專利名稱：一種尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機(jī)裝置，特別涉及一種尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)
直O(jiān)
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車、輪船、飛機(jī)、鍋爐尾氣的排放量日益增大。雖然各種燃燒設(shè)備采用先進(jìn)的裝置強(qiáng)化了燃燒，降低了不完全燃燒量，空燃比也趨于合理。然而， 降低排煙熱損失和回收尾氣余熱的技術(shù)仍進(jìn)展不快。燃油在發(fā)動機(jī)中燃燒產(chǎn)生的熱量除去冷卻水和摩擦等損失外，還有約30% 40%的能量以尾氣余熱的形式排放到大氣中去。尾氣的廢棄熱量約為燃燒總量的16%左右。各種燃燒尾氣具有溫度高(500°C以上)、壓強(qiáng)大、 流速快等特點。為了進(jìn)一步提高熱效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，回收尾氣余熱也是一項重要的節(jié)能途徑。熱聲發(fā)動機(jī)是利用熱聲效應(yīng)，實現(xiàn)熱能到聲能轉(zhuǎn)化并實現(xiàn)聲功輸出的聲波發(fā)生器。熱聲發(fā)動機(jī)的機(jī)理是通過流體的壓縮、膨脹、位移與固體界面進(jìn)行熱交換。同傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，熱聲發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、可靠性高、使用壽命長；它采用氮氣、氦氣等惰性氣體作為工質(zhì)，工質(zhì)環(huán)境友好，無污染；熱聲發(fā)動機(jī)可利用工業(yè)廢熱作為熱源，實現(xiàn)對低品位能源的利用，有助于提高能源的綜合利用率。目前，絕大多數(shù)的研究工作都是將熱聲發(fā)動機(jī)放置于平面波諧振器中。在此結(jié)構(gòu)的尾氣余熱驅(qū)動熱聲發(fā)動機(jī)中，回?zé)崞髋c熱交換器的接觸面為平面，同時需要增加管路將尾氣導(dǎo)入高溫端換熱器內(nèi)，大大降低了換熱效率。Swift簡單考慮了徑向模型的圓柱形諧振器的駐波熱聲熱機(jī)，并發(fā)展了波動方程。Arnott推導(dǎo)出了徑向波的堆棧中壓力與聲阻抗的一階微分方程以及開放諧振管、換熱器中的壓力和阻抗的轉(zhuǎn)換方程。Lightfoot發(fā)展了徑向駐波熱聲發(fā)動機(jī)，并進(jìn)行了實驗研究。然而，由于駐波機(jī)基于不可逆熱接觸，其熱聲轉(zhuǎn)換效率低。1979年，C印erley提出了行波型熱聲熱機(jī)，該類熱機(jī)回?zé)崞髦械臍怏w微團(tuán)在理論上可以實現(xiàn)可逆熱聲轉(zhuǎn)換，熱聲轉(zhuǎn)換效率較高。1999年，美國LosAlamos研制的行波熱聲發(fā)動機(jī)以氦氣為工質(zhì)，諧振管長度為3. 74m,系統(tǒng)諧振頻率為86Hz，在加入熱量3kW的情況下，獲得1. 2的系統(tǒng)壓比，向諧振管輸出聲功710W，熱效率達(dá)到0. 3，相對卡諾循環(huán)效率為41%，完全可以和內(nèi)燃機(jī)0. 25-0. 40和傳統(tǒng)的活塞式斯特林發(fā)動機(jī)0. 2-0. 38相媲美。其研究成果在《Nature》上發(fā)表，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起廣泛關(guān)注。這也極大地鼓舞了各國熱聲學(xué)者對行波型熱聲發(fā)動機(jī)的研究熱情。近年來，基于行波工作模式的熱聲發(fā)動機(jī)研究得到了高度重視。為此，本發(fā)明針對尾氣余熱利用，提出了徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)，根據(jù)熱聲理論，結(jié)合尾氣余熱回收的節(jié)能環(huán)保理念，改變傳統(tǒng)的平面波熱聲發(fā)動機(jī)的設(shè)計思想，采用徑向波設(shè)計行波熱聲發(fā)動機(jī)，實現(xiàn)回?zé)崞髋c熱交換器的圓柱換熱表面，增大換熱面積。高溫尾氣直接作用于回?zé)崞鞲邷囟蓑?qū)動熱聲發(fā)動機(jī)，有效避免現(xiàn)階段余熱回收裝置中的連接管道，提高換熱效率。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置包括尾氣管道(1)、高溫端換熱器(2)、回?zé)崞?3)、主冷卻器(4)、反饋通道(5)、熱緩沖通道(6)、諧振通道(7)和諧振腔。