[实用新型]空气冷却方式的热声发动机

说明书

技术领域

本实用新型涉及热声发动机，尤其涉及一种空气冷却方式的热声发动机。

背景技术

热声效应是热与声之间相互转换的现象，即声场中的时均热力学效应。热声热机本质上是一种通过热声效应实现热能与声能之间相互转化或传输的装置。热声热机不需要外部的机械手段就可以使振荡流体的速度和压力之间建立起合理的相位关系，因此，不需要机械传动部件，大大简化了系统的结构。按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡，为热声发动机的工作机理；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输，为热声制冷机的工作原理。只要具备一定的条件，热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。

热声发动机利用热声效应把热能转换为声能，具有如下突出优点：一是没有机械运动部件，结构简单，寿命长；二是直接以热能驱动，可以应用于电能缺乏的场合，特别是近海或者边远地区油气田上天然气和石油伴生气的液化和分离；三是工质是氮气或惰性气体，对环境友好，顺应了环境保护趋势。而脉管制冷机和其它型式的热声制冷机，消除了低温端的运动部件。它的最大特点是结构简单，具有低振动、运行可靠、低磁噪声以及长寿命等优点。热声发动机与热声制冷机相结合就可以构成完全没有运动部件的热声驱动脉管制冷系统，从根本上消除常规机械制冷机中存在的磨损与振动，在天然气液化、石油伴生气的液化与分离、电子元器件冷却等方面具有广阔的应用前景。

根据声场特性不同，热声发动机主要分为驻波型、行波型及驻波行波混合型三种型式。行波声场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差90°。驻波热声发动机一般为直线型布置，所有的部件都在一条轴线上。由于驻波场中速度和压力之间的相位差为90°，当板叠处气体速度处于正向最大时，气体在板叠通道中高速向热端极限移动，掠过正向半个周期运动中的绝大部分位移(即掠过大部分的温度梯度)，因此，这一过程应该是加热最强烈的时间段。但此时也正是压力变化最大的时候，气体在这一时段被迅速压缩，压缩过程和加热过程同时发生，从热力学的角度看既不利于压缩也不利于加热，因此造成气体与固体之间传热的滞后，这一热滞后使得当气体运动变缓吸收热量时气体与固体介质之间已经有相当的温差，从而造成很大的不可逆损失。但是我们也应当看到，如果没有热滞后，驻波声场理论上不能产生声功，它是以降低热力学效率为代价来产生声功的；同理，当气体经历膨胀过程时，却同时经历气体高速向低温端运动的冷却过程，这样的过程既不利于膨胀也不利于放热。从上面的过程分析可以看到：为了在驻波场中实现热功转化就必须采用间距较大的板叠以形成热滞后，使一部分加热发生在压缩过程之后，一部分冷却发生在膨胀过程之后，然而气体同固体间的有限温差热传递造成的不可逆热力过程使整个装置的效率大大降低。

行波热声发动机中回热器填料的空隙尺寸远小于气体热渗透深度，实现了固体与气体间的理想热接触，加热和冷却近似为可逆等温过程。同时，行波声场中速度和压力同相位。在行波热声发动机回热器处，当气体被迅速压缩时，气体运动速度很小，跨过回热器上较小的温度增量，因此可以被高效地压缩，而在加热过程中，气体具有最大的正向速度，跨过最大的温度增长区间，而此时压力却变化很小，因此可以实现高效的吸热膨胀过程，从热力学角度来看这无疑是对热能到声功的转换非常有利；同理，当气体进入压力降低阶段后，气体运动速度较小，掠过热声回热器较小的温度区间，所以利于压力的降低，当气体压力降到一定程度时速度变大，温度变化迅速，气体对回热器放热，气体先经历膨胀再放热。从以上分析可以看出行波声场中的热声转换过程自然进行，没有不可逆过程的参与，并且很小的回热器水利半径能够保证气体与回热器的等温传热，因此，行波热声发动机理论上进行的是可逆热声转换过程，可以获得比驻波热声发动机更高的热力学效率。