一種沙漠地區(qū)的自潔式太陽能熱聲制冷裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及沙漠地區(qū)的制冷領(lǐng)域，具體涉及一種沙漠地區(qū)的自潔式太陽能熱 聲制冷裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，能源與環(huán)境問題舉足輕重。我國化石燃料資源非常 有限，而且開發(fā)利用化石燃料會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，因此，新能源和可再生能源的開 發(fā)與利用成為我國解決能源與環(huán)境問題之戰(zhàn)略決策?？稍偕茉粗刑柲艿睦每梢圆豢?慮其能源經(jīng)濟(jì)性，而我國具有豐富的太陽能資源，年總輻射量在930~2330kWh/m 2a之間，年 日照時數(shù)>2000h，輻射總量高于1630kwh/m2a的地區(qū)占全國總面積的2/3以上，主要分布在 西藏大部、新疆、青海、甘肅、黃土高原、內(nèi)蒙、華北大部和蘇北等地，這就從需求和可行性兩 方面為我國先進(jìn)的太陽能利用系統(tǒng)研究與技術(shù)開發(fā)提供了基礎(chǔ)和保證。
[0003] 熱聲制冷技術(shù)采用稀有氣體和一些對環(huán)境無害的氣體作為工質(zhì)，從而解決了常用 制冷工質(zhì)CFCs對環(huán)境污染的問題。利用太陽能來栗熱的效率比把太陽能通過光伏轉(zhuǎn)換成電 能再帶動電動熱機(jī)的效率高的多，而且太陽能供給能力與制冷空調(diào)需求程度相當(dāng)匹配。
[0004] (1)傳統(tǒng)熱聲制冷研究現(xiàn)狀
[0005] 熱聲制冷的概念是在80年代由J.C.Wheatley提出的，而第一臺采用揚(yáng)聲器驅(qū)動的 熱聲制冷機(jī)是由Hof ler博士 H1在1985年完成的。1986年，T. Hof ler實(shí)用新型了帶板疊式回 熱器的熱聲發(fā)動機(jī)，1999年由G. Swift和R.Radebaugh合作將此熱聲發(fā)動機(jī)用于驅(qū)動小孔脈 管制冷機(jī)，研制成世界上第一臺無運(yùn)動部件的制冷機(jī)。1997年，在美國Cryenco公司的資助 下，他們又研制了世界上最大的用于天然氣液化的熱驅(qū)動熱聲制冷機(jī)。2007年美國普渡大 學(xué)用DELTAE程序模擬雙駐波熱聲制冷機(jī)配置以找到溫差的最佳跨度，以使傳熱系數(shù)增大。
[0006] 日本以及歐洲等許多國家也在從事熱聲熱機(jī)的研究，其中，日本筑波大學(xué)的 Tominaga教授在熱聲理論研究方面開展較早，在線性化的熱聲理論研究方面做了很多工 作。
[0007] (2)太陽能驅(qū)動熱聲制冷機(jī)的研究現(xiàn)狀
[0008] 美國海軍研究生院制造了以太陽能為熱源的熱聲驅(qū)動熱聲制冷機(jī)嵋。賓夕法尼亞 大學(xué)研制的太陽能驅(qū)動熱聲制冷機(jī)嫡采用直徑10英尺的表面貼著鋁化聚酯薄膜的碟式聚 光器將太陽能聚焦在發(fā)動機(jī)部分的加熱器上。
[0009] 在國內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)的袁鵬和壽為東于1995年前后研制了一套熱聲能量轉(zhuǎn)換的驗(yàn)證 裝置，獲得了近l〇°C的溫降。
[0010]而以上學(xué)者制冷裝置并未給出適于沙漠地區(qū)的，能自主清潔的熱聲制冷裝置。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]本實(shí)用新型的目的是提供一種能自清潔的、能量利用率高的沙漠地區(qū)的自潔式太 陽能熱聲制冷裝置。
