一種環(huán)路多級(jí)聲功回收型熱驅(qū)動(dòng)行波熱聲制冷系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于制冷領(lǐng)域，特別涉及一種環(huán)路多級(jí)聲功回收型熱驅(qū)動(dòng)行波熱聲制冷系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱聲現(xiàn)象是發(fā)生在振蕩流體和固體壁面之間的熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化過程，它的兩個(gè)重要應(yīng)用就是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和脈管制冷機(jī)。在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過加熱器對(duì)氣體加熱，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生自激的壓力振蕩，熱能被轉(zhuǎn)換為聲能；在脈管制冷機(jī)中，聲功在回?zé)崞鲀?nèi)將熱量從低溫端搬運(yùn)到高溫端被消耗掉。如果用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)來驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)，便產(chǎn)生一種從驅(qū)動(dòng)源到冷端都沒有任何運(yùn)動(dòng)部件的制冷機(jī)一熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)，它具有可靠性高、壽命長(zhǎng)和潛在熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。根據(jù)熱聲轉(zhuǎn)換的聲場(chǎng)特性，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)通常分為行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)基于可逆的熱聲斯特林循環(huán)，相較于基于不可逆循環(huán)的駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)而言潛在熱效率高，應(yīng)用前景好。
[0003]圖1為Backhaus和Swift設(shè)計(jì)的一臺(tái)帶諧振管的環(huán)形管行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。從聲場(chǎng)性質(zhì)來看，這是一臺(tái)高效行/駐波混合型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。該行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)主要由行波環(huán)路和諧振管21組成，通過設(shè)計(jì)使發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞?處于行波聲場(chǎng)，同時(shí)在駐波諧振管末端引進(jìn)了局部行波回路，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞?處的阻抗，在性能上有很大的提高。但是，該行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)有很大一部分聲功在駐波諧振管21中耗散掉，不能得以利用，潛在效率較低；同時(shí)，諧振管尺寸很大，系統(tǒng)功率密度低，制約了其進(jìn)一步的應(yīng)用。
[0004]圖2為專利W02010107308A1公布的一種四級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。該多級(jí)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)相同的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元通過諧振管21相連構(gòu)成的環(huán)路，每個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元由依次相連的發(fā)動(dòng)機(jī)主冷卻器4、發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞?和加熱器(6)組成。該系統(tǒng)能夠有效地回收耗散在諧振管21中的聲功，潛在效果高。同時(shí)，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞?處的面積，有效地減小了工質(zhì)振蕩速率，粘性損失減小。該系統(tǒng)采用的諧振管21體積較小，能夠有效地避免圖1中的諧振管21帶來的體積過大，功率密度低等問題。但是，該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中未加入熱緩沖管等結(jié)構(gòu)，容易造成冷熱氣體混合損失，導(dǎo)致熱量大量損耗在諧振管中，同時(shí)在環(huán)路系統(tǒng)中未安裝發(fā)動(dòng)機(jī)直流抑制器，降低了系統(tǒng)的效率。
