專利名稱：低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱發(fā)動(dòng)機(jī)裝置，尤其涉及ー種低品位熱源驅(qū)動(dòng)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)也稱熱聲壓縮機(jī)，或者熱聲驅(qū)動(dòng)器，它僅有換熱器和管段構(gòu)成，除交變流動(dòng)的流體エ質(zhì)外，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)単、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界和エ業(yè)界的關(guān)注。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用氣體作為エ質(zhì)，利用氣體聲場(chǎng)在回?zé)崞?或板疊)中與固體邊界的熱相互作用將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，具體表現(xiàn)為在輸入熱量的條件下，當(dāng)沿回?zé)崞?或板疊)的溫度梯度大于臨界值時(shí)，氣體エ質(zhì)將產(chǎn)生自激振蕩，熱能被轉(zhuǎn)換為氣體壓力波的機(jī)械能，并可將所產(chǎn)生的機(jī)械能以壓カ波的形式輸出，而壓カ波可被用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或者 制冷機(jī)獲得制冷效應(yīng)，以滿足人們的應(yīng)用需求。雖然熱聲現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可以追溯到200年以前，但由于熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是自激振蕩系統(tǒng)，不依賴于傳統(tǒng)回?zé)崾綒怏w熱機(jī)中的曲柄、連桿、活塞等固體運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)來強(qiáng)制流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但內(nèi)部耦合機(jī)制非常復(fù)雜，直到最近20年熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)才獲得突破性進(jìn)展。目前，采用氣體エ質(zhì)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)壓比可達(dá)I.4。利用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)已經(jīng)可以輸出數(shù)百瓦的電功率，熱電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到15%。采用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，通過彈性膜和聲壓放大器構(gòu)成的耦合結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)低于20K的制冷溫度。通過燃燒一部分天然氣的熱量來驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，再由熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)進(jìn)而液化天然氣也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了裝置示范，對(duì)于遠(yuǎn)洋或者荒漠中開采天然氣并以液化天然氣的形式加以運(yùn)輸具有應(yīng)用前景。然而，分析現(xiàn)有氣體エ質(zhì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理和技術(shù)現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，它們存在諸如驅(qū)動(dòng)熱源溫度較高(通常高于300°C)而難以直接利用低品位熱源，以及能量密度相對(duì)較小導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大等不足，限制其實(shí)際應(yīng)用，是目前熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)研究領(lǐng)域亟待解決的重要問題。正是在這樣的技術(shù)背景下，本發(fā)明提出了ー種低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。相比于傳統(tǒng)氣體エ質(zhì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，本發(fā)明主要利用了エ質(zhì)氣液相變的物性特點(diǎn)(包括エ質(zhì)在理想的氣液相變過程中溫度是恒定的，較小的溫度變化可對(duì)應(yīng)較大的飽和壓カ變化，以及氣液相變前后エ質(zhì)比容變化大等)，通過氣液相變熱聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱聲轉(zhuǎn)換，其主要目的就是為了改善熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于低品位熱源的適應(yīng)性，并提高熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的単位體積能量密度，進(jìn)而推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供ー種低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。
