CN114688758B - 一种利用低品位热能的热声制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热声技术领域，公开了一种利用低品位热能的热声制冷系统，包括若干个依次相连形成环路的热声单元，所述热声单元包括热声发动机和热声制冷机，所述热声制冷机串联或旁接于所述环路，环路上串联设有气液谐振器，所述气液谐振器包括U型管和设于所述U型管内部的液体振子。本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，采用气体和液体作为谐振器的振子，从而有效利用液体谐振器的高质量惯性声感和气体谐振器的高可压缩性声容形成气液耦合振动热声系统，在强化声振荡的同时降低工作频率，进而使系统获得更低的起振温差和更高的制冷效率，能够有效提高制冷效率及降低所需的起振温度，从而实现低品位热回收的高效利用。

Description

一种利用低品位热能的热声制冷系统

技术领域

本发明涉及热声技术领域，尤其涉及一种利用低品位热能的热声制冷系统。

背景技术

利用可再生能源，如太阳能和地热等低品位热能以及工业过程的余热对于实现节能减排十分重要。据统计，约20％至50％的工业能源以余热的形式流失到环境中。而回收这种低品位的热量不仅可以提高系统的整体效率，还可以降低能源需求、排放和成本。同时，将低品位热能用于制冷具有广阔的应用前景，例如中大型电子产品的冷却散热，易腐食品及医药的保存等。热声是一种新兴的能量转换技术，可用于加热、冷却或发电。热声驱动制冷是一种新型可持续的热驱动制冷技术，具有无机械运动部件、使用寿命长、采用环保工质无污染等优点。

但是传统热声系统输出压比通常仅在1.2-1.3，即使采用氮气等大分子量的气体也难以达到要求。频率方面，50Hz左右的气体谐振管长度一般需要数米到数十米，如果要降低工作频率至30Hz以下，还需要进一步增加谐振管长度，导致整机系统较为庞大。目前传统热声系统存在起振温差高、效率较低的问题，限制了热声制冷系统对低品位热源利用的能力。

发明内容

本发明提供一种利用低品位热能的热声制冷系统，用以解决目前传统热声系统存在的起振温差高、效率较低的问题。

本发明提供一种利用低品位热能的热声制冷系统，包括若干个依次相连形成环路的热声单元，所述热声单元包括热声发动机和热声制冷机，所述热声制冷机串联或旁接于所述环路，环路上串联设有气液谐振器，所述气液谐振器包括U型管和设于所述U型管内部的液体振子。

根据本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，所述热声制冷机串联于所述环路时，所述热声发动机包括依次相连的发动机室温换热器、发动机回热器和发动机高温换热器。

根据本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，所述热声制冷机包括依次相连的制冷机室温换热器、制冷机回热器、制冷机冷端换热器和制冷机脉冲管，其中所述制冷机室温换热器通过热缓冲管与所述发动机高温换热器相连。

根据本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，所述热声制冷机旁接于所述环路时，所述热声发动机包括依次相连的发动机主室温换热器、发动机回热器、发动机高温换热器、发动机热缓冲管和发动机次室温换热器。

根据本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，所述热声制冷机包括依次相连的制冷机主室温换热器、制冷机回热器、制冷机冷端换热器、制冷机热缓冲管、制冷机次室温换热器和惯性气库；其中，制冷机主室温换热器通过连接管旁接于所述发动机次室温换热器的出口处。

根据本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，所述环路内部在所述液体振子的两侧分别设有弹性阻挡结构。

根据本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，所述弹性阻挡结构包括弹性膜或浮子。

根据本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，所述U型管在所述液体振子的两侧分别设有截面尺寸较大的缓冲段。

根据本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，所述气液谐振器与所述热声单元一一对应设置。

本发明提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，采用气体和液体作为谐振器的振子，从而有效利用液体谐振器的高质量惯性声感和气体谐振器的高可压缩性声容形成气液耦合振动热声系统，在强化声振荡的同时降低工作频率，进而使系统获得更低的起振温差和更高的制冷效率，能够有效提高制冷效率及降低所需的起振温度，从而实现低品位热回收的高效利用。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的热声制冷系统的第一种应用实例示意图；

图2是本发明提供的气液谐振器的结构示意图之一；

图3是本发明提供的气液谐振器的结构示意图之二；

图4是本发明提供的热声制冷系统的第二种应用实例示意图；

图5是本发明提供的热声制冷系统的第三种应用实例示意图；

图6是本发明提供的热声制冷系统的第四种应用实例示意图。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中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作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。

