專利名稱：一種低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及熱發(fā)動機(jī)裝置，尤其涉及一種低品位熱源驅(qū)動的熱聲發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
熱聲發(fā)動機(jī)也稱熱聲壓縮機(jī)，或者熱聲驅(qū)動器，它僅有換熱器和管段構(gòu)成，除交變流動的流體工質(zhì)外，沒有機(jī)械運動部件，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定可靠、長壽命等特點，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。熱聲發(fā)動機(jī)通常采用氣體作為工質(zhì)，利用氣體聲場在回?zé)崞?或板疊)中與固體邊界的熱相互作用將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，具體表現(xiàn)為在輸入熱量的條件下，當(dāng)沿回?zé)崞?或板疊)的溫度梯度大于臨界值時，氣體工質(zhì)將產(chǎn)生自激振蕩，熱能被轉(zhuǎn)換為氣體壓力波的機(jī)械能，并可將所產(chǎn)生的機(jī)械能以壓力波的形式輸出，而壓力波可被用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電或者制冷機(jī)獲得制冷效應(yīng)，以滿足人們的應(yīng)用需求。雖然熱聲現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可以追溯到200年以前，但由于熱聲發(fā)動機(jī)是自激振蕩系統(tǒng)，不依賴于傳統(tǒng)回?zé)崾綒怏w熱機(jī)中的曲柄、連桿、活塞等固體運動機(jī)械結(jié)構(gòu)來強(qiáng)制流體的運動規(guī)律，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但內(nèi)部耦合機(jī)制非常復(fù)雜，直到最近20年熱聲發(fā)動機(jī)才獲得突破性進(jìn)展。目前，采用氣體工質(zhì)的熱聲發(fā)動機(jī)壓比可達(dá)1.4。利用熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動直線發(fā)電機(jī)已經(jīng)可以輸出數(shù)百瓦的電功率，熱電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到15%。采用熱聲發(fā)動機(jī)，通過彈性膜和聲壓放大器構(gòu)成的耦合結(jié)構(gòu)驅(qū)動脈管制冷機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)低于20K的制冷溫度。通過燃燒一部分天然氣的熱量來驅(qū)動熱聲發(fā)動機(jī)，再由熱聲發(fā)動機(jī)驅(qū)動脈管制冷機(jī)進(jìn)而液化天然氣也已經(jīng)實現(xiàn)了裝置示范，對于遠(yuǎn)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(yīng)用前景。然而，分析現(xiàn)有氣體工質(zhì)熱聲發(fā)動機(jī)的工作機(jī)理和技術(shù)現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，它們存在諸如驅(qū)動熱源溫度較高(通常高于300°C)而難以直接利用低品位熱源，以及能量密度相對較小導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大等不足，限制其實際應(yīng)用，是目前熱聲發(fā)動機(jī)相關(guān)研究領(lǐng)域亟待解決的重要問題。正是在這樣的技術(shù)背景下，本實用新型提出了一種低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)。相比于傳統(tǒng)氣體工質(zhì)熱聲發(fā)動機(jī)，本實用新型主要利用了工質(zhì)氣液相變的物性特點(包括工質(zhì)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(yīng)較大的飽和壓力變化，以及氣液相變前后工質(zhì)比容變化大等)，通過氣液相變熱聲效應(yīng)實現(xiàn)熱聲轉(zhuǎn)換，其主要目的就是為了改善熱聲發(fā)動機(jī)對于低品位熱源的適應(yīng)性，并提高熱聲發(fā)動機(jī)的單位體積能量密度，進(jìn)而推進(jìn)其實用化進(jìn)程。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)。[0009]低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)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(nèi)設(shè)有液體活塞。