[0012] 為了達(dá)成上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0013] -種沙漠地區(qū)的自潔式太陽能熱聲制冷裝置，包括第二玻璃管，第二玻璃管頂部 與諧振管連接，且第二玻璃管頂部內(nèi)設(shè)有第二熱聲堆，諧振管頂部設(shè)有第一熱聲堆，第一熱 聲堆設(shè)于頂部封閉的第一玻璃管內(nèi)；在第二玻璃管外固定太陽能聚光裝置使得第二熱聲堆 下部位于太陽能聚光裝置的焦點(diǎn)，使得第二熱聲堆下部為太陽能加熱點(diǎn)，通過氣體受熱膨 脹向上移動，第一熱聲堆和第二熱聲堆幫助振蕩氣體，壓縮氣體，實(shí)現(xiàn)熱量往復(fù)循環(huán)移動， 并在冷端即在第二玻璃管的頂部外設(shè)有換熱水管以獲得循環(huán)制冷水。
[0014] 進(jìn)一步地，所述第一熱聲堆和所述第二熱聲堆的上下表面均設(shè)有換熱器，其中，換 熱器從第一玻璃管到第二玻璃管方向，依次為第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器和第四 換熱器，第一換熱器和第四換熱器的材質(zhì)相同，第二換熱器和第三換熱器的材質(zhì)相同，均選 擇導(dǎo)熱性好的材料即可，如鋁之類的;但第一換熱器的材質(zhì)卻又與第二換熱器的材質(zhì)不同， 冷端的換熱器強(qiáng)化換冷，熱端的華人強(qiáng)化換熱。
[0015] 進(jìn)一步地，所述第二熱聲堆頂部設(shè)有集水環(huán)，集水環(huán)幫助水源的聚集，材質(zhì)為親水 材質(zhì)。
[0016] 進(jìn)一步地，所述諧振管與所述第一玻璃管和所述第二玻璃管均通過縮管連接。
[0017] 進(jìn)一步地，所述第二玻璃管的底部通過球鉸固定于底座。
[0018] 進(jìn)一步地，所述第二玻璃管從所述第二熱聲堆至底座方向先細(xì)后粗，第二玻璃管 的底部管徑逐漸縮小以提高聲波震動頻率。
[0019] 進(jìn)一步地，所述第二玻璃管粗的部分內(nèi)部為諧振腔，有助于增加聲波的振動強(qiáng)度。
[0020] 進(jìn)一步地，所述第一熱聲堆和所述第二熱聲堆均為多孔陶瓷，孔的方向與所述諧 振管的中心軸線平行，多孔陶瓷的縱向?qū)岵?，可以有效隔絕冷端和熱端（諧振管內(nèi)位冷 端，第一換熱器與第一玻璃管內(nèi)容腔、第四換熱器與第二玻璃管內(nèi)容腔為熱端），從而在冷 熱端之間實(shí)現(xiàn)較大溫差，利于熱聲現(xiàn)象的產(chǎn)生;可有效增加換熱面積，同時有利于降低熱聲 制冷機(jī)的冷端溫度，提高熱聲制冷裝置的效率，且不易造成堵塞。
[0021] 進(jìn)一步地，所述太陽能聚光裝置為疏水材料制成的凹面鏡，在凹面鏡的內(nèi)表面設(shè) 有多個凹坑，凹坑內(nèi)設(shè)有親水材料制成的凸起。
[0022] 進(jìn)一步地，所述集水環(huán)設(shè)有螺栓孔，螺栓孔的設(shè)置有助于控制水流，水流由下管口 進(jìn)入，下管口流出，從而可以使水充滿整個換熱器，保證換熱器的效率。
[0023] 進(jìn)一步地，諧振管的內(nèi)徑小于第一玻璃管的內(nèi)徑，有助于聲波達(dá)到諧振，力求進(jìn)一 步提升聲波頻率。
[0024] 進(jìn)一步地，所述第一熱聲堆的下部設(shè)有無線溫度傳感器，溫度傳感器通過無線裝 置與控制器連接，控制器設(shè)有顯示裝置，可以實(shí)現(xiàn)溫度的顯示。
[0025]本實(shí)用新型的工作原理是：白天太陽聚光裝置啟動并為熱聲制冷裝置提供熱源， 夜間太陽能聚光裝置將空氣中的水汽凝結(jié)收集，在收集之前將太陽能跟蹤裝置表面進(jìn)行簡 易沖刷清潔。整個裝置不需要電能，對于沙漠無法通電地區(qū)具有較大的實(shí)用意義。在凹面鏡 表面進(jìn)行表面改質(zhì)，凹面鏡整體做成疏水性，在其局部做成點(diǎn)狀的親水性凸起，各凸起之間 間隔適當(dāng)?shù)木嚯x。當(dāng)夜晚溫度下降時，空氣濕度增加，形成的小水珠會凝結(jié)在親水的點(diǎn)狀表 面上，隨著水珠的長大，水珠外部逐漸觸碰到疏水表面。當(dāng)水珠的重力大到水珠能夠下滑， 水珠會沿著凹面鏡表面下滑至凹面鏡底部。在這個過程當(dāng)中，水珠會清潔凹面鏡表面，從而 實(shí)現(xiàn)自潔功能。該自潔原理仿生沙漠甲蟲集水原理；自潔完成后，水流會由太陽能聚光裝置 的低端流出，流向儲水箱中。