下面结合图1-图6描述本发明的利用低品位热能的热声制冷系统。

参考图1，本实施例提供一种利用低品位热能的热声制冷系统，该热声制冷系统包括若干个依次相连形成环路的热声单元，热声单元包括热声发动机和热声制冷机，热声制冷机串联或旁接于环路。环路上串联设有气液谐振器11。参考图2，气液谐振器11包括U型管和设于U型管内部的液体振子12。U型管内同时存在有气体振子14。U型管内部与环路内部相连通。

本实施例提供的一种利用低品位热能的热声制冷系统，采用气体和液体作为谐振器的振子，从而有效利用液体谐振器的高质量惯性声感和气体谐振器的高可压缩性声容形成气液耦合振动热声系统，在强化声振荡的同时降低工作频率，进而使系统获得更低的起振温差和更高的制冷效率，能够有效提高制冷效率及降低所需的起振温度，从而实现低品位热回收的高效利用。

进一步地，实施例提供的热声制冷系统由多个热声单元串联形成环路。该系统可由多个完全相同的热声单元组成，环路型系统也有利于提高效率，环路多级热声制冷系统的发展大大提高了利用低品位热能的可能性。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2，环路内部在液体振子的两侧分别设有弹性阻挡结构。两侧弹性阻挡结构将液体振子8限定在两侧弹性阻挡结构之间，用于抑制声直流现象及防止液体溅出影响系统性能。

在上述实施例的基础上，进一步地，弹性阻挡结构包括弹性膜13或浮子。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图3，U型管在液体振子12的两侧分别设有截面尺寸较大的缓冲段111。即U型管上缓冲段111的截面尺寸大于其他部位的截面尺寸。设置缓冲段111可起到缓冲液面紊流现象的作用。缓冲段111设于液体振子12的液面上方。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，气液谐振器11与热声单元一一对应设置。即在环路上气液谐振器11的设置数量与热声单元的数量相同。每个热声单元对应连接一个气液谐振器11。在环路上，气液谐振器11位于相邻两个热声单元之间。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，多个热声单元的连接管之间连接有平衡阀10。实现每个气液谐振器11中液体振子12两侧空间的连通。环路上，通过液体振子12隔开的两侧空间分别为压缩腔和膨胀腔。平衡阀10连接压缩腔和膨胀腔，避免U型气液谐振器压缩腔和膨胀腔出现压力不均现象，避免因膨胀腔和压缩腔的压力差异导致系统效率较低的问题，提高了系统的整机效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，热声制冷机串联于环路时，热声发动机包括依次相连的发动机室温换热器1、发动机回热器2和发动机高温换热器3。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，热声制冷机包括依次相连的制冷机室温换热器5、制冷机回热器6、制冷机冷端换热器7和制冷机脉冲管8，其中制冷机室温换热器5通过热缓冲管4与发动机高温换热器3相连。通过热声发动机与热声制冷机直接相连使中间的谐振管被省去，结构上更加紧凑，并且可以降低声功在传统谐振管内的损失。相邻热声单元通过连接管9相连形成回路，气液谐振器11串联于连接管9。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图5，热声制冷机旁接于环路时，热声发动机包括依次相连的发动机主室温换热器25、发动机回热器26、发动机高温换热器27、发动机热缓冲管28和发动机次室温换热器29。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图5，热声制冷机包括依次相连的制冷机主室温换热器31、制冷机回热器32、制冷机冷端换热器33、制冷机热缓冲管、制冷机次室温换热器34和惯性气库35；其中，制冷机主室温换热器31通过连接管30旁接于发动机次室温换热器29的出口处。

图1为本实施例设计的四级环路热驱动直连型室温热声制冷系统示意图，系统包括四个基本单元依次连接，每个基本单元依次包括热声发动机、热声制冷机和U型气液谐振器11。热声发动机由发动机室温换热器1、发动机回热器2、发动机高温换热器3组成；热声制冷机由制冷机室温换热器5、制冷机回热器6、制冷机冷端换热器7、制冷机脉冲管8组成。其中热声发动机、热声制冷机直接通过热缓冲管4相连。参考图2，U型气液谐振器11由液体振子12、气体振子14和弹性膜13组成。其中，采用弹性橡胶膜目的为抑制声直流现象及防止液体溅出影响机器性能，但不局限于弹性橡胶膜，亦可采用如浮子、扩大管径截面积以缓冲液面紊流现象等方式。

