一种双级行波热声发动机系统
阅读：443发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种双级行波热声发动机系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种双级行波 热声 发动机 系统，包括：第一旁支管、第一次室温冷端换热器、第一热缓冲管、第一热端换热器、第一 回热器 、第一冷端换热器、主谐振管、第二旁支管、第二次室温冷端换热器、第二热缓冲管、第二热端换热器、第二回热器、第二冷端换热器，加装两根侧管，形成两个准硬边界，优化声场，抑制声场对声阻抗的变化的敏感性，实现声阻抗匹配，不消耗声功率，通过改变体积，改变亥姆霍兹 谐振腔 开口处的声阻抗，调整环管发动机内部的声场，降低起振温差，以利用低品位 热能 。，下面是一种双级行波热声发动机系统专利的具体信息内容。
1.一种双级行波热声发动机系统，它包括：第一次室温冷端换热器(2)、第一热缓冲管(3)、第一热端换热器(4)、第一回热器(5)、第一冷端换热器(6)、主谐振管(7)、第二次室温冷端换热器(9)、第二热缓冲管(10)、第二热端换热器(11)、第二回热器(12)、第二冷端换热器(13)，其特征是，它还包括：第一旁支管(1)、第二旁支管(8)，在所述的第一次室温冷端换热器(2)与第二冷端换热器(13)之间的主谐振管(7)的管路上，设置第一旁支管(1)，在所述的第一冷端换热器(6)与第二次室温冷端换热器(9)之间的主谐振管(7)的管路上，设置第二旁支管(8)，所述的第一旁支管(1)一端与主谐振管(7)相通，所述的第一旁支管(1)另一端密闭，所述的第二旁支管(8)一端与主谐振管(7)相通，所述的第二旁支管(8)另一端密闭，所述的主谐振管(7)的中心线与第一旁支管(1)和第二旁支管(8)的中心线在同一个平面内，且第一旁支管(1)和第二旁支管(8)的中心线与主谐振管(7)的中心线垂直。
2.根据权利要求1所述的一种双级行波热声发动机系统，其特征是，所述的第一旁支管(1)和第二旁支管(8)分别位于主谐振管(7)构成环形回路两侧外端。
3.根据权利要求1所述的一种双级行波热声发动机系统，其特征是，所述的第一旁支管(1)和第二旁支管(8)的间距为λ/2，所述的λ是声波的波长，在所述的双级行波热声发动机系统中，当系统工作在基频时，主谐振管(7)构成环路的总长度与声波的波长λ相等。
4.根据权利要求1所述的一种双级行波热声发动机系统，其特征是，所述的第一旁支管(1)的半径是半径为25mm，所述的第二旁支管(8)的半径是25mm，所述的第一旁支管(1)的长度为30cm，所述的第二旁支管(8)的长度为30cm。
一种双级行波热声发动机系统
技术领域
背景技术
[0002] 节能是我国经济和社会发展的一项长远战略，也是当前极为紧迫的一项任务。随着分布式能源系统和可再生能源利用的迅速发展，高效的梯级利用技术逐渐成为研究重点。热声热机是一种利用热声效应可直接实现热能和声能的相互转换以实现低品位热源利用新型热机。如图1所示的无旁支管双级行波热声热机，同传统热机相比，具有结构简单、无运动部件、可靠性高、环保等优点。经过近几十年来的快速发展，热声热机的性能得到了很大的提高，然而，要真正实现热声热机的实用化，还有不少问题需要解决，首先须满足在较低温度下实现自激振荡，提高热声热机利用低品位热能的能力。传统的行波热声热机一般在300℃至500℃，基本能实现自激振荡。但是离单纯依靠低品位热源来驱动还有相当的距离。为了解决这一技术难题，近几年不少学者把目光转向了多个热声单元的行波热声热机系统。多个热声单元通过增加流道横截面来降低回热器中流体的本地速度来维持声阻抗不变，可在较低的温度下获得更多的声功，具有实现低品位热能高效利用的潜力。但较多的热声单元不仅会增加系统结构的复杂性，同时也增加了制造成本和声功在传播中的能量损失。另外，多个热声单元需多个热源加热，这种分散式的加热方式也不利于热能的利用。目前缺乏针对双级行波热声系统在低品位热源利用时简单易行的优化方案，降低起振温度，实现在低温位热源驱动下的高效运行，这阻碍了双级行波热声系统在工程上的应用。
