一種以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機及其控制方法，熱聲發(fā)動機包括主冷卻器、熱聲板疊（回?zé)崞鳎?、加熱器和諧振直路，在熱聲板疊不銹鋼固體平板中添加儲氫合金，在熱聲板疊高溫溫區(qū)，金屬氫化物分解出氫氣，系統(tǒng)壓力增大；在熱聲板疊低溫溫區(qū)，儲氫合金與氫氣發(fā)生化合作用，生成金屬氫化物，系統(tǒng)壓力減小。本發(fā)明有效增大了熱聲發(fā)動機的輸出壓比，提高了系統(tǒng)效率。此外，本發(fā)明采用氫氣作為工質(zhì)，與氦氣相比，氫氣具有較小的熱滲透深度，熱聲板疊間距較小，增強了熱聲振蕩效應(yīng)，對于提高熱聲發(fā)動機的效率具有重要意義。
【專利說明】
一種以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及熱聲發(fā)動機，尤其涉及一種以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱聲發(fā)動機是基于熱聲效應(yīng)的一種新型壓力波振蕩發(fā)生裝置。系統(tǒng)中沒有任何運動部件，從根本上消除了常規(guī)機械制冷機中存在的磨損與振動，簡單可靠維護少;還可以采用熱能驅(qū)動，可用廢熱、太陽能和燃氣等作為熱源，這樣不僅有利于提高系統(tǒng)的熱力學(xué)效率，而且對于那些缺乏電能的場合更具實際意義。
[0003]雖然熱聲發(fā)動機擁有傳統(tǒng)發(fā)動機不具備的優(yōu)勢，但是由于現(xiàn)有熱聲理論的不完善，系統(tǒng)內(nèi)部存在的損失由多方面組成，其中一個重要來源是熱聲板疊中的熱損失和動力損失。熱聲發(fā)動機中的熱聲板疊是發(fā)生熱聲振蕩效應(yīng)的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)熱聲板疊內(nèi)部由于不同溫位的工質(zhì)熱滲透深度與單一目數(shù)絲網(wǎng)水力直徑不匹配而導(dǎo)致熱聲板疊內(nèi)部熱損失，同時由于粘性與熱聲板疊參數(shù)的不匹配造成在熱聲板疊中動力損失。這些損失造成熱聲發(fā)動機的輸出壓比與輸出聲功均較小。因此，提高熱聲發(fā)動機的熱聲轉(zhuǎn)化效率和輸出聲功能力，對推進熱聲發(fā)動機的實用化進程具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對【背景技術(shù)】中所涉及到的缺陷，提供一種以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機及其控制方法。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機，包括主冷卻器(I)、熱聲板疊(2)、加熱器(3)、熱緩沖管(4)、副冷卻器(5)、反饋管路(6)、聲容管路(7)、T型管(8)和諧振直路(9);
所述反饋管路(6)的一端、聲容管路(7)、主冷卻器(1)、熱聲板疊(2)、加熱器(3)、熱緩沖管(4)、副冷卻器(5)的一端依次相連；
所述T型管(8)為三通管，其中兩端分別與反饋管路(6)的另一端、副冷卻器(5)的另一端相連，另一端與諧振直路(9)相連；
所述熱聲發(fā)動機米用氫氣作為工質(zhì)，且熱聲板疊(2)中含有儲氫合金。
[0006]本發(fā)明還公開了該以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機的控制方法，包括以下步驟:
步驟I)，加熱器(I)對系統(tǒng)進行加熱直到起振溫度，然后維持在消振溫度之上，維持振蕩；
