[發明專利]一種熱聲系統用內置式加熱器及含該加熱器的復合加熱器

有效

• 申請號: 201810111583.3
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN110118436B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 謝秀娟;劉豐豪;楊少柒
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: F24H3/00
• 分類號: F24H3/00;F24H9/18
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;張紅生

本發明公開了一種熱聲系統用內置式加熱器及含該加熱器的復合加熱器，所述內置式加熱器包括一個或多個子加熱器，所述子加熱器包括N個同心環形結構(1)、中心圓柱(3)和連接架(4)；所述N個同心環形結構(1)按直徑大小由小到大同心布置形成一個同心多圈環路，中心圓柱(3)設置在同心多圈環路中心，所述連接架(4)將N個同心環形結構(1)和中心圓柱(3)連接固定在一起；所述同心多圈環路中的任兩個同心環形結構之間形成流體流道(2)；流體流道(2)兩側中的一側或兩側的同心環形結構表面上埋設電加熱絲；當內置式加熱器為多個子加熱器時，多個子加熱器之間通過凸臺和凹槽配合連接。本發明長期可靠，組裝拆卸方便。

技術領域

本發明專利主要涉及一種熱聲系統用內置式陶瓷加熱器，該加熱器可以作為一種形式的熱端換熱器，用于各種熱聲系統管道內部運動和非運動流體的加熱。

背景技術

熱聲效應是指當可壓縮性流體工質(第一種介質)在熱聲系統中進行聲震蕩時與固體工質(第二種介質)之間進行熱力相互作用而發生的時均能量轉換效應。它是由處于聲場中的固體工質與振蕩流體工質之間的相互作用導致的距離固體壁面一定范圍內產生沿著(或逆著)聲傳播方向的時均熱流和時均功流。熱聲系統是基于熱聲效應的能實現熱和聲之間轉換的系統。按能量轉換方向的不同，熱聲效應可分為兩類：一是熱能向聲功的轉化，即熱致聲效應；二是用聲波來產生制冷效應，即聲致冷效應。基于上述兩種熱聲效應，熱聲熱機分為熱聲發動機和熱聲制冷機。

熱聲發動機是一種新型高效熱機，它僅由換熱器和管件構成，利用物理中的熱聲效應，實現熱能到聲能的轉換，整機除了振蕩的工作流體之外，沒有任何機械運動部件。熱聲發動機按照聲場特性可分為：駐波型、行波型、行駐波混合型。熱聲發動機的核心部件是：換熱器、回熱器和加熱器。回熱器上方的換熱器一般被稱為主冷端換熱器。主冷端換熱器作為系統的低溫熱源，與加熱器處于回熱器兩端，加熱器提供熱量的同時，主冷端換熱器用冷卻水進行冷卻，在回熱器的軸向形成一個很大的溫度梯度，這個溫度梯度是熱聲發動機工作的驅動力，當回熱器的軸向溫度梯度達到臨界值時熱聲發動機就會產生自激振蕩，所以熱聲發動機的正常工作需要一定的溫度梯度。由于主冷端換熱器的冷端溫度較為穩定，所以回熱器的軸向溫度梯度就主要取決于加熱器提供的加熱功率。由于熱聲發動機中的加熱器部件處于一個高溫環境中，同時有工作流體不斷的來回沖擊，位置空間也比較固定，所以加熱功率以及可靠性是關鍵所在。

在目前的熱聲系統中，加熱器大都采用電加熱的方式，電加熱方式是利用電流通過電阻之后產生的熱量進行加熱，這樣對溫度的調節和控制都比較方便，加熱性能穩定。電加熱方式可分為鎧裝外加熱式和內加熱式，鎧裝外加熱式加熱器即常說的電加熱棒，是在一個金屬管內沿軸向放入螺旋形電加熱絲，空隙部分緊密地填滿具有一定導熱性和良好絕緣性的材料(如氧化鎂)制成，市場上有很多成品銷售，目前大多數進行熱聲發動機研究的實驗室都采用這種加熱方式。加熱棒的優點體現在加熱量易于控制、成本低，但是受結構的限制，很難獲得較高的加熱溫度和大的功率密度；其次，加熱管處于高溫狀態(500℃以上)，在電熱管和換熱器焊接處常發生脫焊問題。內加熱方式是把電加熱絲(或電加熱帶)纏繞在陶瓷等耐高溫材料制作的絕緣架上，工作氣體流體直接與灼熱的加熱絲表面接觸進行加熱。這種加熱器的功率密度取決于加熱絲的電阻率和承受高溫的程度，同等加熱密度情況下縮短了加熱器的長度，減小了管道的絕對熱膨脹長度，減少了聲波在傳播過程中由于粘性摩擦造成的不可逆損失。為增強加熱器的緊湊性，一般采用具有高電阻率的鎳鉻合金電加熱絲，這種加熱絲的塑性好，容易繞制，表面抗氧化性好，在高溫下具有較高的強度，可以在1150℃下反復使用。但內加熱方式的缺點正是因為工作氣體直接與灼熱的加熱絲表面接觸進行加熱，由于氣體在熱聲系統內有頻率地不斷來回沖擊加熱絲，在高溫下加熱絲接近熔點時容易發生斷裂，會影響加熱器的性能和長期使用可靠性。

發明內容

本發明的目的是提供一種熱聲系統用內置式加熱器，不僅克服了之前內加熱方式會產生的長期使用可靠性問題，也能夠適應多種不同的熱聲系統及尺寸結構，使得加工和工藝方面的需求降低，組裝拆卸更加方便，并不需要重新設計加工整體結構，節省了實驗工作量。