專利名稱：熱聲發(fā)動機多路聲功輸出法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱聲發(fā)動機聲功的輸出方法，尤其涉及一種熱聲發(fā)動機多路聲功輸出法。
背景技術(shù)：
熱聲效應(yīng)是熱與聲之間相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，即聲場中的時均熱力學(xué)效應(yīng)。熱聲熱機本質(zhì)上是一種通過熱聲效應(yīng)實現(xiàn)熱能與聲能之間相互轉(zhuǎn)化或傳輸?shù)难b置。熱聲熱機不需要外部的機械手段就可以使振蕩流體的速度和壓力之間建立起合理的相位關(guān)系，因此，不需要機械傳動部件，大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。按能量轉(zhuǎn)換方向不同，熱聲效應(yīng)可分為兩類一是用熱來產(chǎn)生聲，即熱驅(qū)動的聲振蕩，為熱聲發(fā)動機的工作機理；二是用聲來產(chǎn)生熱，即聲驅(qū)動的熱量傳輸，為熱聲制冷機的工作原理。只要具備一定的條件，熱聲效應(yīng)在行波聲場、駐波聲場以及兩者結(jié)合的聲場中都能發(fā)生。
根據(jù)聲場特性不同，熱聲發(fā)動機主要分為駐波型、行波型及駐波行波混合型三種型式。行波聲場中速度波和壓力波動相位相同，而在駐波聲場中二者相差90°。駐波熱聲發(fā)動機一般為直線型布置，所有的部件都在一條軸線上。由于駐波場中速度和壓力之間的相位差為90°，當板疊處氣體速度處于正向最大時，氣體在板疊通道中高速向熱端極限移動，掠過正向半個周期運動中的絕大部分位移(即掠過大部分的溫度梯度)，因此，這一過程應(yīng)該是加熱最強烈的時間段。但此時也正是壓力變化最大的時候，氣體在這一時段被迅速壓縮，壓縮過程和加熱過程同時發(fā)生，從熱力學(xué)的角度看既不利于壓縮也不利于加熱，因此造成氣體與固體之間傳熱的滯后，這一熱滯后使得當氣體運動變緩吸收熱量時氣體與固體介質(zhì)之間已經(jīng)有相當?shù)臏夭?，從而造成很大的不可逆損失。但是我們也應(yīng)當看到，如果沒有熱滯后，駐波聲場理論上不能產(chǎn)生聲功，它是以降低熱力學(xué)效率為代價來產(chǎn)生聲功的；同理，當氣體經(jīng)歷膨脹過程時，卻同時經(jīng)歷氣體高速向低溫端運動的冷卻過程，這樣的過程既不利于膨脹也不利于放熱。因此，為了在駐波場中實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化就必須采用間距較大的板疊以形成熱滯后，使一部分加熱發(fā)生在壓縮過程之后，一部分冷卻發(fā)生在膨脹過程之后，然而氣體同固體間的有限溫差熱傳遞造成的不可逆熱力過程使整個裝置的效率大大降低。
行波熱聲發(fā)動機中回熱器填料的空隙尺寸遠小于氣體熱滲透深度，實現(xiàn)了固體與氣體間的理想熱接觸，加熱和冷卻近似為可逆等溫過程。同時，行波聲場中速度和壓力同相位。在行波熱聲發(fā)動機回熱器處，當氣體被迅速壓縮時，氣體運動速度很小，跨過回熱器上較小的溫度增量，因此可以被高效壓縮，而在加熱過程中，氣體具有最大的正向速度，跨過最大的溫度增長區(qū)間，而此時壓力卻變化很小，因此可以實現(xiàn)高效的吸熱膨脹過程，從熱力學(xué)角度來看這無疑是對熱能到聲功的轉(zhuǎn)換非常有利；同理，當氣體進入壓力降低階段后，氣體運動速度較小，掠過熱聲回熱器較小的溫度區(qū)間，所以利于壓力的降低，當氣體壓力降到一定程度時速度變大，溫度變化迅速，氣體對回熱器放熱，氣體先經(jīng)歷膨脹再放熱。