一种热声发动机及热声加热方法技术

本发明专利技术涉及热声加热设备技术领域，尤其涉及一种热声发动机。该热声发动机中的主水冷器、回热器和高温换热器顺次连接，高温换热器的壳体内置有核燃料堆，从而使得发动机内自激振荡的工作气体直接与核燃料堆进行换热，将核燃料堆的热量转化为机械能或者传递给环境，使核燃料堆得到有效的冷却，形成一种非能动的气冷堆，可使核堆的安全性获得提高；同时，将核燃料堆与热声发动机直接耦合换热使外燃式的热声发动机变成了一种准内燃机的形式，大大简化了系统换热流程，系统功率密度可以获得大幅度提高，且热声发动机的承压壁面不再需要承受高温，内部工作介质可工作在更高的温度，潜在的热力性能也将获得大幅提升。

【技术实现步骤摘要】
一种热声发动机及热声加热方法
本专利技术涉及热声加热设备
，尤其涉及一种热声发动机及热声加热方法。
技术介绍
热声发动机是利用热声效应，实现热能到声能转化从而实现声功输出的声波发生器。热声效应是由热在弹性介质(常为高压惰性气体)中引起声学自激振荡的物理现象。利用热在压力气体中产生自激振荡这一热声现象，可以实现将热转换为压力波动。压力波是交变机械能，也就实现了热-机转换。热声发动机是指通过热声效应由热产生机械动力的装置，其输入的热量由加热器来提供。热声发动机的高温加热器是热声发动机上的核心部件之一，它将时均的热量从外热源传递给惰性气体工质。核能(或称原子能)是通过核反应从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的质能方程。核燃料是指可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。核燃料体为由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块，该瓷芯块通常为柱体，将几百个芯块叠在一起装入细长锆合金材料制成的套管内，使得核燃料在套管内产生核反应，由于核反应就像是在燃烧原子，因此将该结构称为燃料棒。由于核燃料在核反应堆中反应时产生的能量远大于化石燃料，因此核燃料体内的核燃料在发生反应时，将会产生大量的热量。为了避免反应堆因过热烧毁，须采用循环水(或其他物质)带走链式反应产生的大量热能，而导出的热量可以使水变成水蒸气，并与其他工质进行热量的交换，并最终将核能转化为其他的能量。现有的核燃料体的冷却通常采用水冷(也包括钠冷、气冷)的方式进行，热量被间接的传输到外界，此方式虽技术成熟，但在热量传递的品位较低，传热过程复杂，系统庞大。目前，现有的热声发动机中，热量由外热源通过壁面传输到热声发动机内的工作气体时，发动机壳体作为换热壁面必须同时承受高温和高压，由于最高换热温度受到材料性能的限制，使得热声发动机的热工转换效率的也受到了较大的限制。此外，由于热量需要通过换热器壁面传入发动机内，因此外燃式的热声发动机通常体积较大，功率密度较低，不利于实际应用。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是解决现有的热声发动机中，热量由外热源通过壁面传输到热声发动机内的工作气体时，发动机壳体作为换热壁面必须同时承受高温和高压，热声发动机的热工转换效率受到材料所能承受的最高换热温度的限制，以及外燃式热声发动机体积较大、功率密度较低、不利于实际应用的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种热声发动机，包括顺次连通的主水冷器、回热器和高温换热器，所述高温换热器的壳体内置有核燃料堆，所述核燃料堆用于提供核燃料利用反应的场所，所述核燃料堆与流经所述高温换热器内的工作气体之间进行热交换，以使所述工作气体升温。优选的，所述高温换热器还包括至少一个控制棒，各个所述控制棒分别插装在所述核燃料堆内、和/或分别分布于所述核燃料堆的周围，每个所述控制棒均用于控制所述核燃料堆内的核燃料反应进行的快慢。优选的，所述核燃料堆内设有多孔结构，所述多孔结构由核燃料构成，并能在所述核燃料堆内形成至少一条轴向气体流道，每条所述气体流道内均能插入所述控制棒；在每条所述气体流道内分别流通有所述工作气体，以使所述工作气体流经各条所述气体流道时、能分别与至少一个所述核燃料堆之间进行热交换。优选的，所述多孔结构包括：多个沿轴向设置的核燃料棒，每个所述核燃料棒均匀的并列于所述高温换热器的壳体内；和/或多个核燃料球，每个所述核燃料球堆叠在所述壳体内。优选的，相邻的n个所述核燃料棒或所述核燃料球之间(n≥3)、以及所述多孔结构与核燃料堆的承压内壁之间分别留有所述气体流道，且每相邻的n个所述核燃料堆之间(n≥3)的气流通道内均能插入所述控制棒。优选的，所述核燃料棒的轴线上贯通有所述气体流道。优选的，所述控制棒的截面小于所述气体流道的截面，以使所述控制棒插入气体流道内时，所述控制棒与气体流道之间留有用于所述工作气体通过的缝隙。优选的，所述多孔结构为多个核燃料球时，多个所述核燃料球沿轴向堆叠为若干层，多个所述控制棒分别穿插在各个所述核燃料球之间。优选的，所述高温换热器还包括多个导热翅片，各个所述导热翅片分别并列在所述壳体内，每相邻的两个所述导热翅片之间均留有所述气体流道；多个所述核燃料堆和多个所述控制棒分别穿设在各个所述导热翅片内。优选的，所述核燃料棒的轴线上贯通有气体流道，以使所述控制棒能插入所述气体流道内。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有以下有益效果：1、本专利技术的热声发动机及热声加热方法中，主水冷器、回热器和高温换热器顺次连接，高温换热器的壳体内置有核燃料堆，从而使得发动机内自激振荡的工作气体直接与核燃料堆进行换热，将核燃料堆的热量转化为机械能或者传递给环境，使核燃料堆得到有效的冷却，形成一种非能动的气冷堆，可使核堆的安全性获得提高；同时，将核燃料堆与热声发动机直接耦合换热使外燃式的热声发动机变成了一种准内燃机的形式，大大简化了系统换热，系统功率密度可以获得大幅度提高；2、由于高温换热器内置于热声发动机中，作为发动机壳体一部分的高温换热器的壳体内壁即为承压壁面，由于发动机内的工作气体能直接与核燃料堆之间换热，使得承压壁面不再承受高温，甚至可以在承压壁面的外表面进行控温冷却，与现有技术相比，发动机的壳体外表面和承压壁面均由原本的高温高压环境变为只需要承受高压环境，增强了系统安全性和稳定性；3、在高温换热器中，通过控制棒与核燃料堆的接触程度控制核反应的程度，进而控制加热功率和温度，从而可以将核能可控地运用到热声发动机中；4、上述结构的热声发动机进一步减少了整体体积，使结构更加小型化紧凑化。附图说明图1为本专利技术实施例的热声发动机的结构示意图；图2为本专利技术实施例一的高温换热器横截面的结构示意图；图3为本专利技术实施例二的高温换热器横截面的结构示意图；图4为本专利技术实施例三的高温换热器横截面的结构示意图；图5为本专利技术实施例四的高温换热器的结构示意图；图6为本专利技术实施例五的高温换热器的结构示意图。其中，1、主水冷器；2、回热器；3、核燃料棒；4、承压内壁；5、控制棒；6、气体流道；7、导热翅片；8、核燃料球。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的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，但不能用来限制本专利技术的范围。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；除非另有说明，“缺口状”的含义为除截面平齐外的形状。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热声发动机，其特征在于，包括顺次连通的主水冷器、回热器和高温换热器，所述高温换热器的壳体内置有核燃料堆，所述核燃料堆用于提供核燃料利用反应的场所，所述核燃料堆与流经所述高温换热器内的工作气体之间进行热交换，以使所述工作气体升温；所述高温换热器还包括至少一个控制棒，各个所述控制棒分别插装在所述核燃料堆内、和/或分别分布于所述核燃料堆的周围，每个所述控制棒均用于控制所述核燃料堆内的核燃料反应进行的快慢。/n

