[发明专利]一种利用中温热源的可调式行波热声热机系统

说明书

本发明公开了一种利用中温热源的可调式行波热声热机系统，它是由一个或两个行波热声热机单元、反馈环路、谐振管、调节阀、负载以及必要的法兰连接件和T型三通组成的环形结构。热声热机单元包括依次相连的主室温冷端换热器、回热器、热端热器、热缓冲管、次室温冷端换热器。本发明能够在中温热源或低品位热能的加热下实现系统的起振并稳定运行，输出声功，并且提高了转换效率；并且本发明具有如下优点：本热声热机系统的可调性主要体现在：①热声热机级数可调；②回热器长度可调；③系统自激振荡频率可调；④压力波与速度波相位可调;⑤系统与外置负载匹配性可调。

技术领域

本发明涉及热功转换技术领域，尤其涉及一种利用中温热源的可调式行波热声热机系统。

背景技术

热声系统是基于热声效应而发展起来的一种新型热功转换装置，因其无机械运动部件、无有害物质排放、可采用热能，且可靠性高、寿命长、效率高等优点，一直以来备受关注。热声系统包括热声热机系统和热声制冷机系统两种类型。热声热机基于卡诺循环原理将输入系统的热能转换为声功，热声制冷机基于逆卡诺循环原理利用输入系统的机械能或声功进行供热或制冷。由于可产生热声效应的流体介质要有可压缩性、较大的热膨胀系数及较小的普朗特数，且在高温环境下理化性质需稳定，故系统一般采用氮气、氦气等惰性气体作为工作介质。

行波热声热机作为热声热机的一种，系统内部的压力波动与速度波动同相，其回热器内部的热力循环为可逆的斯特林循环。驻波型热声热机系统内部的压力波动与速度波动相位差近90°，理论上没有声功输出，但是由于其回热器内部进行不可逆热力学循环，导致压力与位移波偏离同相或反相，才能实现声功的输出，故驻波型热声热机也称内禀不可逆热机。相比之下，行波热声热机的内部损失较小，热效率高，是未来热声研究及应用领域主要的发展方向。

中温热源及低品位热能的利用，是实现节能减排的一种重要途径。现有技术中的行波热声热机虽然可以实现热功转换，但是因其多采用较高温度的热源来驱动，且热效率还不足以与传统热机(如燃气轮机、内燃机等)相媲美等缺陷的存在，使得热声热机的应用受到了极大的限制。故到目前为止，热声热机在工业上的应用实例少之又少。如何降低行波热声热机的起振温度，如何提高行波热声热机的热效率等问题逐渐成为热声领域的主要技术难题。

回热器作为热声热机的关键部件，其设计结构、材料类型及特征尺寸对系统运行特性有着至关重要的影响。但是由于回热器高温高压的工作环境以及热声系统的高气密性要求等原因，使得研究回热器的长度变化对热声热机系统的性能影响变得十分困难。现阶段对回热器的大量实验研究均集中在回热器结构和材料对系统特性的影响，很少有关于回热器长度变化的研究。其次，回热器是否处于高声阻抗位置是系统具有较高性能的关键，设计初期的计算不能完全确定回热器的位置，也是需要面对的问题之一。此外，通过调整加热器的加热温度来实现对热声热机的输出功率的控制是现有技术中热声热机系统的主要调节方式。这种调节方式的缺点在于，经常改变加热器的加热温度会大大降低加热器的使用寿命。

另外振荡频率是热声热机系统的重要特性参数之一，合适的系统振荡频率对系统热效率、输出功率及负载的匹配性都有着至关重要的影响。如何根据热声系统的运行环境、热效率及负载的匹配性确定合适的系统自激振荡频率，并能在实验过程中根据需要调节系统的自激振荡频率也是所关注的问题之一。

现有技术体中的热声热机系统存在以下缺陷：①热声热机级数基本不可调；②回热器长度也基本不可调；③系统自激振荡频率也基本不可调；④压力波与速度波相位也基本不可调;⑤系统与外置负载匹配性也基本不可调。即现有技术中没有实现利用中温热源的可调式行波热声热机系统，不方便根据各种环境使用。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种利用中温热源的可调式行波热声热机系统，能够在中温热源或低品位热能的加热下实现系统的起振并稳定运行，输出声功，并且提高了转换效率。