從以上分析可以看出行波聲場中的熱聲轉(zhuǎn)換過程自然進行，沒有不可逆過程的參與，并且很小的回熱器水利半徑能夠保證氣體與回熱器的等溫傳熱。因此，行波熱聲發(fā)動機理論上進行的是可逆熱聲轉(zhuǎn)換過程，可以獲得比駐波熱聲發(fā)動機更高的熱力學(xué)效率。由于純行波熱聲發(fā)動機聲場內(nèi)的阻抗分布均勻，會在回熱器處導(dǎo)致巨大的粘性耗散，因此目前能夠取得較高熱聲轉(zhuǎn)換效率的熱聲機一般是行波駐波混合型熱聲發(fā)動機，它在結(jié)構(gòu)上包括一個行波環(huán)路和一個諧振直路，結(jié)合了純駐波和行波熱聲發(fā)動機共同的優(yōu)點，熱功轉(zhuǎn)換效率可以和內(nèi)燃機相媲美。如果不做特別區(qū)分，一般也把混合型熱聲發(fā)動機稱為行波熱聲發(fā)動機，而把純環(huán)路行波熱聲發(fā)動機稱為純行波熱聲發(fā)動機，具體結(jié)構(gòu)可參見附圖。
熱聲發(fā)動機是利用熱聲效應(yīng)，將熱能轉(zhuǎn)化為聲能從而實現(xiàn)聲功輸出的聲波發(fā)生器，它完全沒有機械運動部件，具有高度的可靠性，是脈管制冷機、熱聲制冷機等交變流動制冷機的理想驅(qū)動源。其次，熱聲發(fā)動機所用工作介質(zhì)(如氮氣、氦氣等)為環(huán)境友好氣體，適應(yīng)了環(huán)境保護的趨勢。另外，熱聲熱機可直接采用低品位熱能(如太陽能、工業(yè)廢熱等)驅(qū)動，不僅有利于提高系統(tǒng)的熱力學(xué)效率，而且對于熱能豐富但電能缺乏的場合更具實際意義，如海上鉆井平臺或內(nèi)陸邊遠地區(qū)油氣田的天然氣液化和石油伴生氣分離等。因此，近年來關(guān)于熱聲熱機的研究一直是國際能源動力領(lǐng)域的熱點之一。
壓比是評價熱聲發(fā)動機的重要參數(shù)之一，其定義為波動壓力的最大值與最小值之比，它決定了熱聲發(fā)動機輸出聲功的品位。理論和實驗均表明，熱聲發(fā)動機壓比越大則越有利于驅(qū)動脈管制冷機或其它熱聲制冷機獲得更低的制冷溫度和更大的制冷量。通常高頻脈管制冷機為了獲得70K以下的低溫需要1.20以上的壓比。目前，國際上在研行波熱聲發(fā)動機的壓比在1.2左右，最高壓比可達1.31。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種熱聲發(fā)動機多路聲功輸出法。從而獲得更多聲功輸出、提高熱聲發(fā)動機熱效率和效率。
它是在同一臺熱聲發(fā)動機上同時從2處或2處以上的位置輸出聲功，用于驅(qū)動負載。
所述的熱聲發(fā)動機是行波熱聲發(fā)動機、駐波熱聲發(fā)動機或行波駐波混合型熱聲發(fā)動機。所述的負載是作為純聲功輸出裝置的聲學(xué)負載、脈管制冷機、熱聲制冷機、發(fā)電機或活塞力傳動機構(gòu)。
