一种声学共振型热驱动行波热声制冷系统技术方案

本发明专利技术涉及的声学共振型热驱动行波热声制冷系统，由N个弹性膜和N个通过谐振管首尾相连并形成环形回路的热声单元组成，其中N为3～10的正整数，每个热声单元两端体积流率的相位差为360°/N；每个热声单元由热声发动机和脉管制冷组成；本发明专利技术的制冷系统可以实现完全没有运动部件，其可靠性得到进一步提升；在声学共振环路系统中可实现纯行波相位，并且每个热声单元中从脉管制冷机流出的声功均被下一热声单元回收利用，可进一步提高系统工作效率；此外可根据所需要冷量情况串接不同数目的热声单元实现大冷量输出；本发明专利技术能够获得大冷量，高效率，长寿命，且系统结构简单，在需求大冷量的场合有着良好的运用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制冷系统，特别是涉及一种新型的声学共振型热驱动行波热声制冷系统。
技术介绍
随着高温超导的应用，超导变压器、超导发电机、超导电动机、超导电缆、限流器、超导储能等获得了快速的发展，这对低温制冷机制冷量的提高提出了进一步的要求。目前大功率脉管制冷机还存在一些尚未解决的问题，由于尺寸的增大，很容易导致气体流动和温度分布不均，功率很难进一步提高，目前还没有很好的解决方法。另一方面随着石油及煤炭资源的日益消耗及其对环境污染的日益加剧，增大天然气在一次能源中的比例成为我国优化能源结构的重要途径。与管道天然气相比，液化天然气LNG有利于远距离运输和存储，有利于边远天然气的回收,降低天然气的储存成本,有利于天然气应用中的调峰。传统的天然气液化流程主要有以下三种：复叠式液化流程、混合工质液化流程、带膨胀机的液化流程，无论哪一种液化流程都包含着许多复杂的过程，并且使用的工质本省就存在着对环境不友好的问题。行波热声发动机和脉管制冷机因其具有运行可靠、使用寿命长、潜在效率高等优点而受到人们的广泛关注，用行波热声发动机驱动脉管制冷机可实现系统完全无运动部件。热声能量的转换在很大程度上决定于压力波动与体积流率波动之间的相位差。体积流率可表示成与压力波动同相的行波分量和与压力波动相位相差90°的驻波分量之和，纯驻波即压力波动与体积流率的相位差为90°时是不能产生声功的，声功的产生靠行波分量，即压力波动与体积流率同相位的分量，因此使声场中行波分量尽量增大对提高热声机械转换效率具有积极的意义。1979年美国的Ceperley首次提出了行波热声发动机的概念，但由于对热声转换机理理解的有限并且对降低行波热声发动机产生热功转换核心部件回热器阻抗没有提出有效降低的技术方案，因此并没有研制出可工作的行波热声发动机。1998年，在行波热声发动机发展之初，日本的Yazaki、Iwata等人提出了环形管行波热声发动机，如图1所示，他们在实验中采用激光多普勒测速仪测量了工作气体振荡速度，并意识到由于发动机板叠处工作气体振荡速度较大，造成了严重的粘性损失，限制了行波热声发动机的效率，但是并没有提出妥善的解决方案。随后，美国的Backhaus和Swift等人提出的热声斯特林热机及一些类似结构的热声发动机，引入了谐振管结构，如图2所示，虽然在系统性能上有了很大的提高，但是谐振管部分基本仍是以驻波声场为主，热声发动机很大一部分声功在谐振管中耗散，并且谐振管的引入极大的降低了系统的功率密度。2010年，荷兰的Kees de Blok提出了一种新型4阶行波热声发电机，其结构与Yazaki等人环形管行波热声发动机类似，但是增大了回热器的面积，如图3所示，使得工作气体振荡速度在回热器里有效降低，解决了Yazaki等人环形管行波热声发动机回热器中粘性损失的问题。但是在热声发动机中并为加入热缓冲管结构，会造成冷热气体混合损失，产生极大的换热不可逆损失；并且在环路系统中并未加入薄膜等抑制环路直流的装置，环路中的直流会造成系统中气体的定向流动，使得气体换热与回热器、换热器的换热效果变差，极大的影响了热声性能。所以也这种结构也并未取得较好的结果。2012年，中科院理化所罗二仓课题组提出双作用流程，如图4所示，热声发动机或脉管制冷机与双作用直线电机首尾相连形成环路，系统能够回收声功，极大的提高了效率。但是双作用电机的引入增加了系统不一致性问题，当其中一个电机与其他电机有差异时，这种差异会在环路中被放大最终影响到系统的性能。本专利技术正是基于以上带谐振管的热声发动机、环路行波热声发动机、以及双作用热声发动机中存在的问题，提出了一种新型的设计，即解决了回热器处阻力过大以及谐振管体积过大的问题，又解决了DeBlock环路系统中出现的冷热损失、环路直流等问题，同时也解决了双作用系统中不一致性的问题。通过热声发动机驱动热声制冷机能够使得系统完全没有运动部件，进一步提高了可靠性，并且可根据冷量的需求串联多个热声单元实现大冷量输出，十分适合于应用在大冷量需求的场合，比如低温超导和天然气液化等场合。