[发明专利]风能驱动的热声制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及热声制冷机，尤其涉及一种风能驱动的热声制冷机。

背景技术

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500℃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。

在日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卷起形成涡结构，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)。