[0003] 热声热机是一种利用热声效应，可以直接实现热能和声能之间的相互转换新型热机，热声热机为解决节能、新能源利用和环保等问题，提供了一种先进有效的新型热机形式，极具发展潜力和应用前景。
[0004] 主流的热声热机一般要求驱动热源具有较高的温度位，限制了热声技术的温度区间。为了解决这一技术难题，近几年，学者把目光转向了多个热声单元的行波热声热机系统。多个热声单元通过增加流道横截面，来降低回热器中流体的本地速度来维持声阻抗不变，可在较低的温度下获得更多的声功，具有实现低品位热能高效利用的潜力，但较多的热声单元不仅会增加系统结构的复杂性，同时也增加了制造成本和声功在传播中的能量损失。另外，多个热声单元需多个热源加热，这种分散式的加热方式也不利于热能得利用，考虑到系统性能和上述外加影响因素的矛盾，如图1所示的无旁支管双级行波热声热机，同传统热机相比，它具有结构简单、无运动部件、可靠性高、环保等优点。两个热声单元的行波热声系统被广泛应用，虽然双级行波热声系统能有效降低起振温度位，但无法进一步利用低品位热源，由于环路热声发动机中没有硬边界或软边界，系统内的声场对声阻抗的变化非常敏感。
[0005] 目前，常用的通过局部增大回热器管径，来增加声阻抗的方法已经被成功应用在部分环路热声系统中，但这些系统都需要依靠多单元对称布置或借助谐振管几何尺寸设计的对称性来实现声阻抗匹配。对于双级路热声发动机及不具备对称结构的多级环路热声发动机来讲，目前依然缺乏对实现声阻抗匹配方法，降低起振温差，实现低品位热源的利用。
发明内容
[0006] 本发明针对现有技术中存在的问题，针对双级行波热声系统，设计了一种双级行波热声发动机系统，在传统谐振管的四分之一波长处，加装两根侧管，形成两个准硬边界，目的在于优化声场，抑制声场对声阻抗的变化的敏感性，实现声阻抗匹配，从而降低起振温差，提高利用低品位热能的能力。
[0007] 实现本发明一种双级行波热声发动机系统的技术方案是：一种双级行波热声发动机系统，它包括：第一次室温冷端换热器2、第一热缓冲管3、第一热端换热器4、第一回热器5、第一冷端换热器6、主谐振管7、第二次室温冷端换热器9、第二热缓冲管10、第二热端换热器11、第二回热器12、第二冷端换热器13，其特征是，它还包括：第一旁支管1、第二旁支管8，在所述的第一次室温冷端换热器2与第二冷端换热器13之间的主谐振管7的管路上，设置第一旁支管1，在所述的第一冷端换热器6与第二次室温冷端换热器9之间的主谐振管7的管路上，设置第二旁支管8，所述的第一旁支管1一端与主谐振管7相通，所述的第一旁支管1另一端密闭，所述的第二旁支管8一端与主谐振管7相通，所述的第二旁支管8另一端密闭，所述的主谐振管7的中心线与第一旁支管1和第二旁支管8的中心线在同一个平面内，且第一旁支管1和第二旁支管8的中心线与主谐振管7的中心线垂直。
[0008] 所述的第一旁支管1和第二旁支管8分别位于主谐振管7构成环形回路两侧外端。
[0009] 所述的第一旁支管1和第二旁支管8的间距为λ/2，所述的λ是声波的波长，在所述的双级行波热声发动机系统中，当系统工作在基频时，主谐振管7构成环路的总长度与声波的波长λ相等。
[0010] 所述的第一旁支管1的半径是半径为25mm，所述的第二旁支管8的半径是25mm，所述的第一旁支管1的长度为30cm，所述的第二旁支管8的长度为30cm。
[0011] 本发明一种双级行波热声发动机系统的有益效果体现在：
