一种热声环路直流抑制方法和系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种热声环路直流抑制方法和系统，以单一单元热声环路系统中的第一时均压差为优化目标，在所述热缓冲管体积不变条件下，减小所述热缓冲管的截面积，使所述第一时均压差小于设定阈值；获取减小所述热缓冲管的截面积后回热器两端的第二时均压差，通过在谐振管两端增加换热器，使所述换热器在改变所述谐振管的进出温差范围时，所述谐振管两端产生与所述第二时均压差相当的正向或反向的额外时均压差。采用逆向推演法，利用热缓冲管的逆向温度差异产生的工质密度差异和环路中谐振管中的高时均动能特性，实现环路时均质量流抑制以及实际系统中的时均质量流抑制调节。

A DC Suppression Method and System for Thermoacoustic Loop

The embodiment of the present invention provides a direct current suppression method and system for a thermoacoustic loop, which aims at optimizing the first time average pressure difference in a single unit thermoacoustic loop system and reduces the cross-sectional area of the heat buffer tube so that the first time average pressure difference is less than the set threshold under the condition that the volume of the heat buffer tube is constant; and obtains the second end of the regenerator after reducing the cross-sectional area of the heat buffer tube. By adding a heat exchanger at both ends of the resonant tube, the time-averaged differential pressure is generated at both ends of the resonant tube when the temperature difference range between the inlet and outlet of the resonant tube is changed, and an additional time-averaged differential pressure corresponding to the second time-averaged differential pressure is generated at both ends of the resonant tube. By using the inverse deduction method, the time-averaged mass flow suppression in the loop and the time-averaged mass flow suppression regulation in the actual system are realized by using the difference of working medium density caused by the reverse temperature difference of the heat buffer tube and the high time-averaged kinetic energy characteristic in the resonator tube in the loop.

【技术实现步骤摘要】
一种热声环路直流抑制方法和系统
本专利技术涉及热声热机
，更具体地，涉及一种热声环路直流抑制方法和系统。
技术介绍