本發(fā)明的有益效果如前所述，熱聲發(fā)動機與一般的機械式壓縮機不同，其聲場分布的空間尺度大，一般為聲波長的1/4～1/2，尺寸大小在1m～10m的范圍。此外，熱聲發(fā)動機氣體工作介質(zhì)的充注量大。因此，這就為熱聲發(fā)動機聲功的集中輸出造成了一定難度。從另外的角度看，這也可以成為熱聲發(fā)動機獨有的優(yōu)勢。一方面，熱聲發(fā)動機可以在一個較寬的壓力振蕩強度范圍內(nèi)為負載內(nèi)提供聲功，可同時滿足不同負載的要求；另一方面，結(jié)合其工作氣體充注量大的特點，它可以同時驅(qū)動多個負載工作，成為多個負載共同的動力組件。更為重要的是，本發(fā)明研究發(fā)現(xiàn)，當熱聲發(fā)動機同時對多個負載輸出聲功時，內(nèi)部損耗所占比例大大減小，熱效率和效率得到較大提高。這也是本發(fā)明的目的所在。
本發(fā)明提出從同一臺熱聲發(fā)動機的不同位置同時對負載輸出聲功，稱為熱聲發(fā)動機的多路聲功輸出法。該方法一方面可以大幅度提高熱聲發(fā)動機的聲功輸出量，提高其效率；同時，也為熱聲發(fā)動機能量的梯級利用提供了借鑒。這意味著熱聲發(fā)動機可以同時驅(qū)動多級，甚至多個熱聲制冷機，這些制冷機工作于不同的溫位，可以同時滿足不同的需要。實驗結(jié)果顯示，以氮氣為工質(zhì)，工作壓力為2.4MPa，在熱聲發(fā)動機環(huán)路聲容處壓比穩(wěn)定在1.20的情況下，從環(huán)路聲容和諧振管處同時輸出聲功，獲得了389.95W的最大聲功、11.3％的最大聲功輸出熱效率和16.0％的最大聲功輸出效率，這比單獨從環(huán)路輸出的最大聲功和效率分別提高了51.4％，24.6％以及19.4％。而同時輸出聲功與單獨從環(huán)路處輸出聲功相比，從環(huán)路聲容處輸出的聲功變化不大。


圖1行波熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)和聲功輸出位置示意圖；圖2不同體積氣庫在不同位置單獨輸出聲功的對比圖；圖3單獨輸出聲功和雙氣庫輸出聲功的聲功輸出比較圖；圖4單獨輸出聲功和兩路同時輸出聲功時的熱效率比較圖；
圖5熱聲發(fā)動機輸出聲功時加熱功率的變化規(guī)律圖；圖6單獨輸出聲功和雙氣庫輸出聲功的效率比較圖；圖7駐波熱聲發(fā)動機的多路聲功輸出示意圖；圖8純環(huán)路行波熱聲發(fā)動機的多路聲功輸出示意圖；圖9多級串聯(lián)式熱聲發(fā)動機的多路聲功輸出示意圖；圖10同軸型熱聲發(fā)動機的多路聲功輸出示意圖。
具體實施例方式
熱聲發(fā)動機內(nèi)部聲場是聲功輸出的基礎(chǔ)，為了維持發(fā)動機中的高壓比也意味著在諧振管及其它部件中的聲功耗散增大，加熱量相應(yīng)增加，從而降低了熱聲發(fā)動機的熱效率。同時，熱聲發(fā)動機通常具有較大范圍的聲場分布，聲功難以集中輸出，為進一步提高熱聲發(fā)動機的聲功輸出能力，實現(xiàn)能量的梯級利用，熱聲發(fā)動機聲功輸出特性研究就顯得尤為重要。為此，本發(fā)明提出了多路聲功輸出方案并對其有效性進行了實驗驗證。試驗結(jié)果證明本發(fā)明提出的熱聲發(fā)動機多路聲功輸出法可以有效增加熱聲發(fā)動機的聲功輸出量，并大大提高其熱效率和效率。
本發(fā)明針對一種行波熱聲發(fā)動機上的多路聲功輸出法給出詳細的技術(shù)說明和試驗過程，而對其它型式熱聲發(fā)動機上的多路輸出法僅給出示意圖進行說明，它們的工作原理相同，在這里不再贅述。另外，本發(fā)明提出的多路聲功輸出法不僅僅局限于一臺發(fā)動機同時驅(qū)動兩個負載的情況，理論上一臺發(fā)動機可以同時驅(qū)動無數(shù)多個小負載，從而達到其最高的熱聲轉(zhuǎn)化效率。在這里，僅以發(fā)動機驅(qū)動兩個R-C負載為例進行對比試驗驗證。