[0012] 1、一种双级行波热声发动机系统，在传统谐振管的四分之一波长处，加装两根侧管，形成两个准硬边界，目的在于优化声场，抑制声场对声阻抗的变化的敏感性，实现声阻抗匹配，从而降低起振温差，提高利用低品位热能的能力；
[0013] 2、一种双级行波热声发动机系统，通过两根中心对称的布置的旁支管，形成两个准边界，削弱环路内声场对声阻抗变化的敏感性，从而优化管道内声场，实现环路热声系统的声阻抗匹配，降低起振温差，以利用低品位热能；
[0014] 3、一种双级行波热声发动机系统，从声学角度看，这种旁支管本质上是一个亥姆霍兹谐振腔，不消耗声功率，通过改变它的体积，可以改变这个亥姆霍兹谐振腔开口处的声阻抗，从而调整环管发动机内部的声场，在热功率输入固定的情况下，起振温差，声功率输出和能量效率的最佳表现对应着最佳的长度，降低起振温差，以利用低品位热能。附图说明
[0015] 图1是无旁支管双级行波热声热机结构剖面示意图；
[0016] 图2是双旁支管结构的热声谐振管及双级行波热声发动机系统剖面示意图；
[0017] 图3是双旁支管结构的热声谐振管及双级行波热声发动机系统模型；
[0018] 图中：1.第一旁支管，2.第一次室温冷端换热器，3.第一热缓冲管，4.第一热端换热器，5.第一回热器，6.第一冷端换热器，7.主谐振管，8.第二旁支管，9.第二次室温冷端换热器，10.第二热缓冲管，11.第二热端换热器，12.第二回热器，13.第二冷端换热器。
具体实施方式
[0019] 以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020] 参照附图2所示，一种双级行波热声发动机系统，它包括：第一旁支管1、第一次室温冷端换热器2、第一热缓冲管3、第一热端换热器4、第一回热器5、第一冷端换热器6、主谐振管7、第二旁支管8、第二次室温冷端换热器9、第二热缓冲管10、第二热端换热器11、第二回热器12、第二冷端换热器13，在所述的第一次室温冷端换热器2与第二冷端换热器13之间的主谐振管7的管路上，设置第一旁支管1，在所述的第一冷端换热器6与第二次室温冷端换热器9之间的主谐振管7的管路上，设置第二旁支管8，所述的第一旁支管1一端与主谐振管7相通，所述的第一旁支管1另一端密闭，所述的第二旁支管8一端与主谐振管7相通，所述的第二旁支管8另一端密闭，所述的主谐振管7的中心线与第一旁支管1和第二旁支管8的中心线在同一个平面内，且第一旁支管1和第二旁支管8的中心线与主谐振管7的中心线垂直。
[0021] 所述的第一旁支管1和第二旁支管8分别位于主谐振管7构成环形回路两侧外端。
[0022] 所述的第一旁支管1和第二旁支管8的间距为λ/2，所述的λ是声波的波长，在所述的双级行波热声发动机系统中，当系统工作在基频时，主谐振管7构成环路的总长度与声波的波长λ相等。
[0023] 所述的第一旁支管1的半径是半径为25mm，所述的第二旁支管8的半径是25mm，所述的第一旁支管1的长度为30cm，所述的第二旁支管8的长度为30cm。
[0024] 一种双级行波热声发动机系统检测工作原理：
[0026] 温度的测量采用CHINO公司生产的型号为SCHS1-0的K型铠装热电偶，该热电偶使用环境为-40～1000℃，测量精度为为±1.1℃。热电偶收集的温度模拟信号传递至美国国家仪器(NI)公司生产的温度数据采集模块NI-9214，再将模拟信号转换成数据信号后传递至电脑上的LABVIEW虚拟实验平台中进行温度数据的观测与处理。
[0027] 压力传感器采用GE的UNIK5000压力传感器，测压范围为0～5Mpa，最大允许误差为±0.2％。压力传感器收集的压力模拟信号传递至NI公司生产的压力采集模块NI-9223中，压力采集模块将压力模拟信号转换成数字信号后传递至LABVIEW中进行压力数据的观测与处理，实验中所用的采集模块信号集成箱的型号为cDAQ-9188。
