一种沙漠地区的自洁式太阳能热声制冷装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种沙漠地区的自洁式太阳能热声制冷装置，包括第二玻璃管，第二玻璃管顶部与谐振管连接，且第二玻璃管顶部内设有第二热声堆，谐振管顶部设有第一热声堆，第一热声堆设于顶部封闭的第一玻璃管内；在第二玻璃管外固定太阳能聚光装置使得第二热声堆下部位于太阳能聚光装置的焦点，在第二玻璃管的顶部外设有换热水管。本发明的有益效果是：通过凹面镜作为太阳能聚集装置，其能收集到循环制冷水，该水可用于植物滴管和日常生活用水，节约水资源；通过两个热声堆将整体装置分为多段，热声堆与外界相接触，使得流体能直接通过热声堆内部，加强换热，从而使得冷端实现更好的热声效果，并且提高冷能利用率，节约能源。
【专利说明】
一种沙漠地区的自洁式太阳能热声制冷装置
技术领域
[0001] 本发明涉及沙漠地区的制冷领域，具体涉及一种沙漠地区的自洁式太阳能热声制 冷装置。
【背景技术】
[0002] 在我国国民经济发展过程中，能源与环境问题举足轻重。我国化石燃料资源非常 有限，而且开发利用化石燃料会带来严重的环境污染问题，因此，新能源和可再生能源的开 发与利用成为我国解决能源与环境问题之战略决策。可再生能源中太阳能的利用可以不考 虑其能源经济性，而我国具有丰富的太阳能资源，年总辐射量在930~2330kWh/m 2a之间，年 日照时数>2000h，辐射总量高于1630kwh/m2a的地区占全国总面积的2/3以上，主要分布在 西藏大部、新疆、青海、甘肃、黄土高原、内蒙、华北大部和苏北等地，这就从需求和可行性两 方面为我国先进的太阳能利用系统研究与技术开发提供了基础和保证。
[0003] 热声制冷技术采用稀有气体和一些对环境无害的气体作为工质，从而解决了常用 制冷工质CFCs对环境污染的问题。利用太阳能来栗热的效率比把太阳能通过光伏转换成电 能再带动电动热机的效率高的多，而且太阳能供给能力与制冷空调需求程度相当匹配。
[0004] (1)传统热声制冷研究现状
[0005] 热声制冷的概念是在80年代由J.C.Wheatley提出的，而第一台采用扬声器驱动的 热声制冷机是由Hof ler博士 H1在1985年完成的。1986年，T. Hof ler发明了带板叠式回热器 的热声发动机，1999年由G. Swift和R.Radebaugh合作将此热声发动机用于驱动小孔脉管制 冷机，研制成世界上第一台无运动部件的制冷机。1997年，在美国Cry enco公司的资助下，他 们又研制了世界上最大的用于天然气液化的热驱动热声制冷机。2007年美国普渡大学用 DELTAE程序模拟双驻波热声制冷机配置以找到温差的最佳跨度，以使传热系数增大。
[0006] 日本以及欧洲等许多国家也在从事热声热机的研究，其中，日本筑波大学的 Tominaga教授在热声理论研究方面开展较早，在线性化的热声理论研究方面做了很多工 作。
[0007] (2)太阳能驱动热声制冷机的研究现状
[0008] 美国海军研究生院制造了以太阳能为热源的热声驱动热声制冷机嵋。宾夕法尼亚 大学研制的太阳能驱动热声制冷机嫡采用直径10英尺的表面贴着铝化聚酯薄膜的碟式聚 光器将太阳能聚焦在发动机部分的加热器上。
[0009] 在国内，同济大学的袁鹏和寿为东于1995年前后研制了一套热声能量转换的验证 装置，获得了近l〇°C的温降。
[0010]而以上学者制冷装置并未给出适于沙漠地区的，能自主清洁的热声制冷装置。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是提供一种能自清洁的、能量利用率高的沙漠地区的自洁式太阳能 热声制冷装置。
[0012] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0013] -种沙漠地区的自洁式太阳能热声制冷装置，包括第二玻璃管，第二玻璃管顶部 与谐振管连接，且第二玻璃管顶部内设有第二热声堆，谐振管顶部设有第一热声堆，第一热 声堆设于顶部封闭的第一玻璃管内；在第二玻璃管外固定太阳能聚光装置使得第二热声堆 下部位于太阳能聚光装置的焦点，使得第二热声堆下部为太阳能加热点，通过气体受热膨 胀向上移动，第一热声堆和第二热声堆帮助振荡气体，压缩气体，实现热量往复循环移动， 并在冷端即在第二玻璃管的顶部外设有换热水管以获得循环制冷水。
