CN1916403A - 空气冷却方式的热声发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气冷却方式的热声发动机。它具有行波环路、谐振支路，其中行波环路具有依次连接的直流控制部件、主空气冷却器、回热器、加热器、热缓冲管、次空气冷却器、反馈回路，空气冷却器具有空气导流槽，在空气导流槽中设有工作介质管道，在空气导流槽端部设有风机。本发明通过在热声发动机中采用空气冷却技术，使热声发动机不依赖水源工作，更具有环保性，而且大大拓宽其应用范围。另外，采用空冷器可以带来以下好处：空气可以免费取得，不需要各种辅助设备和费用；采用空气冷却，场址选择不受限制；空气腐蚀性低，不需要采取任何清垢和清洗措施；空冷器的运行费用低，维护费用一般为水冷器的20％左右。
Description
技术领域
本发明涉及热声发动机，尤其涉及一种空气冷却方式的热声发动机。
背景技术
热声效应是热与声之间相互转换的现象，即声场中的时均热力学效应。热声热机本质上是一种通过热声效应实现热能与声能之间相互转化或传输的装置。热声热机不需要外部的机械手段就可以使振荡流体的速度和压力之间建立起合理的相位关系，因此，不需要机械传动部件，大大简化了系统的结构。按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡，为热声发动机的工作机理；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输，为热声制冷机的工作原理。只要具备一定的条件，热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。
热声发动机利用热声效应把热能转换为声能，具有如下突出优点：一是没有机械运动部件，结构简单，寿命长；二是直接以热能驱动，可以应用于电能缺乏的场合，特别是近海或者边远地区油气田上天然气和石油伴生气的液化和分离；三是工质是氮气或惰性气体，对环境友好，顺应了环境保护趋势。而脉管制冷机和其它型式的热声制冷机，消除了低温端的运动部件。它的最大特点是结构简单，具有低振动、运行可靠、低磁噪声以及长寿命等优点。热声发动机与热声制冷机相结合就可以构成完全没有运动部件的热声驱动脉管制冷系统，从根本上消除常规机械制冷机中存在的磨损与振动，在天然气液化、石油伴生气的液化与分离、电子元器件冷却等方面具有广阔的应用前景。
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。行波声场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差90°。驻波热声发动机一般为直线型布置，所有的部件都在一条轴线上。由于驻波场中速度和压力之间的相位差为90°，当板叠处气体速度处于正向最大时，气体在板叠通道中高速向热端极限移动，掠过正向半个周期运动中的绝大部分位移(即掠过大部分的温度梯度)，因此，这一过程应该是加热最强烈的时间段。但此时也正是压力变化最大的时候，气体在这一时段被迅速压缩，压缩过程和加热过程同时发生，从热力学的角度看既不利于压缩也不利于加热，因此造成气体与固体之间传热的滞后，这一热滞后使得当气体运动变缓吸收热量时气体与固体介质之间已经有相当的温差，从而造成很大的不可逆损失。但是我们也应当看到，如果没有热滞后，驻波声场理论上不能产生声功，它是以降低热力学效率为代价来产生声功的；同理，当气体经历膨胀过程时，却同时经历气体高速向低温端运动的冷却过程，这样的过程既不利于膨胀也不利于放热。从上面的过程分析可以看到：为了在驻波场中实现热功转化就必须采用间距较大的板叠以形成热滞后，使一部分加热发生在压缩过程之后，一部分冷却发生在膨胀过程之后，然而气体同固体间的有限温差热传递造成的不可逆热力过程使整个装置的效率大大降低。
行波热声发动机中回热器填料的空隙尺寸远小于气体热渗透深度，实现了固体与气体间的理想热接触，加热和冷却近似为可逆等温过程。同时，行波声场中速度和压力同相位。在行波热声发动机回热器处，当气体被迅速压缩时，气体运动速度很小，跨过回热器上较小的温度增量，因此可以被高效地压缩，而在加热过程中，气体具有最大的正向速度，跨过最大的温度增长区间，而此时压力却变化很小，因此可以实现高效的吸热膨胀过程，从热力学角度来看这无疑是对热能到声功的转换非常有利；同理，当气体进入压力降低阶段后，气体运动速度较小，掠过热声回热器较小的温度区间，所以利于压力的降低，当气体压力降到一定程度时速度变大，温度变化迅速，气体对回热器放热，气体先经历膨胀再放热。从以上分析可以看出行波声场中的热声转换过程自然进行，没有不可逆过程的参与，并且很小的回热器水利半径能够保证气体与回热器的等温传热，因此，行波热声发动机理论上进行的是可逆热声转换过程，可以获得比驻波热声发动机更高的热力学效率。
热声发动机利用热声效应把热能转换为声能，回热器轴向温度梯度为其直接驱动力，当该温度梯度超过临界温度梯度后热声发动机进入工作状态。为在回热器上形成足够的温度梯度，在热声发动机回热器的两端分别设有冷却器和加热器，冷却器一般为水冷式，加热器可采用电热管加热、燃气加热和感应加热。
冷却器是热声发动机的核心部件之一，对热声发动机的总体性能起到决定性作用。一个设计良好的热声发动机冷却器应当具有以下特点，首先，其提供的冷量要足够大；其次，从流动阻力上考虑，热声发动机冷却器的工质流道和冷却介质流道应当在满足换热面积的情况下流动阻力小；最后，从热声学的角度看，热声发动机冷却器应当满足一定的声学条件，其结构受到热声发动机管道布置方式的限制，冷却器的轴向长度和换热面的布置须满足具体热声发动机的工作条件。总体来说，热声发动机冷却器设计中的主要挑战是要在一个有限的空间内得到尽可能大的冷却效应，同时具有较小的流动阻力。