[0005]圖3為羅二倉(cāng)等人提出的環(huán)路多級(jí)熱聲制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由多級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元1和至少一個(gè)脈管制冷機(jī)單元2組成。每一級(jí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元1通過諧振管21首尾相連構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)，脈管制冷機(jī)單元2旁接于諧振管21。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高，且熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的聲功能夠得到回收，潛在熱效率高。與圖2相比，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元1中增加了熱緩沖管8、發(fā)動(dòng)機(jī)次冷卻器10、高溫端層流化元件7和發(fā)動(dòng)機(jī)室溫端層流化元件9，在利用高溫?zé)嵩磿r(shí)，可以大大減少諧振管21內(nèi)的熱量損失；同時(shí)，增加的發(fā)動(dòng)機(jī)直流抑制器3可消除環(huán)路直流帶來的影響，使性能明顯提高。但是，該系統(tǒng)中脈沖管制冷機(jī)單元2中從制冷機(jī)次冷卻器19出來的聲功被耗散在調(diào)相機(jī)構(gòu)22中，完全沒有得到回收，因此限制了系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提升。
[0006]為了解決以上存在的問題，本發(fā)明提出了一種環(huán)路多級(jí)聲功回收型熱驅(qū)動(dòng)行波熱聲制冷系統(tǒng)。它不僅保持了發(fā)動(dòng)機(jī)回路可實(shí)現(xiàn)聲功回收功能，而且也能使制冷機(jī)回路實(shí)現(xiàn)聲功回收，具有潛在的整機(jī)高效率；熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和脈管制冷機(jī)單元的回?zé)崞骶蓪?shí)現(xiàn)行波轉(zhuǎn)換，熱聲轉(zhuǎn)換效率高；系統(tǒng)無任何運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高，結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高；該系統(tǒng)可根據(jù)冷量的需求串聯(lián)多個(gè)熱聲單元實(shí)現(xiàn)大冷量輸出，適合應(yīng)用于天然氣液化、氣體再冷凝等大冷量需求場(chǎng)合，具有良好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)路多級(jí)聲功回收型熱驅(qū)動(dòng)行波熱聲制冷系統(tǒng)，其整機(jī)無運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度高；脈管制冷機(jī)并聯(lián)于諧振管，能使制冷機(jī)回路實(shí)現(xiàn)聲功回收，具有潛在的整機(jī)高效率；熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和脈管制冷機(jī)單元的關(guān)鍵部件均在環(huán)路中，可實(shí)現(xiàn)行波轉(zhuǎn)換，熱聲轉(zhuǎn)換效率高；該裝置在天然氣液化等大冷量需求場(chǎng)合具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]本發(fā)明提供的環(huán)路多級(jí)熱驅(qū)動(dòng)型行波熱聲制冷系統(tǒng)，一種環(huán)路多級(jí)熱驅(qū)動(dòng)型行波熱聲制冷系統(tǒng)，其由N個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元1通過諧振管21首尾相連構(gòu)成的環(huán)路結(jié)構(gòu)及N個(gè)脈管制冷機(jī)單2組成；N為3?10的正整數(shù)；
[0010]每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元1均由依次相連的發(fā)動(dòng)機(jī)主冷卻器4、發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞?、加熱器6、高溫端層流化元件7、熱緩沖管8、發(fā)動(dòng)機(jī)室溫端層流化元件9和發(fā)動(dòng)機(jī)次冷卻器10組成；
[0011]每一脈管制冷機(jī)單元2均由依次相連的制冷機(jī)主冷卻器13、制冷機(jī)回?zé)崞?4、冷頭15、低溫端層流化元件16、脈沖管17、制冷機(jī)室溫端層流化元件18和制冷機(jī)次冷卻器19組成；所述每一脈管制冷機(jī)單元2的低溫端層流化元件16安裝在每一脈沖管17的低溫側(cè)，所述每一脈管制冷機(jī)單元2的制冷機(jī)室溫端層流化元件(18)安裝在每一脈沖管17的室溫側(cè)；
[0012]每一諧振管21的連接發(fā)動(dòng)機(jī)次冷卻器10端起的一段諧振管段兩端分別連接一前連接管11和一后連接管20，前連接管11長(zhǎng)度大于后連接管20長(zhǎng)度，前連接管11和后連接管20之間連接脈管制冷機(jī)單元2，脈管制冷機(jī)單元2的制冷機(jī)次冷卻器19與后連接管20相連，脈管制冷機(jī)單元2的制冷機(jī)主冷卻器13與前連接管11相連；該一段諧振管段、脈管制冷機(jī)單元2和前連接管11依次相連并形成封閉回路；一個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元1和一個(gè)該封閉回路構(gòu)成一熱聲轉(zhuǎn)換單元；所述環(huán)路多級(jí)熱驅(qū)動(dòng)型行波熱聲制冷系統(tǒng)有N個(gè)熱聲轉(zhuǎn)換單元，N個(gè)熱聲轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)相同；