热声热机的工作原理是可压缩流体在声场调制作用下，处在换热器与回热器中的气体微团通过在平衡位置往复振荡完成介观热力学循环，经微团间的相互接力，最终实现宏观的热、功转换过程。热声热机可实现热致声成为热声发动机或热声发电机，声致冷(热)成为热声制冷机或热声热泵。对于使用热缓冲管内气体作为膨胀活塞隔离高温端与室温端的热声热机，其核心部件如图1所示。其中1为压缩腔，2为主室温散热器，3为回热器，4为吸热器，5为热缓冲管，6为次室温散热器，7为膨胀腔，9为任意声功输出装置。对于发动机，吸热器4从高温吸收热量，将1传递过来的声功放大并从输出装置9输出；对于制冷机，系统消耗1传递过来的声功，使得吸热器4从低温吸收热量泵向主室温散热器2，部分或全部声功可从9输入或输出。当吸热器4为高温换热器时，则热缓冲管5的温度梯度与声功传播反向相反，称为逆温热缓冲管。现有技术中实现大功率、高效热声热机的方法都是采用多单元环路系统，如图2所示，采用直径小于核心单元的谐振管8将各单元串联起来，发动机可通过9向外输出声功，制冷机可通过9从外界输入声功，或采用环路中串联发动机单元与制冷机单元的方式工作。环路系统使得声波的传播特性以行波为主，便于在回热器中产生近行波相位，同时放大的核心单元直径可降低回热器中流速从而减少阻力，提高热声转换效率；谐振管则可回收上一级声功用于下一级声功输入，一方面提高系统能流密度，另一方面提高了系统效率。因谐振管可视为气体弹簧，同时作为前一级单元的压缩活塞和后一级的膨胀活塞，因此也称为双作用环路热声系统。但环路系统中存在的最大问题就是Gedeon直流，这是一种时均质量流。到目前为止，抑制直流的方法主要包括两种：弹性膜和非对称的喷射泵；弹性膜装置因为具有弹性，可实现声波传递；弹性膜片不允许穿透，因此可在较大工况范围抑制时均质量流，但是弹性膜隔直流装置的缺点主要是弹性膜一般采用橡胶材料，非常容易破损，且长期运行时稳定性差；而对于非对称喷射泵，喷射泵的基本工作原理是利用往复流动在两个方向上产生损失的不对称性来产生时均压降来实现系统所需要抵抗的时均质量流，但是其依靠增加系统的损失来工作，且利用的是两个方向损失的差异，影响系统效率，同时固定的结构设计工况适应性较差。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种热声环路直流抑制方法和系统。根据本专利技术的第一个方面，提供一种热声环路直流抑制方法，包括：以单一单元热声环路系统中的第一时均压差为优化目标，在所述热缓冲管体积不变条件下，减小所述热缓冲管的截面积，使所述第一时均压差小于设定阈值；获取减小所述热缓冲管的截面积后回热器两端的第二时均压差，通过在谐振管两端增加换热器，使所述换热器在改变所述谐振管的进出温差范围时，所述谐振管两端产生与所述第二时均压差相差50％～150％的正向或反向的额外时均压差，用于实际系统中的时均质量流抑制时的调节。作为优选的，以单一单元环路系统中的第一时均压差为优化目标，具体包括：基于单一单元热声环路系统两端面时均压差及回热器两端面的时均压差，得到第一时均压差，以所述第一时均压差为优化目标。作为优选的，减小所述热缓冲管的截面积后，还包括，在热缓冲管和吸热器间增加渐变段，所述渐变段两端直径分别与所述热缓冲管、高温换热器或吸热器相等，渐变段与等直径热缓冲管段的空容积之和等于优化前的热缓冲管段空容积。根据本专利技术的第二个方面，提供一种单一单元环路直流抑制结构，包括如上述热声环路直流抑制方法制作的热缓冲管和谐振管；还包括压缩腔、主室温散热器、回热器、吸热器、次室温散热器、膨胀腔，所述压缩腔、主室温散热器、回热器、吸热器、热缓冲管、次室温散热器、膨胀腔和谐振管依次连接。根据本专利技术的第三个方面，提供一种相同单元的多单元热声环路系统，包括若干如上述的单一单元环路直流抑制结构，若干所述单一单元环路直流抑制结构依次连接，每相邻的两个单一单元环路直流抑制结构通过谐振管连接。根据本专利技术的第四个方面，提供一种不同单元的多单元热声环路系统，包括若干不完全相同的单一单元环路直流抑制结构，所述每个单一单元环路直流抑制结构中都包括如上述热声环路直流抑制方法制作的热缓冲管和谐振管。本专利技术提出一种热声环路直流抑制方法和系统，采用逆向推演法，基于独立子单元的时域求解，以独立子单元两端时均压差趋近于零为设计目标；利用热缓冲管的逆向温度差异产生的工质密度差异，结合缩小热缓冲管以及与之相连的次散热器直径，使得热缓冲管两端时均动能差异增大，从而平衡以回热器为主要驱动源的环路时均质量流；同时利用环路中谐振管中的高时均动能特性，通过在谐振管两端布置换热器，小幅度改变谐振管两端的工质密度，在谐振管两端产生时均动能差异，进而产生所需的时均压差，通过调节换热器换热条件，实现环路时均质量流抑制以及实际系统中的时均质量流抑制调节。