專利名稱：空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其涉及一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
熱聲效應(yīng)是熱與聲之間相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，即聲場(chǎng)中的時(shí)均熱力學(xué)效應(yīng)。熱聲熱機(jī)本質(zhì)上是一種通過熱聲效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能與聲能之間相互轉(zhuǎn)化或傳輸?shù)难b置。熱聲熱機(jī)不需要外部的機(jī)械手段就可以使振蕩流體的速度和壓力之間建立起合理的相位關(guān)系，因此，不需要機(jī)械傳動(dòng)部件，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。按能量轉(zhuǎn)換方向的不同，熱聲效應(yīng)可分為兩類一是用熱來產(chǎn)生聲，即熱驅(qū)動(dòng)的聲振蕩，為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理；二是用聲來產(chǎn)生熱，即聲驅(qū)動(dòng)的熱量傳輸，為熱聲制冷機(jī)的工作原理。只要具備一定的條件，熱聲效應(yīng)在行波聲場(chǎng)、駐波聲場(chǎng)以及兩者結(jié)合的聲場(chǎng)中都能發(fā)生。
熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)利用熱聲效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)換為聲能，具有如下突出優(yōu)點(diǎn)一是沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)；二是直接以熱能驅(qū)動(dòng)，可以應(yīng)用于電能缺乏的場(chǎng)合，特別是近海或者邊遠(yuǎn)地區(qū)油氣田上天然氣和石油伴生氣的液化和分離；三是工質(zhì)是氮?dú)饣蚨栊詺怏w，對(duì)環(huán)境友好，順應(yīng)了環(huán)境保護(hù)趨勢(shì)。而脈管制冷機(jī)和其它型式的熱聲制冷機(jī)，消除了低溫端的運(yùn)動(dòng)部件。它的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有低振動(dòng)、運(yùn)行可靠、低磁噪聲以及長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與熱聲制冷機(jī)相結(jié)合就可以構(gòu)成完全沒有運(yùn)動(dòng)部件的熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷系統(tǒng)，從根本上消除常規(guī)機(jī)械制冷機(jī)中存在的磨損與振動(dòng)，在天然氣液化、石油伴生氣的液化與分離、電子元器件冷卻等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
根據(jù)聲場(chǎng)特性不同，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)主要分為駐波型、行波型及駐波行波混合型三種型式。行波聲場(chǎng)中速度波和壓力波動(dòng)相位相同，而在駐波聲場(chǎng)中二者相差90°。駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)一般為直線型布置，所有的部件都在一條軸線上。由于駐波場(chǎng)中速度和壓力之間的相位差為90°，當(dāng)板疊處氣體速度處于正向最大時(shí)，氣體在板疊通道中高速向熱端極限移動(dòng)，掠過正向半個(gè)周期運(yùn)動(dòng)中的絕大部分位移(即掠過大部分的溫度梯度)，因此，這一過程應(yīng)該是加熱最強(qiáng)烈的時(shí)間段。但此時(shí)也正是壓力變化最大的時(shí)候，氣體在這一時(shí)段被迅速壓縮，壓縮過程和加熱過程同時(shí)發(fā)生，從熱力學(xué)的角度看既不利于壓縮也不利于加熱，因此造成氣體與固體之間傳熱的滯后，這一熱滯后使得當(dāng)氣體運(yùn)動(dòng)變緩吸收熱量時(shí)氣體與固體介質(zhì)之間已經(jīng)有相當(dāng)?shù)臏夭?，從而造成很大的不可逆損失。但是我們也應(yīng)當(dāng)看到，如果沒有熱滯后，駐波聲場(chǎng)理論上不能產(chǎn)生聲功，它是以降低熱力學(xué)效率為代價(jià)來產(chǎn)生聲功的；同理，當(dāng)氣體經(jīng)歷膨脹過程時(shí)，卻同時(shí)經(jīng)歷氣體高速向低溫端運(yùn)動(dòng)的冷卻過程，這樣的過程既不利于膨脹也不利于放熱。從上面的過程分析可以看到為了在駐波場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化就必須采用間距較大的板疊以形成熱滯后，使一部分加熱發(fā)生在壓縮過程之后，一部分冷卻發(fā)生在膨脹過程之后，然而氣體同固體間的有限溫差熱傳遞造成的不可逆熱力過程使整個(gè)裝置的效率大大降低。
