專利名稱:氣體諧振裝置的制作方法
在一個(gè)振蕩氣體柱內(nèi)，一薄層氣體首先沿某一方向位移，受壓縮，向相反方向后移，并膨脹。在壓縮時(shí)，氣體被加熱，在膨脹時(shí)，被冷卻。當(dāng)這種振蕩氣體柱和靜態(tài)的固體介質(zhì)進(jìn)入接觸時(shí)，在氣體和介質(zhì)之間出現(xiàn)了傳熱。如果該介質(zhì)比氣體具有大的實(shí)際熱容量，并在氣體振蕩的前進(jìn)方向上有低的傳熱率，它便貯存了由于氣體絕熱壓縮而獲得的熱量，隨后在氣體膨脹后又將該貯存的熱量還給氣體。雖然對(duì)于常處在介質(zhì)附近的幾層氣體這是正確的，然而在介質(zhì)的兩端有著不同的情況。在介質(zhì)的下流端，若假定處在振蕩的前進(jìn)方向，則和介質(zhì)二端保持熱接觸的那層氣體在振蕩時(shí)便沿離開(kāi)介質(zhì)的方向移動(dòng)并壓縮。該氣體由于壓縮而加熱。隨后，由于移向另一方向，并膨脹，它回到了近挨介質(zhì)那端的位置上。在這里，由于膨脹時(shí)冷卻，它再一次從介質(zhì)那里接收熱量。這便導(dǎo)致一段受熱的氣體從介質(zhì)的下流端順流而下。相反，在介質(zhì)的上流端，不常和介質(zhì)接觸的氣體粒子在振蕩時(shí)沿一個(gè)方向向前移動(dòng)，被壓縮和加熱，此時(shí)在它們前移的位置上和介質(zhì)保持熱接觸，故將熱量傳給介質(zhì)。當(dāng)這層氣體向相反方向向后移回到原始位置時(shí)，它膨脹和冷卻。由于在其原始位置上，氣體粒子不和介質(zhì)保持熱接觸，便導(dǎo)致一層冷卻的氣體從介質(zhì)的上流端逆流而上。
這種處于振蕩氣體柱中的介質(zhì)通常被稱作蓄熱器，常和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一起應(yīng)用。通常，這樣一種蓄熱器，須有盡可能大的表面積，和氣體相比有高的實(shí)際熱容量，并沿氣體運(yùn)動(dòng)方向有低的傳熱率。任何壓實(shí)金屬絲的傳統(tǒng)的填料已用作蓄熱器，但也有可能采用壓實(shí)的非金屬板層，在減少氣體摩擦損失和熱傳導(dǎo)方面這些是較為有效的。因此，蓄熱器的應(yīng)用便能由振蕩氣體流來(lái)建立溫度差。反過(guò)來(lái)說(shuō)，也已知道，如果在這種蓄熱器的二端施加一足夠大的溫度差，那么在包圍著這種蓄熱器的氣體中自然會(huì)誘發(fā)振蕩。
也已知道，在處于諧振腔的氣體柱中，只要對(duì)該腔的一端加熱，如果建立起足夠高的溫差，便能產(chǎn)生振蕩。作為這種氣體的例子，在風(fēng)琴管樂(lè)器內(nèi)借助于管樂(lè)器底部?jī)?nèi)的氫火焰，可以產(chǎn)生諧振，早在1777年Higgins就已作了敘述，而在1949年，當(dāng)時(shí)在室溫下將一管子放入冷凍貯藏器內(nèi)做試驗(yàn)，發(fā)表了Taconis諧振現(xiàn)象。
在Wheatley·Hofler，Swift和Migliori所寫(xiě)的題為“本征不可逆熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)”的文章里對(duì)這些效應(yīng)進(jìn)行了論證討論，該文發(fā)表在美國(guó)物理雜志，53(2)卷，第147頁(yè)，1985年2月。
按照本發(fā)明，一種熱力驅(qū)動(dòng)氣體諧振裝置包括一諧振管，其截面沿其長(zhǎng)度從一端向另一端擴(kuò)張;一熱源，處于諧振管的一端;和一些裝置，用以在諧振管氣體中激發(fā)振蕩。
該熱源可由單個(gè)簡(jiǎn)接加熱器組成，其中熱源，諸如電加熱元件、氣體或石油燃燒器，被用來(lái)加熱構(gòu)成或處于氣體諧振管一端的板。最好這一被加熱的板裝有散熱片，以改善諧振管一端從被加熱板至氣體的傳熱。在諧振管內(nèi)可設(shè)置一蓄熱器，它接近于加熱板，但不與其接觸，并且和激發(fā)振蕩的裝置分離。該蓄熱器由某種材料組成，這種材料具有大面積、較諧振管中的氣體有大的有效熱容量，沿諧振管的長(zhǎng)度有低的導(dǎo)熱率，在使用中該裝置是這樣的，熱源沿蓄熱器建立起溫度梯度，這一溫度梯度激發(fā)諧振管中的氣體振蕩。
然而，最最好的是熱源和激發(fā)諧振管中氣體諧振的裝置均由具有相應(yīng)于氣體諧振管諧振頻率的脈沖熱源構(gòu)成。這樣一種脈沖熱源可以包括一脈沖燃燒器或諧振火焰，經(jīng)一閥供以可燃?xì)怏w或蒸汽和空氣的混合物，再加上火焰收集器，還包括一點(diǎn)燃器，它最初點(diǎn)燃諧振管一端中或中或通至諧振管的燃燒室中的混合物。最好，導(dǎo)入混合氣的閥是由調(diào)準(zhǔn)的止回閥構(gòu)成，它響應(yīng)脈沖燃燒，在其開(kāi)、閉狀態(tài)振蕩，以引導(dǎo)一股混合氣進(jìn)入諧振管的一端或燃燒室，以備隨后點(diǎn)燃。采用激發(fā)諧振管中氣體振蕩的脈沖熱源在寬廣的工況范圍內(nèi)為起動(dòng)提供方便，并使諧振穩(wěn)定運(yùn)行。點(diǎn)燃器可由火花塞構(gòu)成，以便脈沖熱源達(dá)到最初的點(diǎn)燃，但一經(jīng)點(diǎn)燃，脈沖熱源最好能自持。這可以是混合氣連續(xù)迸爆的結(jié)果，這些混合氣被來(lái)自前期燃燒脈沖的衰減火焰所點(diǎn)燃，被壓縮波引起的自發(fā)點(diǎn)燃而點(diǎn)燃，或者被具有產(chǎn)生局部熱點(diǎn)點(diǎn)燃的灼熱塞形成的點(diǎn)燃器所點(diǎn)燃。
