[发明专利]热能驱动的具有导流器的环路行波热声热泵

说明书

技术领域

本发明涉及热声热机，尤其涉及一种热能驱动的具有导流器的环路行波热声热泵。

背景技术

近年来，热声热机作为完全无运动部件的新型热力系统，因其交变流动的工作特性以及潜在的稳定性、可靠性、长寿命、采用对环境无公害工质、可采用热能驱动等优点而倍受学术界和工业界的关注，并已取得了许多突破性的进展。尤其是美国洛斯-阿拉莫斯国家实验室的Backhaus和Swift等人提出的热声斯特林发动机，使热声热机的性能有了显著的提高，其热能向机械能转换的效率已经能够与传统热机（如内燃机等）的效率相媲美。

低品位热能（余热、太阳能等）的利用是现阶段能源科技领域的研究热点之一。然而，目前的热声发动机系统多采用温度较高的热源来驱动，这使得其在与传统热机的竞争中无法发挥其自身优势，进而极大地限制了热声技术的实用化空间。因此，如何降低热声系统的起振及运行温度是热声领域的重要技术难题，低温热源驱动的热声系统是热声热机领域近期的重要发展方向之一。与此同时，在现有的行波热声系统中，当热声发动机高温端的加热温度降低后，系统所输出的有效功（最终被负载有效利用的功）与环路中总声功的比值会随之降低，从而极大地影响热声系统的热效率。解决该问题的方法之一是在环路中依次布置多个回热器单元，对声波进行逐级放大。然而，当这些串级回热器单元的数量大于2个时，现有传统的热声系统很难在回热器单元处实现合适的声阻抗，这会导致热声转换效率低下。在此情况下，要想输出足够大的声功，仍需通过提高热源温度来进行弥补，因而也就无法通过增加回热器单元数的方法很好地达到降低热源温度的目的。

本发明的目的正是针对现有热声技术存在的不足，在环路中布置多个回热器单元，并使这些回热器单元处于合适的声阻抗条件，提高热声转换效率，从而降低对驱动热源温度的要求。具体来讲，就是提出了一种包含多个回热器单元的热能驱动的具有导流器的环路行波热声热泵，能在较小的驱动温差下实现热声起振并稳定运行。

发明内容

本发明提供一种热能驱动的具有导流器的环路行波热声热泵，在较小的驱动温差下实现热声起振并稳定运行，获得泵热效果。

所述的一种热能驱动的具有导流器的环路行波热声热泵是由1个或1个以上的热声发动机单元和1个或1个以上的热声热泵单元首尾串联成环路。

所述的热声发动机单元包括顺次相连的发动机第一导流器、发动机冷端换热器、发动机回热器、发动机加热器、发动机第二导流器、热缓冲管、次级冷端换热器、发动机谐振管；所述的热声热泵单元包括顺次相连的热泵第一导流器、热泵高温端换热器、热泵回热器、热泵冷端换热器、热泵第二导流器、热泵谐振管。

所述的发动机冷端换热器、发动机回热器、发动机加热器的横截面积大于热缓冲管、次级冷端换热器、发动机谐振管的横截面积；所述的热泵高温端换热器、热泵回热器、热泵冷端换热器的横截面积大于热泵谐振管的横截面积。

所述的发动机第一导流器、发动机第二导流器、热泵第一导流器、热泵第二导流器为具有多孔流道的锥形结构，孔隙率是0.4~0.9，孔的形式是圆孔或者方孔，导流器的材料是铜、不锈钢或者其他硬质高熔点固体。

所述发动机第一导流器、发动机第二导流器、热泵第一导流器、热泵第二导流器的两侧分别设有金属丝网。

所述热声发动机单元和热声热泵单元的径向尺寸与当地声功的大小相匹配，即声功越大的管段，径向尺寸越大。

本发明中，热声发动机单元中产生的声功将直接驱动同一环路上的热声热泵单元，获得泵热效果。相比现有的热声热泵系统，本发明能利用低品位热源直接驱动获得泵热效果，且无运动部件，结构简单，更有利于系统的长期稳定运行。

传统机械压缩式热泵受工质热物性的局限，适用的温度范围比较有限；吸收式热泵的应用范围也受到工质热物性以及吸收式系统固有缺陷（吸收剂的腐蚀性、易结晶等特点）的限制。所述热能驱动的具有导流器的环路行波热声热泵的泵热温度不受这些条件的限制，因此泵热温度具有更大的自由度，既可以对温度较低的热源进行泵热，以达到制冷或制热用途，也可以对温度较高的热源实现泵热，提高热源品位进而再加以利用。

附图说明

图1是热能驱动的具有导流器的环路行波热声热泵结构示意图；

图2是能驱动的具有导流器的环路行波热声热泵中导流器的结构分解图；