所述的液體活塞內(nèi)設(shè)有二氟甲烷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(tǒng)空間中為所采用液體活塞工質(zhì)的蒸氣。本實用新型公開的低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)，利用了工質(zhì)氣液相變的物性特點，可小溫差大壓比運行，利于實現(xiàn)對低品位熱源的利用；單位體積的能量密度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)氣體工質(zhì)熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)裝置的小型化；并且氣液耦合振動，可綜合利用氣態(tài)工質(zhì)的可壓縮性和液態(tài)工質(zhì)的高密度質(zhì)量慣性優(yōu)化熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的聲阻抗。

圖1是駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)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(yīng)理想熱力循環(huán)圖。
具體實施方式
如附圖1所示，低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)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(nèi)設(shè)有液體活塞5。所述的液體活塞5內(nèi)設(shè)有二氟甲烷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(tǒng)空間中為所采用液體活塞工質(zhì)的蒸氣。相對于傳統(tǒng)采用氣體工質(zhì)的熱聲發(fā)動機(jī)，本實用新型熱聲發(fā)動機(jī)中液體活塞工質(zhì)將發(fā)生氣液相變過程，因此合理的液體活塞工質(zhì)選擇非常重要。我們在300K和330K冷熱源溫度條件下，針對十余種工質(zhì)進(jìn)行圖3所示的理想熱力循環(huán)性能分析。分析結(jié)果顯示，正常沸點和臨界點溫度相對較高，且氣化潛熱較大的工質(zhì)可獲得更高的熱效率；而飽和壓力較大的工質(zhì)有利于實現(xiàn)更高的單位氣體體積能量密度。綜合兩個方面，二氟甲烷CH2F2、氨NH3、五氟一氯乙烷CF2ClCF3、八氟丙烷CF3CF2CF3是較為理想的工質(zhì)選擇。低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)運行時，首先需對熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，排除系統(tǒng)中原有的空氣；之后通過高壓工質(zhì)鋼瓶向抽空后的熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)注入工質(zhì)，使得工質(zhì)液面處于第一加熱器I和第一冷卻器3以及第二加熱器8和第二冷卻器6之間。然后，開啟驅(qū)動熱源和冷卻水，由于冷卻水的冷卻作用，第一冷卻器3和第二冷卻器6始終保持在室溫，而驅(qū)動熱源通過第一加熱器I和第二加熱器8向系統(tǒng)輸入熱量，第一加熱器I和第二加熱器8的溫度升高，系統(tǒng)中工質(zhì)壓力也隨之升高，并對系統(tǒng)中的工質(zhì)產(chǎn)生一定的擾動。當(dāng)加熱器與冷卻器之間的溫差超過一定閾值時，由于工質(zhì)與加熱器和冷卻器之間的傳熱作用，產(chǎn)生氣液相變的熱聲轉(zhuǎn)換，將部分熱能轉(zhuǎn)換為聲功，工質(zhì)在熱聲發(fā)動機(jī)中發(fā)生自激振蕩，熱聲發(fā)動機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。此時，液體活塞5的液面在第一加熱器I和第一冷卻器3以及第二加熱器8和第二冷卻器6之間往復(fù)運動，周期性的經(jīng)歷等壓吸熱、絕熱膨脹、等壓放熱、絕熱壓縮的熱力循環(huán)過程(見圖3)，實現(xiàn)熱能至聲功的轉(zhuǎn)換。此外，本實用新型提出的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)是同一種工質(zhì)的氣態(tài)和液態(tài)的耦合振動系統(tǒng)，可以綜合利用氣態(tài)工質(zhì)的可壓縮性和液態(tài)工質(zhì)的高密度質(zhì)量慣性優(yōu)化熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的聲阻抗，通過合理設(shè)計第一加熱器1、第一熱緩沖管2、第二加熱器8和第二熱緩沖管7中氣相空間的體積，以及U形管4和液體活塞5的長度和直徑，可以方便地控制熱聲發(fā)動機(jī)的諧振頻率。