該脈沖熱源還可以包括處于諧振管一端的簡(jiǎn)接式加熱器。簡(jiǎn)接式加熱器可以由被脈沖熱源加熱的熱交換面所組成，以便將燃燒熱大體上均勻地傳播在諧振管一端的橫截面上。如果氣體諧振裝置包括一脈沖燃燒器，那么諧振管的一端最好作成一拋物反射器，它能把脈沖燃燒效應(yīng)更為均勻地傳播到諧振管的一端。在此情況下，將脈沖燃燒安排成大體上發(fā)生在拋物面反射器的焦點(diǎn)上。在氣體諧振裝置包括一脈沖熱源的情況下，它還可以包括一蓄熱器，它和跨在它二端的溫度梯度相配合，以增強(qiáng)由脈沖熱源誘發(fā)的振蕩。
就所有這些產(chǎn)生氣體諧振的裝置來(lái)說(shuō)，需要設(shè)計(jì)諧振管的形狀，以便為諧振管二端提供所需要的有關(guān)壓力和絕熱溫度值，并減少會(huì)限制氣體諧振振蕩的氣體-壁面摩擦損失，由于諧振管的截面從其一端向另一端擴(kuò)大，在小端上較大端產(chǎn)生了較大的壓力和絕熱值，這一點(diǎn)隨后要作詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)的討論。最好，諧振管具有截頭錐形的形狀，底徑和高度的比約為1∶3。首先，這樣為縱向諧振提供了一種直徑和長(zhǎng)度比，這可以認(rèn)為是一種和實(shí)際上一樣大的氣體活塞，因而減少了壁面摩擦損失。諧振管的諧振頻率主要取決于它的長(zhǎng)度，而與其形狀無(wú)關(guān)。通過(guò)使諧振管的截面積從一端向另一端增加，有可能增加諧振氣體質(zhì)量，并在給定的容積壓縮比下降低了它的速率。摩擦損失和氣體速度的三次方成正比，因此，這就減少了摩擦損失，從而大大提高諧振裝置的性能。最好，諧振管縱截面具有截頂?shù)靶涡螤睿@樣，沿橫斷面看時(shí)，其側(cè)壁是曲面。這使接近這一端的諧振氣體質(zhì)量進(jìn)一步增加，故使摩擦損失更進(jìn)一步減少。
在氣體諧振裝置內(nèi)的振蕩氣體中產(chǎn)生的機(jī)械能，可被用來(lái)操作一具有分子篩材料的壓力振蕩氣體分離器。最簡(jiǎn)單的方案之一是把氣體諧振裝置應(yīng)用于從空氣中進(jìn)行壓力振蕩分離氧的裝置。在此情況下，諧振管的另一端包含一分子篩材料，在分子篩材料面向熱源的一側(cè)開(kāi)有氣體交換孔口，而在分子篩材料背向熱源的一側(cè)設(shè)有氣體出口。諧振時(shí)，當(dāng)空氣前移經(jīng)過(guò)分子篩材料層時(shí)，氮?dú)獗环肿雍Y材料優(yōu)先吸附。當(dāng)空氣后移時(shí)，壓力降低，被吸附在分子篩材料表面上的氣體放出來(lái)了。這樣，當(dāng)分子篩材料在諧振管中經(jīng)受所產(chǎn)生的振蕩時(shí)，被分子篩材料優(yōu)先吸附的氮?dú)鈺?huì)回到諧振管內(nèi)，并從氣體交換孔口流出，而氧氣，很少為分子篩材料所吸附，會(huì)被推動(dòng)，經(jīng)分子篩材料層，并在分子篩材料的下流側(cè)從氣體出口處流出。在振蕩時(shí)產(chǎn)生的氣體有限位移使諧振管中的平均壓力稍微高于周圍壓力，因此在分子篩材料層的下邊形成被分離的氧氣的接續(xù)流。
通常，分子篩材料是一種膨脹的浮石，但也可采用活性炭。分子篩材料最好具有足夠大的表面積，以便能有高的氮?dú)馕铰剩瑯I(yè)已發(fā)現(xiàn)，吸附和放出的累積率和壓力振蕩成正比。而和循環(huán)速率幾乎無(wú)關(guān)。
在另一種構(gòu)造內(nèi)，在諧振管振蕩氣體中產(chǎn)生的機(jī)械能被用來(lái)驅(qū)動(dòng)一熱泵。在此情況下，氣體諧振裝置包括位于其另一端的熱槽;位于靠近另一端的蓄熱器;以及蓄熱器面向熱源一側(cè)側(cè)壁上的裝置，以便在諧振管中氣體和低熱源之間進(jìn)行熱交換。
借助這一裝置，前面討論過(guò)的效應(yīng)被利用來(lái)形成一熱機(jī)，驅(qū)動(dòng)熱泵。這樣，諧振管氣體中的振蕩作用于蓄熱器，使在其二端產(chǎn)生溫度差，在諧振管另一端的蓄熱器的下游，氣體被加熱，而在蓄熱器的上游，氣體被冷卻。發(fā)生在蓄熱器上游的熱交換為蓄熱器上游的氣體膨脹提供熱量，并提供一種熱源，它被泵吸來(lái)產(chǎn)生為處于諧振管另一端的熱槽所帶走的部分熱量。除此之外，諧振管另一端的熱槽也接受熱源提供的熱量。申請(qǐng)人已壓印了首字母縮寫(xiě)詞HASER以說(shuō)明帶有代表“Heat Amplification by stimulated Emission of Radiation”的首字母縮寫(xiě)詞的這類驅(qū)動(dòng)熱泵的熱機(jī)，它類似于首字母縮寫(xiě)詞LASER(Light Amplification by stimulated emission of radiation)和MESER(Micro Wive Amplification by stimulated Emission of radiation)。
