一種利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]熱聲系統(tǒng)是基于熱聲效應(yīng)而發(fā)展起來的一種新型熱功轉(zhuǎn)換裝置，因其無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、無有害物質(zhì)排放、可采用熱能，且可靠性高、壽命長(zhǎng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，一直以來備受關(guān)注。熱聲系統(tǒng)包括熱聲熱機(jī)系統(tǒng)和熱聲制冷機(jī)系統(tǒng)兩種類型。熱聲熱機(jī)基于卡諾循環(huán)原理將輸入系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)換為聲功，熱聲制冷機(jī)基于逆卡諾循環(huán)原理利用輸入系統(tǒng)的機(jī)械能或聲功進(jìn)行供熱或制冷。由于可產(chǎn)生熱聲效應(yīng)的流體介質(zhì)要有可壓縮性、較大的熱膨脹系數(shù)及較小的普朗特?cái)?shù)，且在高溫環(huán)境下理化性質(zhì)需穩(wěn)定，故系統(tǒng)一般采用氮?dú)狻⒑獾榷栊詺怏w作為工作介質(zhì)。
[0004]行波熱聲熱機(jī)作為熱聲熱機(jī)的一種，系統(tǒng)內(nèi)部的壓力波動(dòng)與速度波動(dòng)同相，其回?zé)崞鲀?nèi)部的熱力循環(huán)為可逆的斯特林循環(huán)。駐波型熱聲熱機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的壓力波動(dòng)與速度波動(dòng)相位差近90°，理論上沒有聲功輸出，但是由于其回?zé)崞鲀?nèi)部進(jìn)行不可逆熱力學(xué)循環(huán)，導(dǎo)致壓力與位移波偏離同相或反相，才能實(shí)現(xiàn)聲功的輸出，故駐波型熱聲熱機(jī)也稱內(nèi)稟不可逆熱機(jī)。相比之下，行波熱聲熱機(jī)的內(nèi)部損失較小，熱效率高，是未來熱聲研究及應(yīng)用領(lǐng)域主要的發(fā)展方向。
[0005]中溫?zé)嵩醇暗推肺粺崮艿睦茫菍?shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一種重要途徑?，F(xiàn)有技術(shù)中的行波熱聲熱機(jī)雖然可以實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，但是因其多采用較高溫度的熱源來驅(qū)動(dòng)，且熱效率還不足以與傳統(tǒng)熱機(jī)(如燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等)相媲美等缺陷的存在，使得熱聲熱機(jī)的應(yīng)用受到了極大的限制。故到目前為止，熱聲熱機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用實(shí)例少之又少。如何降低行波熱聲熱機(jī)的起振溫度，如何提高行波熱聲熱機(jī)的熱效率等問題逐漸成為熱聲領(lǐng)域的主要技術(shù)難題。
[0006]回?zé)崞髯鳛闊崧暉釞C(jī)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料類型及特征尺寸對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性有著至關(guān)重要的影響。但是由于回?zé)崞鞲邷馗邏旱墓ぷ鳝h(huán)境以及熱聲系統(tǒng)的高氣密性要求等原因，使得研究回?zé)崞鞯拈L(zhǎng)度變化對(duì)熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的性能影響變得十分困難?，F(xiàn)階段對(duì)回?zé)崞鞯拇罅繉?shí)驗(yàn)研究均集中在回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)和材料對(duì)系統(tǒng)特性的影響，很少有關(guān)于回?zé)崞鏖L(zhǎng)度變化的研究。其次，回?zé)崞魇欠裉幱诟呗曌杩刮恢檬窍到y(tǒng)具有較高性能的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)初期的計(jì)算不能完全確定回?zé)崞鞯奈恢茫彩切枰鎸?duì)的問題之一。此外，通過調(diào)整加熱器的加熱溫度來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱聲熱機(jī)的輸出功率的控制是現(xiàn)有技術(shù)中熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)節(jié)方式的缺點(diǎn)在于，經(jīng)常改變加熱器的加熱溫度會(huì)大大降低加熱器的使用壽命O
