一種熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵。它是由1個(gè)或1個(gè)以上的熱聲發(fā)動機(jī)單元和1個(gè)或1個(gè)以上的熱聲熱泵單元首尾串聯(lián)成環(huán)路；所述的熱聲發(fā)動機(jī)單元包括順次相連的發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器、發(fā)動機(jī)冷端換熱器、發(fā)動機(jī)回?zé)崞鳌l(fā)動機(jī)加熱器、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器、熱緩沖管、次級冷端換熱器、發(fā)動機(jī)諧振管；所述的熱聲熱泵單元包括順次相連的熱泵第一導(dǎo)流器、熱泵高溫端換熱器、熱泵回?zé)崞?、熱泵冷端換熱器、熱泵第二導(dǎo)流器、熱泵諧振管。本實(shí)用新型無運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)簡單，利用低品位熱源直接驅(qū)動獲得泵熱效果。此外，本實(shí)用新型既可以對溫度較低的熱源進(jìn)行泵熱，也可以對溫度較高的熱源實(shí)現(xiàn)泵熱，提高熱源品位進(jìn)而再加以利用。
【專利說明】一種熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及熱聲熱機(jī)，尤其涉及一種熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，熱聲熱機(jī)作為完全無運(yùn)動部件的新型熱力系統(tǒng)，因其交變流動的工作特性以及潛在的穩(wěn)定性、可靠性、長壽命、采用對環(huán)境無公害工質(zhì)、可采用熱能驅(qū)動等優(yōu)點(diǎn)而倍受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注，并已取得了許多突破性的進(jìn)展。尤其是美國洛斯-阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的Backhaus和Swift等人提出的熱聲斯特林發(fā)動機(jī)，使熱聲熱機(jī)的性能有了顯著的提高，其熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的效率已經(jīng)能夠與傳統(tǒng)熱機(jī)(如內(nèi)燃機(jī)等)的效率相媲美。
[0003]低品位熱能(余熱、太陽能等)的利用是現(xiàn)階段能源科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。然而，目前的熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)多采用溫度較高的熱源來驅(qū)動，這使得其在與傳統(tǒng)熱機(jī)的競爭中無法發(fā)揮其自身優(yōu)勢，進(jìn)而極大地限制了熱聲技術(shù)的實(shí)用化空間。因此，如何降低熱聲系統(tǒng)的起振及運(yùn)行溫度是熱聲領(lǐng)域的重要技術(shù)難題，低溫?zé)嵩打?qū)動的熱聲系統(tǒng)是熱聲熱機(jī)領(lǐng)域近期的重要發(fā)展方向之一。與此同時(shí)，在現(xiàn)有的行波熱聲系統(tǒng)中，當(dāng)熱聲發(fā)動機(jī)高溫端的加熱溫度降低后，系統(tǒng)所輸出的有效功(最終被負(fù)載有效利用的功)與環(huán)路中總聲功的比值會隨之降低，從而極大地影響熱聲系統(tǒng)的熱效率。解決該問題的方法之一是在環(huán)路中依次布置多個(gè)回?zé)崞鲉卧?，對聲波進(jìn)行逐級放大。然而，當(dāng)這些串級回?zé)崞鲉卧臄?shù)量大于2個(gè)時(shí)，現(xiàn)有傳統(tǒng)的熱聲系統(tǒng)很難在回?zé)崞鲉卧帉?shí)現(xiàn)合適的聲阻抗，這會導(dǎo)致熱聲轉(zhuǎn)換效率低下。在此情況下，要想輸出足夠大的聲功，仍需通過提高熱源溫度來進(jìn)行彌補(bǔ)，因而也就無法通過增加回?zé)崞鲉卧獢?shù)的方法很好地達(dá)到降低熱源溫度的目的。