如果低熱源是空氣，那么在大氣和蓄熱器上游區(qū)域內(nèi)的氣體之間最好進(jìn)行直接熱交換。為了促使這種氣體交換，在諧振管壁部，位于壓力零點(diǎn)處設(shè)置一些孔口，當(dāng)縱向振蕩沿諧振管向下傳遞時(shí)，在壓縮振蕩已穿過(guò)孔口之后，大氣會(huì)經(jīng)孔口被吸入諧振管內(nèi)。此時(shí)，從大氣中被吸入到諧振管內(nèi)的氣體跟諧振管內(nèi)的氣體混合，結(jié)果，使來(lái)自大氣的氣體和已在諧振管中的氣體發(fā)生熱交換。然而，下一個(gè)振蕩會(huì)推動(dòng)現(xiàn)已冷卻的來(lái)自大氣的空氣從孔口中排出。
然而，HASER最好還包括一風(fēng)扇，驅(qū)動(dòng)來(lái)自大氣的空氣經(jīng)氣體交換孔口進(jìn)入諧振管。最好，有一外腔包圍諧振管，在具有熱源的諧振管一端的頂部設(shè)置一風(fēng)扇，一波形圓環(huán)狀導(dǎo)流器靠近氣體交換口，以引導(dǎo)被風(fēng)扇吹下來(lái)的空氣經(jīng)一半孔口流入，并使已冷卻的空氣從另一半孔口離開(kāi)，最后經(jīng)外腔下部流出。流經(jīng)外腔的空氣吸收由熱源和氣體諧振管上部放出的熱量，這一熱量又重新被輸入該系統(tǒng)中作為低熱部分，故進(jìn)一步改善了HASER的熱輸出。
諧振管橫截面從一端向另一端擴(kuò)張對(duì)HASER還有另外的優(yōu)點(diǎn)。二端的相對(duì)橫截面積決定了由此產(chǎn)生壓縮比。小橫截面產(chǎn)生高壓縮比，反之亦然。這一結(jié)果可從小位移的聲學(xué)理論中推導(dǎo)出來(lái)，并隨即被提出來(lái)作為特殊的例子。諧振管橫截面從其一端到另一端擴(kuò)張導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)端的高壓縮比和泵吸端的低壓縮比，從而提供了最佳的熱效率。
在諧振管另一端的熱槽可包括一淺水池，在此情況下，作為良好導(dǎo)熱體的散熱片，諸如金屬散熱片，最好和水池保持熱接觸，并在水池和蓄熱器下游側(cè)之間的空間內(nèi)延伸。這樣一種熱槽跟蓄熱器下游的熱氣體具有良好的熱接觸。池中的水沿某一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，從諧振管的另一端把熱量帶走，而這一循環(huán)系統(tǒng)可包括水池二端的止回流，這樣，通過(guò)諧振管內(nèi)壓力波動(dòng)作用于池中水表面，使水沿該系統(tǒng)流動(dòng)。
這樣一種HASER，作為用于居民樓采暖和致冷的熱水發(fā)生器具有特殊的用途。HASER一般處于建筑物的屋頂空間內(nèi)，在冬天，屋頂空間是通風(fēng)的，或者空氣自外部被引入屋頂空間內(nèi)，故空氣提供了低熱源。諧振管另一端的熱槽被用來(lái)把水加熱到譬如說(shuō)40℃，而這種水是滿足民用熱水需要的，它沿建筑物中央供熱系統(tǒng)循環(huán)。在夏季通過(guò)關(guān)閉屋頂空間的通風(fēng)設(shè)備并打開(kāi)屋頂空間下面房間天花板內(nèi)的冷氣通風(fēng)口或引導(dǎo)空氣離開(kāi)HASER進(jìn)入房間，HASER被用來(lái)為建筑物提供制冷。來(lái)自諧振腔另一端熱槽的水通常被用來(lái)滿足民用熱水需求，也被向外引到被致冷的建筑物外邊的熱交換器。從諧振管排出的所形成的冷空氣冷卻屋頂空間，隨后，經(jīng)天花板內(nèi)的冷氣通風(fēng)口，或經(jīng)管道使建筑物致冷。
通過(guò)在蓄熱器上部的諧振腔內(nèi)安裝分子篩材料，壓力振蕩氣體分離器可和HASER組合在一起。通過(guò)這一組合，自出口的輸出量是冷的，并富氮。這樣一種輸出對(duì)于保藏易腐品是很好的，并且這樣一種組合裝置提供了一種輕便的、自持的富于冷空氣的氮?dú)庠础?br>現(xiàn)在參照附圖，將敘述根據(jù)本發(fā)明的HASER的詳細(xì)的實(shí)施例，其中圖1是壓力振蕩氣體分離器的局部縱剖視圖;
圖2是HASER局部縱剖視圖;
圖3是通過(guò)熱源的橫剖視圖;
圖4是說(shuō)明諧振管和氣體位移大小的簡(jiǎn)圖;
圖5是表示諧振管特性的曲線圖;
圖6是說(shuō)明位移和密度幅值的諧振管長(zhǎng)度上如何相對(duì)于時(shí)間變化的另一曲線圖;
圖7是說(shuō)明蛋形補(bǔ)償效果的又一曲線圖;