低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)包括順次連接的第一加熱器、第一熱緩沖管、第一冷卻器、U形管、第二冷卻器、第二熱緩沖管、第二加熱器，U形管內(nèi)設(shè)有液體活塞。所述的液體活塞為ニ氟甲烷ch2f2、氨nh3、五氟ー氯こ烷CF2C1CF3、八氟丙烷CF3CF2CF3,液體活塞液面以上的系統(tǒng)空間中為所采用液體活塞エ質(zhì)的蒸氣。本發(fā)明公開的低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，利用了エ質(zhì)氣液相變的物性特點(diǎn)，可小溫差大壓比運(yùn)行，利于實(shí)現(xiàn)對(duì)低品位熱源的利用；單位體積的能量密度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)氣體エ質(zhì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置的小型化；并且氣液稱合振動(dòng)，可綜合利用氣態(tài)エ質(zhì)的可壓縮性和液態(tài)エ質(zhì)的高密度質(zhì)量慣性優(yōu)化熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的聲阻杭。



圖I是駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)示意 圖中第一加熱器I、第一熱緩沖管2、第一冷卻器3、U形管4、液體活塞5、第二冷卻器6、第二熱緩沖管7、第二加熱器8 ；
圖2是駐波聲場(chǎng)的位移、速度和壓カ振動(dòng) 圖3是駐波聲場(chǎng)氣液相變熱聲效應(yīng)理想熱カ循環(huán)圖。
具體實(shí)施例方式如附圖I所示，低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)包括順次連接的第一加熱器I、第一熱緩沖管2、第一冷卻器3、U形管4、第二冷卻器6、第二熱緩沖管7、第二加熱器8，U形管4內(nèi)設(shè)有液體活塞5。所述的液體活塞5為ニ氟甲烷CH2F2、氨NH3、五氟ー氯こ烷CF2C1CF3、八氟丙烷CF3CF2CF3,液體活塞液面以上的系統(tǒng)空間中為所采用液體活塞エ質(zhì)的蒸氣。相對(duì)于傳統(tǒng)米用氣體エ質(zhì)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，本發(fā)明熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中液體活塞エ質(zhì)將發(fā)生氣液相變過程，因此合理的液體活塞エ質(zhì)選擇非常重要。我們?cè)?00K和330K冷熱源溫度條件下，針對(duì)十余種エ質(zhì)進(jìn)行圖3所示的理想熱カ循環(huán)性能分析。分析結(jié)果顯示，正常沸點(diǎn)和臨界點(diǎn)溫度相對(duì)較高，且氣化潛熱較大的エ質(zhì)可獲得更高的熱效率；而飽和壓カ較大的エ質(zhì)有利于實(shí)現(xiàn)更高的單位氣體體積能量密度。綜合兩個(gè)方面，ニ氟甲烷CH2F2、氨NH3、五氟ー氯こ烷CF2ClCF3、八氟丙烷CF3CF2CF3是較為理想的エ質(zhì)選擇。低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，首先需對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，排除系統(tǒng)中原有的空氣；之后通過高壓エ質(zhì)鋼瓶向抽空后的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)注入エ質(zhì)，使得エ質(zhì)液面處于第一加熱器I和第一冷卻器3以及第二加熱器8和第二冷卻器6之間。然后，開啟驅(qū)動(dòng)熱源和冷卻水，由于冷卻水的冷卻作用，第一冷卻器3和第二冷卻器6始終保持在室溫，而驅(qū)動(dòng)熱源通過第一加熱器I和第二加熱器8向系統(tǒng)輸入熱量，第一加熱器I和第二加熱器8的溫度升高，系統(tǒng)中エ質(zhì)壓カ也隨之升高，并對(duì)系統(tǒng)中的エ質(zhì)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)。當(dāng)加熱器與冷卻器之間的溫差超過一定閾值吋，由于エ質(zhì)與加熱器和冷卻器之間的傳熱作用，產(chǎn)生氣液相變的熱聲轉(zhuǎn)換，將部分熱能轉(zhuǎn)換為聲功，エ質(zhì)在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)生自激振蕩，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。此時(shí)，液體活塞5的液面在第一加熱器I和第一冷卻器3以及第二加熱器8和第二冷卻器6之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，周期性的經(jīng)歷等壓吸熱、絕熱膨脹、等壓放熱、絕熱壓縮的熱カ循環(huán)過程(見圖3)，實(shí)現(xiàn)熱能至聲功的轉(zhuǎn)換。此外，本發(fā)明提出的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是同一種エ質(zhì)的氣態(tài)和液態(tài)的耦合振動(dòng)系統(tǒng)，可以綜合利用氣態(tài)エ質(zhì)的可壓縮性和液態(tài)エ質(zhì)的高密度質(zhì)量慣性優(yōu)化熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的聲阻抗，通過合理設(shè)計(jì)第一加熱器I、第一熱緩沖管2、第二加熱器8和第二熱緩沖管7中氣相空間的體積，以及U形管4和液體活塞5的長(zhǎng)度和直徑，可以方便地控制熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振頻率。