圖1給出了行波熱聲發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡圖，其上布置了4個壓力測點，分別為p1、p2、p3和p4。聲功測量裝置的兩個接入位置分別在環(huán)路的反饋回路上和靠近三通的諧振管處。裝置中兩閥門均采用Swagelok公司生產(chǎn)的針閥，其最大流量系數(shù)Cv為0.73(閥門型號為SS-1RS10MM，SS-1RS12MM)。通過對閥門熱聲發(fā)動機側(cè)和氣庫內(nèi)壓力波動的測量，利用公式(1)(2)得到聲功輸出值。為了保證測量過程中通過閥門的氣體物性均勻，在連接管道上布置了冷卻水管道，對管路和閥門進行冷卻。
U=iωVpTγpm---(1)]]>式中，i是虛數(shù)單位，γ是定壓比熱與定比容比熱的比值，ω、pm分別為系統(tǒng)的角頻率和氣體平均壓力。消耗在閥門上的聲功可以表示為Eload=ωV|pT||pE|sinθ2γpm---(2)]]>式中，|pE|是熱聲發(fā)動機在聲功輸出口處的壓力振幅，θ是pE和pT處壓力波動的相位差。顯然，閥門上消耗的聲功Eload就是熱聲發(fā)動機對負載輸出的聲功。因此，從熱聲發(fā)動機中輸出的聲功可以通過對壓力振幅和相位的精確測量獲得。
實驗中我們以N2為工質(zhì)，工作壓力為2.4MPa，為保證環(huán)路輸出聲功的壓比品位，在輸出聲功的過程中，通過調(diào)節(jié)電加熱功率使發(fā)動機環(huán)路聲容處(即圖1中的P1處)壓比一直穩(wěn)定在1.20，輸出聲功的兩個位置分別在環(huán)路聲容處和諧振管處。實驗中把環(huán)路聲容處的氣庫和諧振管三通附近的氣庫分別稱為第一氣庫和第二氣庫。我們先后采用兩種實驗方案，首先進行第一氣庫為500ml，第二氣庫為750ml的實驗，為了以后表述的方便，把它稱為實驗方案1；隨后把兩個氣庫的位置對調(diào)進行實驗，即第一氣庫為750ml，第二氣庫為500ml，稱之為實驗方案2。
熱聲發(fā)動機單路輸出時的聲功輸出本發(fā)明所述行波熱聲發(fā)動機是一臺以1/4波長模式工作的熱聲發(fā)動機，如圖1所示，該發(fā)動機的壓比在主冷卻器上方達到最大，逆時針沿環(huán)路左支路到諧振腔逐漸減小，因此，從熱聲發(fā)動機不同位置輸出聲功時得到的輸出壓比和聲功輸出量不同。圖2是在工作壓力穩(wěn)定在2.4MPa，發(fā)動機聲容處(P1)壓比穩(wěn)定在1.20的情況下單路輸出聲功時500ml和750ml氣庫分別在聲容處和諧振管處的輸出聲功對比。圖中可見，不同情況下聲功輸出值隨閥門開度的變化趨勢相同，都隨閥門開度的增加而增大，在從7圈增加到8圈時聲功值增長最快，這是因為閥門流量系數(shù)在這個開度范圍內(nèi)迅速增大，流阻陡減。從圖中還可以看到，單獨輸出聲功時，對于同一個負載，諧振管上輸出的聲功數(shù)值較聲容處小，這是因為諧振管處的壓比較聲容處小(實驗中環(huán)路P1處壓比穩(wěn)定在1.20時，諧振管處P3壓比在1.135左右)，使得輸出聲功較小。