附图说明图1为现有技术中采用热缓冲管的热声核心部件示意图；图2为现有技术中采用谐振管和热缓冲管的多单元热声环路系统示意图；图3为根据本专利技术实施例热声环路直流抑制方法的示意图；图4为根据本专利技术实施例的单一单元发动机环路直流抑制结构-次水冷器示意图；图5为根据本专利技术实施例的三单元热声环路发动机系统示意图；图6为根据本专利技术实施例的三单元热声环路发动机系统示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。热声热机的工作原理是可压缩流体在声场调制作用下，处在换热器与回热器中的气体微团通过在平衡位置往复振荡完成介观热力学循环，经微团间的相互接力，最终实现宏观的热、功转换过程，可实现热致声成为热声发动机或热声发电机，声致冷(热)成为热声制冷机或热声热泵。对于使用热缓冲管内气体作为膨胀活塞隔离高温端与室温端的热声热机，其核心部件包括压缩腔、主室温散热器、回热器、吸热器、热缓冲管、次室温散热器、膨胀腔。对于发动机，吸热器从高温吸收热量，将压缩腔传递过来的声功放大并从膨胀腔输出；对于制冷机，系统消耗压缩腔传递过来的声功，使得吸热器从低温吸收热量泵向主室温散热器，剩余声功从膨胀腔输出。当吸热器为高温换热器时，则热缓冲管的温度梯度与声功传播反向相反，称为逆温热缓冲管。实现大功率、高效热声热机的一种途径是采用多单元环路系统，采用直径小于核心单元的谐振管将各单元串联起来，但环路系统中存在的最大问题就是Gedeon直流，这是一种时均质量流，根据质量守恒可知，由于环路轴线方向无阻隔边界限制，任意稳定工况下，环路中存在一个处处相等的时均质量流可写为：其中T为热声热机的基频周期，A为与声功传播方向x垂直的流通截面面积，ρ表示工质密度，u表示x方向瞬时流速，该时均质量流在热声发动机中流动造成直接冷、热混合，使得系统性能严重下降，因此自行波环路热声系统提出以来，直流抑制一直是必须解决的问题。到目前为止，存在两种抑制直流的方法并已经实用化，即弹性膜或非对称的喷射泵，在弹性膜装置中，因为具有弹性，可实现声波传递；弹性膜片不允许穿透，因此可在较大工况范围抑制时均质量流；非对称喷射泵，喷射泵的基本工作原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热声环路直流抑制方法，其特征在于，包括：基于已有的热缓冲管与相邻部件截面的优化设计结果，以单一单元热声环路系统中的第一时均压差为优化目标，在所述热缓冲管体积不变条件下，逐渐减小所述热缓冲管与相邻次室温散热器的截面积，直到所述第一时均压差小于设定阈值；获取减小所述热缓冲管的截面积后回热器两端的第二时均压差，通过在谐振管两端增加换热器，使所述换热器在改变所述谐振管的进出温差范围时，所述谐振管两端产生与所述第二时均压差相差50％～150％的正向或反向的额外时均压差，用于实际系统中环路直流的抑制调节。

【技术特征摘要】
1.一种热声环路直流抑制方法，其特征在于，包括：基于已有的热缓冲管与相邻部件截面的优化设计结果，以单一单元热声环路系统中的第一时均压差为优化目标，在所述热缓冲管体积不变条件下，逐渐减小所述热缓冲管与相邻次室温散热器的截面积，直到所述第一时均压差小于设定阈值；获取减小所述热缓冲管的截面积后回热器两端的第二时均压差，通过在谐振管两端增加换热器，使所述换热器在改变所述谐振管的进出温差范围时，所述谐振管两端产生与所述第二时均压差相差50％～150％的正向或反向的额外时均压差，用于实际系统中环路直流的抑制调节。2.根据权利要求1所述的热声环路直流抑制方法，其特征在于，以单一单元环路系统中的第一时均压差为优化目标，具体包括：基于单一单元热声环路系统两端面时均压差及回热器两端面的时均压差，得到第一时均压差，以所述第一时均压差为优化目标。3.根据权利要求1所述的热声环路直流抑制方法，其特征在于，减小所述热缓冲管的截面积后，还包括，在热缓冲管和吸热器间增加渐变段，所述渐变段两端直径分别与所述热缓冲管...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕燕，胡剑英，张丽敏，罗二仓，吴张华，戴巍，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11