风能驱动的热声制冷机制造技术

本发明专利技术公开了一种风能驱动的热声制冷机。它具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括相连接的收缩风管、中央柱管和扩散风管，热声制冷装置具有第一驻波热声制冷机单元、第二驻波热声制冷机单元、第三驻波热声制冷机单元和第四驻波热声制冷机单元，每个制冷机单元包括相连接的谐振管、冷端换热器、热声回热器和室温换热器，谐振管前端依次设有冷端换热器、热声回热器和室温换热器，谐振管后端与中央柱管出风口相连接。本发明专利技术可利用再生能源－风能驱动，不需要消耗电能和热能，大大降低了运行成本；整个系统没有运动部件，制造和维护成本低；制冷机出了可以对外输出制冷量外，还可以利用热声回热器两端的温差驱动热电半导体发电。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热声制冷机，尤其涉及一种风能驱动的热声制冷机。技术背景热声效应是热与声之间相互转换的现象，即声场中的时均热力学效应。热 声热机本质上是一种通过热声效应实现热能与声能之间相互转化或传输的装 置。热声热机不需要外部的机械手段就可以使振荡流体的速度和压力之间建立 起合理的相位关系，因此，不需要机械传动部件，大大简化了系统的结构。按 能量转换方向的不同，热声效应可分为两类 一是用热来产生声，即热驱动的 声振荡，为热声发动机的工作机理；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输，为热声制冷机的工作原理。只要具备一定的条件，热声效应在行波声场、驻波 声场以及两者结合的声场中都能发生。从上世纪七十年代开始，关于热声热机的研究开始迅速发展。1969-1980 年瑞士苏黎士联邦技术研究所的Rott提出了热声振荡定量理论，奠定了现代线 性热声理论的基础。1979年，Ceperley提出在具有温度梯度的回热器中传输的 声波使气体工质经历着与Stirling热机相同的热力过程，当声波沿一个方向传 输时会得到强化，而沿相反的方向传输时会被消弱，其思想成为高效行波热声 热机研究的起点。受这一思想的影响，1999年美国LANL的Backhaus和Swift 设计制作了一台新型行波热声发动机，该热声发动机实现了30%的热功转换效 率，相对卡诺效率约为42%，这一结果可以同内燃机(30-40%)相媲美。 Backhaus等人的研究成果表明，热声热机不但结构简单、工质环保，而且可以 达到很高的热力学效率。此后，热声发动机和制冷机的研究进展更加迅猛，取 得了一系列重要研究成果。目前行波热声发动机的压比已经达到1.30以上，热 声发动机驱动的脉管制冷机也已相继达到液氮和液氢温区。迄今为止，几乎所有的热声热机研究中都采用热能(大多通过电能转换产 生)对热声发动机供能，产生的声能用来驱动制冷机获得冷量。为获得强声场 和大功率声功输出，目前热声发动机加热器的工作温度一般在50(TC以上。对 高温热源的依赖不利于提高系统的热效率，并限制了热声热机的实用化。为弥 补这一弱点，越来越多的研究者开始把注意力转向低温位热能，如采用外加压 力扰动、混合工质和结构改进等手段降低热声发动机的起振温度和工作温度， 以期利用太阳能、工业废热等驱动。事实上，自然风等时均流(或平均流，Mean Flow)具有数量可观的可利 用动能，如能结合热声效应加以利用对于利用可再生能源和提高能源利用率具 有重要意义，这也将大大拓展热声热机的应用空间。热声制冷机内是交变流场， 而自然风和管道内的气流是时均流，要实现二者的结合，就必须通过特殊设计 的声学管道把自然风等时均流的能量转换成声场能。时均流流过这个特殊设计 的流道时，会诱导出一个驻波声场，而热声制冷机就可以利用这个驻波声场工 作，产生制冷效应。在曰常生活中就有不少时均流动引起声振荡的例子，如当对着竖直放置 的瓶口水平吹气时，可以听到瓶内传出的嗡嗡声，这说明口中吹出的气流(时 均流)在瓶内引起了声振荡(声场)。瓶内气体由静止转为振荡必然吸收了外 界的能量，由于瓶壁静止，所以能量只能来自于从瓶口掠过的气流。类似的例 子，还有吹口琴和笛子。事实上，这些日常现象的背后有着复杂的物理过程发 生，首先，当气流掠过时，受瓶内静止气体的影响粘性边界层在瓶口脱离；其 次，脱离的边界层以漩涡的形式巻起形成涡结构，并向瓶内的声场传递能量； 再次，能量的传递和声场的存在又反过来影响了随后的漩涡的形成。整个过程 形成一个能量反馈回路，具有高度共振特性。