[发明专利]低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机

说明书

技术领域

本发明涉及热发动机装置，尤其涉及一种低品位热源驱动的热声发动机。

背景技术

热声发动机也称热声压缩机，或者热声驱动器，它仅有换热器和管段构成，除交变流动的流体工质外，没有机械运动部件，因此具有结构简单、运行稳定可靠、长寿命等特点，受到学术界和工业界的关注。

热声发动机通常采用气体作为工质，利用气体声场在回热器（或板叠）中与固体边界的热相互作用将热能转换为机械能，具体表现为在输入热量的条件下，当沿回热器（或板叠）的温度梯度大于临界值时，气体工质将产生自激振荡，热能被转换为气体压力波的机械能，并可将所产生的机械能以压力波的形式输出，而压力波可被用于驱动发电机发电或者制冷机获得制冷效应，以满足人们的应用需求。

虽然热声现象的发现可以追溯到200年以前，但由于热声发动机是自激振荡系统，不依赖于传统回热式气体热机中的曲柄、连杆、活塞等固体运动机械结构来强制流体的运动规律，虽然结构简单，但内部耦合机制非常复杂，直到最近20年热声发动机才获得突破性进展。

目前，采用气体工质的热声发动机压比可达1.4。利用热声发动机驱动直线发电机已经可以输出数百瓦的电功率，热电转换效率已经达到15%。采用热声发动机，通过弹性膜和声压放大器构成的耦合结构驱动脉管制冷机已经实现低于20K的制冷温度。通过燃烧一部分天然气的热量来驱动热声发动机，再由热声发动机驱动脉管制冷机进而液化天然气也已经实现了装置示范，对于远洋或者荒漠中开采天然气并以液化天然气的形式加以运输具有应用前景。

然而，分析现有气体工质热声发动机的工作机理和技术现状可以发现，它们存在诸如驱动热源温度较高（通常高于300℃）而难以直接利用低品位热源，以及能量密度相对较小导致系统体积较大等不足，限制其实际应用，是目前热声发动机相关研究领域亟待解决的重要问题。

正是在这样的技术背景下，本发明提出了一种低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机。相比于传统气体工质热声发动机，本发明主要利用了工质气液相变的物性特点（包括工质在理想的气液相变过程中温度是恒定的，较小的温度变化可对应较大的饱和压力变化，以及气液相变前后工质比容变化大等），通过气液相变热声效应实现热声转换，其主要目的就是为了改善热声发动机对于低品位热源的适应性，并提高热声发动机的单位体积能量密度，进而推进其实用化进程。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机。

低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机包括顺次连接的第一加热器、第一热缓冲管、第一冷却器、U形管、第二冷却器、第二热缓冲管、第二加热器，U形管内设有液体活塞。

所述的液体活塞为二氟甲烷CH₂F₂、氨NH₃、五氟一氯乙烷CF₂ClCF₃、八氟丙烷CF₃CF₂CF₃，液体活塞液面以上的系统空间中为所采用液体活塞工质的蒸气。

本发明公开的低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机，利用了工质气液相变的物性特点，可小温差大压比运行，利于实现对低品位热源的利用；单位体积的能量密度远大于传统气体工质热声发动机系统，有利于实现系统装置的小型化；并且气液耦合振动，可综合利用气态工质的可压缩性和液态工质的高密度质量惯性优化热声发动机系统的声阻抗。

附图说明

图1是驻波型气液相变热声发动机示意图；

图中：第一加热器1、第一热缓冲管2、第一冷却器3、U形管4、液体活塞5、第二冷却器6、第二热缓冲管7、第二加热器8；

图2是驻波声场的位移、速度和压力振动图；

图3是驻波声场气液相变热声效应理想热力循环图。

具体实施方式

如附图1所示，低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机包括顺次连接的第一加热器1、第一热缓冲管2、第一冷却器3、U形管4、第二冷却器6、第二热缓冲管7、第二加热器8，U形管4内设有液体活塞5。