圖8是說(shuō)明蓄熱器工作的溫度相對(duì)于位置的曲線圖;
示于圖1中的壓力振蕩氣體分離器和示于圖2中HASER兩者均包括一個(gè)由脈沖熱源2形成的熱機(jī)1，它安裝在其縱剖面是蛋形的諧振管的一端。諧振管3的外形尺寸是這樣的，它的高度大約是它底徑的3倍?？拷C振管頂部可包括一蓄熱器4，它是由非金屬蜂窩材料制造的，通常是玻璃或玻璃狀材料，外圍同軸環(huán)5包圍諧振管3，在頂部安裝一電動(dòng)風(fēng)扇6，將空氣向下吹，流經(jīng)室5。一波紋環(huán)形導(dǎo)流器7引導(dǎo)空氣流流過(guò)處于壓力零點(diǎn)的諧振管3側(cè)壁上的間隔孔口8?？諝饨?jīng)另外的孔口8和外腔5的下部排出?？卓?形成噴嘴流，因此經(jīng)間隔孔口8的輸入空氣流便強(qiáng)烈地會(huì)聚，確保了經(jīng)孔口8的空氣和排氣不會(huì)過(guò)份混合。
在圖3中更為詳細(xì)地表示了脈沖熱源2，它包括一氣體混合空間9，氣體和空氣輸入該空間，并在其中混合;還包括一諧振止回閥10，其諧振頻率和諧振管相同，還包括一火焰收集器。諧振止回閥10可以和安裝在二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上的相同，它包括一開(kāi)口12，被一端固定在開(kāi)口12上的簧片13蓋住。隨著諧振管3中的瞬態(tài)壓力增大，達(dá)到氣體混合空間9內(nèi)的壓力，該閥由簧片13保持關(guān)閉，以密封開(kāi)口12的周沿;而隨著諧振管中內(nèi)的瞬時(shí)壓力下降到低于氣體混合空間9內(nèi)的壓力，簧片13彎曲，使氣體和空氣混合物通過(guò)開(kāi)口12并進(jìn)入諧振管3。
在促使氣體混合物的供應(yīng)在相位上更接近于諧振腔壓縮脈沖、從而導(dǎo)致脈沖燃燒相應(yīng)改善的某一優(yōu)選結(jié)構(gòu)里，諧振止回閥包括一個(gè)直徑比較大的金屬盤(pán)，和燃燒室同軸線安裝，以其邊緣卡持在略為中凹的底座板上，在該底座板上還同軸線地安裝著火焰收集器。氣體混合物以低壓波引入到接近夾持邊緣的中間環(huán)形空間，并從那里朝火焰收集器、用脈沖徑向向內(nèi)輸送。該盤(pán)的厚度要作成使其軸向自然振蕩頻率低于諧振腔的頻率，這樣，氣體阻尼和諧振腔壓力脈沖的聯(lián)合作用便使該盤(pán)以諧振腔的諧振頻率基本上產(chǎn)生反相振蕩。這樣振蕩將氣體混合物經(jīng)火焰收集器引入到燃燒室，引入是在壓力升高的時(shí)刻進(jìn)行的，而不是在最大負(fù)壓時(shí)進(jìn)行的，前者減少了過(guò)早燃燒的程度，這種過(guò)早燃燒就熱機(jī)工作來(lái)說(shuō)是低效率的。
脈沖熱源2還包括一火花室14，諧振管3的頂部做成拋物面反射體15，它使脈沖熱源在諧振管3的上空達(dá)到基本均勻的擴(kuò)散。
熱機(jī)1沿諧振管3向下驅(qū)動(dòng)一振蕩氣體，垂直振蕩氣體團(tuán)起到活塞作用，在諧振管3的頂部和底部產(chǎn)生壓力和絕熱溫度波動(dòng)，振蕩是由火花塞14最初點(diǎn)燃引入諧振管3頂部的氣體和空氣混合物而激發(fā)的，然后，當(dāng)諧振管3中的氣體開(kāi)始諧振，而閥10引入連續(xù)噴出的混合物時(shí)，這些混合物被先前點(diǎn)燃的衰弱的火焰所點(diǎn)燃。這便產(chǎn)生了脈沖燃燒，在具有長(zhǎng)度約1米的諧振管的裝置中，脈沖燃燒具有約200赫茲的重復(fù)頻率。蓄熱器4由于提高了諧振管3頂部的溫度并增大了所產(chǎn)生的振蕩幅度而提高了熱機(jī)1的效率。
上面敘述的熱機(jī)1可用于向壓力振蕩氣體分離器提供機(jī)械能輸入，在此情況下，如在圖1中所示，優(yōu)先吸附氮的沸石薄層16安裝在靠近諧振管3的下端，諧振管3的底部由平板17密封，后者包括一氣體出口18。處于諧振管3中諧振期間，當(dāng)空氣向前移動(dòng)進(jìn)入沸石層16時(shí)，氮優(yōu)先被沸石所吸附。當(dāng)空氣向后移動(dòng)時(shí)，壓力降低了，被吸附在沸石表面上的氣體放出來(lái)了，因此，富氮的空氣被放出來(lái)了。由于在諧振期內(nèi)產(chǎn)生的氣體位移是有限的，在諧振管3內(nèi)的平均壓力要小于大氣壓力，所以一氣體流流經(jīng)沸石層16，導(dǎo)致一氣體流從出口18處流出來(lái)，這一氣體流是富氧的，而從孔口8出來(lái)并流經(jīng)腔5的下部的氣流是富氮的。
熱機(jī)1可交替地被用來(lái)提供機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)一熱泵19。驅(qū)動(dòng)熱泵的熱機(jī)有一總性能系數(shù)(Cop)其中Cop＝ (低熱源輸出)/(高熱源輸出)如果前者的絕熱溫度比明顯地大于后者的絕熱溫度比，那么Cop超過(guò)1。熱量輸出也可由熱機(jī)1排出的熱量來(lái)直接補(bǔ)充。該裝置的熱泵部分19包括一蓄熱器20，它是由非金屬蜂窩材料制成的，通常是用玻璃或玻璃材料和一熱槽21構(gòu)成。熱槽21由淺水池22和金屬散熱片23構(gòu)成，淺水池處于諧振管3的大直徑端內(nèi)，金屬散熱片和延伸到諧振管3內(nèi)的淺水池22保持熱接觸，靠近蓄熱器20。在此情況下提供低熱源的空氣經(jīng)孔口8進(jìn)入和離去，通過(guò)熱泵19從該空氣中吸取熱量，并傳給熱槽21中的水。