此外热声发动机热端可可利用太阳能、工业废热或天然气燃烧废热等低品位能源作为其热源，极大的提高了能源利用率，在天然气液化方向有着良好的运用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种声学共振型热驱动行波热声制冷系统，利用热声发动机驱动脉管制冷机，实现系统完全无运动部件，可极大提高系统的可靠性；本发明优点在于系统环路中各个位置都可实现行波相位，提高系统工作效率；并且可根据冷量的需求串联多个热声单元实现天然气液化所需的大冷量输出；环路声学共振制冷系统除了具有灵活便利的优势，更兼有结构简单，运行可靠，潜在效率高，工质环保等优点，在大冷量需求场合有着良好的应用前景。本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供的声学共振型热驱动行波热声制冷系统，其包括：N个弹性膜和N个通过谐振管10首尾相连并形成环形回路的热声单元，其中N为3～10的正整数，每个热声单元两端体积流率的相位差为360°/N；所述热声单元由依次串接的第一主室温端换热器1、第一回热器2、热端换热器3、第一热缓冲管4、第二主室温端换热器5、第二回热器6、冷端换热器7、第二热缓冲管8和第二次室温端换热器9组成；所述依次串接的第一主室温端换热器1、第一回热器2、热端换热器3、第一热缓冲管4和第二主室温端换热器5构成一个热声发动机；所述依次串接的第二主室温端换热器5、第二回热器6、冷端换热器7、第二热缓冲管8和第二次室温端换热器9构成一个脉管制冷机；所述热声发动机与脉管制冷机共用一个第二主室温端换热器5；所述热声发动机与所述热声制冷机统称为热声转换部件；所述谐振管10为管径小于所述热声装换部件的空管段，所述谐振管10起到连接相邻两个热声转换部件的连接及相位调节作用；对热端换热器3进行加热；通过水冷器对第一主室温端换热器1、第二主室温换热器5及第二次室温端换热器9进行冷却使分别维持在室温范围；所述弹性膜安装在环形回路中对所述热声发动机进行冷却的水冷器前的谐振管10上的任意位置处，以起到隔绝环形回路中的直流；当热端换热器3与第一主室温端换热器1之间的温度梯度达到临界温度后，整个声学共振型热驱动行波热声制冷系统起振；每个热声发动机的第一回热器2内部工作气体与回热器固体间发生热声效应，将输入热端换热器3的热量转化为声功，并沿着由第一主室温端换热器1至热端换热器3的温度梯度方向输出，同时向该热声单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声学共振型热驱动行波热声制冷系统，其包括：
N个弹性膜（11）和N个通过谐振管（10）首尾相连并形成环形回路的热声单元，
其中N为3～10的正整数，每个热声单元两端体积流率的相位差为360°/N；
所述热声单元由依次串接的第一主室温端换热器（1）、第一回热器（2）、热端
换热器（3）、第一热缓冲管（4）、第二主室温端换热器（5）、第二回热器（6）、冷
端换热器（7）、第二热缓冲管（8）和第二次室温端换热器（9）组成；
所述依次串接的第一主室温端换热器（1）、第一回热器（2）、热端换热器（3）、
第一热缓冲管（4）和第二主室温端换热器（5）构成一个热声发动机；
所述依次串接的第二主室温端换热器（5）、第二回热器（6）、冷端换热器（7）、
第二热缓冲管（8）和第二次室温端换热器（9）构成一个脉管制冷机；
所述热声发动机与脉管制冷机共用一个第二主室温端换热器（5）；
所述热声发动机与所述热声制冷机统称为热声转换部件；所述谐振管（10）为
管径小于所述热声装换部件的空管段，所述谐振管（10）起到连接相邻两个热声转
换部件的连接及相位调节作用；
对热端换热器（3）进行加热；通过水冷器对第一主室温端换热器（1）、第二
主室温换热器（5）及第二次室温端换热器（9）11进行冷却使分别维持在室温范围；
所述弹性膜（11）安装在环形回路中对所述热声发动机进行冷却的水冷器前的
谐振管（10）上的任意位置处，以起到隔绝环形回路中的直流；当热端换热器（3）
与第一主室温端换热器（1）之间的温度梯度达到临界温度后，整个声学共振型热驱
动行波热声制冷系统起振；一个热声发动机的第一回热器（2）内部工作气体与回热
器固体间发生热声效...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗二仓，童欢，陈燕燕，戴巍，张丽敏，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，中科力函深圳热声技术有限公司，
类型：发明
国别省市：