申请/专利权人：浙江大学

申请日：2018-12-26

公开（公告）日：2024-06-11

公开（公告）号：CN109458315B

主分类号：F03G7/00

分类号：F03G7/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.11#授权;2019.04.05#实质审查的生效;2019.03.12#公开

摘要：本发明公开了一种伴随气液相变的闭式行波型热声发动机。它包括一个环路行波热声单元和一个调相单元；所述的环路行波热声单元包括热端换热器、回热器、冷端换热器、U形管、反馈管和声容管，且热端换热器、回热器、冷端换热器、U形管、反馈管和声容管沿环向顺次连接并构成回路；所述的调相单元包括负载管和气库，且负载管一端连接环路行波热声单元的U形管，另一端与气库相连；其中，环路行波热声单元和调相单元中均填充有可相变工质，且可相变工质在工作状态下的液面高度位于回热器之中。本发明的特点是采用可相变流体作为工质，能够在较小的冷热端温差下实现起振，同时提高了单位体积工质做功能力，有利于实现热声系统的小型化。

主权项：1.一种伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：包括一个环路行波热声单元和一个调相单元；所述的环路行波热声单元包括热端换热器（1）、回热器（2）、冷端换热器（3）、U形管（4）、反馈管（5）和声容管（6），且热端换热器（1）、回热器（2）、冷端换热器（3）、U形管（4）、反馈管（5）和声容管（6）沿环向顺次连接并构成回路；所述的调相单元包括负载管（7）和气库（8），且负载管（7）一端连接环路行波热声单元的U形管（4），另一端与气库（8）相连；其中，环路行波热声单元和调相单元中均填充有可相变工质，且可相变工质在工作状态下的液面高度位于回热器（2）之中，保证回热器（2）处为行波相位；所述的负载管（7）和气库（8）的长度之比为17~31，直径之比为0.08~0.15。