[0026]熱聲制冷的工作原理:首先，凹面鏡將太陽光聚集在試管底部的第二熱聲堆下部， 即太陽能加熱點(diǎn)。第二熱聲堆下部氣體受熱膨脹，向上部移動，到達(dá)第二熱聲堆上部時，氣 體由于膨脹溫度下降，但溫度仍高于第二熱聲堆上部溫度，因此向第二熱聲堆上部放熱，溫 度降低;氣體溫度下降后，體積收縮，返回第二熱聲堆下部，由此往復(fù)循環(huán)，形成聲波。聲波 在諧振管中部振蕩，傳遞至第一熱聲堆。第一熱聲堆中氣體向上振蕩，到達(dá)第一熱聲堆上 部，被壓縮，溫度升高，向第一熱聲堆上部放熱，溫度下降;氣體溫度下降后，體積收縮，返回 第一熱聲堆下部，由于氣體溫度低于第一熱聲堆下部溫度，因此從第一熱聲堆下部吸熱，之 后體積膨脹，返回第一熱聲堆上部，由此往復(fù)循環(huán)。同時，整個系統(tǒng)形成駐波，持續(xù)振蕩，將 熱量從第二熱聲堆下部的太陽能加熱點(diǎn)，傳遞至第一熱聲堆上部，同時使第二熱聲堆下部 溫度降低，由此將產(chǎn)生的冷能用換熱器置換出來。
[0027]本實(shí)用新型的有益效果是：
[0028] 1)通過凹面鏡作為太陽能聚集裝置，其能收集到循環(huán)制冷水，該水可用于植物滴 管和日常生活用水，節(jié)約水資源。
[0029] 2)通過兩個熱聲堆將整體裝置分為多段，熱聲堆與外界相接觸，使得流體能直接 通過熱聲堆內(nèi)部，加強(qiáng)換熱，有利于冷端散熱，從而使得冷端實(shí)現(xiàn)更好的熱聲效果，并且提 高冷能利用率，節(jié)約能源。
[0030] 3)本實(shí)用新型的熱聲制冷裝置沒有運(yùn)動件，管內(nèi)工質(zhì)可以是空氣或者是通過液化 空氣提取出的他和他，熱聲制冷裝置非常環(huán)保且對工作環(huán)境的要求不高。
【附圖說明】

[0031] 圖1是本實(shí)用新型中熱聲制冷裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2是本實(shí)用新型中熱聲制冷裝置的俯視圖；
[0033] 圖3是本實(shí)用新型中第一玻璃管處結(jié)構(gòu)的放大圖；
[0034]其中：1.第一玻璃管，2.第一換熱器，3.第一熱聲堆，4.螺栓，5.螺母，6.集水環(huán)，7. 第二換熱器，8.第一縮管，9.第一墊圈，10.第二墊圈，11.諧振管，12.太陽能聚光裝置，13. 第二玻璃管，14.球鉸鏈，15.底座。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行 清楚、完整的描述。
[0036] 如圖1所示，在凹面鏡表面進(jìn)行表面改質(zhì)，凹面鏡整體做成疏水性，在其局部做成 點(diǎn)狀的親水性，各點(diǎn)之間間隔適當(dāng)?shù)木嚯x。當(dāng)夜晚溫度下降時，空氣濕度增加，形成的小水 珠會凝結(jié)在親水的點(diǎn)狀表面上，隨著水珠的長大，水珠外部逐漸觸碰到疏水表面。當(dāng)水珠的 重力大到水珠能夠下滑，水珠會沿著凹面鏡表面下滑至凹面鏡底部。在這個過程當(dāng)中，水珠 會清潔凹面鏡表面，從而實(shí)現(xiàn)自潔功能。該自潔原理仿生沙漠甲蟲集水原理。自潔完成后， 水流會由太陽能跟蹤器的低端流出，流向儲水箱中。
[0037] 如圖2所示，凹面鏡將太陽光聚集在試管底部的第二熱聲堆下部，即太陽能加熱 點(diǎn)。第二熱聲堆下部氣體受熱膨脹，向上部移動，到達(dá)第二熱聲堆上部時，氣體由于膨脹溫 度下降，但溫度仍高于第二熱聲堆上部溫度，因此向第二熱聲堆上部放熱，溫度降低;氣體 溫度下降后，體積收縮，返回第二熱聲堆下部，由此往復(fù)循環(huán)，形成聲波。聲波在諧振管中部 振蕩，傳遞至第一熱聲堆。第一熱聲堆中氣體向上振蕩，到達(dá)第一熱聲堆上部，被壓縮，溫度 升高，向第一熱聲堆上部放熱，溫度下降；氣體溫度下降后，體積收縮，返回第一熱聲堆下 部，由于氣體溫度低于第一熱聲堆下部溫度，因此從第一熱聲堆下部吸熱，之后體積膨脹， 返回第一熱聲堆上部，由此往復(fù)循環(huán)。同時，整個系統(tǒng)形成駐波，持續(xù)振蕩，將熱量從第二熱 聲堆下部的太陽能加熱點(diǎn)，傳遞至第一熱聲堆上部，同時使第二熱聲堆下部溫度降低;而第 一玻璃管外設(shè)有換熱管，從而實(shí)現(xiàn)將第一熱聲堆上部的低溫?fù)Q熱給換熱管內(nèi)的低溫水以獲 得循環(huán)制冷水。