[0007]另外振蕩頻率是熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的重要特性參數(shù)之一，合適的系統(tǒng)振蕩頻率對(duì)系統(tǒng)熱效率、輸出功率及負(fù)載的匹配性都有著至關(guān)重要的影響。如何根據(jù)熱聲系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、熱效率及負(fù)載的匹配性確定合適的系統(tǒng)自激振蕩頻率，并能在實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自激振蕩頻率也是所關(guān)注的問題之一。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)體中的熱聲熱機(jī)系統(tǒng)存在以下缺陷:①熱聲熱機(jī)級(jí)數(shù)基本不可調(diào)；②回?zé)崞鏖L(zhǎng)度也基本不可調(diào);③系統(tǒng)自激振蕩頻率也基本不可調(diào);④壓力波與速度波相位也基本不可調(diào)；⑤系統(tǒng)與外置負(fù)載匹配性也基本不可調(diào)。即現(xiàn)有技術(shù)中沒有實(shí)現(xiàn)利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，不方便根據(jù)各種環(huán)境使用。
[0009]因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，能夠在中溫?zé)嵩椿虻推肺粺崮艿募訜嵯聦?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的起振并穩(wěn)定運(yùn)行，輸出聲功，并且提高了轉(zhuǎn)換效率。
[0012]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
一種利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，其中，包括順次相連的:
用于冷卻氣體工質(zhì)，同時(shí)保證第一回?zé)崞?02與之接觸的平面恒定在室溫溫度下的第一主室溫冷端換熱器101;
用于發(fā)生熱聲效應(yīng)的第一回?zé)崞?02;
用于向系統(tǒng)輸入熱能，同時(shí)保證第一回?zé)崞?02與之接觸的平面恒定在相對(duì)高溫溫度下的第一熱端換熱器103 ；
用于防止第一熱端換熱器103與第一次室溫冷端換熱器105直接接觸而發(fā)生熱短路現(xiàn)象的第一熱緩沖管104;
用于吸收因靜電導(dǎo)熱或瑞利聲流而未被完全消除的余熱的第一次室溫冷端換熱器
105；
用于連接諧振管107及反饋環(huán)路的T型三通106;
以及用于傳輸氣體工質(zhì)及調(diào)整系統(tǒng)聲場(chǎng)分布的反饋環(huán)路；
所述的T型三通106的非環(huán)路支管與用于輸出聲功的諧振管107以及負(fù)載108相連。
[0013]所述的利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，其中，所述的反饋環(huán)路包括依次相連接的用于傳遞氣體工質(zhì)的第一諧振直管109a、第一 U型彎管109b、第二諧振直管109c。
[0014]所述的利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，其中，所述的反饋環(huán)路還包括順序設(shè)置的:與第二諧振直管109c連接的用于傳遞氣體工質(zhì)的的第三諧振直管113、第四諧振直管109d、第二 U型彎管109e、第五諧振直管109f、以及一段用于導(dǎo)流的第一變徑管112、
通過所述變徑管112連接至第一主室溫冷端換熱器101;
在所述反饋環(huán)路的各部分連接處設(shè)置通過法蘭110連接；
并在所述第三諧振直管113內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)閥111，通過控制調(diào)節(jié)閥111的開度能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)壓力波與速度波相位的調(diào)整，同時(shí)控制系統(tǒng)輸出功率的大??；