這樣，在運(yùn)行中，通過(guò)熱機(jī)1把氣體振蕩引入諧振管3內(nèi)。這些振蕩為包括蓄熱器20的熱泵19提供了驅(qū)動(dòng)功率。當(dāng)氣體在蓄熱器20前后振蕩時(shí)，在蓄熱器20底下的空間被加熱，而在蓄熱器20上面的空間被冷卻。流經(jīng)孔口8的空氣流和諧振管3中的氣體相混合，把熱量傳給蓄熱器20上面的諧振管3內(nèi)的氣體。熱槽21帶走在蓄熱器20底下累積的熱量。
通常，熱槽21中循環(huán)水淺池22的水平面是受浮子閥(未出示)控制的。水池22的進(jìn)水口和出水口包括止回閥(未出示)，在諧振管3中形成的氣體振蕩作用于水池22中的水表面上，使水經(jīng)進(jìn)、出口止回閥形成循環(huán)。一般水的出口溫度高于40℃，這便可用作民用熱水源或運(yùn)轉(zhuǎn)集中供熱系統(tǒng)的熱水源。如本例所示，通常安裝于在冬季通風(fēng)的房屋的屋頂空間里，使來(lái)自大氣的空氣形成進(jìn)、出孔口8的低熱源。在夏季若希望建筑物致冷，屋頂空間的氣窗是關(guān)閉的，而天花板通風(fēng)口是打開(kāi)的，以使由HASER產(chǎn)生的冷空氣下降到屋內(nèi)。在此情況下，由熱槽21排出的熱水，按照民用的需要提供以熱水后，進(jìn)入戶外的大氣熱交換器，把在再循環(huán)前在HASER中產(chǎn)生的熱量散失掉。相應(yīng)于該種HASER供暖型的CoP目標(biāo)值是2。
現(xiàn)在提供關(guān)于氣體諧振動(dòng)態(tài)特性、蛋形諧振腔的客觀需要性、壁面摩擦損失的討論、蓄熱器20特性的討論的細(xì)節(jié)。
氣體諧振動(dòng)態(tài)特性為了設(shè)計(jì)一HASER，需要研究對(duì)氣體運(yùn)動(dòng)的定量處理。在平行結(jié)構(gòu)(圖4a)中的均勻固體的線性彈性位移由眾知的方程式?jīng)Q定
其中α是在參考距離X上的位移;
t是時(shí)間間隔;
C是音速;
對(duì)于在橫截面均勻的、二端封閉的管中的標(biāo)準(zhǔn)波，α正比于sin (πx)/1 sin (πct)/1對(duì)于球面對(duì)稱、適于截頭圓錐中的振蕩流，其相應(yīng)的支配方程式自Canchy和Doisson時(shí)代起早就知道
其中r由圖4b決定。在二種情況下，c=/γP0ρ0]]>其中r是比熱率，P0是平均壓力，在該壓力下密度是P0。當(dāng)圓錐在半徑b處被截頭時(shí)，能容易證明，對(duì)于任意常數(shù)A，其標(biāo)準(zhǔn)波解為rα＝ (Al)/(π) sin (π)/1 (r-b)sin (πct)/1故α＝Asinπ1(r -b)π r1]]>sin (πct)/1 (3)在r＝b，r＝a二處，因?yàn)閍-b＝1，故α＝0設(shè)下列各個(gè)量為(πr)/1 ＝θ， (πb)/1 ＝θ0， (πα)/1 ＝θ′， (πA)/1 ＝μ，(πc)/1 ＝ω，故θ′＝μ
(4)
當(dāng)
＝0，因而當(dāng)θ＝tan(θ-θ0)時(shí)，θ′最大，對(duì)于穩(wěn)定的θ值，根據(jù)θ0，可解得θ′，如圖5中所示，注意(b)/(a) ＝ (θO)/(π+θO) (d)/1 ＝ (θ-θO)/(π) ，其中d是最小端最大位置的距離。
若忽略二階小量，其瞬態(tài)密度率可表示為
當(dāng)θ＝-tan〔θ-θ0〕時(shí)，上式＝1，按計(jì)算 (d′)/1 的同樣方法來(lái)求解，其結(jié)果畫(huà)在圖5中?？梢钥吹阶畲蟮奈灰坪退俣瘸霈F(xiàn)在自中點(diǎn)移向圓錐小端的某一位置，而密度和壓力零點(diǎn)則向大端移動(dòng)一相應(yīng)距離。
按照方程式(5)，當(dāng)Cosωt和Cos(θ-θ0)二者都為±1時(shí)，要得到ρ0的極值。因此，分別相應(yīng)于小端和大端的容積壓縮比m0和m1便可確定。于是mO=1+Ab1-Ab, m1=1+Aa1-Aa(6)]]>