[0038]如圖3所示，熱聲堆采用多孔陶瓷，可以有效隔絕冷端和熱端，從而在冷熱端之間 實(shí)現(xiàn)較大溫差，利于熱聲現(xiàn)象的產(chǎn)生;可有效增加換熱面積，同時有利于降低熱聲制冷機(jī)的 冷端溫度，提高熱聲制冷裝置的效率，且不易造成堵塞。
[0039]此外，本實(shí)施例中凹面鏡朝向上部，120°開角。
[0040] 根據(jù)聲學(xué)理論，對于均勻有限長管的管內(nèi)聲場，只有當(dāng)管長為聲波波長的1/4時， 才會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，此時振幅最大，致冷效果最為明顯。由于試管處于室溫中，取空氣中的 聲速為c = 340m/s，那么諧振管長度
[0041] (1)
[0042] 其中f為諧振頻率，預(yù)設(shè)頻率為220Hz，則諧振管長度為39.3cm，因此諧振管取 40cm，前期通過一個滑動管進(jìn)行試驗(yàn)，滑動管取20cm〇
[0043] 制作熱聲堆主要考慮各層之間需要有一定的交換熱量的穿透深度。熱波穿透深度 Sk為時間t = lAf中熱擴(kuò)散的距離，其關(guān)系式如下：
[0044] (2)
[0045] 其中f是駐波的頻率，k是導(dǎo)熱系數(shù)，P是氣體密度，CP是單位質(zhì)量氣體的等壓比熱， 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得出3k = 0.3174mm，取板疊間距為3個5k距離，約為1mm。
[0046] 按熱力學(xué)第一定律，在聲熱栗中，聲波機(jī)械能W做功使熱量QC自溫度為TC的熱源流 出，產(chǎn)生熱量Qh，流入溫度為Τη的熱源中，關(guān)系為
[0047] QH=Qc+ff (3)
[0048] 其中，Qh:熱端產(chǎn)生的熱量;Qc:冷端產(chǎn)生的熱量;W:聲波機(jī)械能做的功。
[0049] 按熱力學(xué)第二定律，在這個聲熱轉(zhuǎn)換過程中，熵值將增加。因此在聲熱栗中
[0050] Qc/Tc>Qh/Tc (4)
[0051] 其中，Tc:冷端溫度；
[0052]由此聲熱栗的制冷系數(shù)ε為：
^5)[0054]通過計(jì)算或者試驗(yàn)，得出氣體前后溫差：Δ T = 20°C
[0053]
[0055] 質(zhì)量流量 qm 為：qm=0.05kg/s
[0056] 空氣平均溫度:Tq = 3(TC
[0057] 換熱量：口11 = 91!1/1?。八丁/(3111/七=0.051^/8/20。〇/1.0051^/1^。〇/18 = 1.005kJ
[0058] 其中，t為表示假設(shè)換熱時間為一秒，即得出的換熱量表示單位時間的換熱量，cm 為空氣比熱容，Rc是雷諾數(shù)。
[0059] 本實(shí)用新型中的制冷裝置非常適用于沙漠無法通電地區(qū)，沙漠地區(qū)炎熱干旱，太 陽能資源豐富，晝夜溫差大，植被極其匱乏。本實(shí)用新型中的制冷裝置仿生沙漠甲蟲集水原 理結(jié)合太陽能跟蹤裝置與改進(jìn)熱聲制冷裝置，不僅實(shí)現(xiàn)了以太陽能為熱源的更高效的熱聲 制冷，而且為沙漠居民有效蓄水，解決了沙漠居民的日常生活用水問題并為沙漠地區(qū)植被 滴灌帶來了長期的水資源來源。
[0060] 相較于太陽能發(fā)電再制冷裝置，本實(shí)用新型中的制冷裝置的效率更加高，太陽能 發(fā)電再制冷裝置經(jīng)過了兩次能量轉(zhuǎn)換，效率較低。