所述第一次室溫冷端換熱器105和調(diào)節(jié)閥111的內(nèi)徑與諧振管106的內(nèi)徑相等。
[0015]所述的利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，其中，所述諧振管107可拆卸連接在所述T型三通106的非環(huán)路支管上，可更換不同長(zhǎng)度的諧振管107來控制行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的自激振湯頻率。
[0016]所述的利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，其中，所述順次相連的用于冷卻氣體工質(zhì)，同時(shí)保證第一回?zé)崞?02與之接觸的平面恒定在室溫溫度下的第一主室溫冷端換熱器101、用于發(fā)生熱聲效應(yīng)的第一回?zé)崞?02、用于向系統(tǒng)輸入熱能，同時(shí)保證第一回?zé)崞?02與之接觸的平面恒定在相對(duì)高溫溫度下的第一熱端換熱器103、用于防止第一熱端換熱器103與第一次室溫冷端換熱器105直接接觸而發(fā)生熱短路現(xiàn)象的第一熱緩沖管104、用于吸收因靜電導(dǎo)熱或瑞利聲流而未被完全消除的余熱的第一次室溫冷端換熱器105構(gòu)成第一級(jí)行波熱聲熱機(jī)單元；
所述的第一熱端換熱器(103)與一中溫?zé)嵩聪噙B接。
[0017]所述的利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，其中，反饋環(huán)路上設(shè)置有第二級(jí)行波熱聲熱機(jī)單元，所述第二級(jí)行波熱聲熱機(jī)單元也包括順次相連的:與第二諧振直管109c連接的第二變徑管112b、用于冷卻氣體工質(zhì)，同時(shí)保證第二回?zé)崞?02b與之接觸的平面恒定在室溫溫度下的第二主室溫冷端換熱器101b、用于發(fā)生熱聲效應(yīng)的第二回?zé)崞?02b、用于向系統(tǒng)輸入熱能，同時(shí)保證第二回?zé)崞?02b與之接觸的平面恒定在相對(duì)高溫溫度下的第二熱端換熱器103b、用于防止第二熱端換熱器103b與第二次室溫冷端換熱器105b直接接觸而發(fā)生熱短路現(xiàn)象的第二熱緩沖管104b、用于吸收因靜電導(dǎo)熱或瑞利聲流而未被完全消除的余熱的第二次室溫冷端換熱器105b。
[0018]所述的利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，其中，所述反饋環(huán)路上還設(shè)置有依次連接的:用于傳遞氣體工質(zhì)的與第二次室溫冷端換熱器105b相連的第四諧振直管109d、第二 U型彎管109e、第五諧振直管109f、以及一段用于導(dǎo)流的第一變徑管112;
通過所述變徑管112連接至第一主室溫冷端換熱器101;
在所述反饋環(huán)路的各部分連接處設(shè)置通過法蘭110連接；
并在所述第二變徑管112b內(nèi)設(shè)置有調(diào)節(jié)閥111;
通過控制調(diào)節(jié)閥111的開度能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)壓力波與速度波相位的調(diào)整，同時(shí)控制系統(tǒng)輸出功率的大小。
[0019]所述的利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，其中，由第一主室溫冷端換熱器101、第一回?zé)崞?02、第一熱端換熱器103、用于調(diào)節(jié)回?zé)崞鏖L(zhǎng)度的法蘭加厚墊123以及用于承載第一主室溫冷端換熱器101、第一回?zé)崞?02、第一熱端換熱器103、同時(shí)使得氣體工質(zhì)在密封環(huán)境下工作的熱聲核套筒114組成熱聲熱機(jī)第一熱聲核結(jié)構(gòu);裝配時(shí)，首先將第一熱端換熱器103置入熱聲核套筒114中，由于第一熱端換熱器103工作時(shí)處在交變流體的振蕩環(huán)境中，故第一熱端換熱器103與熱聲核套筒114之間為過盈配合;其次將第一回?zé)崞?02置入熱聲核套筒114中，并與第一熱端換熱器103無縫接觸。然后將主室溫冷端換熱器101置入熱聲核套筒114中，并與第一回?zé)崞?02無縫接觸；最后加裝法蘭加厚墊123及法蘭墊片將系統(tǒng)密封。
[0020]所述的利用中溫?zé)嵩吹目烧{(diào)式行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)，其中，所述的熱聲核套筒的長(zhǎng)度大于第一主室溫冷端換熱器101