一種利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]熱聲系統(tǒng)是基于熱聲效應(yīng)而發(fā)展起來的一種新型熱功轉(zhuǎn)換裝置，因其無機械運動部件、無有害物質(zhì)排放、可采用熱能，且可靠性高、壽命長、效率高等優(yōu)點，一直以來備受關(guān)注。熱聲系統(tǒng)包括熱聲熱機系統(tǒng)和熱聲制冷機系統(tǒng)兩種類型。熱聲熱機基于卡諾循環(huán)原理將輸入系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)換為聲功，熱聲制冷機基于逆卡諾循環(huán)原理利用輸入系統(tǒng)的機械能或聲功進行供熱或制冷。由于可產(chǎn)生熱聲效應(yīng)的流體介質(zhì)要有可壓縮性、較大的熱膨脹系數(shù)及較小的普朗特數(shù)，且在高溫環(huán)境下理化性質(zhì)需穩(wěn)定，故系統(tǒng)一般采用氮氣、氦氣等惰性氣體作為工作介質(zhì)。
[0004]行波熱聲熱機作為熱聲熱機的一種，系統(tǒng)內(nèi)部的壓力波動與速度波動同相，其回熱器內(nèi)部的熱力循環(huán)為可逆的斯特林循環(huán)。駐波型熱聲熱機系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)部進行不可逆熱力學循環(huán)，導致壓力與位移波偏離同相或反相，才能實現(xiàn)聲功的輸出，故駐波型熱聲熱機也稱內(nèi)稟不可逆熱機。相比之下，行波熱聲熱機的內(nèi)部損失較小，熱效率高，是未來熱聲研究及應(yīng)用領(lǐng)域主要的發(fā)展方向。
[0005]中溫熱源及低品位熱能的利用，是實現(xiàn)節(jié)能減排的一種重要途徑。現(xiàn)有技術(shù)中的行波熱聲熱機雖然可以實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，但是因其多采用較高溫度的熱源來驅(qū)動，且熱效率還不足以與傳統(tǒng)熱機(如燃氣輪機、內(nèi)燃機等)相媲美等缺陷的存在，使得熱聲熱機的應(yīng)用受到了極大的限制。故到目前為止，熱聲熱機在工業(yè)上的應(yīng)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(lǐng)域的主要技術(shù)難題。
[0006]回熱器作為熱聲熱機的關(guān)鍵部件，其設(shè)計結(jié)構(gòu)、材料類型及特征尺寸對系統(tǒng)運行特性有著至關(guān)重要的影響。但是由于回熱器高溫高壓的工作環(huán)境以及熱聲系統(tǒng)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(tǒng)的性能影響變得十分困難?，F(xiàn)階段對回熱器的大量實驗研究均集中在回熱器結(jié)構(gòu)和材料對系統(tǒng)特性的影響，很少有關(guān)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(tǒng)具有較高性能的關(guān)鍵，設(shè)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(diào)整加熱器的加熱溫度來實現(xiàn)對熱聲熱機的輸出功率的控制是現(xiàn)有技術(shù)中熱聲熱機系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)節(jié)方式的缺點在于，經(jīng)常改變加熱器的加熱溫度會大大降低加熱器的使用壽命O
[0007]另外振蕩頻率是熱聲熱機系統(tǒng)的重要特性參數(shù)之一，合適的系統(tǒng)振蕩頻率對系統(tǒng)熱效率、輸出功率及負載的匹配性都有著至關(guān)重要的影響。如何根據(jù)熱聲系統(tǒng)的運行環(huán)境、熱效率及負載的匹配性確定合適的系統(tǒng)自激振蕩頻率，并能在實驗過程中根據(jù)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自激振蕩頻率也是所關(guān)注的問題之一。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)體中的熱聲熱機系統(tǒng)存在以下缺陷:①熱聲熱機級數(shù)基本不可調(diào)；②回熱器長度也基本不可調(diào);③系統(tǒng)自激振蕩頻率也基本不可調(diào);④壓力波與速度波相位也基本不可調(diào)；⑤系統(tǒng)與外置負載匹配性也基本不可調(diào)。即現(xiàn)有技術(shù)中沒有實現(xiàn)利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，不方便根據(jù)各種環(huán)境使用。
[0009]因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進和發(fā)展。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，能夠在中溫熱源或低品位熱能的加熱下實現(xiàn)系統(tǒng)的起振并穩(wěn)定運行，輸出聲功，并且提高了轉(zhuǎn)換效率。
[0012]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
一種利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，其中，包括順次相連的:
用于冷卻氣體工質(zhì)，同時保證第一回熱器102與之接觸的平面恒定在室溫溫度下的第一主室溫冷端換熱器101;
用于發(fā)生熱聲效應(yīng)的第一回熱器102;
用于向系統(tǒng)輸入熱能，同時保證第一回熱器102與之接觸的平面恒定在相對高溫溫度下的第一熱端換熱器103 ；
