CN1293303C - 具有旁通结构的混合型行波热声发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有旁通结构的混合型行波热声发动机。它包括依次连接的反馈管路、声容管路、喷射泵、主冷却器、热声回热器、加热器、热缓冲管、副冷却器、谐振直路、消声部分， 在反馈管路与热声回热器之间设旁通结构。本发明为了减少行波环路中的声功损失，并有效抑制环路中的直流，提出在混合型行波热声发动机上使用旁通结构。这是对混合型行波热声发动机结构上的创新，可有效抑制行波环路上的直流，并减少回热器和喷射泵中的不可逆损失，从而改善热声发动机的性能。

Description

具有旁通结构的混合型行波热声发动机

                    技术领域

本发明涉及一种具有旁通结构的混合型行波热声发动机，旁通结构可改善热声发动机的性能。

                    背景技术

热声发动机是利用热声效应，实现热能到声能转化并实现声功输出的声波发生器。根据声场特性不同，热声发动机主要分为驻波型、行波型及驻波行波混合型三种型式。由于驻波声场中速度波和压力波相位差为90°，驻波场中理论上没有功的传输；另一方面，在驻波热声发动机板叠中气体同固体间换热较差，气体进行的是不可逆热力学循环，所以热声发动机效率低。行波型热声发动机利用的是行波声场，声场中速度波动和压力波动相位相同，并且发动机回热器中气体通道的水力半径远小于气体热渗透深度，气体在回热器中进行的是等温热传递，因此行波热声发动机在理论上可以达到比驻波热声发动机更高的热力学效率。但是利用纯行波声场也很难实现较高的热声转化效率，主要原因有：1)回热器中固体介质同气体介质之间相互热传递时总会不可避免地存在热滞后；2)行波声场具有低声阻抗特性，这会导致大的粘性损失，特别是在回热器处；3)存在各种形式的环路直流。在环路的适当位置引入驻波直路，构成混合型行波热声发动机，一方面可以利用回热器中固体介质同气体介质之间相互热传递时存在的热滞后实现驻波热声转换，另一方面可以提高行波声场特别是回热器处的声阻抗从而减少粘性损耗。美国Los Alamos国家实验室制作了一台行波型热声发动机，通过在行波环路引出一驻波直路，成功地在声场中引入了驻波成分，并在实验中取得42％的相对卡诺效率和30％的热力学效率。如图1所示，混合型行波热声发动机通常具有如下组成部分：

一、行波环路

1.主冷却器，主冷却器位于回热器2的上方，其作用是在回热器室温端带走热量、冷却气体工质，以建立热声回热器上的温度梯度；

2.热声回热器，位于主冷却器1下方，热声回热器是产生并强化热声效应的关键构件，此处发生的热声效应使声功产生或增强；

3.加热器，加热器的作用是在回热器相对冷却器的另一端提供一个高温热源，与冷却器处的环境温度一起在回热器上形成一个温度梯度。这个温度梯度是热声发动机工作的动力；

4.热缓冲管，热缓冲管位于加热器3与副冷却器5之间，作用是实现加热器与副冷却器的热隔离，以减少热端换热器向副冷却器的漏热，同时使得声功从发动机高温区域向外传递。为了减少轴向导热，热缓冲管在满足强度要求的情况下管壁应尽可能薄；

5.副冷却器及导流器，副冷却器的作用是降低传输声功的气体温度，以利于声功引出并为热声制冷机提供动力。当环路中的直流流动(Gedeon流，即经过回热器、热缓冲管、反馈管路等沿环路的时均质量流)和热缓冲管中的直流流动均被完全抑制时，副冷却器的负荷仅仅是沿热缓冲管管壁的漏热和来自热端换热器的热辐射，所以副冷却器可以采用直径较大、长度较短(即换热面积较小)的不锈钢管；

导流器位于热缓冲管下方，作用是使进入热缓冲管底部和热缓冲管内的气流均匀分布，防止由于副冷却器的形状或与谐振管的连接点处气流的分离而形成的射流。射流会导致热缓冲管内气体的直流流动，造成加热器大量热量的浪费。