[0014] 进一步地，所述第一热声堆和所述第二热声堆的上下表面均设有换热器，其中，换 热器从第一玻璃管到第二玻璃管方向，依次为第一换热器、第二换热器、第三换热器和第四 换热器，第一换热器和第四换热器的材质相同，第二换热器和第三换热器的材质相同，均选 择导热性好的材料即可，如铝之类的;但第一换热器的材质却又与第二换热器的材质不同， 冷端的换热器强化换冷，热端的华人强化换热。
[0015] 进一步地，所述第二热声堆顶部设有集水环，集水环帮助水源的聚集，材质为亲水 材质。
[0016] 进一步地，所述谐振管与所述第一玻璃管和所述第二玻璃管均通过缩管连接。
[0017] 进一步地，所述第二玻璃管的底部通过球铰固定于底座。
[0018] 进一步地，所述第二玻璃管从所述第二热声堆至底座方向先细后粗，第二玻璃管 的底部管径逐渐缩小以提高声波震动频率。
[0019] 进一步地，所述第二玻璃管粗的部分内部为谐振腔，有助于增加声波的振动强度。
[0020] 进一步地，所述第一热声堆和所述第二热声堆均为多孔陶瓷，孔的方向与所述谐 振管的中心轴线平行，多孔陶瓷的纵向导热差，可以有效隔绝冷端和热端（谐振管内位冷 端，第一换热器与第一玻璃管内容腔、第四换热器与第二玻璃管内容腔为热端），从而在冷 热端之间实现较大温差，利于热声现象的产生;可有效增加换热面积，同时有利于降低热声 制冷机的冷端温度，提高热声制冷装置的效率，且不易造成堵塞。
[0021] 进一步地，所述太阳能聚光装置为疏水材料制成的凹面镜，在凹面镜的内表面设 有多个凹坑，凹坑内设有亲水材料制成的凸起。
[0022] 进一步地，所述集水环设有螺栓孔，螺栓孔的设置有助于控制水流，水流由下管口 进入，下管口流出，从而可以使水充满整个换热器，保证换热器的效率。
[0023] 进一步地，谐振管的内径小于第一玻璃管的内径，有助于声波达到谐振，力求进一 步提升声波频率。
[0024] 进一步地，所述第一热声堆的下部设有无线温度传感器，温度传感器通过无线装 置与控制器连接，控制器设有显示装置，可以实现温度的显示。
[0025] 本发明的工作原理是：白天太阳聚光装置启动并为热声制冷装置提供热源，夜间 太阳能聚光装置将空气中的水汽凝结收集，在收集之前将太阳能跟踪装置表面进行简易冲 刷清洁。整个装置不需要电能，对于沙漠无法通电地区具有较大的实用意义。在凹面镜表面 进行表面改质，凹面镜整体做成疏水性，在其局部做成点状的亲水性凸起，各凸起之间间隔 适当的距离。当夜晚温度下降时，空气湿度增加，形成的小水珠会凝结在亲水的点状表面 上，随着水珠的长大，水珠外部逐渐触碰到疏水表面。当水珠的重力大到水珠能够下滑，水 珠会沿着凹面镜表面下滑至凹面镜底部。在这个过程当中，水珠会清洁凹面镜表面，从而实 现自洁功能。该自洁原理仿生沙漠甲虫集水原理；自洁完成后，水流会由太阳能聚光装置的 低端流出，流向储水箱中。
[0026]热声制冷的工作原理:首先，凹面镜将太阳光聚集在试管底部的第二热声堆下部， 即太阳能加热点。第二热声堆下部气体受热膨胀，向上部移动，到达第二热声堆上部时，气 体由于膨胀温度下降，但温度仍高于第二热声堆上部温度，因此向第二热声堆上部放热，温 度降低;气体温度下降后，体积收缩，返回第二热声堆下部，由此往复循环，形成声波。声波 在谐振管中部振荡，传递至第一热声堆。第一热声堆中气体向上振荡，到达第一热声堆上 部，被压缩，温度升高，向第一热声堆上部放热，温度下降;气体温度下降后，体积收缩，返回 第一热声堆下部，由于气体温度低于第一热声堆下部温度，因此从第一热声堆下部吸热，之 后体积膨胀，返回第一热声堆上部，由此往复循环。同时，整个系统形成驻波，持续振荡，将 热量从第二热声堆下部的太阳能加热点，传递至第一热声堆上部，同时使第二热声堆下部 温度降低，由此将产生的冷能用换热器置换出来。
[0027]本发明的有益效果是：