在實驗方案1中，單獨從環(huán)路聲容處輸出聲功，當閥門開度為9圈時最大輸出聲功為239.38W，而單獨從諧振管處氣庫輸出聲功時，當閥門開度為9圈時最大輸出聲功為125.19W；在實驗方案2中，單獨從環(huán)路聲容處氣庫輸出聲功，當閥門開度為9圈時最大聲功輸出為257.61W，而單獨從諧振管處的氣庫輸出聲功時，當閥門開度為9圈時最大聲功輸出為124.69W。試驗結(jié)果表明，單獨輸出聲功時，同一個負載，在不同的位置所輸出聲功的大小和品位是不一樣的。500ml的氣庫能在諧振管處輸出124.69W的低品位聲功(壓比為1.135)，而在聲容處能輸出239.38W的高品位聲功(壓比為1.20)，單從數(shù)量上看，多輸出了47.91％的聲功，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)熱效率和效率也都有較大水平的提高。相對于目前熱聲發(fā)動機的輸出能力來說，所用閥門的流量系數(shù)和氣庫容積都遠不能使其達到完全聲功輸出的狀態(tài)，所以兩個氣庫在同一位置的聲功輸出規(guī)律非常接近。
熱聲發(fā)動機多路輸出時的聲功輸出，熱效率以及效率為方便操作，同時也能夠把多路聲功輸出的規(guī)律說清楚，在實驗中我們采用兩路(第一氣庫和第二氣庫)同時輸出聲功的實驗方案。實驗中發(fā)現(xiàn)，聲容處輸出的聲功數(shù)值和效率都較諧振管上大，而且受閥門開度的影響也較大，為得到兩路同時輸出聲功的規(guī)律，我們在諧振管處氣庫前閥門全開的情況下，逐漸打開靠近聲容處氣庫前的閥門，并保證聲容處壓比穩(wěn)定在1.20。
由圖3可以看出，保持聲容處壓比為1.20，以聲容處的聲功輸出作為考察對象，單獨輸出聲功和兩路同時輸出聲功時在聲容處的聲功輸出曲線基本重合。這說明發(fā)動機在兩路同時輸出聲功時，在輸出聲功的數(shù)量上，諧振管處低品位聲功的輸出對聲容處高品位聲功的輸出沒有影響。這也表明，對于同一個負載在同一個位置上影響聲功輸出大小的主要的因素是壓比，其它因素的影響較小。從圖中明顯可見，兩路同時輸出聲功時，總的輸出聲功隨聲容處氣庫閥門開度的增加而增大，并且在相同的閥門開度下，由于增加了諧振管處的聲功輸出，總聲功比單獨從聲容處輸出的聲功顯著增加。在實驗方案2中單獨和兩路輸出聲功時聲功輸出均達到最大，聲容處負載閥門開度為9圈時，兩路同時輸出的最大輸出聲功為389.95W，這比單獨從聲容處輸出的最大聲功257.61W提高了51.4％。
圖4是單獨輸出聲功和兩路同時輸出聲功時的熱效率比較。圖中可見，在相同的閥門開度下，兩路同時輸出聲功時的熱效率比單獨從聲容處輸出聲功時的熱效率要高得多。當閥門開度為8.5圈時，獲得的最大熱效率為11.3％(實驗方案1)，這比單獨從聲容處輸出聲功時的最高效率值9.0％提高了24.6％。
在聲功輸出過程中，由于保持熱聲發(fā)動機靠近環(huán)路聲容處的壓比為1.20，整個熱聲發(fā)動機內(nèi)的聲場分布基本保持不變，所以加熱量和加熱功率是在不斷變化的，加熱溫度隨聲功輸出量的增加單調(diào)升高，加熱功率變化曲線如圖5所示。熱聲發(fā)動機是以熱能驅(qū)動的熱機，隨加熱溫度的變化，等量的加熱量所含有的可用能不同，所以有必要進行效率分析以進一步驗證多路聲功輸出法對熱聲發(fā)動機效率提高的有效性。圖6是在不同的聲功輸出方式下，熱聲發(fā)動機的效率對比曲線，圖中可見，聲功兩路同時輸出時的效率比單獨從聲容處輸出聲功時的顯著增大，單路輸出聲功時的最大效率為13.4％，而雙路輸出聲功時效率達到16.0％，提高了19.4％。