[0004]本實(shí)用新型的目的正是針對現(xiàn)有熱聲技術(shù)存在的不足，在環(huán)路中布置多個(gè)回?zé)崞鲉卧⑹惯@些回?zé)崞鲉卧幱诤线m的聲阻抗條件，提高熱聲轉(zhuǎn)換效率，從而降低對驅(qū)動熱源溫度的要求。具體來講，就是提出了一種包含多個(gè)回?zé)崞鲉卧臒崮茯?qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵，能在較小的驅(qū)動溫差下實(shí)現(xiàn)熱聲起振并穩(wěn)定運(yùn)行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型提供一種熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵，在較小的驅(qū)動溫差下實(shí)現(xiàn)熱聲起振并穩(wěn)定運(yùn)行，獲得泵熱效果。
[0006]所述的一種熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵是由1個(gè)或1個(gè)以上的熱聲發(fā)動機(jī)單元和1個(gè)或1個(gè)以上的熱聲熱泵單元首尾串聯(lián)成環(huán)路。
[0007]所述的熱聲發(fā)動機(jī)單元包括順次相連的發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器、發(fā)動機(jī)冷端換熱器、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?、發(fā)動機(jī)加熱器、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器、熱緩沖管、次級冷端換熱器、發(fā)動機(jī)諧振管；所述的熱聲熱泵單元包括順次相連的熱泵第一導(dǎo)流器、熱泵高溫端換熱器、熱泵回?zé)崞?、熱泵冷端換熱器、熱泵第二導(dǎo)流器、熱泵諧振管。
[0008]所述的發(fā)動機(jī)冷端換熱器、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?、發(fā)動機(jī)加熱器的橫截面積大于熱緩沖管、次級冷端換熱器、發(fā)動機(jī)諧振管的橫截面積；所述的熱泵高溫端換熱器、熱泵回?zé)崞?、熱泵冷端換熱器的橫截面積大于熱泵諧振管的橫截面積。
[0009]所述的發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器、熱泵第一導(dǎo)流器、熱泵第二導(dǎo)流器為具有多孔流道的錐形結(jié)構(gòu)，孔隙率是0.Γ0.9，孔的形式是圓孔或者方孔，導(dǎo)流器的材料是銅、不銹鋼或者其他硬質(zhì)高熔點(diǎn)固體。
[0010]所述發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器、熱泵第一導(dǎo)流器、熱泵第二導(dǎo)流器的兩側(cè)分別設(shè)有金屬絲網(wǎng)。
[0011]所述熱聲發(fā)動機(jī)單元和熱聲熱泵單元的徑向尺寸與當(dāng)?shù)芈暪Φ拇笮∠嗥ヅ洌绰暪υ酱蟮墓芏?，徑向尺寸越大?br> [0012]本實(shí)用新型中，熱聲發(fā)動機(jī)單元中產(chǎn)生的聲功將直接驅(qū)動同一環(huán)路上的熱聲熱泵單元，獲得泵熱效果。相比現(xiàn)有的熱聲熱泵系統(tǒng)，本實(shí)用新型能利用低品位熱源直接驅(qū)動獲得泵熱效果，且無運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)簡單，更有利于系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。
[0013]傳統(tǒng)機(jī)械壓縮式熱泵受工質(zhì)熱物性的局限，適用的溫度范圍比較有限；吸收式熱泵的應(yīng)用范圍也受到工質(zhì)熱物性以及吸收式系統(tǒng)固有缺陷(吸收劑的腐蝕性、易結(jié)晶等特點(diǎn))的限制。所述熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵的泵熱溫度不受這些條件的限制，因此泵熱溫度具有更大的自由度，既可以對溫度較低的熱源進(jìn)行泵熱，以達(dá)到制冷或制熱用途，也可以對溫度較高的熱源實(shí)現(xiàn)泵熱，提高熱源品位進(jìn)而再加以利用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵中導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)分解圖；