行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中回?zé)崞魈盍系目障冻叽邕h(yuǎn)小于氣體熱滲透深度，實(shí)現(xiàn)了固體與氣體間的理想熱接觸，加熱和冷卻近似為可逆等溫過程。同時(shí)，行波聲場(chǎng)中速度和壓力同相位。在行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞魈?，?dāng)氣體被迅速壓縮時(shí)，氣體運(yùn)動(dòng)速度很小，跨過回?zé)崞魃陷^小的溫度增量，因此可以被高效地壓縮，而在加熱過程中，氣體具有最大的正向速度，跨過最大的溫度增長(zhǎng)區(qū)間，而此時(shí)壓力卻變化很小，因此可以實(shí)現(xiàn)高效的吸熱膨脹過程，從熱力學(xué)角度來看這無疑是對(duì)熱能到聲功的轉(zhuǎn)換非常有利；同理，當(dāng)氣體進(jìn)入壓力降低階段后，氣體運(yùn)動(dòng)速度較小，掠過熱聲回?zé)崞鬏^小的溫度區(qū)間，所以利于壓力的降低，當(dāng)氣體壓力降到一定程度時(shí)速度變大，溫度變化迅速，氣體對(duì)回?zé)崞鞣艧幔瑲怏w先經(jīng)歷膨脹再放熱。從以上分析可以看出行波聲場(chǎng)中的熱聲轉(zhuǎn)換過程自然進(jìn)行，沒有不可逆過程的參與，并且很小的回?zé)崞魉霃侥軌虮ＷC氣體與回?zé)崞鞯牡葴貍鳠?，因此，行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)理論上進(jìn)行的是可逆熱聲轉(zhuǎn)換過程，可以獲得比駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)更高的熱力學(xué)效率。
熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)利用熱聲效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)換為聲能，回?zé)崞鬏S向溫度梯度為其直接驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)該溫度梯度超過臨界溫度梯度后熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。為在回?zé)崞魃闲纬勺銐虻臏囟忍荻?，在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鞯膬啥朔謩e設(shè)有冷卻器和加熱器，冷卻器一般為水冷式，加熱器可采用電熱管加熱、燃?xì)饧訜岷透袘?yīng)加熱。
冷卻器是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能起到?jīng)Q定性作用。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器應(yīng)當(dāng)具有以下特點(diǎn)，首先，其提供的冷量要足夠大；其次，從流動(dòng)阻力上考慮，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器的工質(zhì)流道和冷卻介質(zhì)流道應(yīng)當(dāng)在滿足換熱面積的情況下流動(dòng)阻力??；最后，從熱聲學(xué)的角度看，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器應(yīng)當(dāng)滿足一定的聲學(xué)條件，其結(jié)構(gòu)受到熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)管道布置方式的限制，冷卻器的軸向長(zhǎng)度和換熱面的布置須滿足具體熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件?？傮w來說，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器設(shè)計(jì)中的主要挑戰(zhàn)是要在一個(gè)有限的空間內(nèi)得到盡可能大的冷卻效應(yīng)，同時(shí)具有較小的流動(dòng)阻力。
目前熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中多采用水作為冷卻介質(zhì)，主要原因在于水的比熱大、水的對(duì)流換熱系數(shù)高、水冷卻對(duì)環(huán)境氣溫變化不敏感。但隨著社會(huì)生產(chǎn)迅速發(fā)展，工業(yè)用水量大幅度增加，出現(xiàn)了供水不足現(xiàn)象。除了水源缺乏外，人們開始注意保護(hù)環(huán)境，以河水作為冷卻介質(zhì)，熱污染會(huì)造成河流的生態(tài)破壞。因此，在一些應(yīng)用場(chǎng)合，空氣冷卻已經(jīng)取代水冷卻。空氣冷卻的優(yōu)點(diǎn)有空氣可以免費(fèi)取得，不需要任何輔助設(shè)備和費(fèi)用；采用空氣冷卻，場(chǎng)址選擇不受限制；空氣腐蝕性低，不需要采取任何清垢和清洗措施；空冷器的運(yùn)行費(fèi)用低，空冷器的維護(hù)費(fèi)用一般為水冷器的20％左右。