全文数据：伴随气液相变的闭式行波型热声发动机技术领域本发明涉及热声热机，尤其涉及一种伴随气液相变的闭式行波型热声发动机。背景技术热声发动机基于热声效应实现热能向机械能的转换，是分布式能源系统和能源梯级利用领域的前沿技术。热声发动机通常仅由换热器、回热器和谐振管组成，具有结构简单、可靠性高等优点。它可以利用太阳能、工业废热等低品位能源作为驱动热源。在过去的三十多年里，热声发动机研究已取得显著进展。尤其是美国洛斯-阿拉莫斯国家实验室的Backhaus和Swift等人发明的热声斯特林发动机，基于行波相位的压力波工作，最高能够获得30％以上的转换效率，可以与转换效率在25％～40％之间的狄塞尔发动机相媲美。然而，传统行波型热声发动机多采用单相气体作为工质，所需的驱动热源温度较高通常高于300℃；此外，还受气体工质声速、比热和密度等热物性的限制，系统的轴向尺寸一般较大约4-10m。在热声发动机中引入气液相变过程可增强热能-机械能之间的转换过程，进而降低所需驱动热源温度，以扩大其对低品位热源的适用性。公开号为CN102734099A的中国发明专利文献公开了一种低品位热源驱动的驻波型气液相变热声发动机。它包括顺次连接的第一加热器、第一热缓冲管、第一冷却器、U形管、第二冷却器、第二热缓冲管、第二加热器。该发明基于气液相变热声效应实现热声转换，可小温差大压比运行。然而，所述的驻波型热声发动机在热声转换过程中存在不充分热交换过程，其热力循环本征不可逆，限制了其转换效率的提高。公开号为CN104079142A的中国发明专利文献公开了一种双温位热源驱动的热声三相交流发电系统，包括磁流体发电装置和构成环路的热声转换装置。所述的气液相变热声转换机构包括室温换热器、液体缓冲管和中温换热器。可相变工质气液相变产生的高温蒸发膨胀与低温冷凝压缩的作用使热声发动机发生自激振荡。其特点是可在较小的冷热端温差下实现热声发动机起振。公开号为CN105871172A的中国发明专利文献公开了一种气液相变热声发动机驱动磁性流体发电系统，包括环路热声发动装置、磁性流体、发电装置。所述的环路热声发动装置实质为气液相变热声发动机，利用工质的气液相变进行工作，可实现小温差运行，提高低品位能源的利用率。公开号为CN105865080A的中国发明专利文献公开了一种热声驱动的低品位热能变换器。它包括构成环路的气液相变热声发动机和热声热泵，所述环路内充有可相变工质，可相变工质在气液相变热声发动机中发生气液转换。所述的气液相变热声发动机的工质为低沸点工质，可在较小的冷热端温差下实现热声发动机的起振并稳定运行，实现对低品位能源的回收利用。以上文献所述的结构虽然利用伴随气液相变的热声过程有效降低了热声发动机的起振温度，但都存在一定的缺陷。专利CN102734099A所述的热声发动机基于驻波相位的压力波工作，其热声转换必须依赖不充分热交换，导致其热力循环存在不可逆过程，限制了其热效率的提高。专利CN104079142A，专利CN105871172A和专利CN105865080A所述的热声发动机虽然均为环路结构，本质上基于行波相位的压力波工作，但是缺少高效的调相结构，无法保证热声核心处于适合的声场，不利于热声转换效率的提高。另外，发生伴随气液相变的热声转换的环路热声单元均未设置回热器，无法保证流体工质和回热器金属丝网壁面之间实现良好的热接触，增加了非等温换热所带来的不可逆损失。发明内容本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种伴随气液相变的闭式行波型热声发动机。本发明具体采用的技术方案如下：一种伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，包括一个环路行波热声单元和一个调相单元；所述的环路行波热声单元包括热端换热器、回热器、冷端换热器、U形管、反馈管和声容管，且热端换热器、回热器、冷端换热器、U形管、反馈管和声容管沿环向顺次连接并构成回路；所述的调相单元包括负载管和气库，且负载管一端连接环路行波热声单元的U形管，另一端与气库相连；其中，环路行波热声单元和调相单元中均填充有可相变工质，且可相变工质在工作状态下的液面高度位于回热器之中。在本发明中，环路行波热声单元和调相单元均填充有可相变工质，可相变工质在回热器处实现行波声场下伴随气液相变的热声转换。负载管和气库作为调相单元，保证回热器处为行波相位。作为优选，所述的回热器内设有金属丝网。进一步的，所述的金属丝网的材料是不锈钢、铜或者其他硬质导热材料。作为优选，所述的回热器的水力半径远小于工质的热渗透深度。进一步的，所述的回热器的水力半径与工质的热渗透深度之比为0.11～0.46。本发明能够利用低品位热源直接驱动，并能稳定运行，连接制冷机或者发电机输出声功。为了获得较低的起振温度，可相变工质应当具备的性质是：沸点较低、饱和压力较高、粘滞系数较小、普朗特数较低和化学性质稳定等。作为优选，所述的可相变工质为水、氨、一氯五氟乙烷、五氟乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷、二氟氯乙烷、1,1,1-三氟乙烷、二氟甲烷、1,1-二氟乙烷、正丁烷、异丁烷、正己烷、正己烷、丙烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷或丙烯。进一步的，所述的可相变工质为二氟甲烷。二氟甲烷在常压下沸点为-51.6℃，在25℃的温度下，饱和压力为1.6896MPa，汽化潜热为270.91kJmol，液相动力粘度为0.1137mPa·s，液相普朗特数为1.6647，气相动力粘度为0.0126mPa·s，气相普朗特数为1.3492。