[發明專利]一種利用中溫熱源的可調式行波熱聲熱機系統

有效

• 申請號: 201510584522.5
• 申請日: 2015-09-15
• 公開（公告）號: CN105526049B
• 公開（公告）日: 2018-05-22
• 發明（設計）人: 陳佰滿;焦釩;肖漢敏
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: F03G7/00
• 分類號: F03G7/00;F25B23/00
• 代理公司: 廣州市一新專利商標事務所有限公司 44220
• 代理人: 劉興耿

本發明公開了一種利用中溫熱源的可調式行波熱聲熱機系統，它是由一個或兩個行波熱聲熱機單元、反饋環路、諧振管、調節閥、負載以及必要的法蘭連接件和T型三通組成的環形結構。熱聲熱機單元包括依次相連的主室溫冷端換熱器、回熱器、熱端熱器、熱緩沖管、次室溫冷端換熱器。本發明能夠在中溫熱源或低品位熱能的加熱下實現系統的起振并穩定運行，輸出聲功，并且提高了轉換效率；并且本發明具有如下優點：本熱聲熱機系統的可調性主要體現在：①熱聲熱機級數可調；②回熱器長度可調；③系統自激振蕩頻率可調；④壓力波與速度波相位可調;⑤系統與外置負載匹配性可調。

技術領域

本發明涉及熱功轉換技術領域，尤其涉及一種利用中溫熱源的可調式行波熱聲熱機系統。

背景技術

熱聲系統是基于熱聲效應而發展起來的一種新型熱功轉換裝置，因其無機械運動部件、無有害物質排放、可采用熱能，且可靠性高、壽命長、效率高等優點，一直以來備受關注。熱聲系統包括熱聲熱機系統和熱聲制冷機系統兩種類型。熱聲熱機基于卡諾循環原理將輸入系統的熱能轉換為聲功，熱聲制冷機基于逆卡諾循環原理利用輸入系統的機械能或聲功進行供熱或制冷。由于可產生熱聲效應的流體介質要有可壓縮性、較大的熱膨脹系數及較小的普朗特數，且在高溫環境下理化性質需穩定，故系統一般采用氮氣、氦氣等惰性氣體作為工作介質。

行波熱聲熱機作為熱聲熱機的一種，系統內部的壓力波動與速度波動同相，其回熱器內部的熱力循環為可逆的斯特林循環。駐波型熱聲熱機系統內部的壓力波動與速度波動相位差近90°，理論上沒有聲功輸出，但是由于其回熱器內部進行不可逆熱力學循環，導致壓力與位移波偏離同相或反相，才能實現聲功的輸出，故駐波型熱聲熱機也稱內稟不可逆熱機。相比之下，行波熱聲熱機的內部損失較小，熱效率高，是未來熱聲研究及應用領域主要的發展方向。

中溫熱源及低品位熱能的利用，是實現節能減排的一種重要途徑。現有技術中的行波熱聲熱機雖然可以實現熱功轉換，但是因其多采用較高溫度的熱源來驅動，且熱效率還不足以與傳統熱機(如燃氣輪機、內燃機等)相媲美等缺陷的存在，使得熱聲熱機的應用受到了極大的限制。故到目前為止，熱聲熱機在工業上的應用實例少之又少。如何降低行波熱聲熱機的起振溫度，如何提高行波熱聲熱機的熱效率等問題逐漸成為熱聲領域的主要技術難題。

回熱器作為熱聲熱機的關鍵部件，其設計結構、材料類型及特征尺寸對系統運行特性有著至關重要的影響。但是由于回熱器高溫高壓的工作環境以及熱聲系統的高氣密性要求等原因，使得研究回熱器的長度變化對熱聲熱機系統的性能影響變得十分困難。現階段對回熱器的大量實驗研究均集中在回熱器結構和材料對系統特性的影響，很少有關于回熱器長度變化的研究。其次，回熱器是否處于高聲阻抗位置是系統具有較高性能的關鍵，設計初期的計算不能完全確定回熱器的位置，也是需要面對的問題之一。此外，通過調整加熱器的加熱溫度來實現對熱聲熱機的輸出功率的控制是現有技術中熱聲熱機系統的主要調節方式。這種調節方式的缺點在于，經常改變加熱器的加熱溫度會大大降低加熱器的使用壽命。

另外振蕩頻率是熱聲熱機系統的重要特性參數之一，合適的系統振蕩頻率對系統熱效率、輸出功率及負載的匹配性都有著至關重要的影響。如何根據熱聲系統的運行環境、熱效率及負載的匹配性確定合適的系統自激振蕩頻率，并能在實驗過程中根據需要調節系統的自激振蕩頻率也是所關注的問題之一。

現有技術體中的熱聲熱機系統存在以下缺陷：①熱聲熱機級數基本不可調；②回熱器長度也基本不可調；③系統自激振蕩頻率也基本不可調；④壓力波與速度波相位也基本不可調;⑤系統與外置負載匹配性也基本不可調。即現有技術中沒有實現利用中溫熱源的可調式行波熱聲熱機系統，不方便根據各種環境使用。

因此，現有技術還有待于改進和發展。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述缺陷，提供一種利用中溫熱源的可調式行波熱聲熱機系統，能夠在中溫熱源或低品位熱能的加熱下實現系統的起振并穩定運行，輸出聲功，并且提高了轉換效率。