[0061] 相較于太陽能吸收式制冷裝置，本實(shí)用新型中的制冷裝置的自潔式太陽能跟蹤裝 置和熱聲制冷裝置均為零耗電，更加清潔環(huán)保且能收集水源并自我清潔。
[0062] 雖然本實(shí)用新型中的制冷裝置前期成本較高，但是從長遠(yuǎn)的角度來看，本實(shí)用新 型中的制冷裝置具有一定的經(jīng)濟(jì)性，對環(huán)境的價值更是不可估量。
[0063] 以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和 潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種沙漠地區(qū)的自潔式太陽能熱聲制冷裝置，其特征在于，包括第二玻璃管，第二玻 璃管頂部與諧振管連接，且第二玻璃管頂部內(nèi)設(shè)有第二熱聲堆，諧振管頂部設(shè)有第一熱聲 堆，第一熱聲堆設(shè)于頂部封閉的第一玻璃管內(nèi)；在第二玻璃管外固定太陽能聚光裝置使得 第二熱聲堆下部位于太陽能聚光裝置的焦點(diǎn)，在第二玻璃管的頂部外設(shè)有換熱水管，諧振 管與所述第一玻璃管和所述第二玻璃管均通過縮管連接第一玻璃管外設(shè)置換熱管。2. 如權(quán)利要求1所述的熱聲制冷裝置，其特征在于，所述第一熱聲堆和所述第二熱聲堆 的上下表面均設(shè)有換熱器。3. 如權(quán)利要求1或2所述的熱聲制冷裝置，其特征在于，所述第二熱聲堆頂部設(shè)有集水 環(huán)，所述集水環(huán)設(shè)有螺栓孔。4. 如權(quán)利要求1所述的熱聲制冷裝置，其特征在于，所述第二玻璃管的底部通過球鉸固 定于底座。5. 如權(quán)利要求1所述的熱聲制冷裝置，其特征在于，所述第二玻璃管從所述第二熱聲堆 至底座方向先細(xì)后粗，第二玻璃管的底部管徑逐漸縮小以提高聲波震動頻率。6. 如權(quán)利要求1所述的熱聲制冷裝置，其特征在于，所述第二玻璃管粗的部分內(nèi)部為諧 振腔。7. 如權(quán)利要求1所述的熱聲制冷裝置，其特征在于，所述第一熱聲堆和所述第二熱聲堆 均為多孔陶瓷，孔的方向與所述諧振管的中心軸線平行。8. 如權(quán)利要求1所述的熱聲制冷裝置，其特征在于，所述太陽能聚光裝置為疏水材料制 成的凹面鏡，在凹面鏡的內(nèi)表面設(shè)有多個凹坑，凹坑內(nèi)設(shè)有親水材料制成的凸起，所述太陽 能聚光裝置的底部通過管路與儲水箱連接。9. 如權(quán)利要求3所述的熱聲制冷裝置，其特征在于，所述第一熱聲堆的下部設(shè)有無線溫 度傳感器，溫度傳感器通過無線裝置與控制器連接。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種沙漠地區(qū)的自潔式太陽能熱聲制冷裝置，包括第二玻璃管，第二玻璃管頂部與諧振管連接，且第二玻璃管頂部內(nèi)設(shè)有第二熱聲堆，諧振管頂部設(shè)有第一熱聲堆，第一熱聲堆設(shè)于頂部封閉的第一玻璃管內(nèi)；在第二玻璃管外固定太陽能聚光裝置使得第二熱聲堆下部位于太陽能聚光裝置的焦點(diǎn)，在第二玻璃管的頂部外設(shè)有換熱水管。本實(shí)用新型的有益效果是：通過凹面鏡作為太陽能聚集裝置，其能收集到循環(huán)制冷水，該水可用于植物滴管和日常生活用水，節(jié)約水資源；通過兩個熱聲堆將整體裝置分為多段，熱聲堆與外界相接觸，使得流體能直接通過熱聲堆內(nèi)部，加強(qiáng)換熱，從而使得冷端實(shí)現(xiàn)更好的熱聲效果，并且提高冷能利用率，節(jié)約能源。
【IPC分類】F24J2/38, F24J2/46, F25B9/00, F24J2/00
【公開號】CN205383798
【申請?zhí)枴緾N201620213437
【發(fā)明人】張廣超, 王紫璇, 劉澤方, 鄭瀟瀟, 趙吉烈
【申請人】張廣超, 王紫璇, 劉澤方
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年3月18日