常温常压下化学性质稳定。进一步的，所述的热端换热器与热源相连。进一步的，所述的冷端换热器与冷源相连。进一步的，所述的负载管和气库的长度之比为17～31，直径之比为0.08～0.15。本发明的特点是采用可相变流体作为工质，能够在较小的冷热端温差下实现起振，同时提高了单位体积工质做功能力，有利于实现热声系统的小型化；采用负载管和气库作为调相单元，保证系统基于行波相位的压力波工作，其热声转换热力循环本征可逆；设置了水力半径足够小的回热器，保证流体工质和回热器金属丝网壁面始终处于良好的热接触，减小了非等温换热所带来的不可逆损失，有望实现更高效运行。附图说明图1是伴随气液相变的闭式行波型热声发动机结构示意图；图2是行波声场下回热器处可相变工质微元的位移、速度和压力振荡图；图3是行波声场下回热器处可相变工质微元经历的热力循环图。图中：热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、U形管4、反馈管5、声容管6、负载管7、气库8。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。如图1所示，本发明的一种伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，包括一个环路行波热声单元和一个调相单元。环路行波热声单元包括热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、U形管4、反馈管5和声容管6，且热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、U形管4、反馈管5和声容管6沿环向顺次连接并构成回路。调相单元包括负载管7和气库8，且负载管7一端连接环路行波热声单元的U形管4，另一端与气库8相连。其中，环路行波热声单元和调相单元中均填充有可相变工质。本发明使用的可相变工质可以为水、氨、一氯五氟乙烷、五氟乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷、二氟氯乙烷、1,1,1-三氟乙烷、二氟甲烷、1,1-二氟乙烷、正丁烷、异丁烷、正己烷、正己烷、丙烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷或丙烯。在工作状态下，环路行波热声单元和调相单元均竖直放置，环路行波热声单元中的U形管4位于底部，声容管6位于顶部，热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、反馈管5位于侧部；调相单元中的负载管7和气库8的主体均竖直设置，负载管7底部连通U形管4的底端。热端换热器1与热源相连，冷端换热器3与冷源相连，热源和冷源的具体类型可根据实际进行选择。可相变工质在工作状态下，其填充于U形管4和负载管7中，且U形管4左侧的可相变工质液面高度应当位于回热器2之中，使得可相变工质在回热器2处实现行波声场下伴随气液相变的热声转换，而负载管7和气库8作为调相单元，保证回热器2处为行波相位。其中，回热器2内可以进一步设有金属丝网，以保证流体工质和回热器金属丝网壁面之间实现良好的热接触。可相变工质应当具备的性质是：沸点较低、饱和压力较高、粘滞系数较小、普朗特数较低和化学性质稳定等，可选择水、氨、一氯五氟乙烷、五氟乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷、二氟氯乙烷、1,1,1-三氟乙烷、二氟甲烷、1,1-二氟乙烷、正丁烷、异丁烷、正己烷、正己烷、丙烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷或丙烯。下面基于该伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，进一步结合实施例来说明该发动机的工作原理和技术效果。实施例：本发明的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机具体结构如图1所示，不再赘述。其中使用的工质为二氟甲烷。伴随气液相变的闭式行波型热声发动机运行时，首先需将整个封闭式热声发动机系统连接至真空泵，进行至少三次抽真空，置换清除系统中的空气；之后向抽真空后的热声发动机系统注入可相变工质。由于需要使系统中的可相变工质处于气液两相的初始状态下，采用恒温水箱供给的低温循环水对系统内的气相工质进行冷却，使之冷凝为液体，且保证液面处于回热器2之间。完成可相变工质的充注之后，驱动热源通过热端换热器1对系统加热。同时，低温循环水通过冷端换热器3对系统冷却。当热端换热器1和冷端换热器3之间的温差超过一定阈值时，由于回热器2处发生了伴随气液相变的热声转换，可相变工质在热声发动机中产生自激振荡，并逐步使热声发动机达到稳定振荡的状态。此时，可相变工质微元在回热器2处往返运动，周期性地经历等温膨胀、等压放热、等温压缩和等压吸热的热力循环过程见图3，从而将热能转换为声功。对于伴随气液相变的闭式行波型热声发动机系统，回热器2内设有金属丝网，金属丝网的材料是不锈钢、铜或者其他硬质导热材料。回热器2的水力半径远小于工质的热渗透深度，保证了回热器2处可相变工质微元和回热器金属丝网壁面始终处于良好的热接触，从而使可相变工质微元与其所在位置的回热器金属丝网壁面保持等温。回热器的水力半径与工质的热渗透深度之比为0.11～0.46。对于伴随气液相变的闭式行波型热声发动机系统，负载管7和气库8作为调相单元旁接到环路行波热声单元中，构成了封闭式系统。