[0028] 一种双级行波热声发动机系统的测量系统包括：温度测量系统、压力测量系统、加热系统、水冷系统，温度测量系统是将热电偶直接插入指定温度测量点，在每级热声系统中布置了3个温度测量点，分别为回热器冷端温度、回热器热端温度和次室温冷端换热器温度。压力测量系统是在整个热声系统中布置了2个压力测量点，分别位于每级冷端换热器出口处，加热系统采用PLC以及功率调节模块对热声系统的热端换热器进行无级控制，可实现恒功率调节和恒温调节两种控制方式。在恒功率调节时，可手动输入加热功率，实现对两级热声单元的加热。恒温调节时，手动设置热声系统的加热温度，系统通过自动调节实现恒温加热，系统加热功率可直接读出并自动进行记录。水冷系统是为使冷却水循环利用和系统结构的紧凑型，在试验台下方加设了水箱。水箱内的水经水泵传至冷端换热器和次冷端换热器后，从水箱上方垂直流下时会被风机输送的风进行冷却，然后流入水箱内，整个水冷系统可以看作是一个小型的冷水塔，此外，热声热机工作时会产生较大的振荡，在水箱内加入足量的水可减轻系统的振荡，避免整个试验台发生共振。
[0029] 一种双级行波热声发动机系统检测步骤：
[0033] 4)把N2瓶接头接到双级行波热声发动机的单向阀进气口，向发动机开始充气，当显示屏显示的压力为2MPa时停止充气，断开充气接口；
[0034] 5)接上风机和水循环系统电源,打开发动机加热电源，一号和二号热端换热器的加热功率均设置为1.6kW进行加热并开始记录数据；
[0035] 6)等待发动机起振，起振后当发动机的加热温度稳定之后停止加热，等待热端换热器温度下降直到消振，停止记录数据；
[0036] 7)通过相同的步骤，完成旁支管不同数量，不同长度，不同位置的实验；
[0037] 8)实验结束后整理好实验数据，关掉所有用电器电源，整理好实验台。
[0038] 检测结果：
[0039] 旁支管管一安装在位置1和管二安装在相对位置1时，系统可以在很低的加热温度下起振并稳定运行。如表1所示，以2MPa的N2为工质，加热功率为1.6kW时，起振温差为126.61℃，压力振幅为0.075,压比1.171相较于无旁支管起振温差下降了72℃，具有利用低品位热源驱动的潜力。
[0040] 这是因为两根旁支管在两个低阻抗区域时，压力波动的波节(即体积流率的波腹)将会出现在旁支管处或附近，旁支管处声阻抗增加，两个热声单元在距两个旁支管压力波动波节1/4波长处，压力波动的波腹处声阻抗转移降低，两个热声单元的起振温差几乎同时降低，整个系统的起振温差进一步下降。
[0041] 表1无旁支管，双旁支管双级行波热声系统运行参数
[0042] 平均起振温差(℃) 平均压力振幅(MPa) 平均压比
无旁支管 198.74 0.164 1.234
双旁支管 126.61 0.075 1.171
无旁支管 198.74 0.164 1.234
双旁支管 126.61 0.075 1.171
[0043] 检测装置采用设备型号：
[0044] 1、多通道云数据记录仪型号：Sismart MDL-4016T；
[0045] 2、流量压力测试系统集成箱型号：JX-M1；
[0046] 3、采集模块信号集成箱型号：cDAQ-9188；
[0047] 4、铠装热电偶型号：SCHS1-0的K型；
[0048] 5、温度数据采集卡型号：NI-9214；
[0049] 6、压力传感器型号：UNIK5000系列；
[0050] 7、压力采集卡型号：NI-9223；
[0051] 以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
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