如果把口中吹出的气流换成高速 的自然风，瓶子换成特制的单端开口密闭腔体，高速空气流会向腔体内传递大 的多的能量，从而诱导出一个具有大声能密度的驻波声场；另一方面，如果此 时声场中存在热声回热器(或其它固体多孔介质)，这个声振荡就可以驱动沿 回热器轴向的热量传输，从而产生泵热效应，这是热声效应的一种形式——声 振荡驱动的热量传输。把上述两个过程结合在一起，就构成自然风驱动的热声 振荡系统。这个系统以风能为驱动源，以声振荡作为能量转换的桥梁，最终在 热声系统的回热器上产生一个显著的轴向温度梯度(或可用温差)。关于时均流诱导声振荡的研究开始于上世纪五十年代，此类研究的声场内 不设有多孔介质，因而不发生显著的热效应，为纯声振荡，研究的目的是消除 流体输送管道中自激强振荡引起的结构震动、疲劳破坏和噪音。德国Karlsru 大学的Naudascher和美国Lehigh大学的Rockwell根据形成机理把时均流诱导 声振荡分成三大类1)流体-动力振荡型，特征是振荡源于流体流动的固有不 稳定性，纯的流体-动力振荡只发生于腔体深度与振荡波长相比很小的情况；2) 流体-共振振荡型，特征是流体振荡受共振波动(驻波声场)效应影响显著， 频率较高，腔体的深度与波长处于同一量级；3)流体-弹性振荡型，特征是流 体振荡与固体边界的运动耦合在一起，此类振荡发生于当腔体的一个或多个壁面经历较大位移，且足够对时均流的剪切边界层扰动施加反作用时。上世纪七 十年代以来，针对流体-共振振荡的研究逐渐增多，流场以不稳定的时均流剪 切边界层、漩涡的产生和脱落以及强驻波声场为主要特征。这类研究的对象都 可以抽象成一个主流管道和一截面尺寸相当的单端开口密闭支路，二者内的流 体相互连通，主流管道内是时均流场，密闭支路内建立的是驻波声场。图l给出了一个典型的时均、交变流场的十字型连接(双对称T型连接)示意图，两 对称支路腔体自然耦合成l/2波长谐振器(义=")，曲线表示驻波声场的压力 振幅分布。当然，两支路腔体亦可单侧布置，也可以只设置一个腔体，前者依 然是1/2波长谐振器，而后者则变为1/4波长谐振器。基于漩涡声学理论， Bruggeman对发生于具有旁支路的管路内的空气声学现象进行了系统的研究。 他认为在T型连接处一主管道与旁支路的结合处一将主流体与封闭支路内的 滞止流体分离的不稳定剪切边界层是驱动管路子系统内共振声场的能量源，声 场建立后又反作用于主流的水力扰动。他通过实验研究发现T型连接处的流动 特征强依赖于非稳态(声场)和稳态(时均流)流速比^'/^c/。，其中^'为密 闭腔体封闭端的压力振幅，p、 " t/。分别为流体密度、声速和时均流速。对 于时均流诱导单端开口密闭腔体内的振荡来说，该比值通常大于l(T3。当 10-3〈^/^c/。d0"时，剪切边界层的上游特征尚能用线性稳定理论描述，而当 /7'/pct/。-0(l)时，流动已经本质上非线性了。实验研究证明自然风等时均流能够在密闭腔体内诱导出具有高声能密度 的驻波声场，其压力振幅可以达到平均压力的20%以上，在此基础上能够实现 高效的热声转换过程，从而为有效利用风能提供了一种简单、可靠的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种风能驱动的热声制冷机。 一种风能驱动的热声制冷机具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动 装置包括相连接的收縮风管、中央柱管和扩散风管，热声制冷装置具有第一驻 波热声制冷机单元、第二驻波热声制冷机单元、第三驻波热声制冷机单元和第 四驻波热声制冷机单元，每个制冷机单元包括相连接的谐振管、冷端换热器、 热声回热器和室温换热器，谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风能驱动的热声制冷机，其特征在于它具有风能驱动装置和热声制冷装置，风能驱动装置包括相连接的收缩风管（５）、中央柱管（６）和扩散风管（７），热声制冷装置具有第一驻波热声制冷机单元（１）、第二驻波热声制冷机单元（２）、第三驻波热声制冷机单元（３）和第四驻波热声制冷机单元（４），每个制冷机单元包括相连接的谐振管（８）、冷端换热器（９）、热声回热器（１０）和室温换热器（１１），谐振管（８）前端依次设有冷端换热器（９）、热声回热器（１０）和室温换热器（１１），谐振管（８）后端与中央柱管（６）出风口相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大明，邱利民，甘智华，王波，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]