[发明专利]用于声学相变的装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于声学相变的装置。

背景技术

已知强大的声波呈现压力摆动，并且因为声波总是绝热的，即没有热量增加或移除，所以总是存在跟随该压力摆动的温度变化。这意味着高压引起高温而低压引起低温。温度与压力之间的关系能够以其它方式呈现。一个示例是当人上到山上时，温度和压力以近似相同的方式并以类似的数量级下降。

还已知的是，当暖空气强迫上升到山上并冷却时，生成雨云。采用相同的方式，雨云能够形成在声波中。一个区别在于，上山的行程要花费很长的时间，而声波能够全部在小尺寸的管内提供上下相同的300米的高山每秒200个来回。因此，在这些条件下不同的气体和蒸汽能够在该管内冷凝。我们主要关心从空气中提取水，但是可以利用这种技术来冷凝例如甲烷和二氧化碳。

空气的密度在大气压下为约1.33千克/立方米，并且根据图10中的曲线图，这个量的空气包含4至30克的水。提取水的有利条件存在于温暖国家的沿海地区。如果假设沿海地区的空气的温度为25C，并且在海洋表面紧上方的空气饱和，那么在1.33立方米的空气中有约20克的水。淡化海水非常需要能量，因为蒸发潜热为2.27兆焦耳/千克，这对应于0.55千瓦时/千克。为此，必须向水增加盐的键能。从含盐3.45％的海水中分离水的理论值为0.86千瓦时/立方米。

如今，通过利用蒸馏或渗透作用淡化海水来大规模地制造水。实际工业制造需要的能量是该理论值的5至30倍。

来自油田的天然气由约87％的甲烷组成。因为甲烷是很轻的气体，所以难于通过轮船或火车运输。在有管道的地方，天然气才能够被利用，否则它会燃烧而浪费掉。如果能够以低廉的方式将甲烷转化成液体形式，那将意味着能够利用多得多的来自油田的甲烷。农民们有很大的机会从肥料或其它生物废料中制造甲烷。简单转化至液体形式将意味着单个农场能够增加其利润并产生二氧化碳中性燃料。这种活动因为避免甲烷泄漏到大气中而有力地减少温室效应。

在1997年，世界上第一台热声单元用于产生液化天然气(LNG)。已知热声单元包含热声叠层(stack)，并在该叠层的每一端都带有冷换热器和热换热器。这种热声单元有几层楼高并具有2千瓦的冷却效应。它还使用氦作为其冷却介质，并且在顶部的大燃烧器中用35％的天然气驱动该单元。因此，仅仅65％的天然气被冷凝为LNG。

在基于叠层的热声系统中，谐振器管包含由若干小的平行通道或板构成的热叠层，其中通过该叠层的压力和速度变化使得热量在高压下被供应给振荡气体并在低压下被移除。此外，该叠层在一端具有冷换热器，即工作气体从其吸收热量的换热器，并且在另一端具有热换热器，即工作气体向其释放热量的换热器。

基于叠层的热声装置的缺点在于该叠层必须具有大的表面积并由薄的换热材料制成。该技术已经发展了几十年，还未达到可靠性，特别是在涉及高温和大压力摆动的情况下。基于叠层的系统的另一缺点在于它们经常使用氢和氦作为工作介质，而已知这些气体有甚至从看起来密封很好的系统中散失的倾向的问题。第三个缺点在于该叠层使该波衰减。

发明内容

本发明包括用于相变的装置和方法，其中例如液体物质能够从气体中被提取出来。根据本发明的一种这样的装置包含容积，该容积相应地包含工作气体并被布置为包含产生的驻波或行波，其中在增加的有用能量和浪费的能量之和大于或等于零时产生所述波。此外，该装置由阀机构构成以增加或移除一定量的混合物质。所述产生的声波使所述工作气体和混合物质受到压力和温度变化，其中气体加压造成温度升高而气体减压造成温度降低，因而进入工作气体的从外部增加的采用颗粒、液滴或气体形式的一定量的混合物质会经历相变。作为示例，增加的一定量的气体的一部分能够冷凝。

在某些情况下，该混合物质能够由多种化合物或单一成分组成。所述混合物质能够采用气体形式、液体形式或固体形式。在特定的情况下，所述混合物质能够包括水蒸汽，其能够被相冷凝至液滴。所述混合物质能够是诸如空气、甲烷、二氧化碳、丁烷或丙烷之类的气体。所述混合物质能够包括水滴，其能够相变至雪。所述混合物质能够包括诸如雪之类的固体形式，其能够相变至水蒸汽。

在本发明的另一实施例中，所述装置包括用于供应能量的装置或者用于消耗能量的装置，其被布置成增加或消耗声波能量，使得所增加的能量和所消耗的能量的总和大于或等于零。

在另一实施例中，所述用于供应能量的装置是隔膜、活塞装置、发动机、盐或减容装置(volume reduction)。