用于防止第一熱端換熱器103與第一次室溫冷端換熱器105直接接觸而發(fā)生熱短路現(xiàn)象的第一熱緩沖管104;
用于吸收因靜電導熱或瑞利聲流而未被完全消除的余熱的第一次室溫冷端換熱器
105；
用于連接諧振管107及反饋環(huán)路的T型三通106;
以及用于傳輸氣體工質(zhì)及調(diào)整系統(tǒng)聲場分布的反饋環(huán)路；
所述的T型三通106的非環(huán)路支管與用于輸出聲功的諧振管107以及負載108相連。
[0013]所述的利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，其中，所述的反饋環(huán)路包括依次相連接的用于傳遞氣體工質(zhì)的第一諧振直管109a、第一 U型彎管109b、第二諧振直管109c。
[0014]所述的利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，其中，所述的反饋環(huán)路還包括順序設(shè)置的:與第二諧振直管109c連接的用于傳遞氣體工質(zhì)的的第三諧振直管113、第四諧振直管109d、第二 U型彎管109e、第五諧振直管109f、以及一段用于導流的第一變徑管112、
通過所述變徑管112連接至第一主室溫冷端換熱器101;
在所述反饋環(huán)路的各部分連接處設(shè)置通過法蘭110連接；
并在所述第三諧振直管113內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)閥111，通過控制調(diào)節(jié)閥111的開度能實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)壓力波與速度波相位的調(diào)整，同時控制系統(tǒng)輸出功率的大小；
所述第一次室溫冷端換熱器105和調(diào)節(jié)閥111的內(nèi)徑與諧振管106的內(nèi)徑相等。
[0015]所述的利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，其中，所述諧振管107可拆卸連接在所述T型三通106的非環(huán)路支管上，可更換不同長度的諧振管107來控制行波熱聲熱機系統(tǒng)的自激振湯頻率。
[0016]所述的利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，其中，所述順次相連的用于冷卻氣體工質(zhì)，同時保證第一回熱器102與之接觸的平面恒定在室溫溫度下的第一主室溫冷端換熱器101、用于發(fā)生熱聲效應(yīng)的第一回熱器102、用于向系統(tǒng)輸入熱能，同時保證第一回熱器102與之接觸的平面恒定在相對高溫溫度下的第一熱端換熱器103、用于防止第一熱端換熱器103與第一次室溫冷端換熱器105直接接觸而發(fā)生熱短路現(xiàn)象的第一熱緩沖管104、用于吸收因靜電導熱或瑞利聲流而未被完全消除的余熱的第一次室溫冷端換熱器105構(gòu)成第一級行波熱聲熱機單元；
所述的第一熱端換熱器(103)與一中溫熱源相連接。
[0017]所述的利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，其中，反饋環(huán)路上設(shè)置有第二級行波熱聲熱機單元，所述第二級行波熱聲熱機單元也包括順次相連的:與第二諧振直管109c連接的第二變徑管112b、用于冷卻氣體工質(zhì)，同時保證第二回熱器102b與之接觸的平面恒定在室溫溫度下的第二主室溫冷端換熱器101b、用于發(fā)生熱聲效應(yīng)的第二回熱器102b、用于向系統(tǒng)輸入熱能，同時保證第二回熱器102b與之接觸的平面恒定在相對高溫溫度下的第二熱端換熱器103b、用于防止第二熱端換熱器103b與第二次室溫冷端換熱器105b直接接觸而發(fā)生熱短路現(xiàn)象的第二熱緩沖管104b、用于吸收因靜電導熱或瑞利聲流而未被完全消除的余熱的第二次室溫冷端換熱器105b。
[0018]所述的利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，其中，所述反饋環(huán)路上還設(shè)置有依次連接的:用于傳遞氣體工質(zhì)的與第二次室溫冷端換熱器105b相連的第四諧振直管109d、第二 U型彎管109e、第五諧振直管109f、以及一段用于導流的第一變徑管112;
通過所述變徑管112連接至第一主室溫冷端換熱器101;
在所述反饋環(huán)路的各部分連接處設(shè)置通過法蘭110連接；
并在所述第二變徑管112b內(nèi)設(shè)置有調(diào)節(jié)閥111;
通過控制調(diào)節(jié)閥111的開度能實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)壓力波與速度波相位的調(diào)整，同時控制系統(tǒng)輸出功率的大小。
[0019]所述的利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，其中，由第一主室溫冷端換熱器101、第一回熱器102、第一熱端換熱器103、用于調(diào)節(jié)回熱器長度的法蘭加厚墊123以及用于承載第一主室溫冷端換熱器101、第一回熱器102、第一熱端換熱器103、同時使得氣體工質(zhì)在密封環(huán)境下工作的熱聲核套筒114組成熱聲熱機第一熱聲核結(jié)構(gòu);裝配時，首先將第一熱端換熱器103置入熱聲核套筒114中，由于第一熱端換熱器103工作時處在交變流體的振蕩環(huán)境中，故第一熱端換熱器103與熱聲核套筒114之間為過盈配合;其次將第一回熱器102置入熱聲核套筒114中，并與第一熱端換熱器103無縫接觸。然后將主室溫冷端換熱器101置入熱聲核套筒114中，并與第一回熱器102無縫接觸；最后加裝法蘭加厚墊123及法蘭墊片將系統(tǒng)密封。
[0020]所述的利用中溫熱源的可調(diào)式行波熱聲熱機系統(tǒng)，其中，所述的熱聲核套筒的長度大于第一主室溫冷端換熱器101