【技术特征摘要】
1.一种热声发动机，其特征在于，包括顺次连通的主水冷器、回热器和高温换热器，所述高温换热器的壳体内置有核燃料堆，所述核燃料堆用于提供核燃料利用反应的场所，所述核燃料堆与流经所述高温换热器内的工作气体之间进行热交换，以使所述工作气体升温；所述高温换热器还包括至少一个控制棒，各个所述控制棒分别插装在所述核燃料堆内、和/或分别分布于所述核燃料堆的周围，每个所述控制棒均用于控制所述核燃料堆内的核燃料反应进行的快慢。


2.根据权利要求1所述的热声发动机，其特征在于，所述核燃料堆内设有多孔结构，所述多孔结构由核燃料构成，并能在所述核燃料堆内形成至少一条轴向气体流道，每条所述气体流道内均能插入所述控制棒；在每条所述气体流道内分别流通有所述工作气体，以使所述工作气体流经各条所述气体流道时、能分别与至少一个所述核燃料堆之间进行热交换。


3.根据权利要求2所述的热声发动机，其特征在于，所述多孔结构包括：
多个沿轴向设置的核燃料棒，每个所述核燃料棒均匀的并列于所述高温换热器的壳体内；和/或
多个核燃料球，每个所述核燃料球堆叠在所述壳体内。


4.根据权利要求3所述的热声发动机，其特征在于，相邻的n个所述核...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡剑英，孙岩雷，罗二仓，张丽敏，罗开琦，胡江风，
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