[發明專利]可利用多溫位熱源驅動的熱聲發動機

無效

• 申請號: 200810060370.9
• 申請日: 2008-04-09
• 公開（公告）號: CN101275542A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 邱利民;王波;孫大明;甘智華;賴碧翚
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F03G7/00
• 分類號: F03G7/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及熱聲發動機，尤其涉及一種可利用多溫位熱源驅動的熱聲發動機。

背景技術

熱聲效應是熱與聲之間相互轉換的現象，熱聲發動機是利用熱聲效應實現熱能到聲能轉變的機械。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系，因此不需要機械傳動部件，大大簡化了系統的結構，從根本上消除了常規機械存在的磨損和振動，因而具有壽命長、成本低的優點。熱聲發動機可采用低品位熱能驅動，可利用廢熱、太陽能和燃氣等作為熱源。采用低品位的熱源不僅有利于節能，而且對于缺乏電能的場合更具有實際意義。此外，熱聲發動機采用惰性氣體作為工質，順應了環境保護的趨勢0。

根據聲場特性不同，熱聲發動機主要分為純行波型、純駐波型及行波駐波混合型三種型式。如果不做特別區分，一般也把行波駐波混合型熱聲發動機稱為行波熱聲發動機，而把純環路行波熱聲發動機稱為純行波熱聲發動機。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°。行波聲場中的熱聲轉換過程沒有不可逆過程的參與，回熱器水利半徑遠小于氣體熱滲透深度，能夠保證氣體與回熱器的等溫傳熱。因此行波熱聲發動機理論上進行的是可逆熱聲轉換過程。駐波聲場理論上不能產生聲功，它是以降低熱力學效率為代價來產生聲功的，在駐波熱聲發動機中氣體與固體之間存在傳熱的滯后，這一熱滯后造成很大的不可逆損失。由于以上的原因，駐波熱聲發動機的熱力學效率低于行波熱聲發動機。行波駐波混合型熱聲發動機在結構上包括一個行波環路和一個諧振直路，其熱聲轉換核心部分是基于行波機制工作的，但它巧妙地利用了諧振管的駐波特性，結合了行波和駐波的優點，熱功轉換效率可以和內燃機相媲美。

自熱聲發動機提出以來，各國研究者致力于提高熱聲發動機的效率，措施包括優化熱聲發動機的結構以及改進熱聲發動機部件。熱聲發動機的加熱器和回熱器是熱聲發動機的核心部件，二者的改進對于提高熱聲發動機的效率有重要的意義。當前，能源緊缺已經成為現代社會面臨的重要問題，而當前大量相對較低溫位的熱源卻沒有得到充分利用。因此，降低熱源的溫位無疑可顯著提高熱聲發動機的優勢。這需要對熱聲發動機回熱器的工作機理進行分析。

目前為了在熱聲發動機的回熱器中形成溫度梯度，分別在回熱器的熱端和冷端布置加熱器和冷卻器。通過加熱器對回熱器的熱端進行加熱，加熱器提供的是單一溫位的熱源。通過研究發現，交變流動回熱器中的氣體微團不僅具有傳統熱力學觀點的回熱過程(逆流回熱過程)，同時還具有進行熱聲轉換的壓縮、放熱、膨脹以及吸熱等完整的熱機循環過程。微團從高溫熱源吸收熱量，通過眾多氣體微團的協同作用，逐步將高溫熱源的熱量轉化為聲功，而不能轉換的部分則排向環境熱源之中。回熱器中的每個氣體微團都可以看作是一個功能完整的微型熱聲發動機，只不過它們工作在多溫位，參考文獻[1](羅二倉，戴巍，吳張華等.交變流動熱機的介觀熱力循環理論第二部分?發動機回熱器的介觀熱力循環模型及分析.低溫工程.2004，(2)：1-10)。

因此，對不同的氣體微團可以根據它們的工作溫區，匹配相應溫度的熱源，而不是采用單一溫位的熱源。本發明根據熱聲發動機回熱器工作機理，可在同一臺熱聲發動機上采用多溫位的熱源驅動，在熱聲發動機效率和性能基本保持不變的條件下采用了更低品位的熱源，提高了系統的效率，使得熱聲發動機能夠利用低品位熱源驅動這一優點更加突出。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種可利用多溫位熱源驅動的熱聲發動機。

它包括熱聲發動機的行波環路和熱聲發動機的諧振管，熱聲發動機的行波環路包相連接的直流抑制部件、主冷卻器、回熱器、熱緩沖管、副冷卻器及導流器、反饋回路、聲容，其特征在于在回熱器外側設有加熱裝置，加熱裝置為多溫位加熱裝置，從回熱器的高溫端到低溫端依次布置高溫位到低溫位的加熱裝置。

所述的回熱器和加熱裝置為整體結構。熱聲發動機是行波熱聲發動機、駐波熱聲發動機或行波駐波混合型熱聲發動機。加熱裝置為加熱絲、電熱管、硅碳管或感應加熱器。加熱裝置利用的熱源為熱水、高溫蒸汽、中高溫煙氣或核反應熱。

本發明利用回熱器內微觀氣團工作過程的特點，實現在同一臺熱聲發動機上利用多溫位的熱源驅動，使得驅動熱聲發動機高溫位熱源的比重降低，低溫位熱源的比重增加，從而使熱聲發動機利用的熱源溫位拓展到更低，既達到節能的目的，同時并沒有降低熱聲發動機的效率。另外，把熱聲發動機的回熱器和加熱裝置制作為一體，使熱聲發動機的結構更加緊湊。

附圖說明