系统工作原理为：每个发动机高温换热器3采用低品位热源加热，发动机室温换热器1采用室温冷却水冷却，从而回热器中存在一个温度差。当轴向温度梯度超过临界值时，自激热声振荡开始，热声发动机产生的声功直接传递到热声制冷机中产生制冷效应，制冷机出口处声功通过U型气液谐振器11传递给下一个基本单元。

图4为本实施例设计的三级环路热驱动室温热声制冷系统示意图，与上述四级环路热声制冷系统作用相同，系统包括三个基本单元，每个基本单元依次包括热声发动机、热声制冷机和U型气液谐振器24。热声发动机由发动机室温换热器15、发动机回热器16、发动机高温换热器17组成；热声制冷机由制冷机室温换热器19、制冷机回热器20、制冷机冷端换热器21、制冷机脉冲管22组成；其中热声发动机、热声制冷机直接通过热缓冲管18相连。U型气液谐振器24由液体振子、气体振子和弹性膜组成，结构参考图2。其中，采用弹性橡胶膜目的为抑制声直流现象及防止液体溅出影响机器性能，但不局限于弹性橡胶膜，亦可采用如浮子、扩大管径截面积以缓冲液面紊流现象等方式。

系统工作原理为：每个发动机高温换热器17采用低品位热源加热，发动机室温换热器15采用室温冷却水冷却，从而发动机回热器16中存在一个温度差。当轴向温度梯度超过临界值时，自激热声振荡开始，热声发动机产生的声功直接驱动热声制冷机产生制冷效应，制冷机出口处声功通过U型气液谐振器24传递给下一个基本单元。

除了上述结构流程将制冷机串接在环路中，也可将制冷机旁接于环路中。图5所示本实施例设计的四级环路热驱动旁接型室温热声制冷系统示意图。与上述直连型热声制冷系统作用相同，系统包括四个基本单元依次连接。每个基本单元依次包括热声发动机、热声制冷机和U型气液谐振器36。热声发动机由发动机主室温换热器25、发动机回热器26、发动机高温换热器27、发动机热缓冲管28、发动机次室温换热器29组成；热声制冷机由制冷机主室温换热器31、制冷机回热器32、制冷机冷端换热器33、制冷机热缓冲管、制冷机次室温换热器34、制冷机惯性气库35组成，其中热声制冷机通过连接管30旁接在发动机出口处。U型气液谐振器36由液体振子、气体振子和弹性膜组成，结构参见图2。

系统工作原理为：每个发动机高温换热器27采用低品位热源加热，发动机室温换热器采用室温冷却水冷却，从而发动机回热器26中存在一个温度差。当轴向温度梯度超过临界值时，自激热声振荡开始，热声发动机产生声功一部分用来驱动热声制冷机产生制冷效应，剩余声功通过U型气液耦合谐振器传递给下一个基本单元。

图6所示本实施例设计的三级环路热驱动旁接型室温热声制冷系统示意图。与上述四级环路热驱动旁接型室温热声制冷系统作用相同，系统包括三个基本单元依次连接。每个基本单元依次包括热声发动机、热声制冷机和U型气液谐振器49。热声发动机由发动机主室温换热器37、发动机回热器38、发动机高温换热器39、发动机热缓冲管40、发动机次室温换热器41组成；热声制冷机由制冷机主室温换热器44、制冷机回热器45、制冷机冷端换热器46、制冷机次室温换热器47、制冷机惯性气库38组成；其中热声制冷机通过连接管43和连接管42旁接在发动机出口处。U型气液耦合谐振器由液体振子、气体振子和弹性膜组成，结构参考图2。

系统工作原理为：每个发动机高温换热器39采用低品位热源加热，发动机室温换热器采用室温冷却水冷却，从而发动机回热器38中存在一个温度差。当轴向温度梯度超过临界值时，自激热声振荡开始，热声发动机产生声功驱动热声制冷机产生制冷效应，剩余声功通过U型气液耦合谐振器传递给下一个基本单元，形成循环。

在上述实施例的基础上，进一步地，传统热声发动机的起振温度普遍较高，一般在500K以上，且加热温度越低，系统的效率越低，故为了提升系统的整机效率，传统热声发动机的运行温度通常达到800K以上。环路多级结构具有体积小、功率密度大、潜在效率高等优点，环路系统具有较小的起振温差。然而，传统环路热声系统由于采用了质量密度较小的气体谐振器，从而限制了起振温度的进一步降低。