[0028] 1)通过凹面镜作为太阳能聚集装置，其能收集到循环制冷水，该水可用于植物滴 管和日常生活用水，节约水资源。
[0029] 2)通过两个热声堆将整体装置分为多段，热声堆与外界相接触，使得流体能直接 通过热声堆内部，加强换热，有利于冷端散热，从而使得冷端实现更好的热声效果，并且提 高冷能利用率，节约能源。
[0030] 3)本发明的热声制冷装置没有运动件，管内工质可以是空气或者是通过液化空气 提取出的他和他，热声制冷装置非常环保且对工作环境的要求不高。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明中热声制冷装置的结构示意图；
[0032] 图2是本发明中热声制冷装置的俯视图；
[0033]图3是本发明中第一玻璃管处结构的放大图；
[0034]其中：1.第一玻璃管，2.第一换热器，3.第一热声堆，4.螺栓，5.螺母，6.集水环，7. 第二换热器，8.第一缩管，9.第一垫圈，10.第二垫圈，11.谐振管，12.太阳能聚光装置，13. 第二玻璃管，14.球铰链，15.底座。
【具体实施方式】
[0035]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述。
[0036] 如图1所示，在凹面镜表面进行表面改质，凹面镜整体做成疏水性，在其局部做成 点状的亲水性，各点之间间隔适当的距离。当夜晚温度下降时，空气湿度增加，形成的小水 珠会凝结在亲水的点状表面上，随着水珠的长大，水珠外部逐渐触碰到疏水表面。当水珠的 重力大到水珠能够下滑，水珠会沿着凹面镜表面下滑至凹面镜底部。在这个过程当中，水珠 会清洁凹面镜表面，从而实现自洁功能。该自洁原理仿生沙漠甲虫集水原理。
[0037] 自洁完成后，水流会由太阳能跟踪器的低端流出，流向储水箱中。
[0038] 如图2所示，凹面镜将太阳光聚集在试管底部的第二热声堆下部，即太阳能加热 点。第二热声堆下部气体受热膨胀，向上部移动，到达第二热声堆上部时，气体由于膨胀温 度下降，但温度仍高于第二热声堆上部温度，因此向第二热声堆上部放热，温度降低;气体 温度下降后，体积收缩，返回第二热声堆下部，由此往复循环，形成声波。声波在谐振管中部 振荡，传递至第一热声堆。第一热声堆中气体向上振荡，到达第一热声堆上部，被压缩，温度 升高，向第一热声堆上部放热，温度下降；气体温度下降后，体积收缩，返回第一热声堆下 部，由于气体温度低于第一热声堆下部温度，因此从第一热声堆下部吸热，之后体积膨胀， 返回第一热声堆上部，由此往复循环。同时，整个系统形成驻波，持续振荡，将热量从第二热 声堆下部的太阳能加热点，传递至第一热声堆上部，同时使第二热声堆下部温度降低;而第 一玻璃管外设有换热管，从而实现将第一热声堆上部的低温换热给换热管内的低温水以获 得循环制冷水。
[0039] 如图3所示，热声堆采用多孔陶瓷，可以有效隔绝冷端和热端，从而在冷热端之间 实现较大温差，利于热声现象的产生;可有效增加换热面积，同时有利于降低热声制冷机的 冷端温度，提高热声制冷装置的效率，且不易造成堵塞。
[0040] 此外，本实施例中凹面镜朝向上部，120°开角。
[0041] 根据声学理论，对于均匀有限长管的管内声场，只有当管长为声波波长的1/4时， 才会产生谐振现象，此时振幅最大，致冷效果最为明显。由于试管处于室温中，取空气中的 声速为c = 340m/s，那么谐振管长度
[0042] L= 7T " ⑴
[0043]其中f为谐振频率，预设频率为220Hz，则谐振管长度为39.3cm，因此谐振管取 40cm，前期通过一个滑动管进行试验，滑动管取20cm〇
[0044] 制作热声堆主要考虑各层之间需要有一定的交换热量的穿透深度。热波穿透深度 Sk为时间t = lAf中热扩散的距离，其关系式如下：
[0045] (2)
[0046] 其中f是驻波的频率，k是导热系数，P是气体密度，CP是单位质量气体的等压比热， 带入数据，计算得出3k = 0.3174mm，取板叠间距为3个5k距离，约为1mm。