基于上述考慮，本發(fā)明提出在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中采用空冷器的設(shè)計(jì)方案，這一方案將使熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)更加具有環(huán)保性，而且可以拓展熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。
一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有行波環(huán)路、諧振支路，其中行波環(huán)路具有依次連接的直流控制部件、主空氣冷卻器、回?zé)崞?、加熱器、熱緩沖管、次空氣冷卻器、反饋回路，空氣冷卻器具有空氣導(dǎo)流槽，在空氣導(dǎo)流槽中設(shè)有工作介質(zhì)管道，在空氣導(dǎo)流槽端部設(shè)有風(fēng)機(jī)。
另一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有依次連接的消聲器、加熱器、熱聲板疊、空氣冷卻器、諧振直路，空氣冷卻器具有空氣導(dǎo)流槽，在空氣導(dǎo)流槽中設(shè)有工作介質(zhì)管道，在空氣導(dǎo)流槽端部設(shè)有風(fēng)機(jī)。
本發(fā)明通過在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中采用空氣冷卻技術(shù)，使熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)不依賴水源工作，更具有環(huán)保性，而且大大拓寬其應(yīng)用范圍。另外，采用空冷器可以帶來以下好處空氣可以免費(fèi)取得，不需要各種輔助設(shè)備和費(fèi)用；采用空氣冷卻，場(chǎng)址選擇不受限制；空氣腐蝕性低，不需要采取任何清垢和清洗措施；空冷器的運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)費(fèi)用一般為水冷器的20％左右。因此，在一些缺少水源或者環(huán)境溫度較低的場(chǎng)所，空冷式熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)將具有應(yīng)用前景。


圖1一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2另一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明的空氣冷卻器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、3所示，一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有行波環(huán)路、諧振支路，其中行波環(huán)路具有依次連接的直流控制部件、主空氣冷卻器、回?zé)崞?、加熱器、熱緩沖管、次空氣冷卻器、反饋回路，空氣冷卻器具有空氣導(dǎo)流槽，在空氣導(dǎo)流槽中設(shè)有工作介質(zhì)管道，在空氣導(dǎo)流槽端部設(shè)有風(fēng)機(jī)。
熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)工作介質(zhì)沿工作介質(zhì)管道9軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即周期性的振蕩，運(yùn)動(dòng)方向如圖3中實(shí)心箭頭表示，冷卻介質(zhì)——空氣在風(fēng)機(jī)11的誘導(dǎo)下沿水平方向垂直沖刷工作介質(zhì)管道，方向如圖3中空心箭頭所示，工作氣體和冷卻空氣的流動(dòng)方向垂直。為增強(qiáng)空氣側(cè)的換熱，在工作介質(zhì)管道的外壁面布置了擴(kuò)展傳熱面，如翅片、外肋片等。
本實(shí)例熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在主冷卻器2和次冷卻器6處同時(shí)采用空氣冷卻，區(qū)別在于次冷卻器6處所需的換熱面積較小，只是主冷卻器的1/2左右。如圖1所示安裝行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，并按照?qǐng)D3布置空氣冷卻器。將空氣冷卻器空氣導(dǎo)流槽內(nèi)的風(fēng)機(jī)開啟，之后在加熱器處對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)供熱，當(dāng)回?zé)崞鲀蓚?cè)的溫度差超過臨界溫差時(shí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的工作氣體從靜止?fàn)顟B(tài)突然開始振蕩，即轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。工作時(shí)冷卻空氣吸收工作氣體的熱量，完成了冷卻任務(wù)后被排出空氣導(dǎo)流槽。行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，把熱量轉(zhuǎn)化為聲功，聲功的傳輸方向如圖1中的實(shí)心箭頭所示。