[0016]圖中:熱聲發(fā)動機(jī)單元1、發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器101、發(fā)動機(jī)冷端換熱器102、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?03、發(fā)動機(jī)加熱器104、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器105、熱緩沖管106、次級冷端換熱器107和發(fā)動機(jī)諧振管108 ;熱聲熱泵單元2、熱泵第一導(dǎo)流器201、熱泵高溫端換熱器202、熱泵回?zé)崞?03、熱泵冷端換熱器204和熱泵第二導(dǎo)流器205、熱泵諧振管206。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
[0018]如圖1、2所示，一種熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵是由1個(gè)或1個(gè)以上的熱聲發(fā)動機(jī)單元1和1個(gè)或1個(gè)以上的熱聲熱泵單元2首尾串聯(lián)成環(huán)路。
[0019]所述的熱聲發(fā)動機(jī)單元1包括順次相連的發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器101、發(fā)動機(jī)冷端換熱器102、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?03、發(fā)動機(jī)加熱器104、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器105、熱緩沖管106、次級冷端換熱器107、發(fā)動機(jī)諧振管108 ;所述的熱聲熱泵單元2包括順次相連的熱泵第一導(dǎo)流器201、熱泵高溫端換熱器202、熱泵回?zé)崞?03、熱泵冷端換熱器204、熱泵第二導(dǎo)流器205、熱泵諧振管206。
[0020]所述的發(fā)動機(jī)冷端換熱器102、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?03、發(fā)動機(jī)加熱器104的橫截面積大于熱緩沖管106、次級冷端換熱器107、發(fā)動機(jī)諧振管108的橫截面積；所述的熱泵高溫端換熱器202、熱泵回?zé)崞?03、熱泵冷端換熱器204的橫截面積大于熱泵諧振管206的橫截面積。
[0021]所述的發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器101、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器105、發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器201、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器205為具有多孔流道的錐形結(jié)構(gòu)，孔隙率是0.Γ0.9，孔的形式是圓孔或者方孔，導(dǎo)流器的材料是銅、不銹鋼或者其他硬質(zhì)高熔點(diǎn)固體。
[0022]所述發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器101、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器105、熱泵第一導(dǎo)流器201、熱泵第二導(dǎo)流器205的兩側(cè)分別設(shè)有金屬絲網(wǎng)。
[0023]所述熱聲發(fā)動機(jī)單元1和熱聲熱泵單元2的徑向尺寸與當(dāng)?shù)芈暪Φ拇笮∠嗥ヅ?，即聲功越大的管段，徑向尺寸越大?br> [0024]實(shí)施例:
[0025]本實(shí)用新型使用的工質(zhì)為氦氣、氬氣、二氧化碳等氣體或它們的混合物氣體。
[0026]環(huán)路中的熱聲發(fā)動機(jī)單元和熱聲熱泵單元理論上可以布置一個(gè)或多個(gè)。本實(shí)施例包括三個(gè)熱聲發(fā)動機(jī)單元1和一個(gè)熱聲熱泵單元2，這四個(gè)單元首尾串聯(lián)成環(huán)路。
[0027]發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器101、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器105、熱泵第一導(dǎo)流器201、熱泵第二導(dǎo)流器205的一端有6個(gè)等直徑的圓孔。這些圓孔是錐形通孔，因此另一端也有6個(gè)等直徑的圓孔。發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器101、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器105、熱泵第一導(dǎo)流器201、熱泵第二導(dǎo)流器205的兩端各覆蓋有一層不銹鋼絲網(wǎng)。