步驟2)，主冷卻器(I)和加熱器(3)之間的溫度差使得熱聲板疊(2)上產(chǎn)生溫度梯度，從而使熱聲板疊(2 )內(nèi)的氣體微團在平衡位置作來回振動，通過與相鄰固體介質(zhì)的能量交換來實現(xiàn)不同性質(zhì)的熱力循環(huán)，在主冷卻器(I)往加熱器(3)的方向上，氣體微團壓力升高，體積變大，進行膨脹過程，對外做聲功，在加熱器(3)往主冷卻器(I)的方向上，氣體微團壓力降低，體積變小，進行壓縮過程，消耗能量； 步驟3)，聲功從加熱器(3)向外傳遞，通過熱緩沖管(4)，進入副冷卻器(5)降低傳遞聲功的氣體溫度；
步驟4)，聲功進入諧振直路(9)并在直路上形成駐波相位，其余行波成分進入反饋管路
[6]后在通過聲容管路(7)最終在熱聲板疊(2)處形成行波相位，形成循環(huán)。
[0007]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
本發(fā)明改變熱聲板疊材料和工質(zhì)，在熱聲板疊材料不銹鋼固體平板中添加儲氫合金，并且采用氫氣作為工質(zhì)。當系統(tǒng)工作時，在熱聲板疊高溫溫區(qū)，金屬氫化物分解出氫氣，系統(tǒng)壓力增大;在熱聲板疊低溫溫區(qū)，儲氫合金與氫氣發(fā)生化合作用，生成金屬氫化物，系統(tǒng)壓力減小。從而使得整個工作循環(huán)的壓比增大，提高了做功效率。并且儲氫合金的吸氫放氫反應(yīng)過程中產(chǎn)生的反應(yīng)熱儲存在不銹鋼中，不與外界發(fā)生熱量交換，不影響熱量在加熱器與冷卻器之間的傳遞。
[0008]另外由于工質(zhì)在熱聲發(fā)動機中的作用機理，應(yīng)該選擇具有低Pr數(shù)和低聲速特性的工質(zhì)。而氫氣在300K時普朗特數(shù)Pr比氦氣低29%，其聲速比氦氣高29%，并不相差太大。但是在同樣的聲振頻率、溫度和壓力下，氫氣具有較小的熱滲透深度，決定了熱聲板疊中板疊的板間距較小。板間距決定了板疊壁與工質(zhì)氣團間的熱接觸性質(zhì)，也是激發(fā)熱聲振蕩的重要條件。使用氫氣決定了較小的板間距，能夠增強熱聲振蕩效應(yīng)，提高效率。
[0009]綜合兩個方面來看，添加儲氫合金作為熱聲板疊以氫氣為工質(zhì)，能夠有效提高熱聲發(fā)動機的熱聲轉(zhuǎn)換效率和輸出聲功能力。
【附圖說明】
[00?0]圖1為熱聲發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡圖；
圖2為熱聲發(fā)動機原理不意圖；
圖3為氫氣在40Hz和一定壓力下隨溫度變化的熱滲透深度曲線；
圖4為在2MPa和40Hz下氫氣和氦氣熱滲透深度隨溫度的變化曲線；
圖中，1-主冷卻器、2-熱聲板疊、3-加熱器、4-熱緩沖管、5-副冷卻器、6-反饋管路、7-聲容管路、8-T型管、9-諧振直路、10-高溫?zé)嵩础?1-低溫?zé)嵩础?br>【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
如圖1所示，本發(fā)明公開了一種以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機，包括主冷卻器1、熱聲板疊
2、加熱器3、熱緩沖管4、副冷卻器5、反饋管路6、聲容管路7、T型管8和諧振直路9，其中主冷卻器I在熱聲板疊2上方，加熱器3在熱聲板疊2下方，熱緩沖管4位于加熱器3與副冷卻器5之間，聲容管路7在主冷卻器I的上方連接行波環(huán)路的左右兩個支路，T型管8是一個三通管用于連接副冷卻器5、反饋管路6和諧振直路9。另外采用氫氣作為工質(zhì)，具有較小熱滲透深度，熱聲板疊間距較小。在熱聲板疊2中添加儲氫合金，與氫氣工質(zhì)發(fā)生吸氫放氫反應(yīng)，改變系統(tǒng)壓力，提高輸出壓比。
