[发明专利]可利用多温位热源驱动的热声发动机

说明书

技术领域

本发明涉及热声发动机，尤其涉及一种可利用多温位热源驱动的热声发动机。

背景技术

热声效应是热与声之间相互转换的现象，热声发动机是利用热声效应实现热能到声能转变的机械。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，从根本上消除了常规机械存在的磨损和振动，因而具有寿命长、成本低的优点。热声发动机可采用低品位热能驱动，可利用废热、太阳能和燃气等作为热源。采用低品位的热源不仅有利于节能，而且对于缺乏电能的场合更具有实际意义。此外，热声发动机采用惰性气体作为工质，顺应了环境保护的趋势0。

根据声场特性不同，热声发动机主要分为纯行波型、纯驻波型及行波驻波混合型三种型式。如果不做特别区分，一般也把行波驻波混合型热声发动机称为行波热声发动机，而把纯环路行波热声发动机称为纯行波热声发动机。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°。行波声场中的热声转换过程没有不可逆过程的参与，回热器水利半径远小于气体热渗透深度，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。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，在驻波热声发动机中气体与固体之间存在传热的滞后，这一热滞后造成很大的不可逆损失。由于以上的原因，驻波热声发动机的热力学效率低于行波热声发动机。行波驻波混合型热声发动机在结构上包括一个行波环路和一个谐振直路，其热声转换核心部分是基于行波机制工作的，但它巧妙地利用了谐振管的驻波特性，结合了行波和驻波的优点，热功转换效率可以和内燃机相媲美。

自热声发动机提出以来，各国研究者致力于提高热声发动机的效率，措施包括优化热声发动机的结构以及改进热声发动机部件。热声发动机的加热器和回热器是热声发动机的核心部件，二者的改进对于提高热声发动机的效率有重要的意义。当前，能源紧缺已经成为现代社会面临的重要问题，而当前大量相对较低温位的热源却没有得到充分利用。因此，降低热源的温位无疑可显著提高热声发动机的优势。这需要对热声发动机回热器的工作机理进行分析。

目前为了在热声发动机的回热器中形成温度梯度，分别在回热器的热端和冷端布置加热器和冷却器。通过加热器对回热器的热端进行加热，加热器提供的是单一温位的热源。通过研究发现，交变流动回热器中的气体微团不仅具有传统热力学观点的回热过程(逆流回热过程)，同时还具有进行热声转换的压缩、放热、膨胀以及吸热等完整的热机循环过程。微团从高温热源吸收热量，通过众多气体微团的协同作用，逐步将高温热源的热量转化为声功，而不能转换的部分则排向环境热源之中。回热器中的每个气体微团都可以看作是一个功能完整的微型热声发动机，只不过它们工作在多温位，参考文献[1](罗二仓，戴巍，吴张华等.交变流动热机的介观热力循环理论第二部分 发动机回热器的介观热力循环模型及分析.低温工程.2004，(2)：1-10)。

因此，对不同的气体微团可以根据它们的工作温区，匹配相应温度的热源，而不是采用单一温位的热源。本发明根据热声发动机回热器工作机理，可在同一台热声发动机上采用多温位的热源驱动，在热声发动机效率和性能基本保持不变的条件下采用了更低品位的热源，提高了系统的效率，使得热声发动机能够利用低品位热源驱动这一优点更加突出。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可利用多温位热源驱动的热声发动机。

它包括热声发动机的行波环路和热声发动机的谐振管，热声发动机的行波环路包相连接的直流抑制部件、主冷却器、回热器、热缓冲管、副冷却器及导流器、反馈回路、声容，其特征在于在回热器外侧设有加热装置，加热装置为多温位加热装置，从回热器的高温端到低温端依次布置高温位到低温位的加热装置。

所述的回热器和加热装置为整体结构。热声发动机是行波热声发动机、驻波热声发动机或行波驻波混合型热声发动机。加热装置为加热丝、电热管、硅碳管或感应加热器。加热装置利用的热源为热水、高温蒸汽、中高温烟气或核反应热。

本发明利用回热器内微观气团工作过程的特点，实现在同一台热声发动机上利用多温位的热源驱动，使得驱动热声发动机高温位热源的比重降低，低温位热源的比重增加，从而使热声发动机利用的热源温位拓展到更低，既达到节能的目的，同时并没有降低热声发动机的效率。另外，把热声发动机的回热器和加热装置制作为一体，使热声发动机的结构更加紧凑。

附图说明