[0047]按热力学第一定律，在声热栗中，声波机械能W做功使热量Qc自温度为Tc的热源流 出，产生热量Qh，流入温度为Τη的热源中，关系为
[0048] QH=Qc+ff (3)
[0049] 其中，QH:热端产生的热量;QC:冷端产生的热量;W:声波机械能做的功。
[0050] 按热力学第二定律，在这个声热转换过程中，熵值将增加。因此在声热栗中
[0051] Qc/Tc>Qh/Tc (4)
[0052] 其中，Tc:冷端温度；
[0053]由此声热栗的制冷系数ε为：
^5)[0055]通过计算或者试验，得出气体前后温差：Δ T = 20°C
[0054]
[0056] 质量流量 qm 为：qm=0.05kg/s
[0057] 空气平均温度:Tq = 3(TC
[0058] 换热量:= ?/〃, X 尺 Δ7' X X ? = 0.05/切/ .v X 20Γ>< I .()()5/:,// /cfr>< l.v = 1.005^/
[0059] 其中，t为表示假设换热时间为一秒，即得出的换热量表示单位时间的换热量，cm 为空气比热容，Rc是雷诺数。
[0060] 本发明中的制冷装置非常适用于沙漠无法通电地区，沙漠地区炎热干旱，太阳能 资源丰富，昼夜温差大，植被极其匮乏。本发明中的制冷装置仿生沙漠甲虫集水原理结合太 阳能跟踪装置与改进热声制冷装置，不仅实现了以太阳能为热源的更高效的热声制冷，而 且为沙漠居民有效蓄水，解决了沙漠居民的日常生活用水问题并为沙漠地区植被滴灌带来 了长期的水资源来源。
[0061] 相较于太阳能发电再制冷装置，本发明中的制冷装置的效率更加高，太阳能发电 再制冷装置经过了两次能量转换，效率较低。
[0062] 相较于太阳能吸收式制冷装置，本发明中的制冷装置的自洁式太阳能跟踪装置和 热声制冷装置均为零耗电，更加清洁环保且能收集水源并自我清洁。
[0063] 虽然本发明中的制冷装置前期成本较高，但是从长远的角度来看，本发明中的制 冷装置具有一定的经济性，对环境的价值更是不可估量。
[0064] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种沙漠地区的自洁式太阳能热声制冷装置，其特征在于，包括第二玻璃管，第二玻 璃管顶部与谐振管连接，且第二玻璃管顶部内设有第二热声堆，谐振管顶部设有第一热声 堆，第一热声堆设于顶部封闭的第一玻璃管内；在第二玻璃管外固定太阳能聚光装置使得 第二热声堆下部位于太阳能聚光装置的焦点，在第二玻璃管的顶部外设有换热水管。2. 如权利要求1所述的热声制冷装置，其特征在于，所述第一热声堆和所述第二热声堆 的上下表面均设有换热器。3. 如权利要求1或2所述的热声制冷装置，其特征在于，所述第二热声堆顶部设有集水 环，所述集水环设有螺栓孔。4. 如权利要求1或2所述的热声制冷装置，其特征在于，所述谐振管与所述第一玻璃管 和所述第二玻璃管均通过缩管连接。5. 如权利要求4所述的热声制冷装置，其特征在于，所述第二玻璃管的底部通过球铰固 定于底座。6. 如权利要求5所述的热声制冷装置，其特征在于，所述第二玻璃管从所述第二热声堆 至底座方向先细后粗，第二玻璃管的底部管径逐渐缩小以提高声波震动频率。7. 如权利要求6所述的热声制冷装置，其特征在于，所述第二玻璃管粗的部分内部为谐 振腔。8. 如权利要求1或2或5或6所述的热声制冷装置，其特征在于，所述第一热声堆和所述 第二热声堆均为多孔陶瓷，孔的方向与所述谐振管的中心轴线平行。9. 如权利要求1或2或5或6所述的热声制冷装置，其特征在于，所述太阳能聚光装置为 疏水材料制成的凹面镜，在凹面镜的内表面设有多个凹坑，凹坑内设有亲水材料制成的凸 起，所述太阳能聚光装置的底部通过管路与储水箱连接。10. 如权利要求3所述的热声制冷装置，其特征在于，所述第一热声堆的下部设有无线 温度传感器，温度传感器通过无线装置与控制器连接。
【文档编号】B08B3/04GK105865046SQ201610157190
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】王紫璇, 刘泽方, 范钦灏, 肖迪
【申请人】王紫璇