下面采用拉格朗日方法，結(jié)合駐波聲場特點，分析氣液相變熱聲效應(yīng)熱力循環(huán)過程，進(jìn)而揭示駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)的工作原理。圖1所示的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)為左右對稱結(jié)構(gòu)，我們以左邊部分為例進(jìn)行工作原理說明。圖2給出了駐波聲場的位移、速度和壓力振動圖，其中壓力與位移同相，壓力與速度相差90度相位。參與熱聲轉(zhuǎn)換的工質(zhì)微元在第一加熱器和第一冷卻器之間往復(fù)運動，其熱力循環(huán)(見圖3)具體包括，1-2等壓吸熱過程:狀態(tài)點I的過冷液體工質(zhì)微元在正向極限位置附近，即在第一加熱器中，由于加熱器壁面溫度高于過冷液體微元的溫度，熱量從固體壁面?zhèn)鬟f給過冷液體，使其在近似等壓的條件下被加熱至飽和，并進(jìn)一步汽化至飽和氣體；2_3絕熱膨脹過程:狀態(tài)點2的飽和氣體微元從正向極限位置向負(fù)向極限位置快速移動，即從第一加熱器通過第一熱緩沖管向第一冷卻器移動，由于熱緩沖管的水力直徑較大，氣體微元來不及與熱緩沖管固體邊界換熱，同時由于壓力降低，氣體微元經(jīng)歷近似絕熱膨脹過程；3-4等壓放熱過程:在負(fù)向極限位置附近，即在第一冷卻器中，由于冷卻器壁面溫度低于工質(zhì)微元的溫度，熱量從工質(zhì)微元傳遞給壁面，工質(zhì)微元在近似等壓的條件下被冷凝為飽和液體；4_1絕熱壓縮過程:狀態(tài)點4的飽和液體微元從負(fù)向極限位置向正向極限位置快速移動，即從第一冷卻器通過第一熱緩沖管向加熱器運動，同樣由于熱緩沖管的水力直徑較大，液體微元來不及與熱緩沖器固體邊界換熱，同時由于壓力升高，液體微元經(jīng)歷近似絕熱壓縮過程，回到狀態(tài)點1，完成循環(huán)。可見，在駐波聲場中，參與氣液相變熱聲轉(zhuǎn)換的工質(zhì)微兀在第一加熱器和第一冷卻器之間中往復(fù)運動，所經(jīng)歷的理想熱力循環(huán)包括兩個等壓過程和兩個絕熱過程，從總體上看，該循環(huán)實現(xiàn)了從高溫?zé)嵩次鼰?，向低溫?zé)嵩捶艧?，進(jìn)而將熱能轉(zhuǎn)換為聲功。以二氟甲烷CH2F2工質(zhì)為例，設(shè)定冷熱源溫度恒定為300K和330K，工質(zhì)與冷熱源的傳熱溫差均為5K，根據(jù)針對閉系的能量守恒關(guān)系式，結(jié)合二氟甲烷CH2F2的工質(zhì)物性，可計算圖3所示的駐波型氣液相變熱聲轉(zhuǎn)換理想熱力循環(huán)的性能。計算結(jié)果顯示，考慮5K傳熱溫差后，二氟甲烷CH2F2在325K和305K下對應(yīng)的飽和氣體壓力分別為，3.289MPa和2.029MPa，壓比為1.62，單位體積工質(zhì)(取狀態(tài)點2的氣體密度計算)的做功能力為1459.35kJ/m3 ;相對卡諾效率為62.57%，工質(zhì)與冷熱源的傳熱溫差是該熱力循環(huán)的主要不可逆因素。
權(quán)利要求1.一種低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)，其特征在于包括順次連接的第一加熱器(I)、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(nèi)設(shè)有液體活塞(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)，其特征在于所述的液體活塞(5)內(nèi)設(shè)有CH2F2、NH3、CF2C1CF3或CF3CF2CF3,液體活塞液面以上的系統(tǒng)空間中為所采用液體活塞工質(zhì)的蒸氣。
專利摘要本實用新型公開了一種低品位熱源驅(qū)動的駐波型氣液相變熱聲發(fā)動機(jī)。它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(nèi)設(shè)有液體活塞。本實用新型是基于氣液相變熱聲效應(yīng)實現(xiàn)熱聲轉(zhuǎn)換，其理想熱力循環(huán)可近似為兩個等壓過程和兩個絕熱過程。與傳統(tǒng)氣體工質(zhì)熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)相比，本實用新型的特點是冷熱源溫差小，可小溫差大壓比運行，利于實現(xiàn)對低品位熱源的利用；單位體積能量密度大，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)裝置的小型化；氣液耦合振動，可綜合利用氣態(tài)工質(zhì)的可壓縮性和液態(tài)工質(zhì)的高密度質(zhì)量慣性優(yōu)化熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的聲阻抗。
文檔編號F03G7/00GK203009189SQ20122029776
公開日2013年6月19日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者湯珂, 李康, 金滔, 黃盛超, 黃迦樂 申請人:浙江大學(xué)