如圖2、3所示，另一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有依次連接的消聲器12、加熱器13、熱聲板疊14、空氣冷卻器15、諧振直路16，空氣冷卻器具有空氣導(dǎo)流槽10，在空氣導(dǎo)流槽中設(shè)有工作介質(zhì)管道9，在空氣導(dǎo)流槽端部設(shè)有風(fēng)機(jī)11。
由于駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中空氣冷卻器的結(jié)構(gòu)與前述實(shí)例基本相同，所以空氣冷卻器的結(jié)構(gòu)示意圖仍然用圖3表示。按照?qǐng)D3所示把空氣冷卻器的工作介質(zhì)管道9、空氣導(dǎo)流槽10和風(fēng)機(jī)11安裝完成，一并裝入駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中冷卻器的位置，如圖2所示，并最終把熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的消聲器12、加熱器13、熱聲板疊14、冷卻器15和諧振直路16安裝完成。工作時(shí)，將空氣冷卻器空氣導(dǎo)流槽內(nèi)的風(fēng)機(jī)開啟，之后在加熱器處對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)供熱，當(dāng)回?zé)崞鲀蓚?cè)的溫度差超過臨界溫差時(shí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的工作氣體從靜止?fàn)顟B(tài)突然開始振蕩，即轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。工作時(shí)冷卻空氣吸收工作氣體的熱量，完成了冷卻任務(wù)后被排出空氣導(dǎo)流槽。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，把熱量轉(zhuǎn)化為聲功，聲功的傳輸方向如圖2中的實(shí)心箭頭所示。
權(quán)利要求
1.一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于它具有行波環(huán)路、諧振支路(8)，其中行波環(huán)路具有依次連接的直流控制部件(1)、主空氣冷卻器(2)、回?zé)崞?3)、加熱器(4)、熱緩沖管(5)、次空氣冷卻器(6)、反饋回路(7)，空氣冷卻器具有空氣導(dǎo)流槽(10)，在空氣導(dǎo)流槽中設(shè)有工作介質(zhì)管道(9)，在空氣導(dǎo)流槽端部設(shè)有風(fēng)機(jī)(11)。
2.一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于它具有依次連接的消聲器(12)、加熱器(13)、熱聲板疊(14)、空氣冷卻器(15)、諧振直路(16)，空氣冷卻器具有空氣導(dǎo)流槽(10)，在空氣導(dǎo)流槽中設(shè)有工作介質(zhì)管道(9)，在空氣導(dǎo)流槽端部設(shè)有風(fēng)機(jī)(11)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空氣冷卻方式的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。它具有行波環(huán)路、諧振支路，其中行波環(huán)路具有依次連接的直流控制部件、主空氣冷卻器、回?zé)崞?、加熱器、熱緩沖管、次空氣冷卻器、反饋回路，空氣冷卻器具有空氣導(dǎo)流槽，在空氣導(dǎo)流槽中設(shè)有工作介質(zhì)管道，在空氣導(dǎo)流槽端部設(shè)有風(fēng)機(jī)。本發(fā)明通過在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中采用空氣冷卻技術(shù)，使熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)不依賴水源工作，更具有環(huán)保性，而且大大拓寬其應(yīng)用范圍。另外，采用空冷器可以帶來以下好處空氣可以免費(fèi)取得，不需要各種輔助設(shè)備和費(fèi)用；采用空氣冷卻，場(chǎng)址選擇不受限制；空氣腐蝕性低，不需要采取任何清垢和清洗措施；空冷器的運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)費(fèi)用一般為水冷器的20％左右。
文檔編號(hào)F03G7/00GK1916403SQ20061005327
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月5日
發(fā)明者邱利民, 孫大明 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)