其特征在于所述高溫端換熱器O)、回?zé)崞?3)和主冷卻器⑷沿徑向分布，且與尾氣管道(1)呈同軸布置；在高溫端換熱器O)、回?zé)崞鰿3)和主冷卻器中，聲波驅(qū)動氣體微團(tuán)振蕩，其振蕩方向沿徑向方向。所述回?zé)崞?3)中，溫度梯度方向和聲功傳遞方向均沿徑向由外向內(nèi)，所述溫度梯度方向指由低溫端指向高溫端。所述回?zé)崞?3)與高溫端換熱器(2)和主冷卻器的接觸表面均為圓柱面，增大換熱面積，提高換熱效率。所述高溫端換熱器( 與尾氣管道(1)直接接觸，接觸表面為圓柱面，增大換熱面積，提高高溫端換熱效率，同時避免了尾氣余熱回收裝置中的連接管道。本發(fā)明的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置中，還進(jìn)一步包括安裝于所述的反饋通道(5)中的直流抑制器(9)。所述的直流抑制器(9)可以為金屬彈性膜、有機(jī)彈性膜或噴射泵；所述的有機(jī)彈性膜為硅膠、橡膠、或聚酯塑料制作的彈性膜片；所述的金屬彈性膜為彈簧鋼、鈹青銅或不銹鋼制作的彈性膜片。本發(fā)明的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置中，還進(jìn)一步包括安裝于所述的熱緩沖通道(6)中的副冷卻器(10)。本發(fā)明的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置中，使用氮氣、氦氣、二氧化碳、氬氣或氫氣中的一種或者多種氣體組成的混合氣體作為工作介質(zhì)。本發(fā)明的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，其關(guān)鍵技術(shù)在于根據(jù)熱聲理論，結(jié)合尾氣余熱回收的節(jié)能環(huán)保理念，改變傳統(tǒng)的平面波熱聲發(fā)動機(jī)的設(shè)計思想，采用徑向波設(shè)計實現(xiàn)行波熱聲發(fā)動機(jī)。本發(fā)明的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置中，高溫端換熱器O)、回?zé)崞鰿3)和主冷卻器(4)沿徑向分布，且與尾氣管道(1)呈同軸布置；在高溫端換熱器O)、回?zé)崞鰿3)和主冷卻器中，聲波驅(qū)動氣體微團(tuán)振蕩，其振蕩方向沿徑向方向。本發(fā)明的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置具備如下優(yōu)點所述回?zé)崞?(3)與高溫端換熱器( 和主冷卻器的接觸表面均為圓柱面，增大換熱面積，提高換熱效率；高溫端換熱器( 與尾氣管道(1)直接接觸，接觸表面為圓柱面，增大換熱面積，提高高溫端換熱效率，同時避免了尾氣余熱回收裝置中的連接管道。


圖1為本發(fā)明的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖。
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圖3為本發(fā)明實施例1結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例2結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1-尾氣管道，2-高溫端換熱器，3-回?zé)崞鳎?-主冷卻器，5-反饋通道、6_熱緩沖通道，7-諧振通道，8-諧振腔，9-直流抑制器，10-副冷卻器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步描述本發(fā)明實施例1本實施例的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括尾氣管道1、高溫端換熱器2、回?zé)崞?、主冷卻器4、反饋通道5、熱緩沖通道6、諧振通道7、諧振腔8、直流抑制器9和副冷卻器10。其特征在于所述高溫端換熱器2、回?zé)崞?和主冷卻器4沿徑向分布，且與尾氣管道1呈同軸布置；在高溫端換熱器2、回?zé)崞?和主冷卻器4中，聲波驅(qū)動氣體微團(tuán)振蕩，其振蕩方向沿徑向方向。本實施例中，回?zé)崞?中，溫度梯度方向和聲功傳遞方向均沿徑向由外向內(nèi)，所述溫度梯度方向指由低溫端指向高溫端。本實施例中，回?zé)崞?與高溫端換熱器2和主冷卻器4的接觸表面均為圓柱面，增大換熱面積，提高換熱效率。本實施例中，高溫端換熱器2與尾氣管道1直接接觸，接觸表面為圓柱面，增大換熱面積，提高高溫端換熱效率，同時避免了尾氣余熱回收裝置中的連接管道。本實施例中，直流抑制器9為噴射泵。本實施例中，使用氦氣作為工作介質(zhì)。