6.反馈管路，反馈管路的作用是为行波成分提供通路，同时起到一个声感部件的作用，使冷却器处产生行波相位；

7.声容管路，声容横跨环路左右支路，是一个容积较大的腔体。它本质上是一个声容部件，同反馈直路一起在冷却器端实现行波相位；

8.喷射泵，喷身泵位于声容7和主冷却器1之间，其作用是利用流道不对称效应在两端产生一个压力差，形成一个逆着环路二阶质量流的流动并尽可能与之抵消，从而抑制环路Gedeon直流。

二、驻波谐振直路

9.谐振直路，谐振直路的作用是在行波环路上耦合一个驻波管路，把驻波成分引入系统中，使该系统兼有驻波和行波热声发动机的优点，从而提高了热声发动机的热力学效率；另一方面，谐振直路从环路引出大部分声功并在直路上形成驻波相位，由于驻波系统可以实现较大的声阻抗，所以谐振直路提供了连接负载的最佳位置；

10.消声部分。

混合型热声发动机中由于存在着行波环路，因此要考虑直流抑制问题。采用美国Los Alamos国家实验室的Swift等人提倡的喷射泵结构，虽然可以取得较好的抑制效果，但是声功损失比较大。而且反馈回路中的声功全部回到回热器时，在回热器中损失太大。

                    发明内容

本发明的目的是提供一种具有旁通结构的混合型行波热声发动机。

它包括依次连接的反馈管路、声容管路、喷射泵、主冷却器、热声回热器、加热器、热缓冲管、副冷却器、谐振直路、消声部分，在反馈管路与热声回热器之间设旁通结构。

本发明为了减少行波环路中的声功损失，并有效抑制环路中的直流，提出在混合型行波热声发动机上使用旁通结构。

旁通结构是从回热器到反馈管上连接一条或多条旁通管，管上可安装阀门，用来调节旁通声功的大小。这样一部分反馈声功就不用通过喷射泵和整个回热器，因而理论上可以大大减少声功在回热器和喷射泵中的不可逆损耗，从而提高热声发动机的效率。

有旁通结构的混合型行波热声发动机只是旁通结构的典型情况，旁通结构还可采用其它的多种形式。例如在环路中任意两个支路之间同时接上几根管路，等等，都属于具有旁通结构的混合型行波热声发动机的范畴。在混合型行波热声发动机上采用旁通结构的突出优点：是对混合型行波热声发动机结构上的创新，可有效减少回热器和喷射泵中的不可逆损失，从而改善热声发动机的性能。

                    附图说明

图1是混合型行波热声发动机结构示意图；

图2是在回热器和反馈管之间使用旁通结构的混合型行波热声发动机结构示意图。

                    具体实施方式

如图2所示，具有旁通结构的混合型行波热声发动机包括依次连接的反馈管路6、声容管路7、喷射泵8、主冷却器1、热声回热器2、加热器3、热缓冲管4、副冷却器5、谐振直路9、消声部分10，在反馈管路6与热声回热器2之间设旁通结构。旁通结构为旁通管，在旁通管上设有调节声功流量大小的阀门。

热声发动机对环路和谐振直路的组成部件进行组装，分别完成环路和谐振直路的组装后把环路与谐振直路通过法兰连接在一起，就实现了整个系统的装配。完成系统的装配后，在系统内充入一定压力的工作气体，把主、副冷却器的进水和出水管道接好并通水，加热器开始加热，那么系统进入工作状态，即可在系统的适当部位得到声功输出。

Claims (2)

1.一种具有旁通结构的混合型行波热声发动机，它包括依次连接的反馈管路(6)、声容管路(7)、喷射泵(8)、主冷却器(1)、热声回热器(2)、加热器(3)、热缓冲管(4)、副冷却器(5)组成的行波环路结构热声发生器及谐振直路(9)、消声部分(10)，其特征在于：在行波环路结构热声发生器的反馈管路(6)与热声回热器(2)之间设旁通结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有旁通结构的混合型行波热声发动机，其特征在于：所说的旁通结构为旁通管，在旁通管上设有调节声功流量大小的阀门。

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