目前热声发动机中多采用水作为冷却介质，主要原因在于水的比热大、水的对流换热系数高、水冷却对环境气温变化不敏感。但随着社会生产迅速发展，工业用水量大幅度增加，出现了供水不足现象。除了水源缺乏外，人们开始注意保护环境，以河水作为冷却介质，热污染会造成河流的生态破坏。因此，在一些应用场合，空气冷却已经取代水冷却。空气冷却的优点有：空气可以免费取得，不需要任何辅助设备和费用；采用空气冷却，场址选择不受限制；空气腐蚀性低，不需要采取任何清垢和清洗措施；空冷器的运行费用低，空冷器的维护费用一般为水冷器的20％左右。
基于上述考虑，本发明提出在热声发动机中采用空冷器的设计方案，这一方案将使热声发动机更加具有环保性，而且可以拓展热声发动机的应用空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种空气冷却方式的热声发动机。
一种空气冷却方式的热声发动机具有行波环路、谐振支路，其中行波环路具有依次连接的直流控制部件、主空气冷却器、回热器、加热器、热缓冲管、次空气冷却器、反馈回路，空气冷却器具有空气导流槽，在空气导流槽中设有工作介质管道，在空气导流槽端部设有风机。
另一种空气冷却方式的热声发动机具有依次连接的消声器、加热器、热声板叠、空气冷却器、谐振直路，空气冷却器具有空气导流槽，在空气导流槽中设有工作介质管道，在空气导流槽端部设有风机。
本发明通过在热声发动机中采用空气冷却技术，使热声发动机不依赖水源工作，更具有环保性，而且大大拓宽其应用范围。另外，采用空冷器可以带来以下好处：空气可以免费取得，不需要各种辅助设备和费用；采用空气冷却，场址选择不受限制；空气腐蚀性低，不需要采取任何清垢和清洗措施；空冷器的运行费用低，维护费用一般为水冷器的20％左右。因此，在一些缺少水源或者环境温度较低的场所，空冷式热声发动机将具有应用前景。
附图说明
图1一种空气冷却方式的热声发动机结构示意图；
图2另一种空气冷却方式的热声发动机结构示意图；
图3本发明的空气冷却器的结构示意图。
具体实施方式
如图1、3所示，一种空气冷却方式的热声发动机具有行波环路、谐振支路，其中行波环路具有依次连接的直流控制部件、主空气冷却器、回热器、加热器、热缓冲管、次空气冷却器、反馈回路，空气冷却器具有空气导流槽，在空气导流槽中设有工作介质管道，在空气导流槽端部设有风机。
热声发动机工作时工作介质沿工作介质管道9轴向往复运动，即周期性的振荡，运动方向如图3中实心箭头表示，冷却介质——空气在风机11的诱导下沿水平方向垂直冲刷工作介质管道，方向如图3中空心箭头所示，工作气体和冷却空气的流动方向垂直。为增强空气侧的换热，在工作介质管道的外壁面布置了扩展传热面，如翅片、外肋片等。
本实例热声发动机在主冷却器2和次冷却器6处同时采用空气冷却，区别在于次冷却器6处所需的换热面积较小，只是主冷却器的1/2左右。如图1所示安装行波热声发动机，并按照图3布置空气冷却器。将空气冷却器空气导流槽内的风机开启，之后在加热器处对热声发动机供热，当回热器两侧的温度差超过临界温差时热声发动机内的工作气体从静止状态突然开始振荡，即转入工作状态。工作时冷却空气吸收工作气体的热量，完成了冷却任务后被排出空气导流槽。行波热声发动机工作时，把热量转化为声功，声功的传输方向如图1中的实心箭头所示。
如图2、3所示，另一种空气冷却方式的热声发动机具有依次连接的消声器12、加热器13、热声板叠14、空气冷却器15、谐振直路16，空气冷却器具有空气导流槽10，在空气导流槽中设有工作介质管道9，在空气导流槽端部设有风机11。
由于驻波热声发动机中空气冷却器的结构与前述实例基本相同，所以空气冷却器的结构示意图仍然用图3表示。按照图3所示把空气冷却器的工作介质管道9、空气导流槽10和风机11安装完成，一并装入驻波热声发动机中冷却器的位置，如图2所示，并最终把热声发动机的消声器12、加热器13、热声板叠14、冷却器15和谐振直路16安装完成。工作时，将空气冷却器空气导流槽内的风机开启，之后在加热器处对热声发动机供热，当回热器两侧的温度差超过临界温差时热声发动机内的工作气体从静止状态突然开始振荡，即转入工作状态。工作时冷却空气吸收工作气体的热量，完成了冷却任务后被排出空气导流槽。热声发动机工作后，把热量转化为声功，声功的传输方向如图2中的实心箭头所示。
Claims (2)
1.一种空气冷却方式的热声发动机，其特征在于：它具有行波环路、谐振支路(8)，其中行波环路具有依次连接的直流控制部件(1)、主空气冷却器(2)、回热器(3)、加热器(4)、热缓冲管(5)、次空气冷却器(6)、反馈回路(7)，空气冷却器具有空气导流槽(10)，在空气导流槽中设有工作介质管道(9)，在空气导流槽端部设有风机(11)。
2.一种空气冷却方式的热声发动机，其特征在于：它具有依次连接的消声器(12)、加热器(13)、热声板叠(14)、空气冷却器(15)、谐振直路(16)，空气冷却器具有空气导流槽(10)，在空气导流槽中设有工作介质管道(9)，在空气导流槽端部设有风机(11)。
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Cited By (2)
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| CN110701011B (zh) * | 2018-07-09 | 2021-10-29 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种热声发动机 |
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