；132：二级回热器；133：三级回热器；134：四级回热器；141：一级换热器；142：二级换热器；143：三级换热器；144：四级换热器；

2：热缓冲管；

3：活塞调相器；

4：发生装置；41：压缩腔；

5：旁通通路；51：管路；52：节流件；53：节流通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示，本发明实施例提供的热声系统，包括热声转换装置1、热缓冲管2、活塞调相器3和发生装置4，热声转换装置1的室温端与发生装置4的压缩腔41连通，热声转换装置1的热源端、热缓冲管2、活塞调相器3与发生装置4的压缩腔41依次连通，热声转换装置1在室温端与热源端之间的部分通过旁通通路5与热缓冲管2连通。

本发明实施例的热泵系统，发生装置4的压缩腔41、热声转换装置1的室温端、热声转换装置1的热源端、热缓冲管2和活塞调相器3依次连通，形成回路，在此回路内填充工质气体。同时，热声转换装置1在室温端与热源端之间具有换热回热部件，换热回热部件通过旁通通路5与热缓冲管2直接连通。

本发明通过多路旁通通路5实现热能的梯级利用，能有效提高能源的利用率。且活塞调相器3采用室温自由活塞调相器进行调相，可以使系统内获得更高压比，功率密度更高，结构紧凑。作为热声发电装置时可高效梯级利用变温热源，可以达到更高的工作压比，实现更高的功率密度。克服了现有多路旁通型热声发动机采用谐振管调相时因谐振管耗功过大及系统内压比过低等问题，而且室温自由活塞调相器的耗功较谐振管耗功更低，有利于整机系统获得更高的效率。作为热声制冷装置时，可以实现气体的逐级液化。

本发明的热声系统作为热声发电装置工作时，系统内充入合适压力的工质气体，载热流体与热源相连，吸收热源热量后的高温载热流体依次通过热声转换装置1的热源端、分级换热器和室温端的换热器进行换热，此时，热声转换装置1由热源端至室温端的换热器的工作温度递进减小，可实现梯级利用不同温度的热源。室温端的换热器通过水冷或风冷的模式维持在室温温度，当热声转换装置1内部达到一定的温度梯度时，系统会自激起振。在热声转换装置1中，换热回热部件能够将热能转化成声能，声能沿工作温度梯度的正方向传播，即由室温端向热源端传播通过热缓冲管2到达活塞调相器3，经过活塞调相器3后，一部分声能传递至发生装置4载转化成电能得以利用，剩余部分声功返回室温端通过换热回热部件再次得到放大，如此循环，实现热声转换装置1将热能转换为声能驱动发生装置4获得电能。

本发明的热声系统还可以逆向作为热声制冷装置，可实现气体的逐级液化。作为热声制冷装置工作时，发生装置4先通电启动产生声能，热声转换装置1内的换热回热部件消耗声能实现热量输运，此时，热声转换装置1由室温端至热源端的换热器工作温度递进减小，可实现工质气体的逐级液化。系统内需充入合适压力的工质气体氦气，发生装置4产生的声能通过室温端进入换热回热部件内发生热声转换，消耗声功从而实现热量从热源端向室温端输运，使热声转换装置1从室温端至热源端的温度递进降低，在不同制冷温度下获得冷量。声功大部分被热声转换装置1消耗，小部分通过旁通通路5进入热缓冲管2，通过活塞调相器3后返发生装置4的压缩腔41，从而回到热声转换装置1的室温端，如此循环。应用在天然气液化过程中时，可实现对天然气的逐渐降温，通过合理的设计，使热源端的工作温度达到天然气液化温度以下，即实现了对天然气的逐级液化。

本实施例中，工质气体可为氦气、氢气、氩气、氮气、二氧化碳或者它们的混合物气体。

根据本发明的一个实施例，热声转换装置1的横截面面积自室温端向热源端逐渐减小。本实施例中，受到旁通通路5的影响，工质气体声功作用下自室温端向热源端移动的过程中，部分维持原本移动路线，部分经过旁通通路5进入热缓冲管2内，所以自室温端向热源端制动的工质气体时逐渐减少的，为减小工质气体在经过热声转换装置1内部换热回热部件时产生的做功消耗，将热声转换装置1的横截面积自室温端向热源端逐渐减小，适应工质气体的通过量。

