CN200955474Y - 采用热管传热驱动的热声发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用热管传热驱动的热声发动机。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器、主冷却器、回热器、加热器、热缓冲管、副冷却器、反馈回路，发动机的加热器通过热管与热源连接。本实用新型通过在热声发动机中应用热管传热技术，把热声发动机和加热热源在空间上分离，这种热源布置方式有两方面的优点：一方面，把热源和热声发动机从空间上分离，二者的相互影响减弱，消除了热声发动机加热空间狭小的限制，同时也利于热源设备的运行；另一方面，使更多的热能资源成为热声发动机的加热热源，如锅炉烟气，工业废热，甚至核反应堆的反应热等。把高温热管技术引入热声发动机也大大拓展了热声发动机的应用空间。

Description

采用热管传热驱动的热声发动机

技术领域

本实用新型涉及热声发动机，尤其涉及一种采用热管传热驱动的热声发动机。

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。

综上所述，要在热声发动机中实现热功转换，就必须使热声发动机内部的声场合理分布，即压力波动和速度波动相位满足驻波和行波热声效应的实现条件。在实际热声发动机中，这个相位通过精确设计热声发动机内每一个声学部件的结构尺寸获得。另外，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转入工作状态。为在回热器上形成足够大的温度梯度，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，加热器可采用多种加热方式，如电热管加热、燃气加热和感应加热。

加热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加热器应当具有以下特点，首先，加热功率要大，加热器的加热量为热声发动机的热功转换提供足够的热能，是热声发动机声功转换的基础；其次，从流动阻力上考虑，热声发动机加热器的流道应当在满足换热面积的情况下具有较小的流动阻力；最后，从热声学的角度看，热声发动机加热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，加热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。总的来说，热声发动机加热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加热功率，同时保持较小的流动阻力。通常，一台驻波热声发动机试验样机大约需要3kW加热功率，加热空间约为50(长)×40(直径)mm的圆柱体，行波热声发动机实验样机大约需要5～6kW，加热空间一般为70(长)×100(直径)mm。从目前的研究情况看，对于采用电热管直接接触加热的热声发动机来说，受加热空间的限制，要突破这个加热功率存在一定困难。采用燃气加热技术，通过燃烧天然气或煤气产生的高温烟气直接加热驱动热声发动机可以在一定程度上提高热流密度，但仍然不能突破加热空间狭小的局限，而且会带来噪声以及对热声发动机的污染等问题。因此，加热方式的合理选择和加热装置的优化设计是热声发动机投入实际应用的一大挑战。

热管作为高效传热元件，在各工业领域中发挥越来越重要的作用。随着热管技术的不断深入，热管式工业过程设备也得以开发应用，使得热管换热器不仅仅局限于余热回收，而且成为一些工业过程中必不可少的高效传热传质设备。热管换热器是由管内充有不同工质的热管组成的组合式换热器。按照热管管内工作温度的不同可分为：高温、中温和低温热管。把高、中、低温热管组合起来可以构成组合式热管换热器，满足不同温位的传热需要。这种组合式热管换热器的高温段一般由液态金属钠、钾热管组成；中温段一般由萘热管组成；低温段通常由碳钢—水热管组成。根据高温段管壳材质的不同，管内工作温度可达600～800℃，甚至更高。由于热管的高热传导性能、二次间壁换热特性，以及各热管元件均为独立换热，单根热管破坏，不会导致二种换热流体互混，并不影响整体换热的效果，亦无需停车检修等优越性，因此热管换热器在高温换热条件下，具有高效经济、安全可靠等优越性。紧凑高效液态金属热管换热器技术的完善将取代玻璃、冶金等工业中的大型蓄热式换热器，在工业应用中有着广阔的前景。

典型的热管由管壳、外部扩展受热面、端盖组成，将管内抽成一定程度的负压后充入适量的工作液体，然后加以密封。热管在工作时分为三部分，蒸发段、绝热段和冷凝段，蒸发段与高温热源接触用于吸收热量，为增强换热，常采用加工翅片等方式扩展传热面，吸收热量后热管内的工作介质汽化，从液体变为蒸汽；绝热段起到连接和传输作用，一方面把蒸汽从蒸发段输运到冷凝段，另一方面从冷凝段把冷凝液体输运到蒸发段，绝热段外部包裹保温材料以进行保温；冷凝段与被加热物体热接触，热管内的工作蒸汽把热量传给被加热物体后被冷凝成液体，然后通过重力或毛细现象回到蒸发段。

热管是一种高效传热元件，加热热流密度大，高温热管的加热温度高，能够很好地满足热声发动机的需要。此外，采用热管加热技术，可以把热声发动机和加热热源在空间上分离，这就带来两方面的好处：一方面，解决了热声发动机加热空间的局限性；另一方面，使更多的热能资源可以成为热声发动机的加热热源，如锅炉烟气，工业废热，甚至核反应堆的反应热等。从后者看，把热管技术引入热声发动机也大大拓展了热声发动机的应用空间。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种采用热管传热驱动的热声发动机。

一种采用热管传热驱动的热声发动机具有行波环路、谐振支路，行波环路具有依次连接的直流控制器、主冷却器、回热器、加热器、热缓冲管、副冷却器、反馈回路，热声发动机的加热器通过热管与热交换器连接。