[0012]如圖2所示，在熱聲發(fā)動機工作時，高溫?zé)嵩?0向加熱器3提供熱能Qh，被加熱的工質(zhì)在熱聲板疊2中產(chǎn)生熱聲振蕩，把一部分熱能變?yōu)闄C械能，進入諧振直路9，產(chǎn)生聲功率W，其余熱量Q。則作為廢熱，通過冷卻器釋放到低溫?zé)嵩?1中。
[0013]如圖3和圖4所示，氫氣的熱滲透深度分別隨壓力的升高而減小，隨溫度的升高而增大。并且在相同聲振頻率、壓力和溫度下，氫氣的熱滲透深度始終小于氦氣的熱滲透深度，因此利用氫氣時的板疊間距比利用氦氣時較小，能夠增強系統(tǒng)內(nèi)的熱聲振蕩效應(yīng)，提高效率。
[0014]本發(fā)明還公開了以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機的控制方法，包括以下步驟:
步驟I)，加熱器對系統(tǒng)進行加熱直到起振溫度，然后維持在消振溫度之上，維持振蕩；步驟2)，主冷卻器和加熱器之間的溫度差使得熱聲板疊上產(chǎn)生溫度梯度，從而使熱聲板疊內(nèi)的氣體微團在平衡位置作來回振動，通過與相鄰固體介質(zhì)的能量交換來實現(xiàn)不同性質(zhì)的熱力循環(huán)，在主冷卻器往加熱器的方向上，氣體微團壓力升高，體積變大，進行膨脹過程，對外做聲功，在加熱器往主冷卻器的方向上，氣體微團壓力降低，體積變小，進行壓縮過程，消耗能量；
步驟3)，聲功從加熱器向外傳遞，通過熱緩沖管，進入副冷卻器降低傳遞聲功的氣體溫度；
步驟4)，大部分聲功進入諧振直路并在直路上形成駐波相位，其余行波成分進入反饋管路后在通過聲容管路最終在熱聲板疊處形成行波相位，形成循環(huán)。
[0015]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0016]以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機，其特征在于，包括主冷卻器(I)、熱聲板疊(2)、加熱器(3)、熱緩沖管(4)、副冷卻器(5)、反饋管路(6)、聲容管路(7)、T型管(8)和諧振直路(9)； 所述反饋管路(6)的一端、聲容管路(7)、主冷卻器(1)、熱聲板疊(2)、加熱器(3)、熱緩沖管(4)、副冷卻器(5)的一端依次相連； 所述T型管(8)為三通管，其中兩端分別與反饋管路(6)的另一端、副冷卻器(5)的另一端相連，另一端與諧振直路(9)相連； 所述熱聲發(fā)動機米用氫氣作為工質(zhì)，且熱聲板疊(2)中含有儲氫合金。2.基于權(quán)利要求1所述的以氫氣為工質(zhì)的熱聲發(fā)動機的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I)，加熱器(I)對系統(tǒng)進行加熱直到起振溫度，然后維持在消振溫度之上，維持振蕩； 步驟2)，主冷卻器(I)和加熱器(3)之間的溫度差使得熱聲板疊(2)上產(chǎn)生溫度梯度，從而使熱聲板疊(2 )內(nèi)的氣體微團在平衡位置作來回振動，通過與相鄰固體介質(zhì)的能量交換來實現(xiàn)不同性質(zhì)的熱力循環(huán)，在主冷卻器(I)往加熱器(3)的方向上，氣體微團壓力升高，體積變大，進行膨脹過程，對外做聲功，在加熱器(3)往主冷卻器(I)的方向上，氣體微團壓力降低，體積變小，進行壓縮過程，消耗能量； 步驟3)，聲功從加熱器(3)向外傳遞，通過熱緩沖管(4)，進入副冷卻器(5)降低傳遞聲功的氣體溫度； 步驟4)，聲功進入諧振直路(9)并在直路上形成駐波相位，其余行波成分進入反饋管路(6)后在通過聲容管路(7)最終在熱聲板疊(2)處形成行波相位，形成循環(huán)。
【文檔編號】F03G7/00GK105822514SQ201610302194
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】李卓裴, 侯聰, 張方駒, 蔣彥龍
【申請人】南京航空航天大學(xué)