下面采用拉格朝日方法，結(jié)合駐波聲場(chǎng)特點(diǎn)，分析氣液相變熱聲效應(yīng)熱力循環(huán)過程，進(jìn)而掲示駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。圖I所示的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，我們以左邊部分為例進(jìn)行工作原理說明。圖2給出了駐波聲場(chǎng)的位移、速度和壓カ振動(dòng)圖，其中壓カ與位移同相，壓カ與速度相差90度相位。參與熱聲轉(zhuǎn)換的 エ質(zhì)微元在第一加熱器和第一冷卻器之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其熱カ循環(huán)(見圖3)具體包括，1-2等壓吸熱過程狀態(tài)點(diǎn)I的過冷液體エ質(zhì)微元在正向極限位置附近，即在第一加熱器中，由于加熱器壁面溫度高于過冷液體微元的溫度，熱量從固體壁面?zhèn)鬟f給過冷液體，使其在近似等壓的條件下被加熱至飽和，并進(jìn)ー步汽化至飽和氣體；2_3絕熱膨脹過程狀態(tài)點(diǎn)2的飽和氣體微元從正向極限位置向負(fù)向極限位置快速移動(dòng)，即從第一加熱器通過第一熱緩沖管向第一冷卻器移動(dòng)，由于熱緩沖管的水力直徑較大，氣體微元來不及與熱緩沖管固體邊界換熱，同時(shí)由于壓カ降低，氣體微元經(jīng)歷近似絕熱膨脹過程；3-4等壓放熱過程在負(fù)向極限位置附近，即在第一冷卻器中，由于冷卻器壁面溫度低于エ質(zhì)微元的溫度，熱量從エ質(zhì)微元傳遞給壁面，エ質(zhì)微元在近似等壓的條件下被冷凝為飽和液體；4_1絕熱壓縮過程狀態(tài)點(diǎn)4的飽和液體微元從負(fù)向極限位置向正向極限位置快速移動(dòng)，即從第一冷卻器通過第一熱緩沖管向加熱器運(yùn)動(dòng)，同樣由于熱緩沖管的水力直徑較大，液體微元來不及與熱緩沖器固體邊界換熱，同時(shí)由于壓カ升高，液體微元經(jīng)歷近似絕熱壓縮過程，回到狀態(tài)點(diǎn)1，完成循環(huán)?？梢?，在駐波聲場(chǎng)中，參與氣液相變熱聲轉(zhuǎn)換的エ質(zhì)微兀在第一加熱器和第一冷卻器之間中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所經(jīng)歷的理想熱カ循環(huán)包括兩個(gè)等壓過程和兩個(gè)絕熱過程，從總體上看，該循環(huán)實(shí)現(xiàn)了從高溫?zé)嵩次鼰幔虻蜏責(zé)嵩捶艧?，進(jìn)而將熱能轉(zhuǎn)換為聲功。以ニ氟甲烷CH2F2エ質(zhì)為例，設(shè)定冷熱源溫度恒定為300K和330K，エ質(zhì)與冷熱源的傳熱溫差均為5K，根據(jù)針對(duì)閉系的能量守恒關(guān)系式，結(jié)合ニ氟甲烷CH2F2的エ質(zhì)物性，可計(jì)算圖3所示的駐波型氣液相變熱聲轉(zhuǎn)換理想熱カ循環(huán)的性能。計(jì)算結(jié)果顯示，考慮5K傳熱溫差后，ニ氟甲烷CH2F2在325K和305K下對(duì)應(yīng)的飽和氣體壓カ分別為，3. 289MPa和2. 029MPa，壓比為I. 62，単位體積エ質(zhì)(取狀態(tài)點(diǎn)2的氣體密度計(jì)算)的做功能力為1459. 35kJ/m3 ;相對(duì)卡諾效率為62. 57%，エ質(zhì)與冷熱源的傳熱溫差是該熱力循環(huán)的主要不可逆因素。
權(quán)利要求
1.ー種低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于包括順次連接的第一加熱器(I)、第一熱緩沖管(2)、第一冷卻器(3)、U形管(4)、第二冷卻器(6)、第二熱緩沖管(7)、第二加熱器(8)，U形管(4)內(nèi)設(shè)有液體活塞(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述的液體活塞(5)為ニ氟甲烷CH2F2、氨NH3、五氟一氯こ烷CF2ClCF3、八氟丙烷CF3CF2CF3,液體活塞液面以上的系統(tǒng)空間中為所采用液體活塞エ質(zhì)的蒸氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低品位熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。它包括順次連接的第一加熱器、第一熱緩沖管、第一冷卻器、U形管、第二冷卻器、第二熱緩沖管、第二加熱器，U形管內(nèi)設(shè)有液體活塞。本發(fā)明是基于氣液相變熱聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱聲轉(zhuǎn)換，其理想熱力循環(huán)可近似為兩個(gè)等壓過程和兩個(gè)絕熱過程。與傳統(tǒng)氣體工質(zhì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)是冷熱源溫差小，可小溫差大壓比運(yùn)行，利于實(shí)現(xiàn)對(duì)低品位熱源的利用；單位體積能量密度大，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置的小型化；氣液耦合振動(dòng)，可綜合利用氣態(tài)工質(zhì)的可壓縮性和液態(tài)工質(zhì)的高密度質(zhì)量慣性優(yōu)化熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的聲阻抗。
文檔編號(hào)F03G7/00GK102734099SQ20121020939
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者李康, 湯珂, 金滔, 黃盛超, 黃迦樂 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)