针对以上问题，考虑到降低系统的谐振频率和提升压比对于热声驱动制冷系统获取更低的起振温差具有重要意义。本实施例提出了一种气液耦合谐振器代替传统的气体谐振器。由于液体工质相对于气体工质具有较高的密度和较大的声学惰性，故气液耦合谐振器相比传统气体谐振器具有较高的压力振幅和较低的工作频率，进而使系统具有较高的制冷性能和较低的起振温差。既可以提高系统制冷效率，又可以降低其所需的起振温差，使热声驱动制冷系统能够高效地实现低品位热能的回收利用。

本实施例设计了一种利用低品位热能的热声制冷系统。该热声制冷系统采用了气液耦合谐振器作为谐振机构，整机系统由N个结构相同的基本单元首尾相连组成环路，N＝1-10范围内的正整数；基本单元包括热声发动机，热声制冷机和U型气液耦合谐振器。在每一基本单元中，热声发动机产生的声功用来驱动热声制冷机，剩余的声功通过谐振器回收到下一单元。热声制冷机可通过串接或者旁接方式与热声发动机直接相连。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、使用环保工质等优点；特别地，气液耦合谐振器能够有效降低系统的谐振频率并提升压力振幅，相对于传统的纯气体谐振器，气液耦合谐振器能够获得更低的起振温差和更高的制冷效率。因此，采用气液耦合谐振器的热声制冷系统在低品位热能的利用方面具有较大的应用潜力。计算结果表明，相比传统气体谐振器，采用气液耦合谐振器的系统频率可以从53.3Hz降低到12.3Hz，压比从1.06增大到1.32，从而使系统起振温差从144.1K降低到到35.5K，制冷效率从0.45提升到0.67。

本实施例采用气液U型谐振管替代传统的气体谐振机构，提高热声系统的输出压比及降低工作频率可以有效降低起振温差和提高制冷效率，从而有效利用低品位能源。系统中制冷机通过旁接或者串接方式直接与发动机相连，避免了发动机和制冷机之间的调相器，从而有利于减少声功损耗。U型气液耦合谐振器内气体可采用氦气、氮气、氩气等多种惰性气体，环保无污染。采用如上述图1、图4、图5和图6的环路结构，但不局限于上述三级、四级环路，环路级数为N级，由N个结构相同的热声单元通过气液U型谐振管首尾相连组成环路结构，N＝1-20范围内的正整数。气液谐振子内可安置弹性膜或浮子，防止液体外溢进入发动机或制冷机，同时浮子结构亦能防止液体飞溅，从而减少液面不稳定性。

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 (5)

1.一种利用低品位热能的热声制冷系统，其特征在于，包括若干个依次相连形成环路的热声单元，所述热声单元包括热声发动机和热声制冷机，所述热声制冷机串联或旁接于所述环路，环路上串联设有气液谐振器，所述气液谐振器包括U型管和设于所述U型管内部的液体振子；U型管内同时存在有气体振子，U型管内部与环路内部相连通；所述环路内部在所述液体振子的两侧分别设有弹性阻挡结构；

气液谐振器与热声单元一一对应设置；在环路上，气液谐振器位于相邻两个热声单元之间；相邻热声单元通过连接管相连形成回路，气液谐振器串联于连接管，热声单元的连接管之间连接有平衡阀；

所述热声制冷机串联于所述环路时，所述热声发动机包括依次相连的发动机室温换热器、发动机回热器和发动机高温换热器；所述热声制冷机包括依次相连的制冷机室温换热器、制冷机回热器、制冷机冷端换热器和制冷机脉冲管，其中所述制冷机室温换热器通过热缓冲管与所述发动机高温换热器相连。

2.根据权利要求1所述的利用低品位热能的热声制冷系统，其特征在于，所述热声制冷机旁接于所述环路时，所述热声发动机包括依次相连的发动机主室温换热器、发动机回热器、发动机高温换热器、发动机热缓冲管和发动机次室温换热器。

3.根据权利要求2所述的利用低品位热能的热声制冷系统，其特征在于，所述热声制冷机包括依次相连的制冷机主室温换热器、制冷机回热器、制冷机冷端换热器、制冷机热缓冲管、制冷机次室温换热器和惯性气库；其中，制冷机主室温换热器通过连接管旁接于所述发动机次室温换热器的出口处。

4.根据权利要求1所述的利用低品位热能的热声制冷系统，其特征在于，所述弹性阻挡结构包括弹性膜或浮子。

5.根据权利要求1至3任一所述的利用低品位热能的热声制冷系统，其特征在于，所述U型管在所述液体振子的两侧分别设有截面尺寸较大的缓冲段。