若規(guī)定了m0和 (b)/(a) ，通過(guò)推導(dǎo)，A可從方程式(6)中被消去(A)/(b) ＝ (mO-1)/(mO+1')于是m1=1+ba·mO-1mO+11-ba·mO+1mO+1(7)]]>此外，結(jié)合圖5，它可以從方程式3或4中推導(dǎo)出來(lái)，對(duì)于離小端任一點(diǎn)距離Xθ ′=π a1=mO-1mO+1·ainπ x11+x1(ab-1)(8)]]>在特殊情況下，對(duì)于最大位移和速度X＝d，在密度或壓力變化的零點(diǎn)，對(duì)于相應(yīng)的位移和速度，X＝d′。然而，當(dāng)考慮了有限的位移，如在圖6中所示的 (ρ)/(ρO) 極值對(duì) (x)/1 的曲線圖上，可以看到在零點(diǎn)的 (ρ)/(ρO) 的實(shí)際值相對(duì)于參考值1相應(yīng)地下降。這一相應(yīng)下降值△ (ρ)/(ρO) 可根據(jù)由方程式(5)獲得的曲線的斜率借助于零點(diǎn)乘以相應(yīng)位移計(jì)算出來(lái)，于是△ (ρ)/(ρO) ＝( (πα)/1 )2(9)便可根據(jù)方程式8令x＝d′得到。由此可以看到，對(duì)于開(kāi)式循環(huán)，有一等效過(guò)量平均密度和壓力，因?yàn)榱魅牒土鞒霰仨毱胶狻?br>已經(jīng)說(shuō)過(guò)，過(guò)程分析是基于線性-彈性關(guān)系，僅小于位移的氣體來(lái)獲得的。絕熱狀態(tài)是非線性的，但非線性度對(duì)自由活塞應(yīng)用的影響已廣泛地研究，發(fā)現(xiàn)僅對(duì)高壓縮比是明顯的，它們本身比按線性彈性法計(jì)算值或多或少地增加，而時(shí)間變化率瞬時(shí)地增加，因此，頻率稍高于計(jì)算值。在用振蕩HASER的實(shí)驗(yàn)中該線性理論成功地預(yù)示了壓力零點(diǎn)的位置，但觀察到的諧振頻率要高于預(yù)示值，二者和上述的絕熱氣體壓縮的非線性度相一致，而在諧振管的上部音速隨溫度增加。因此，可以斷言所提出的理論可以有把握地應(yīng)用，具有足夠的精度，并且相應(yīng)成比例的壓力和絕熱溫度的絕熱偏差可通過(guò)把后者相應(yīng)提高到r和r-1次冪來(lái)從成比例的密度偏差中得到。
性能系數(shù)因?yàn)樵诩訜岫丝ㄖZ(Carnot)的熱效率，由循環(huán)中絕熱溫度之比決定，為(mOγ-1-1)/(mOγ-1)而相應(yīng)的熱泵增益，由吸收裝置端的循環(huán)中絕對(duì)溫度之比決定，為
(m1γ-1)/(m1γ-1-1)由此得出理想性能系數(shù)為COP＝ (mOγ-1-1)/(mOγ-1) · (m1γ-1)/(m1γ-1-1) (10)對(duì)于空氣，r＝1.4，對(duì)于圖6的例子，該值為2.77，但它由于若干因素而改變。
首先，可以證明，在相應(yīng)于加熱端膨脹的低溫下，熱量既不放出，在相應(yīng)于吸收裝置端充分壓縮的溫度下也不吸收，這是以后考慮到對(duì)于已說(shuō)過(guò)的蓄熱器，蓄熱器的功能是提高二端的平均溫度，所以，更加接近理想的。
其次，雖然壁面摩擦熱的一部分可通過(guò)水套來(lái)回收，如同在熱機(jī)端排出熱量的情況一樣，前者受熱機(jī)功能有限熱效率的支配作為機(jī)械能必須提供的，并受到很大的影響。機(jī)械能除了一部分消耗于壁面摩擦損失，還經(jīng)孔口7和8，散失于空氣的輸入和排出中，因?yàn)閮烧呔瓦吔鐚佑嘘P(guān)。
蛋形變型對(duì)于給定的端部尺寸，其目的是要增和振蕩氣體量，因而對(duì)于給定的容積壓縮比，是要提高其速度。由于摩擦損失正比于速度三次冪，其效果是值得考慮的。一種全數(shù)字分析法是很方便的，但其效果很可能要包括相當(dāng)?shù)男拚?br>修正程序的關(guān)鍵是找出自然頻率f對(duì)長(zhǎng)度l的一次函數(shù)關(guān)系，而和形狀、是否平行、錐形或蛋形無(wú)關(guān)，如f＝ (c)/21振蕩系統(tǒng)的角頻率ω也取決于ω＝/ (k)/(m)其中K是剛度，m是質(zhì)量，因此在蛋形情況下，必須考慮剛度按和質(zhì)量相同的比例增加。這一結(jié)果在圖7中可以看到，其中有三種理論上的同軸錐OA、OB和OC。OA包含二端的直徑，OB外切蛋形曲線。OC是插入物。可以看到，上述理論對(duì)于三種圓錐是不變的，因?yàn)樗鼈兌加邢嗤萣/a。圓錐OC和蛋形曲線相交，形成一質(zhì)量區(qū)和二剛度區(qū)。如果OA和OC之間的直徑比是l+e，根據(jù)容積和橫截面積，可以推定其剛度也隨所述比率l+e增加。然而，跟e的確定無(wú)關(guān)，標(biāo)有質(zhì)量的被包圍的面積按大于l+2e的某一比率增加，這一異?，F(xiàn)象可以通過(guò)液體動(dòng)力學(xué)關(guān)于假想質(zhì)量的概念來(lái)解釋，在此情況下，假想質(zhì)量是負(fù)的，因?yàn)樵跀U(kuò)大的橫截面內(nèi)，速度比較低。既然剛度毫不含糊地能被計(jì)算，那么認(rèn)為剛度和視在質(zhì)量二者隨l+e增加是合適的，并且OC被定義為處于二端部(相同表面積)之間蛋形曲線的中軸，這樣BC＝e/2。然后，蛋形表現(xiàn)出和摩擦損失成比例，而不和壓縮比或輸出成比例，好像它是一個(gè)具有隨比率l+e增加的直徑的圓錐，但其最大速度隨比率 1/(1+2e) 下降，在圖1和圖2中所示蛋形的效果相對(duì)于其它情況減少了摩擦損失5%。