[0028]該熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵工作時(shí)，在三個(gè)熱聲發(fā)動機(jī)單元1中，發(fā)動機(jī)加熱器104加熱系統(tǒng)內(nèi)熱端的工質(zhì)氣體，發(fā)動機(jī)冷端換熱器102則冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷端的工質(zhì)氣體，于是將沿發(fā)動機(jī)回?zé)崞?03逐漸建立溫度梯度。當(dāng)該溫度梯度超過一定的閾值時(shí)，由于熱致聲轉(zhuǎn)換效應(yīng)，系統(tǒng)中的工質(zhì)氣體將產(chǎn)生自激振蕩，從而實(shí)現(xiàn)熱能向聲功的轉(zhuǎn)換。聲功會在三個(gè)熱聲發(fā)動機(jī)單元中沿順時(shí)針方向逐級增益，并在經(jīng)過第三個(gè)熱聲發(fā)動機(jī)單元后達(dá)到最大，然后進(jìn)入熱聲熱泵單元2。在熱聲熱泵單元2中，由于熱聲效應(yīng)，熱量將會從熱泵冷端換熱器204泵向熱泵高溫端換熱器202，從而達(dá)到泵熱效果。
[0029]為使熱聲發(fā)動機(jī)單元1和熱聲熱泵單元2的回?zé)崞骶哂懈呗曌杩沟奶匦?，所述熱聲核心單?包括發(fā)動機(jī)冷端換熱器102、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?03、發(fā)動機(jī)加熱器104以及熱泵高溫端換熱器202、熱泵回?zé)崞?03、熱泵冷端換熱器204)與相鄰的諧振管或熱緩沖管(包括熱緩沖管106、次級冷端換熱器107、發(fā)動機(jī)諧振管108以及熱泵諧振管206)的徑向尺寸之比為3?8。
[0030]發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器101、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器105、熱泵第一導(dǎo)流器201、熱泵第二導(dǎo)流器205用于橫截面積不同部件之間的過渡連接，旨在改善由流道截面積突變所引起的流動不均勻現(xiàn)象并抑制突變截面處的回流。所述導(dǎo)流器放置在錐形管內(nèi)部，是具有多孔流道的錐形結(jié)構(gòu)，孔隙率是0.Γ0.9?？椎男问娇梢允清F孔、圓孔、方孔或其他幾何形狀。流道的出入口有倒角，以減小流體進(jìn)出導(dǎo)流器時(shí)的流動損失。導(dǎo)流器的材料可以是銅、不銹鋼或者其他硬質(zhì)高熔點(diǎn)固體。導(dǎo)流器截面積較大一側(cè)覆蓋著一層金屬絲網(wǎng)，該金屬絲網(wǎng)避免了導(dǎo)流器與換熱器直接接觸造成的換熱器部分流道堵塞，還可以使流體在進(jìn)入換熱器之前擴(kuò)散得更均勻。導(dǎo)流器截面積較小一側(cè)也覆蓋著一層金屬絲網(wǎng)，該金屬絲網(wǎng)抑制了流體從該側(cè)流出時(shí)的噴射流。導(dǎo)流器能起到積極的作用。首先，導(dǎo)流器可以使流體在熱聲核心單元處的流動更均勻。由于存在突變截面，熱聲核心單元內(nèi)邊緣處的流阻大于中心處的流阻，這會導(dǎo)致當(dāng)流體從諧振管流入熱聲核心單元時(shí)，中心流速大于邊緣流速。這種流速的不均勻會使熱聲核心單元的邊緣處不能被有效利用。導(dǎo)流器可以解決這個(gè)問題。其次，導(dǎo)流器還可以抑制回流。當(dāng)流體從諧振管流向熱聲核心單元時(shí)，會在突變截面處產(chǎn)生回流，引起流動損失。導(dǎo)流器細(xì)化了流道，增大了回流的阻力，從而抑制回流。