负载管7类比的声感为L＝ρlAρ为液相工质的密度，l为负载管的长度，A为负载管的流通面积，通过调节负载管7的长度或者直径，可以有效地调节声感，进而调节系统的相位；气库8类比的声容为C＝VγPmV为气库的容积，γ为气相工质的比热比，Pm为气库的平均压强，通过调节气库8的长度或者直径，可以有效地调节声容，进而调节系统的相位。为使回热器2处于行波相位，负载管7和气库8的长度之比为17～31，直径之比为0.08～0.15。下面采用拉格朗日法分析行波声场下回热器处可相变工质微元经历的热力循环过程，进而揭示伴随气液相变的闭式行波型热声发动机的工作原理。图2给出了行波声场下回热器处可相变工质微元的位移、速度和压力振荡图，其中压力与位移相差90度相位，压力与速度同相。在行波声场下，可相变工质微元在回热器2之间往复振荡，其热力循环见图3具体包括：1-2等温膨胀过程，饱和液相工质微元见图3状态点1处于正向极限位置，即靠近热端换热器1，因为与该处回热器金属丝网壁面温度相等，同时压力降低导致其汽化并进一步膨胀至过热气体状态见图3状态点2；2-3等压放热过程，工质微元由正向极限位置移动至负向极限位置，即从热端换热器1通过回热器2到冷端换热器3移动。因为与回热器金属丝网壁面良好的热接触，过热气相工质微元在等压条件下向回热器金属丝网壁面放热，被冷却为饱和气体见图3状态点3；3-4等温压缩过程，饱和气相工质微元处于负向极限位置，即接近冷端换热器3，由于与该处回热器金属丝网壁面温度相等，同时压力升高导致其液化并进一步压缩至过冷液体状态见图3状态点4；4-1等压吸热过程，工质微元由负向极限位置移动至正向极限位置，即从冷端换热器3通过回热器2到热端换热器1移动。同样由于与回热器金属丝网壁面良好的热接触，过冷液相工质微元在等压条件下从回热器金属丝网壁面吸热，被加热为饱和液体，回到状态点1，完成循环。该循环实现了从高温热源吸热，向低温冷源放热，进而将热能转换为声功。以二氟甲烷工质为例，可计算行波声场下回热器2处可相变工质微元经历的热力循环的性能。假设热源温度恒定为50℃，冷源温度恒定为20℃，可确定状态点1和3的温度分别为50℃和20℃，根据二氟甲烷的饱和蒸气压可确定状态点1和3的压力分别为3.1412MPa和1.4746MPa，压比为2.13。在此基础上，结合等温和等压条件，可确定状态点2和4的参数。根据针对闭系的能量守恒关系式，可计算热力循环的性能。计算结果显示，单位体积工质的做功能力为937.77kJm3取状态点2的气体密度，热效率为8.02％，相对卡诺效率为86.37％。最后应该说明的是，上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：包括一个环路行波热声单元和一个调相单元；所述的环路行波热声单元包括热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、U形管4、反馈管5和声容管6，且热端换热器1、回热器2、冷端换热器3、U形管4、反馈管5和声容管6沿环向顺次连接并构成回路；所述的调相单元包括负载管7和气库8，且负载管7一端连接环路行波热声单元的U形管4，另一端与气库8相连；其中，环路行波热声单元和调相单元中均填充有可相变工质，且可相变工质在工作状态下的液面高度位于回热器2之中。2.如权利要求1所述的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：所述的回热器2内设有金属丝网。3.如权利要求2所述的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：所述的金属丝网的材料是不锈钢、铜或者其他硬质导热材料。4.如权利要求1所述的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：所述的回热器2的水力半径小于工质的热渗透深度。5.如权利要求4所述的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：所述的回热器2的水力半径与工质的热渗透深度之比为0.11～0.46。6.如权利要求1所述的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：所述的可相变工质为水、氨、一氯五氟乙烷、五氟乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷、二氟氯乙烷、1,1,1-三氟乙烷、二氟甲烷、1,1-二氟乙烷、正丁烷、异丁烷、正己烷、正己烷、丙烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷或丙烯。7.如权利要求6所述的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：所述的可相变工质为二氟甲烷。8.如权利要求1所述的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：所述的热端换热器1与热源相连。9.如权利要求1所述的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：所述的冷端换热器3与冷源相连。10.如权利要求1所述的伴随气液相变的闭式行波型热声发动机，其特征在于：所述的负载管7和气库8的长度之比为17～31，直径之比为0.08～0.15。

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