壁面摩擦損失在缺乏關(guān)于錐體內(nèi)振蕩流的詳細(xì)資料的情況下，認(rèn)為在等效長(zhǎng)度和直徑的平行管道中為穩(wěn)態(tài)邊界層摩擦是合適的。摩擦系數(shù)Cf取決于雷諾數(shù)相稱表面的粗糙度，已由Nikuradse給出了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。由于雷諾數(shù)＞106，而表面粗糙度＜50微米，Cf的適當(dāng)值應(yīng)為0.0035。
如果在半徑為R，半波長(zhǎng)度為L(zhǎng)的圓柱形管內(nèi)的軸向位移給定為α＝u0cos (πx)/1 cosωt則軸向速度u＝
，壁面的切剪應(yīng)力為Cf(ρu2)/2 ，當(dāng)?shù)厮矐B(tài)工作率為Cf· (ρu2)/2 ，平均工作率W，沿管長(zhǎng)相對(duì)于時(shí)間積分，便得W＝πcfρRlω3α30［2π∫Oπ2cos3θdθ .2π∫Oπ2sin3φ .d φ ］]]>注意括號(hào)中的數(shù)值為 1/(π) ( (T(2))/(T(2.5)) )2，并計(jì)算出咖馬函數(shù)，
W＝0.566cfρRlω3α30＝cfA (ρu13)/2 ， (11)其中u1＝0.565u0u0為軸向速度幅值，A為壁面總面積。可以用管中氣體最大動(dòng)能的比值n來(lái)表示，則在半個(gè)沖程內(nèi)累計(jì)摩擦力為η＝ (0.72πcfa)/(R) (12)這些研究表明，雖然壁面摩擦損失是所產(chǎn)生的機(jī)械能的很大部分，如果含有蛋形，它們特別可以控制。
蓄熱器的特性自從斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)首次建造以來(lái)，蓄熱器一直被采用著，應(yīng)該承認(rèn)它們使效率有大幅度增加。它們的功能，作為熱過(guò)濾器，是貯存處于絕熱容積變化期間當(dāng)氣體經(jīng)過(guò)時(shí)在一部分往復(fù)循環(huán)中獲得的熱量，并且當(dāng)循環(huán)反向時(shí)把熱量還給氣體。它們的兩個(gè)基本性質(zhì)是如此大的表面積暴露在氣體中，在氣體運(yùn)動(dòng)方向上，伴隨著小的熱傳導(dǎo)率。通常它們具有間隔的非金屬板的疊層結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些在減少氣體摩擦損失和熱傳導(dǎo)方面是有效的。
在本申請(qǐng)案中有益地采取蓄熱器，可以從絕熱溫度變化(圖7)的極值曲線中看到，這些曲線是從圖5中相應(yīng)的密度比曲線得出的。圖7中的傾斜線定量地描繪了被經(jīng)歷著絕熱溫度變化的一團(tuán)氣體所采取的路徑，但為了簡(jiǎn)化，處于不逆狀態(tài)中，因?yàn)閷?shí)際上考慮了熱傳導(dǎo)，這些線是彎曲的。表示了蓄熱器3和4的位置，可以看到，這些并不延伸到諧振管的端部，在端部設(shè)有傳熱面。其間的間隙大到足以避免熱接觸。
線條BB′和EE′代表小團(tuán)氣體，它總是留在蓄熱器內(nèi)。這些小團(tuán)氣體，在膨脹時(shí)通過(guò)獲得熱量逆著溫度梯度泵熱，并在靠近諧振腔中心的位置上冷卻。因此，在蓄熱器內(nèi)，存在溫度梯度，它們向諧振腔的端部向上傾斜。蓄熱器的平均溫度同樣高于環(huán)境溫度，因?yàn)閬?lái)自壓縮氣體的熱交換比來(lái)自變稀了的氣體更為有效。
蓄熱器最?yuàn)W妙的效應(yīng)出現(xiàn)在靠近諧振腔端部的它們的端部，因?yàn)樵谶@些位置上，當(dāng)膨脹并變冷時(shí)，氣體進(jìn)入并吸收熱量。當(dāng)它成為壓縮氣體并變熱時(shí)離開(kāi)，因此，在諧振腔端部的平均溫度顯著升高。其效應(yīng)可用條線AA′和FF′來(lái)描繪?？赡嫘?yīng)出現(xiàn)在蓄熱器的內(nèi)部?jī)啥耍瑥木€條CC′和DD′可以看到。其總的效應(yīng)是平均溫度顯著升高了蓄熱器外側(cè)溫度值的一半，并在蓄熱器內(nèi)側(cè)大容積內(nèi)降低了一較小的量。
蓄熱器的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)超過(guò)在優(yōu)先選用位置上的全位移，下蓄熱器和吸熱裝置之間的間隙應(yīng)切實(shí)可行的。蓄熱器材料最佳的標(biāo)準(zhǔn)是每一循環(huán)傳導(dǎo)的浸潤(rùn)深度不超過(guò)該窄條的厚度，按照有關(guān)瞬態(tài)熱流的分析，可以表示為t ～ 22aω]]>設(shè)t＝0.1毫米，ω＝817/秒，這表明一優(yōu)選的導(dǎo)熱系數(shù)α大約等于10-2厘米2/秒，就玻璃質(zhì)材料來(lái)說(shuō)將會(huì)滿足的。金屬也是導(dǎo)熱的。
權(quán)利要求