[0013]每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元1的加熱器6均與熱源相連以吸收熱源熱量形成相同溫度的高溫端；所述發(fā)動(dòng)機(jī)主冷卻器4和發(fā)動(dòng)機(jī)次冷卻器10通過冷卻器的冷卻水冷卻以維持在室溫范圍；為此，每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元的發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞?上形成相同的溫度梯度；在該溫度梯度下，發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞?內(nèi)部工作氣體與其內(nèi)的固體填料間產(chǎn)生熱聲效應(yīng)，將輸入到加熱器6的熱量轉(zhuǎn)化成聲功；聲功沿著溫度梯度的正方向傳播并放大，一部分聲功傳遞到諧振管21中，另一部分通過前連接管11傳遞到制冷機(jī)回?zé)崞?4中發(fā)生熱聲轉(zhuǎn)換，將每一脈管制冷機(jī)單元2的冷頭15熱量栗送至該脈管制冷機(jī)單元2的制冷機(jī)主水冷器13輸出，熱量由冷卻器中的冷卻水帶走，使每一脈管制冷機(jī)單元2冷頭15保持低溫；從制冷機(jī)次冷卻器19出來的聲功通過后連接管20回收到諧振管21中，與之前傳遞到諧振管21的聲功一起繼續(xù)傳遞到下一熱聲轉(zhuǎn)換單元中，重復(fù)上述過程完成環(huán)路多級(jí)熱驅(qū)動(dòng)型行波熱聲制冷。
[0014]每一熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元1的制冷劑主冷卻器4入口處連接一發(fā)動(dòng)機(jī)直流抑制器3 ;每一熱脈管制冷機(jī)單元2的制冷機(jī)主冷卻器13入口處連接一制冷機(jī)直流抑制器12 ;所述發(fā)動(dòng)機(jī)直流抑制器3和制冷機(jī)直流抑制器12為彈性隔膜元件或者非對(duì)稱水力元件。
[0015]所述前連接管11和后連接管20的直徑相等或不相等。
[0016]所述后連接管20連接于諧振管21的任意位置處。
[0017]所述脈沖制冷機(jī)單元2中的脈沖管17冷端垂直向下布置，以降低自然對(duì)流帶來的損失。
[0018]所述的環(huán)路多級(jí)聲功回收型熱驅(qū)動(dòng)行波熱聲制冷系統(tǒng)使用的工質(zhì)為氦氣、氫氣、氮?dú)饣蚱浣M合。
[0019]本發(fā)明的環(huán)路多級(jí)聲功回收型熱驅(qū)動(dòng)行波熱聲制冷系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于:將脈管制冷機(jī)并聯(lián)于諧振管，能使制冷機(jī)回路實(shí)現(xiàn)聲功回收，同時(shí)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)串接于環(huán)路，也能夠?qū)崿F(xiàn)聲功回收，具有潛在的整機(jī)高效率；整機(jī)無運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度高；熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和脈管制冷機(jī)單元的關(guān)鍵部件均在環(huán)路中，可實(shí)現(xiàn)行波轉(zhuǎn)換，熱聲轉(zhuǎn)換效率高；可根據(jù)冷量需求串聯(lián)多個(gè)熱聲轉(zhuǎn)換單元，實(shí)現(xiàn)大冷量輸出。
【附圖說明】
[0020]圖1是Swift等人提出的帶諧振管的環(huán)形管行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是De Block等人提出的四級(jí)彳丁波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不意圖；
[0022]圖3是羅二倉(cāng)等人提出的環(huán)路多級(jí)行波熱聲制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明的環(huán)路多級(jí)聲功回收型熱驅(qū)動(dòng)行波熱聲制冷系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5是本發(fā)明的環(huán)路多級(jí)聲功回收型熱驅(qū)動(dòng)行波熱聲制冷系統(tǒng)實(shí)施例中單個(gè)熱聲轉(zhuǎn)換單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026]本發(fā)明可在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和脈管制冷機(jī)末端實(shí)現(xiàn)聲功回收，具有潛在的整機(jī)高效率；整機(jī)無運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度高；熱系統(tǒng)環(huán)路中各個(gè)位置可實(shí)現(xiàn)行波相位，提高工作效率；可根據(jù)冷量需求串聯(lián)多個(gè)熱聲轉(zhuǎn)換單元，實(shí)現(xiàn)大冷量輸出，在天然氣液化、再冷凝方面具有良好的應(yīng)