從以上的實驗結(jié)果可以看出，熱聲發(fā)動機與其他機械型式的壓縮機不同，它是一種能夠多路、梯級輸出聲功的熱機。采用多路聲功輸出方案時，熱聲發(fā)動機低品位的聲功輸出對高品位聲功輸出的大小影響很小，總輸出聲功、熱效率以及效率均大為提高。這表明在熱聲發(fā)動機內(nèi)有富余的聲能，采用多路輸出的辦法，可以獲得更多的聲功、更大的熱效率和效率。
圖7是駐波熱聲發(fā)動機的多路聲功輸出示意圖，駐波熱聲發(fā)動機依靠駐波聲場內(nèi)的熱聲效應(yīng)進行工作，通常在熱聲發(fā)動機的主冷卻器處達到最大壓比，并在該處引出聲功。如圖所示可以同時在諧振管上設(shè)置其它的聲學(xué)負載進行聲功輸出，提高其效率；圖8是純環(huán)路行波熱聲發(fā)動機的多路聲功輸出示意圖，可以在環(huán)路內(nèi)多個位置上同時進行聲功輸出；圖9是多級串聯(lián)式熱聲發(fā)動機的多路聲功輸出示意圖，多級串聯(lián)式熱聲發(fā)動機在直線型拓撲結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了駐波和行波聲場的結(jié)合，本質(zhì)是行波駐波混合型熱聲發(fā)動機。該型式使該型熱聲發(fā)動機的結(jié)構(gòu)得到簡化，也是一種有前途的熱聲機?？梢匀绺綀D所示在多個位置同時設(shè)置聲功輸出口；圖10是同軸型熱聲發(fā)動機的多路聲功輸出示意圖，它的工作過程與前述的行波熱聲發(fā)動機的相似，本質(zhì)上是一臺行波駐波混合型熱聲發(fā)動機，如附圖所示可以在其軸向多個位置上同時設(shè)置聲功輸出口。
權(quán)利要求
1.一種熱聲發(fā)動機多路聲功輸出法，其特征在于，在同一臺熱聲發(fā)動機上同時從2處或2處以上的位置輸出聲功，用于驅(qū)動負載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱聲發(fā)動機多路聲功輸出法，其特征在于所述的熱聲發(fā)動機是行波熱聲發(fā)動機、駐波熱聲發(fā)動機或行波駐波混合型熱聲發(fā)動機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱聲發(fā)動多路聲功輸出法，其特征在于所述的負載是作為純聲功輸出裝置的聲學(xué)負載、脈管制冷機、熱聲制冷機、發(fā)電機或活塞力傳動機構(gòu)。
全文摘要
熱聲發(fā)動機是利用熱聲效應(yīng)，將熱能轉(zhuǎn)化為聲能從而實現(xiàn)聲功輸出的聲波發(fā)生器，它完全沒有機械運動部件，具有高度的可靠性。多路聲功輸出法提出從同一臺熱聲發(fā)動機的不同位置同時對負載輸出聲功。該方法一方面可以大幅度提高熱聲發(fā)動機的聲功輸出量，提高其效率；同時，也為熱聲發(fā)動機能量的梯級利用提供了借鑒。這意味著熱聲發(fā)動機可以同時驅(qū)動多級，甚至多個熱聲制冷機，這些制冷機工作于不同的溫位，可以同時滿足不同的需要。
文檔編號F25B23/00GK1955460SQ20061005363
公開日2007年5月2日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者孫大明, 邱利民, 王波 申請人:浙江大學(xué)