1.一種熱力驅(qū)動(dòng)氣體諧振裝置，其特征在于它包括一諧振管(3)，其橫截面沿其長(zhǎng)度從一端向另一端擴(kuò)展；一熱源(2)，位于諧振管(3)的一端；以及裝置(2、4)，以激發(fā)諧振管(3)中的氣體振蕩。
2.按照權(quán)利要求
1所述的氣體諧振裝置，其中，激發(fā)諧振管(3)中氣體振蕩的熱源和裝置均由一脈沖熱源(2)形成，脈沖熱源具有和氣體諧振管(3)的諧振頻率相應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率。
3.按照權(quán)利要求
2所述的氣體諧振裝置，其中，脈沖熱源包括一閥(10)，所供給的可燃?xì)怏w或蒸汽和空氣經(jīng)此閥輸入，后面有收集器(11)，還包括最初點(diǎn)燃諧振管(3)一端內(nèi)混合物的點(diǎn)燃器(14)。
4.按照權(quán)利要求
3所述的氣體諧振裝置，其中導(dǎo)入混合氣的閥(10)是由調(diào)準(zhǔn)的止回閥構(gòu)成的，它響應(yīng)脈沖燃燒，在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間振蕩，引導(dǎo)一股混合氣進(jìn)入諧振管(3)的一端，以備隨后點(diǎn)燃。
5.按照權(quán)利要求
2、3或4所述的氣體諧振裝置，其中脈沖熱源還包括處于諧振管(3)一端的非直接加熱器。
6.按上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的氣體諧振裝置，其中蓄熱器(4)處于諧振管(3)內(nèi)，接近其一端，但不和其接觸。
7.按上述權(quán)利要求
中的任一項(xiàng)所述的氣體諧振裝置，其中諧振管(3)在縱截面內(nèi)具有截頭蛋形的形狀，所在，若從橫截面方向看，其側(cè)壁是曲面。
8.按上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的氣體諧振裝置，其中諧振管(3)的另一端包括一層分子篩材料(16)，其中在分子篩材料層(16)面向熱源(2)的一端開(kāi)有氣體交換口(8)，而在背離熱源(2)的一端開(kāi)有出氣口(18)，以形成壓力振蕩氣體分離器。
9.按權(quán)利要求
8所述的氣體諧振裝置，其中分子篩材料是一種膨脹的沸石，它吸收氮?dú)庀扔谖昭鯕狻?br>10.按權(quán)利要求
1-7任一次所述的氣體諧振裝置，和熱泵(19)與裝置(8)聯(lián)合在一起，以便在諧振管(3)中的氣體和低熱源之間進(jìn)行熱交換;熱泵(19)包括位于諧振管(3)另一端的熱槽(21)和接近另一端的蓄熱器(20);裝置(8)處于蓄熱器面向熱源(2)的一端。
11.按權(quán)利要求
10所述的氣體諧振裝置，其中低熱源是大氣，在大氣和蓄熱器(20)上游區(qū)段中的氣體之間直接進(jìn)行熱交換;在諧振管(3)的壁上，處于壓力零點(diǎn)的位置上開(kāi)有氣體交換孔口(8)。
12.按權(quán)利要求
11所述的氣體諧振裝置，其中還包括一風(fēng)扇(6)，推動(dòng)大氣中的空氣，經(jīng)氣體交換口(8)進(jìn)入諧振管(3)。
13.按權(quán)利要求
12所述的氣體諧振裝置，還包括包圍著諧振管(3)的外腔(5)，在外腔頂部裝有風(fēng)扇(6)，因?yàn)樵谥C振管(3)的端部具有熱源(2);還包括靠近氣體交換口(8)的波紋環(huán)形導(dǎo)流器(7)，引導(dǎo)用風(fēng)扇(6)吹下來(lái)的空氣經(jīng)過(guò)半數(shù)孔口(8)，并允許冷卻空氣從另一半孔口(8)離開(kāi)，并經(jīng)外腔(5)的下部流出。
14.權(quán)利要求
10、11、12或13所述的氣體諧振裝置，其中位于諧振管(3)的另一端的熱槽(21)包括一淺水池(22)，具有良好熱傳導(dǎo)的散熱片(23)和水池保持熱接觸，并在水池(22)和蓄熱器(20)的下流端之間的空氣內(nèi)延伸。
專利摘要
一種熱力驅(qū)動(dòng)氣體諧振裝置，包括沿長(zhǎng)度截面擴(kuò)張的諧振管，位于管一端的熱源，激發(fā)管內(nèi)氣體振蕩的裝置。最好是脈沖熱源，其脈沖重復(fù)頻率和管的諧振頻率相同。振蕩氣體產(chǎn)生的機(jī)械能，用來(lái)操作一壓力振蕩氣體分離器，它包括處于管另一端的分子篩材料層。此外，機(jī)械能還可用來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵。在管子一端設(shè)置熱槽，靠近另一端還設(shè)置蓄熱器，在面向熱源的側(cè)壁上的裝置使管中氣體和低熱源間進(jìn)行熱交換。
文檔編號(hào)F02G3/00GK87107633SQ87107633
公開(kāi)日1988年6月29日 申請(qǐng)日期1987年11月6日
發(fā)明者艾倫·阿瑟·威爾斯 申請(qǐng)人:艾倫·阿瑟·威爾斯導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan