一种高效环路型气液耦合热声系统

1.本发明涉及热声技术领域，尤其涉及一种高效环路型气液耦合热声系统。


背景技术：

2.热声技术是一种新型能源转换技术，在太阳能发电或制冷、余热回收利用、天然气液化、深冷制冷等领域具有广阔的应用空间。热声效应是由热在弹性介质(通常为高压惰性气体)中引起声学自激振荡的物理现象。热声热机包括热声发动机和热声制冷机。热声发动机基于热致声效应，利用外部热能产生声波(一种机械能)。热声制冷机基于声致冷效应，利用外部的压力波动将热量从低温端泵送到高温端，获得制冷或泵热效应。热声热机是一种外燃式热机，可以由外部低品位热能驱动，采用氦气、氩气、氮气等惰性气体作为工质，对环境友好无污染。此外，热声热机是利用热声效应实现热声转换的新型热机，可以将热转换为机械能，或用机械能产生温度差，一般由换热器、热声核心转换单元(板叠/回热器)和空管段(热缓冲管、谐振管)组成，无任何机械运动部件，因此具有加工成本低、可靠性高、低振动、寿命长、清洁无污染等优点。
3.近年，空间技术、信息技术等现代工业对制冷及发电系统的效率、寿命和可靠性提出了更高的要求。但目前制冷系统广泛应用的分置式斯特林制冷机和g-m制冷机由于其中存在运动部件，使得其在可靠性、寿命及效率等方面存在一定不足，限制了其进一步的发展。
4.而现有热声系统大多起振温差较高、热声转换效率较低，且整机系统较为庞大，且现有热声制冷系统往往需要在较高的加热温度条件下工作，在效率上与传统的热声制冷系统相比也并不占优势，从而限制了热声系统的推广和应用。因此，提升热声系统的整机效率对热声系统具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明提供一种高效环路型气液耦合热声系统，用以解决现有热声系统整机效率较低的问题。
6.本发明提供一种高效环路型气液耦合热声系统，包括若干个依次相连形成环路的热声单元，环路上串联设有气液谐振器，所述气液谐振器包括u型管和设于所述u型管内部的液体振子，所述u型管上还连接有旁通管。
7.根据本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，所述旁通管连接于所述u型管的中间部位。
8.根据本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，所述旁通管的一端连接于所述u型管，另一端设有储液段，所述储液段的截面尺寸大于所述旁通管与所述u型管相连一端的截面尺寸。
9.根据本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，所述环路的内部在所述液体振子的两侧分别设有弹性阻挡结构。
10.根据本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，所述弹性阻挡结构包括弹性膜或浮子。
11.根据本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，所述u型管在所述液体振子的两侧分别设有缓冲段，所述缓冲段的截面尺寸大于所述u型管与液体振子对应处的截面尺寸。
12.根据本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，所述气液谐振器与所述热声单元一一对应设置。
13.根据本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，所述热声单元包括热声发动机。
14.根据本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，所述热声单元还包括热声制冷机，所述热声制冷机旁接于所述环路或者所述热声制冷机串联于所述环路。
15.根据本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，所述热声单元还包括发电机，所述发电机旁接于所述环路。
16.本发明提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，采用气体和液体作为谐振器的振子，有效利用液体振子的高质量惯性声感和气体振子的高可压缩性声容，强化声振荡，提高系统的效率；另外在u型气液耦合谐振器上增设旁通结构，可以有效改善系统压缩腔和膨胀腔因温度不同导致的系统最优扫气量的不同，解决现有环路型热声系统中热声发动机或者热声制冷机与理想的热声发动机或制冷机进出口所需最佳扫气体积流比例和相位需求不匹配问题，进一步提升系统的效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明提供的热声系统一种应用实例示意图；
19.图2是本发明提供的气液谐振器的结构示意图之一；
20.图3是本发明提供的气液谐振器的结构示意图之二；
21.图4是本发明提供的热声系统另一种应用实例示意图；
22.图5是本发明提供的热声系统又一种应用实例示意图。
23.附图标记：
24.1、发动机室温换热器；2、发动机回热器；3、发动机热端换热器；4、热缓冲管；5、制冷机室温换热器；6、制冷机回热器；7、制冷机冷端换热器；8、制冷机脉冲管；9、连接管；10、气液谐振器；101、缓冲段；11、液体振子；12、旁通管；121、储液段；13、弹性膜；14、气体振子；15、发动机主室温换热器；16、发动机回热器；17、发动机热端换热器；18、发动机热缓冲管；19、发动机次室温换热器；20、连接管；21、制冷机主室温换热器；22、制冷机回热器；23、制冷机冷端换热器；24、制冷机热缓冲管；25、制冷机次室温换热器；26、惯性气库；27、气液谐振器；28、发动机主室温换热器；29、发动机回热器；30、发动机热端换热器；31、发动机热缓冲管；32、发动机次室温换热器；33、直线电机；34、气液谐振器。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.下面结合图1-图5描述本发明的高效环路型气液耦合热声系统。
27.参考图1，本实施例提供一种高效环路型气液耦合热声系统，该高效环路型气液耦合热声系统包括若干个依次相连形成环路的热声单元，环路上串联设有气液谐振器10。参考图2，气液谐振器10包括u型管和设于u型管内部的液体振子11，u型管上还连接有旁通管12。旁通管12与u型管相连通。u型管内同时存在有气体振子。u型管内部与环路内部相连通。
28.本实施例提供的一种高效环路型气液耦合热声系统，采用气体和液体作为谐振器的振子，有效利用液体振子的高质量惯性声感和气体振子的高可压缩性声容，强化声振荡，提高系统的效率；另外在u型气液耦合谐振器上增设旁通结构，可以有效改善系统压缩腔和膨胀腔因温度不同导致的系统最优扫气量的不同，解决现有环路型热声系统中热声发动机或者热声制冷机与理想的热声发动机或制冷机进出口所需最佳扫气体积流比例和相位需求不匹配问题，进一步提升系统的效率。其中，环路上，通过液体振子11隔开的两侧空间分别为压缩腔和膨胀腔。
29.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2，旁通管12连接于u型管的中间部位。即u型管关于旁通管12呈对称结构。
30.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2和图3，旁通管12的一端连接于u型管，另一端设有储液段121，储液段121的截面尺寸大于旁通管12与u型管相连一端的截面尺寸。即储液段121的截面尺寸大于旁通管12其他部位的截面尺寸。可提高旁通管12的储液容量，保证对系统压缩腔和膨胀腔所需最佳扫气体积流比例与相位需求不匹配问题的改善效果。进一步地，旁通管12与u型管相连一端的相对端呈封闭状。
31.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2和图3，环路内部在液体振子11的两侧分别设有弹性阻挡结构。两侧弹性阻挡结构将液体振子11限定在两侧弹性阻挡结构之间，用于抑制声直流现象及防止液体溅出影响系统性能。
32.在上述实施例的基础上，进一步地，弹性阻挡结构包括弹性膜13或浮子。
33.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图3，u型管在液体振子11的两侧分别设有缓冲段101，缓冲段101的截面尺寸大于u型管与液体振子对应处的截面尺寸。即u型管上缓冲段101的截面尺寸大于其他部位的截面尺寸。设置缓冲段101可起到缓冲液面紊流现象的作用。缓冲段101设于液体振子11的液面上方。
34.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，气液谐振器10与热声单元一一对应设置。即在环路上气液谐振器10的设置数量与热声单元的数量相同。每个热声单元对应连接一个气液谐振器10。
35.在上述实施例的基础上，进一步地，热声单元包括热声发动机。多个热声单元相连形成环路有利于提升系统性能。
36.在上述实施例的基础上，进一步地，热声单元还包括热声制冷机，热声制冷机旁接于环路或者热声制冷机串联于环路。
37.在上述实施例的基础上，进一步地，热声单元还包括发电机，发电机旁接于环路。
38.即热声单元可包括热声发动机，以及串联于环路或旁接于环路的执行结构；执行结构可包括热声制冷机或发电机。本系统可采用旁接或直连制冷机及旁接发电机的形式，广泛适用于环路型热声驱动的发电机、制冷机系统。
39.参考图1为本实施例提供的直连型四级环路行波热声制冷系统。系统包括四个基本单元，每个基本单元依次包括热声发动机、热声制冷机和气液谐振器10。热声制冷机串联于环路时，热声发动机由发动机室温换热器1、发动机回热器2、发动机热端换热器3组成；热声制冷机由制冷机室温换热器5、制冷机回热器6、制冷机冷端换热器7、制冷机脉冲管8组成；热声发动机与热声制冷机直接通过热缓冲管4相连。基本单元通过连接管9相连形成环路。参考图2，气液谐振器由液体振子11、旁通管12、弹性膜13、气体振子14组成。其中，采用弹性橡胶膜目的为抑制声直流现象及防止液体溅出影响机器性能，但不局限于弹性橡胶膜，亦可采用如浮子、扩大管径截面积以缓冲液面紊流现象等方式。
40.特别地，系统在u型气液耦合谐振器中增设了旁通管12，改善了膨胀腔与压缩腔因温度不均造成的热声发动机或制冷机进出口所需最佳扫气体积流比例和相位不匹配问题，提升了系统的效率。具体解释为：系统运行过程中，液体工质将u型气液耦合谐振器两端分隔为压缩腔与膨胀腔，膨胀腔温度t1高于压缩腔温度t2，致使膨胀腔的气体密度ρ1相对于压缩腔气体密度ρ2较低，谐振器两端质量流率一定，由质量守恒定律：ρ
1v1
＝ρ
2v2
，ρ1＜ρ2，可得膨胀腔体积v1大于压缩腔体积v2。因此，为了避免热声发动机或热声制冷机与理想的热声发动机或制冷机进出口所需最佳扫气体积流比例和相位不匹配，在u型管中部增设旁通管12进行调节，可以有效提高系统的效率。
41.系统工作原理为：热声发动机的发动机高温换热器3采用外部热源加热，发动机室温换热器1采用室温冷却水冷却，从而发动机回热器2中存在一个温度梯度，发动机回热器2中可压缩气体工质形成的的声振荡与固体填充材料之间由于热相互作用而产生时均能量效应，当轴向温度梯度超过临界值时，自激热声振荡开始，热声发动机产生的声功传递到热声制冷机中产生制冷效应，剩余声功通过旁通型气液耦合谐振器传递给下一基本单元，形成循环。特别地，本实施例提供的直连型四级环路行波热声制冷系统中，热声发动机与热声制冷机直接相连，中间的谐振管被省去，结构上更加紧凑。热声发动机产生声功直接驱动热声制冷机，然后通过谐振机构反馈给下一个单元，可以降低声功在谐振管内的损失，提升系统热制冷系数。
42.除了上述结构流程将制冷机直连在环路中，也可将制冷机旁接于环路中。图4为本实施例设计的旁接型三级环路热声制冷系统示意图。与上述直连型四级环路行波热声制冷系统作用相同，系统包括三个基本单元依次连接。每个基本单元依次包括热声发动机、热声制冷机和旁通型气液耦合谐振器。热声制冷机旁接于环路时，热声发动机由发动机主室温换热器15、发动机回热器16、发动机热端换热器17、发动机热缓冲管18、发动机次室温换热器19组成；热声制冷机由制冷机主室温换热器21、制冷机回热器22、制冷机冷端换热器23、制冷机热缓冲管24、制冷机次室温换热器25、惯性气库26组成；其中热声制冷机通过连接管20旁接在热声发动机出口处。气液谐振器27由液体振子、旁接管、弹性膜、气体组成；结构与图2所示结构一致。其中，采用弹性橡胶膜目的为抑制声直流现象及防止液体溅出影响机器性能，但不局限于弹性橡胶膜，亦可采用如浮子、扩大管径截面积以缓冲液面紊流现象等方
式。
43.特别地，系统在u型气液耦合谐振器中增设了旁通管，改善了膨胀腔与压缩腔最佳扫气体积流比例和相位不匹配现象，提升了系统的效率。具体解释为：系统运行过程中，液体工质将u型气液耦合谐振器两端分隔为压缩腔与膨胀腔，膨胀腔温度t1高于压缩腔温度t2，致使膨胀腔的气体密度ρ1相对于压缩腔气体密度ρ2较低，谐振器两端质量流率一定，由质量守恒定律：ρ
1v1
＝ρ
2v2
，ρ1＜ρ2，可得膨胀腔体积v1大于压缩腔体积v2。因此，为了避免热声发动机或热声制冷机与理想的热声发动机或制冷机进出口所需最佳扫气体积流比例和相位不匹配，在u型管中部增设旁通管进行调节，可以有效提高系统的效率。
44.系统工作原理为：热声发动机的发动机热端换热器17采用外部热源加热，发动机主室温换热器15和发动机次室温换热器19采用室温冷却水冷却，从而发动机回热器16中存在一个温度差，发动机回热器16中可压缩气体工质形成的声振荡与固体填充材料之间由于热相互作用而产生时均能量效应，当轴向温度梯度超过临界值时，自激热声振荡开始，热声发动机产生的声功传递到热声制冷机中产生制冷效应，剩余声功通过旁通型气液耦合谐振器传递给下一基本单元，形成循环。
45.图5为本实施例设计的三级环路热声发电系统示意图。系统包括三个基本单元依次连接，每个基本单元依次包括热声发动机、直线电机和气液谐振器34。发电机旁接于环路，热声发动机由发动机主室温换热器28、发动机回热器29、发动机热端换热器30、发动机热缓冲管31和发动机次室温换热器32组成。气液谐振器34由液体振子、旁通管，弹性膜和气体组成，具体结构参见图2。其中，采用弹性橡胶膜目的为抑制声直流现象及防止液体溅出影响机器性能，但不局限于弹性橡胶模，亦可采用如浮子、扩大管径截面积以缓冲液面紊流现象等方式。此外，系统在u型气液耦合谐振器中增设了旁通管，改善了膨胀腔与压缩腔最佳扫气体积流比例和相位不匹配现象，提升了系统的效率。直线电机33旁接在热声发动机与旁接型气液耦合谐振器34之间。
46.系统工作原理为：发动机热端换热器30采用热源加热，发动机主室温换热器28和发动机次室温换热器32采用室温冷却水冷却，从而发动机回热器29中存在一个温度差。当轴向温度梯度超过临界值时，自激热声振荡开始，热声发动机产生的声功直接驱动直线电机33进行发电，剩余的声功通过旁接型气液谐振器34传递给下一个基本单元，形成循环。特别地，直线电机采用旁接型，与发动机具有更广泛的阻抗匹配性，因此广泛适用于高温热源和中低温热源。
47.在上述实施例的基础上，进一步地，目前现有的热声系统大多采用气体谐振器，由于气体工质的密度较小，声感较小，致使系统的工作频率较高、压比较小，从而系统的效率较低。具体解释为，从电声类比的角度来看，系统的工作频率为压力波动幅值p与成正比，其中l为声感，c为声容。对于传统的气体谐振器，其中lg为气体声感，ρg为气体密度，lg为谐振管长度，a为谐振管截面积。
48.由于气体工质的密度较低，使得气体谐振器声感较小，进而导致系统的工作频率较高，声功损失较大，运行效率较低。而气液耦合型热声系统虽然由于液体工质相对于气体
工质具有较高的密度和较大的声学惰性，提高了系统的效率并降低了起振温度和频率，但是液体工质将气液耦合谐振器两端分隔为压缩腔与膨胀腔，两腔体内温度不同导致二者内部气体密度不同，压力产生差异，实际运行中热声发动机或热声制冷机与理想的热声发动机或制冷机进出口所需最佳扫气体积流比例和相位不匹配，进而使系统效率降低，限制了其进一步的发展。
49.提高热声系统的整机效率对于热声发电或制冷系统具有重要意义。针对以上问题，本发明采用气液耦合谐振器代替传统的气体谐振管，充分利用液体振子的高质量惯性声感和气体振子的高可压缩性声容形成气液耦合型热声驱动制冷系统，强化声振荡，降低工作频率，减少声功损失。同时，在u型气液耦合谐振器上增设旁通结构，可以有效改善系统压缩腔和膨胀腔因温度不同导致的热声发动机或制冷机进出口所需最佳扫气体积流比例与相位需求不匹配问题，进而使系统获得更高的效率。系统可采用旁接或直连制冷机及旁接发电机的形式。因此，本发明所提出的实施例广泛适用于环路热声驱动发电机、制冷机系统。
50.本实施例将原有气体谐振机构改为旁通型气液耦合谐振器，在u型管中部增设旁通管，避免系统实际运行中因压缩腔和膨胀腔温度不同导致的热声发动机或制冷机进出口所需最佳扫气体积流比例与相位需求不匹配，致使系统效率降低的情况。所提出的实施例广泛适用于环路型热声驱动发电机、环路型热声驱动制冷机系统。旁通型气液耦合谐振器内气体可采用氦气、氮气、氩气等多种惰性气体，环保无污染。系统可采用图1、图4、图5结构形式，其中环路型系统环路级数为n级，由n个结构相同的热声单元通过旁接型气液耦合谐振器首尾相连组成环路结构，n＝1-10范围内的正整数。制冷机通过旁接或者串接方式直接与发动机相连，取消了发动机和制冷机之间的调相器，有利于减少声功损失。直线发电机采用旁接型，与发动机具有更广泛的匹配性，因此适用于高温和中低温热源。
51.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。