另一种采用热管传热驱动的热声发动机具有依次连接的消声器、加热器、热声板叠、冷却器、谐振直路，热声发动机的加热器通过热管与热交换器连接。

所述的热交换器为壳管式换热器，壳程内是高温烟气或工业蒸汽。

本实用新型通过在热声发动机中应用热管传热技术，把热声发动机和加热热源在空间上分离，这种热源布置方式有两方面的优点：一方面，把热源和热声发动机从空间上分离，二者的相互影响减弱，消除了热声发动机加热空间狭小的限制，同时也利于热源设备的运行；另一方面，使更多的热能资源可以成为热声发动机的加热热源，如锅炉烟气，工业废热，甚至核反应堆的反应热等。把高温热管技术引入热声发动机也大大拓展了热声发动机的应用空间。

附图说明

图1是一种采用热管传热驱动的热声发动机结构示意图；

图2是另一种采用热管传热驱动的热声发动机结构示意图。

具体实施方式

事实上，无论是行波热声发动机还是驻波热声发动机，都可以采用热管加热驱动技术，在本专利中分别以行波热声发动机和驻波热声发动机为例进行说明。

如图1所示，一种采用热管传热驱动的热声发动机具有行波环路、谐振支路8，行波环路具有依次连接的直流控制器1、主冷却器2、回热器3、加热器4、热缓冲管5、副冷却器6、反馈回路7，热声发动机的加热器4通过热管10与热交换器12连接。所述的热交换器12为壳管式换热器，壳程内是高温烟气或工业蒸汽。

热声发动机热管加热装置包括热管绝热段的保温层9、高温热管10和热交换器12，翅片11是为增强热管高温端换热而设置的扩展换热面。热管的蒸发段在热交换器12内与热流体充分换热，吸收热流体的热量，并把这个热量传输到冷凝段，热流体可以是烟气、工业蒸汽等。热管10起到传热桥梁的作用，把空间上分离的热源设备和热声发动机加热器连接起来。

在装配时，热管10可以是独立的管路，其冷凝段插入热声发动机加热器预先设置的孔道内，蒸发段插入热交换器12。更高效的方式是，把热管和热声发动机的加热器直接做成一体，这样可以消除或减小该段的接触热阻，增强传热，热管蒸发段仍然插入热交换器以吸收高温热源的热量。热管的中间部分是绝热段，需要用保温材料9包裹，起到绝热保温作用。按图1所示安装好行波热声发动机和热管传热装置，给主冷却器2和副冷却器6通上循环冷却水后，开启热源设备，热流体如图中空心箭头方向进入热交换器12，放出热量后从上端流出，此时热管10开始工作。当加热器4处的温度升高到一定数值，大约在200℃以上时，同热器3的轴向会形成一个足够大的温度梯度，此后热声发动机启动，即由静止状态转入工作状态。热声发动机工作后，把通过热管从热流体吸收的热量转化为声功，声功的传输方向如图中的实心箭头所示。

如图2所示，另一种采用热管传热驱动的热声发动机具有依次连接的消声器13、加热器14、热声板叠15、冷却器16、谐振直路17，热声发动机的加热器14通过热管10与热交换器12连接。所述的热交换器12为壳管式换热器，壳程内是高温烟气或工业蒸汽。

该采用热管传热驱动的驻波热声发动机应用实例除了发动机的形式与前述实例不同外，热管、热交换器、保温层和热管蒸发段的扩展换热面基本相同，所以仍然采用前面的序号表示。

把驻波热声发动机的主体部件安装完成，热管10、保温材料9和热交换器12以及附属的热流体通道也按照图示进行组装，热管10的蒸发段插入热交换器12，热管10的冷凝段插入驻波热声发动机的加热器14内。给冷却器16通上循环冷却水后，开启热源设备，热流体如图中空心箭头方向进入热交换器12，放出热量后从上端流出，此时热管10开始工作。当加热器14处的温度升高到一定数值，大约在200℃以上时，热声板叠15的轴向会形成一个足够大的温度梯度，此后热声发动机启动，即由静止状态转入工作状态。热声发动机工作后，把通过热管从热流体吸收的热量转化为声功，声功的传输方向如图中的实心箭头所示。

Claims (4)

1.一种采用热管传热驱动的热声发动机，其特征在于，它具有行波环路、谐振支路(8)，行波环路具有依次连接的直流控制器(1)、主冷却器(2)、回热器(3)、加热器(4)、热缓冲管(5)、副冷却器(6)、反馈回路(7)，热声发动机的加热器(4)通过热管(10)与热交换器(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用热管传热驱动的热声发动机，其特征在于：所述的热交换器(12)为壳管式换热器，壳程内是高温烟气或工业蒸汽。

3.一种采用热管传热驱动的热声发动机，其特征在于，它具有依次连接的消声器(13)、加热器(14)、热声板叠(15)、冷却器(16)、谐振直路(17)，热声发动机的加热器(14)通过热管(10)与热交换器(12)连接。

4.根据权利要求3所述的一种采用热管传热驱动的热声发动机，其特征在于：所述的热交换器(12)为壳管式换热器，壳程内是高温烟气或工业蒸汽。

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