[發明專利]低品位熱源驅動的駐波型氣液相變熱聲發動機

有效

• 申請號: 201210209394.2
• 申請日: 2012-06-25
• 公開（公告）號: CN102734099A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 湯珂;李康;金滔;黃盛超;黃迦樂
• 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 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及熱發動機裝置，尤其涉及一種低品位熱源驅動的熱聲發動機。

背景技術

熱聲發動機也稱熱聲壓縮機，或者熱聲驅動器，它僅有換熱器和管段構成，除交變流動的流體工質外，沒有機械運動部件，因此具有結構簡單、運行穩定可靠、長壽命等特點，受到學術界和工業界的關注。

熱聲發動機通常采用氣體作為工質，利用氣體聲場在回熱器（或板疊）中與固體邊界的熱相互作用將熱能轉換為機械能，具體表現為在輸入熱量的條件下，當沿回熱器（或板疊）的溫度梯度大于臨界值時，氣體工質將產生自激振蕩，熱能被轉換為氣體壓力波的機械能，并可將所產生的機械能以壓力波的形式輸出，而壓力波可被用于驅動發電機發電或者制冷機獲得制冷效應，以滿足人們的應用需求。

雖然熱聲現象的發現可以追溯到200年以前，但由于熱聲發動機是自激振蕩系統，不依賴于傳統回熱式氣體熱機中的曲柄、連桿、活塞等固體運動機械結構來強制流體的運動規律，雖然結構簡單，但內部耦合機制非常復雜，直到最近20年熱聲發動機才獲得突破性進展。

目前，采用氣體工質的熱聲發動機壓比可達1.4。利用熱聲發動機驅動直線發電機已經可以輸出數百瓦的電功率，熱電轉換效率已經達到15%。采用熱聲發動機，通過彈性膜和聲壓放大器構成的耦合結構驅動脈管制冷機已經實現低于20K的制冷溫度。通過燃燒一部分天然氣的熱量來驅動熱聲發動機，再由熱聲發動機驅動脈管制冷機進而液化天然氣也已經實現了裝置示范，對于遠洋或者荒漠中開采天然氣并以液化天然氣的形式加以運輸具有應用前景。

然而，分析現有氣體工質熱聲發動機的工作機理和技術現狀可以發現，它們存在諸如驅動熱源溫度較高（通常高于300℃）而難以直接利用低品位熱源，以及能量密度相對較小導致系統體積較大等不足，限制其實際應用，是目前熱聲發動機相關研究領域亟待解決的重要問題。

正是在這樣的技術背景下，本發明提出了一種低品位熱源驅動的駐波型氣液相變熱聲發動機。相比于傳統氣體工質熱聲發動機，本發明主要利用了工質氣液相變的物性特點（包括工質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應較大的飽和壓力變化，以及氣液相變前后工質比容變化大等），通過氣液相變熱聲效應實現熱聲轉換，其主要目的就是為了改善熱聲發動機對于低品位熱源的適應性，并提高熱聲發動機的單位體積能量密度，進而推進其實用化進程。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術不足，提供一種低品位熱源驅動的駐波型氣液相變熱聲發動機。

低品位熱源驅動的駐波型氣液相變熱聲發動機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形管內設有液體活塞。

所述的液體活塞為二氟甲烷CH₂F₂、氨NH₃、五氟一氯乙烷CF₂ClCF₃、八氟丙烷CF₃CF₂CF₃，液體活塞液面以上的系統空間中為所采用液體活塞工質的蒸氣。

本發明公開的低品位熱源驅動的駐波型氣液相變熱聲發動機，利用了工質氣液相變的物性特點，可小溫差大壓比運行，利于實現對低品位熱源的利用；單位體積的能量密度遠大于傳統氣體工質熱聲發動機系統，有利于實現系統裝置的小型化；并且氣液耦合振動，可綜合利用氣態工質的可壓縮性和液態工質的高密度質量慣性優化熱聲發動機系統的聲阻抗。

附圖說明

圖1是駐波型氣液相變熱聲發動機示意圖；

圖中：第一加熱器1、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是駐波聲場的位移、速度和壓力振動圖；

圖3是駐波聲場氣液相變熱聲效應理想熱力循環圖。

具體實施方式

如附圖1所示，低品位熱源驅動的駐波型氣液相變熱聲發動機包括順次連接的第一加熱器1、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內設有液體活塞5。