根据本发明的一个实施例，热声转换装置1包括自室温端向热源端方向依次设置的室温换热器15、一个初级换热组件11和至少一个次级换热组件12，初级换热组件11与次级换热组件12均包括自室温端向热源端方向依次设置的回热器13和分级换热器14。本实施例中，室温换热器15作为热声转换装置1的室温端，次级换热组件12最后一个分级换热器14作为热声转换装置1的热源端。通过合适的尺寸结构设计，各回热器13处于理想的行波声场，具有较高的热声转换效率。

本实施例中，初级换热组件11包括一个回热器13和一个分级换热器14，即一级回热器131和一级换热器141，次级换热组件12为三个，包括三个回热器13和三个分级换热器14，即二级回热器132、二级换热器142、三级回热器133、三级换热器143、四级回热器134和四级换热器144。室温换热器15的一端与发生装置4的压缩腔41连通，另一端依次设置一级回热器131、一级换热器141、二级回热器132、二级换热器142、三级回热器133、三级换热器143、四级回热器134和四级换热器144，四级换热器144的另一端与热缓冲管2连通。

其中，本发明的热声系统作为热声发电装置工作时，吸收热源热量后的高温载热流体依次与四级换热器144、三级换热器143、二级换热器142、一级换热器141、进行换热，此时，四级换热器144、三级换热器143、二级换热器142和一级换热器141的工作温度依次递进减小，可实现梯级利用不同温度的热源。室温换热器15通过水冷或风冷的模式维持在室温温度，当热声转换装置1内部达到一定的温度梯度时，系统会自激起振。在热声转换装置1中，一级回热器131、二级回热器132、三级回热器133和四级回热器134将热能转化成声能，声能沿分级换热器14工作温度梯度的正方向传播，即由室温换热器15向四级换热器144传播，通过热缓冲管2到达活塞调相器3，经过活塞调相器3后，一部分声能传递至发生装置4载转化成电能得以利用，剩余部分声功返回室温换热器15通过各级回热器13再次得到放大，如此循环，实现热声转换装置1将热能转换为声能驱动发生装置4获得电能。

本发明的热声系统作为热声制冷装置工作时，发生装置4先通电启动产生声能，一级回热器131、二级回热器132、三级回热器133和四级回热器134消耗声能实现热量输运，此时，室温换热器15至四级换热器144的工作温度递进减小，可实现工质气体的逐级液化。系统内需充入合适压力的工质气体氦气，发生装置4产生的声能通过室温换热器15进入各级回热器13内发生热声转换，消耗声功实现热量从四级换热器144、三级换热器143、二级换热器142、一级换热器141向室温端换热器的输运，使一级换热至四级换热器144的温度递进降低，在不同制冷温度下获得冷量。声功大部分被各级回热器13和各级换热器消耗，小部分通过旁通通路5进入热缓冲管2，通过活塞调相器3后返发生装置4的压缩腔41，从而回到室温换热器15，如此循环。

根据本发明的一个实施例，每个次级换热组件12的回热器13均通过旁通通路5与热缓冲管2连通。本实施例中，每个次级换热组件12的回热器13与旁通通路5一一对应设置。由于次级换热组件12共三个，所以二级回热器132、三级回热器133和四级回热器134的入口与热缓冲管2中间部位的合适置处连通形成三条旁通通路5。本发明通过多路旁通通路5的结构实现热能的梯级利用，能有效提高能源的利用率。

根据本发明的一个实施例，次级换热组件12为1～49个。本实施例中，次级换热组件12选择为三个，与初级换热组件11配合形成一级回热器131、一级换热器141、二级回热器132、二级换热器142、三级回热器133、三级换热器143、四级回热器134和四级换热器144依次连通的结构。在其它实施例中，次级换热组件12可选择为M个，与初级换热组件11配合形成一级回热器131、一级换热器141、二级回热器132、二级换热器142……M+1级回热器、M+1级换热器(M＝1，M＝1～49的正整数)。

