[发明专利]一种热声系统用内置式加热器及含该加热器的复合加热器

说明书

本发明公开了一种热声系统用内置式加热器及含该加热器的复合加热器，所述内置式加热器包括一个或多个子加热器，所述子加热器包括N个同心环形结构(1)、中心圆柱(3)和连接架(4)；所述N个同心环形结构(1)按直径大小由小到大同心布置形成一个同心多圈环路，中心圆柱(3)设置在同心多圈环路中心，所述连接架(4)将N个同心环形结构(1)和中心圆柱(3)连接固定在一起；所述同心多圈环路中的任两个同心环形结构之间形成流体流道(2)；流体流道(2)两侧中的一侧或两侧的同心环形结构表面上埋设电加热丝；当内置式加热器为多个子加热器时，多个子加热器之间通过凸台和凹槽配合连接。本发明长期可靠，组装拆卸方便。

技术领域

本发明专利主要涉及一种热声系统用内置式陶瓷加热器，该加热器可以作为一种形式的热端换热器，用于各种热声系统管道内部运动和非运动流体的加热。

背景技术

热声效应是指当可压缩性流体工质(第一种介质)在热声系统中进行声震荡时与固体工质(第二种介质)之间进行热力相互作用而发生的时均能量转换效应。它是由处于声场中的固体工质与振荡流体工质之间的相互作用导致的距离固体壁面一定范围内产生沿着(或逆着)声传播方向的时均热流和时均功流。热声系统是基于热声效应的能实现热和声之间转换的系统。按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是热能向声功的转化，即热致声效应；二是用声波来产生制冷效应，即声致冷效应。基于上述两种热声效应，热声热机分为热声发动机和热声制冷机。

热声发动机是一种新型高效热机，它仅由换热器和管件构成，利用物理中的热声效应，实现热能到声能的转换，整机除了振荡的工作流体之外，没有任何机械运动部件。热声发动机按照声场特性可分为：驻波型、行波型、行驻波混合型。热声发动机的核心部件是：换热器、回热器和加热器。回热器上方的换热器一般被称为主冷端换热器。主冷端换热器作为系统的低温热源，与加热器处于回热器两端，加热器提供热量的同时，主冷端换热器用冷却水进行冷却，在回热器的轴向形成一个很大的温度梯度，这个温度梯度是热声发动机工作的驱动力，当回热器的轴向温度梯度达到临界值时热声发动机就会产生自激振荡，所以热声发动机的正常工作需要一定的温度梯度。由于主冷端换热器的冷端温度较为稳定，所以回热器的轴向温度梯度就主要取决于加热器提供的加热功率。由于热声发动机中的加热器部件处于一个高温环境中，同时有工作流体不断的来回冲击，位置空间也比较固定，所以加热功率以及可靠性是关键所在。

在目前的热声系统中，加热器大都采用电加热的方式，电加热方式是利用电流通过电阻之后产生的热量进行加热，这样对温度的调节和控制都比较方便，加热性能稳定。电加热方式可分为铠装外加热式和内加热式，铠装外加热式加热器即常说的电加热棒，是在一个金属管内沿轴向放入螺旋形电加热丝，空隙部分紧密地填满具有一定导热性和良好绝缘性的材料(如氧化镁)制成，市场上有很多成品销售，目前大多数进行热声发动机研究的实验室都采用这种加热方式。加热棒的优点体现在加热量易于控制、成本低，但是受结构的限制，很难获得较高的加热温度和大的功率密度；其次，加热管处于高温状态(500℃以上)，在电热管和换热器焊接处常发生脱焊问题。内加热方式是把电加热丝(或电加热带)缠绕在陶瓷等耐高温材料制作的绝缘架上，工作气体流体直接与灼热的加热丝表面接触进行加热。这种加热器的功率密度取决于加热丝的电阻率和承受高温的程度，同等加热密度情况下缩短了加热器的长度，减小了管道的绝对热膨胀长度，减少了声波在传播过程中由于粘性摩擦造成的不可逆损失。为增强加热器的紧凑性，一般采用具有高电阻率的镍铬合金电加热丝，这种加热丝的塑性好，容易绕制，表面抗氧化性好，在高温下具有较高的强度，可以在1150℃下反复使用。但内加热方式的缺点正是因为工作气体直接与灼热的加热丝表面接触进行加热，由于气体在热声系统内有频率地不断来回冲击加热丝，在高温下加热丝接近熔点时容易发生断裂，会影响加热器的性能和长期使用可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种热声系统用内置式加热器，不仅克服了之前内加热方式会产生的长期使用可靠性问题，也能够适应多种不同的热声系统及尺寸结构，使得加工和工艺方面的需求降低，组装拆卸更加方便，并不需要重新设计加工整体结构，节省了实验工作量。