實施例2本實施例的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括尾氣管道1、高溫端換熱器2、回?zé)崞?、主冷卻器4、反饋通道5、熱緩沖通道6、諧振通道7和諧振腔8。其特征在于所述高溫端換熱器 2、回?zé)崞?和主冷卻器4沿徑向分布，且與尾氣管道1呈同軸布置；在高溫端換熱器2、回?zé)崞?和主冷卻器4中，聲波驅(qū)動氣體微團(tuán)振蕩，其振蕩方向沿徑向方向。本實施例中，回?zé)崞?中，溫度梯度方向和聲功傳遞方向均沿徑向由外向內(nèi)，所述溫度梯度方向指由低溫端指向高溫端。本實施例中，回?zé)崞?與高溫端換熱器2和主冷卻器4的接觸表面均為圓柱面，增大換熱面積，提高換熱效率。本實施例中，高溫端換熱器2與尾氣管道1直接接觸，接觸表面為圓柱面，增大換熱面積，提高高溫端換熱效率，同時避免了尾氣余熱回收裝置中的連接管道。本實施例中，使用氬氣占60%的氬氣和氦氣混合氣體作為工作介質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置包括尾氣管道(1)、高溫端換熱器 O)、回?zé)崞鳍?、主冷卻器⑷、反饋通道(5)、熱緩沖通道(6)、諧振通道(7)和諧振腔⑶。 其特征在于所述高溫端換熱器O)、回?zé)崞鰿3)和主冷卻器(4)沿徑向分布，且與尾氣管道(1)呈同軸布置；在高溫端換熱器O)、回?zé)崞鰿3)和主冷卻器中，聲波驅(qū)動氣體微團(tuán)振蕩，其振蕩方向沿徑向方向。
2.按權(quán)利要求書1所述的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置，其特征在于在所述回?zé)崞?3)中，溫度梯度方向和聲功傳遞方向均沿徑向由外向內(nèi)，所述溫度梯度方向指由低溫端指向高溫端。
3.按權(quán)利要求書1所述的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置，其特征在于所述回?zé)崞鰿3)與高溫端換熱器( 和主冷卻器(4)的接觸表面均為圓柱面，增大換熱面積， 提高換熱效率。
4.按權(quán)利要求書1所述的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置，其特征在于所述高溫端換熱器( 與尾氣管道(1)直接接觸，接觸表面為圓柱面，增大換熱面積，提高高溫端換熱效率，同時避免了尾氣余熱回收裝置中的連接管道。
5.按權(quán)利要求書1所述的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置，其特征在于還進(jìn)一步包括安裝于所述的反饋通道(5)中的直流抑制器(9)。
6.按權(quán)利要求書1和5所述的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置，其特征在于 所述的直流抑制器(9)可以為金屬彈性膜、有機(jī)彈性膜或噴射泵；所述的有機(jī)彈性膜為硅膠、橡膠、或聚酯塑料制作的彈性膜片；所述的金屬彈性膜為彈簧鋼、鈹青銅或不銹鋼制作的彈性膜片。
7.按權(quán)利要求書1所述的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置，其特征在于還進(jìn)一步包括安裝于所述的熱緩沖通道(6)中的副冷卻器(10)。
8.按權(quán)利要求書1所述的尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置，其特征在于使用氮氣、氦氣、二氧化碳、氬氣或氫氣中的一種或者多種氣體組成的混合氣體作為工作介質(zhì)。
全文摘要
一種尾氣余熱驅(qū)動的徑向行波熱聲發(fā)動機(jī)裝置包括尾氣管道(1)、高溫端換熱器(2)、回?zé)崞?3)、主冷卻器(4)、反饋通道(5)、熱緩沖通道(6)、諧振通道(7)和諧振腔(8)。其特征在于所述高溫端換熱器(2)、回?zé)崞?3)和主冷卻器(4)沿徑向分布，且與尾氣管道(1)呈同軸布置；在高溫端換熱器(2)、回?zé)崞?3)和主冷卻器(4)中，聲波驅(qū)動氣體微團(tuán)沿徑向方向振蕩。本發(fā)明改變傳統(tǒng)的平面波熱聲發(fā)動機(jī)的設(shè)計思想，采用徑向波設(shè)計行波熱聲發(fā)動機(jī)，實現(xiàn)回?zé)崞髋c熱交換器的接觸面為圓柱面，增大換熱面積，提高高溫端換熱效率。高溫端換熱器(2)與尾氣管道(1)直接接觸，避免了尾氣余熱回收裝置中的連接管道。
文檔編號F02G5/02GK102536709SQ20121002210
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月1日
發(fā)明者康慧芳, 邢樂樂 申請人:北京理工大學(xué)