根据本发明的一个实施例，热缓冲管2的管径自与发生装置4的压缩腔41相连的一端向与热声转换装置1的热源端相连的一端的方向逐渐减小。本实施例中，受到旁通通路5的影响，工质气体声功作用下自室温端向热源端移动的过程中，部分维持原本移动路线，部分经过旁通通路5进入热缓冲管2内，所以工质气体在热缓冲管2内是自与热声转换装置1的热源端连通的一端向与发生装置4的压缩腔41连通的一端移动的，即随着工质气体不断通过旁通通路5进入热缓冲管2内，热缓冲管2内的工质气体量是自热声转换装置1的热源端向发生装置4的压缩腔41逐渐增多的，为适应工质气体在经过热缓冲管2时流量变化，将热缓冲管2的管径自发生装置4的压缩腔41向热声转换装置1的热源端逐渐减小。

根据本发明的一个实施例，旁通通路5包括管路51和节流件52，节流件52设置在管路51上。本实施例中，热声转换装置1与热缓冲管2分别独立设置，即热缓冲管2设置在热声转换装置1的外部，并通过旁通通路5实现气流旁通，每条旁通通路5中的各节流元件为阀门或毛细孔管等。实际使用时，阀门可以是截止阀、电动阀、电磁阀或其他形式可通断的阀类。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，热缓冲管2与热声转换装置1同轴向设置于热声转换装置1的内部，且旁通通路5为节流通孔53。本实施例中，热缓冲管2设置在热声转换装置1的内部，即室温换热器15、初级换热组件11和次级换热组件12均与热缓冲管2同轴设置，并依次套设在热缓冲管2的外侧。热缓冲管2的一端抵在与四级换热器144的表面，另一端与室温换热器15靠近发生装置4的压缩腔41的表面齐平，即热缓冲管2位于室温换热器15、一级回热器131、一级换热器141、二级回热器132、二级换热器142、三级回热器133、三级换热器143和四级回热器134之内。本实施例中，受到热缓冲管2与热声转换装置1的相对位置影响，各旁通通路5均采用设置在热缓冲管2管壁上的节流通孔53，合适位置处有M个节流通孔53使二级回热器132至M+1级回热器的入口和热缓冲管2连通形成M条旁通气流通路。

根据本发明的一个实施例，发生装置4为发电机。本实施例中，发生装置4选择为发电机，本发明为室温自由活塞调相多路旁通型热声发电系统。

根据本发明的一个实施例，发生装置4为压力波发生器。本实施例中，发生装置4选择为压力波发生器，本发明为室温自由活塞调相多路旁通型热声制冷系统。

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 (10)

1.一种热声系统，其特征在于：包括热声转换装置、热缓冲管、活塞调相器和发生装置，所述热声转换装置的室温端与所述发生装置的压缩腔连通，所述热声转换装置的热源端、所述热缓冲管、所述活塞调相器与所述发生装置的压缩腔依次连通，所述热声转换装置在所述室温端与所述热源端之间的部分通过旁通通路与所述热缓冲管连通。

2.根据权利要求1所述的热声系统，其特征在于：所述热声转换装置的横截面面积自所述室温端向所述热源端逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的热声系统，其特征在于：所述热声转换装置包括自所述室温端向所述热源端方向依次设置的室温换热器、一个初级换热组件和至少一个次级换热组件，所述初级换热组件与所述次级换热组件均包括自所述室温端向所述热源端方向依次设置的回热器和分级换热器。

4.根据权利要求3所述的热声系统，其特征在于：每个所述次级换热组件的所述回热器均通过所述旁通通路与所述热缓冲管连通。

5.根据权利要求3所述的热声系统，其特征在于：所述次级换热组件为1～49个。

6.根据权利要求1所述的热声系统，其特征在于：所述热缓冲管的管径自与所述发生装置的压缩腔相连的一端向与所述热声转换装置的热源端相连的一端的方向逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的热声系统，其特征在于：所述旁通通路包括管路和节流件，所述节流件设置在所述管路上。

8.根据权利要求1所述的热声系统，其特征在于：所述热缓冲管与所述热声转换装置同轴向设置于所述热声转换装置的内部，且所述旁通通路为节流通孔。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的热声系统，其特征在于：所述发生装置为发电机。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的热声系统，其特征在于：所述发生装置为压力波发生器。

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