[0031]所述一個(gè)或多個(gè)熱聲發(fā)動機(jī)單元的徑向尺寸并不一致。聲功在熱聲發(fā)動機(jī)單元中逐級增益，相鄰的熱聲發(fā)動機(jī)單元間的徑向尺寸的比例是1.2^1.5。所述一個(gè)或多個(gè)熱聲熱泵單元的徑向尺寸并不一致。聲功在熱聲發(fā)動機(jī)單元中逐級衰減，各熱泵單元的徑向尺寸也隨聲功在各熱聲熱泵單元中的衰減而逐級減小。相鄰的熱聲熱泵單元的徑向尺寸的比例是0.6^0.8。本實(shí)施例中，三個(gè)熱聲發(fā)動機(jī)單元1各部件的徑向尺寸沿順時(shí)針按1.3的比例逐級依次增大。這是因?yàn)閷τ诰哂协h(huán)路結(jié)構(gòu)的熱聲熱機(jī)來講，回?zé)崞魈幍母呗曌杩固匦允窍到y(tǒng)具有高性能的關(guān)鍵，而在本實(shí)用新型中，聲功在三個(gè)熱聲發(fā)動機(jī)單元1中是逐級增益的，上述徑向尺寸的逐級增益使系統(tǒng)中的聲阻抗分布更合理，有利于聲場與聲阻抗的匹配，提聞熱聲轉(zhuǎn)換效率并減小聲功損耗。
[0032]最后應(yīng)該說明的是，上述對實(shí)施例的描述是為便于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本實(shí)用新型。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本實(shí)用新型不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型的揭示，對于本實(shí)用新型做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵，其特征在于:由I個(gè)或I個(gè)以上的熱聲發(fā)動機(jī)單元(I)和I個(gè)或I個(gè)以上的熱聲熱泵單元(2)首尾串聯(lián)成環(huán)路； 所述的熱聲發(fā)動機(jī)單元(I)包括順次相連的發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器(101)、發(fā)動機(jī)冷端換熱器(102)、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?103)、發(fā)動機(jī)加熱器(104)、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器(105)、熱緩沖管(106)、次級冷端換熱器(107)、發(fā)動機(jī)諧振管(108);所述的熱聲熱泵單元(2)包括順次相連的熱泵第一導(dǎo)流器(201)、熱泵高溫端換熱器(202)、熱泵回?zé)崞?203)、熱泵冷端換熱器(204)、熱泵第二導(dǎo)流器(205)、熱泵諧振管(206)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵，其特征在于:所述的發(fā)動機(jī)冷端換熱器(102)、發(fā)動機(jī)回?zé)崞?103)、發(fā)動機(jī)加熱器(104)的橫截面積大于熱緩沖管(106)、次級冷端換熱器(107)、發(fā)動機(jī)諧振管(108)的橫截面積；所述的熱泵高溫端換熱器(202)、熱泵回?zé)崞?203)、熱泵冷端換熱器(204)的橫截面積大于熱泵諧振管(206)的橫截面積。
3.如權(quán)利要求1所述的熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵，其特征在于:所述的發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器(101)、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器(105)、熱泵第一導(dǎo)流器(201)、熱泵第二導(dǎo)流器(205)為具有多孔流道的錐形結(jié)構(gòu)，孔的形式是圓孔或者方孔，導(dǎo)流器的材料是銅、不銹鋼或者其他硬質(zhì)高熔點(diǎn)固體。
4.如權(quán)利要求1所述的熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵，其特征在于:所述發(fā)動機(jī)第一導(dǎo)流器(101)、發(fā)動機(jī)第二導(dǎo)流器(105)、熱泵第一導(dǎo)流器(201)、熱泵第二導(dǎo)流器(205)的兩側(cè)分別設(shè)有金屬絲網(wǎng)。
5.如權(quán)利要求1所述的熱能驅(qū)動的具有導(dǎo)流器的環(huán)路行波熱聲熱泵，其特征在于:所述熱聲發(fā)動機(jī)單元(I)和熱聲熱泵單元(2)的徑向尺寸與當(dāng)?shù)芈暪Φ拇笮∠嗥ヅ洌绰暪υ酱蟮墓芏?，徑向尺寸越大?br> 【文檔編號】F25B27/02GK204214163SQ201420579998
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】金滔, 楊睿, 黃迦樂, 湯珂 申請人:浙江大學(xué)