一种以氢气为工质的热声发动机及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种以氢气为工质的热声发动机及其控制方法，热声发动机包括主冷却器、热声板叠（回热器）、加热器和谐振直路，在热声板叠不锈钢固体平板中添加储氢合金，在热声板叠高温温区，金属氢化物分解出氢气，系统压力增大；在热声板叠低温温区，储氢合金与氢气发生化合作用，生成金属氢化物，系统压力减小。本发明有效增大了热声发动机的输出压比，提高了系统效率。此外，本发明采用氢气作为工质，与氦气相比，氢气具有较小的热渗透深度，热声板叠间距较小，增强了热声振荡效应，对于提高热声发动机的效率具有重要意义。
【专利说明】
一种以氢气为工质的热声发动机及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及热声发动机，尤其涉及一种以氢气为工质的热声发动机及其控制方法。
【背景技术】
[0002]热声发动机是基于热声效应的一种新型压力波振荡发生装置。系统中没有任何运动部件，从根本上消除了常规机械制冷机中存在的磨损与振动，简单可靠维护少;还可以采用热能驱动，可用废热、太阳能和燃气等作为热源，这样不仅有利于提高系统的热力学效率，而且对于那些缺乏电能的场合更具实际意义。
[0003]虽然热声发动机拥有传统发动机不具备的优势，但是由于现有热声理论的不完善，系统内部存在的损失由多方面组成，其中一个重要来源是热声板叠中的热损失和动力损失。热声发动机中的热声板叠是发生热声振荡效应的关键部件。传统热声板叠内部由于不同温位的工质热渗透深度与单一目数丝网水力直径不匹配而导致热声板叠内部热损失，同时由于粘性与热声板叠参数的不匹配造成在热声板叠中动力损失。这些损失造成热声发动机的输出压比与输出声功均较小。因此，提高热声发动机的热声转化效率和输出声功能力，对推进热声发动机的实用化进程具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所涉及到的缺陷，提供一种以氢气为工质的热声发动机及其控制方法。
[0005]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种以氢气为工质的热声发动机，包括主冷却器(I)、热声板叠(2)、加热器(3)、热缓冲管(4)、副冷却器(5)、反馈管路(6)、声容管路(7)、T型管(8)和谐振直路(9);
所述反馈管路(6)的一端、声容管路(7)、主冷却器(1)、热声板叠(2)、加热器(3)、热缓冲管(4)、副冷却器(5)的一端依次相连；
所述T型管(8)为三通管，其中两端分别与反馈管路(6)的另一端、副冷却器(5)的另一端相连，另一端与谐振直路(9)相连；
所述热声发动机米用氢气作为工质，且热声板叠(2)中含有储氢合金。
[0006]本发明还公开了该以氢气为工质的热声发动机的控制方法，包括以下步骤:
步骤I)，加热器(I)对系统进行加热直到起振温度，然后维持在消振温度之上，维持振荡；
步骤2)，主冷却器(I)和加热器(3)之间的温度差使得热声板叠(2)上产生温度梯度，从而使热声板叠(2 )内的气体微团在平衡位置作来回振动，通过与相邻固体介质的能量交换来实现不同性质的热力循环，在主冷却器(I)往加热器(3)的方向上，气体微团压力升高，体积变大，进行膨胀过程，对外做声功，在加热器(3)往主冷却器(I)的方向上，气体微团压力降低，体积变小，进行压缩过程，消耗能量； 步骤3)，声功从加热器(3)向外传递，通过热缓冲管(4)，进入副冷却器(5)降低传递声功的气体温度；
步骤4)，声功进入谐振直路(9)并在直路上形成驻波相位，其余行波成分进入反馈管路
[6]后在通过声容管路(7)最终在热声板叠(2)处形成行波相位，形成循环。
[0007]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
本发明改变热声板叠材料和工质，在热声板叠材料不锈钢固体平板中添加储氢合金，并且采用氢气作为工质。当系统工作时，在热声板叠高温温区，金属氢化物分解出氢气，系统压力增大;在热声板叠低温温区，储氢合金与氢气发生化合作用，生成金属氢化物，系统压力减小。从而使得整个工作循环的压比增大，提高了做功效率。并且储氢合金的吸氢放氢反应过程中产生的反应热储存在不锈钢中，不与外界发生热量交换，不影响热量在加热器与冷却器之间的传递。
[0008]另外由于工质在热声发动机中的作用机理，应该选择具有低Pr数和低声速特性的工质。而氢气在300K时普朗特数Pr比氦气低29%，其声速比氦气高29%，并不相差太大。但是在同样的声振频率、温度和压力下，氢气具有较小的热渗透深度，决定了热声板叠中板叠的板间距较小。板间距决定了板叠壁与工质气团间的热接触性质，也是激发热声振荡的重要条件。使用氢气决定了较小的板间距，能够增强热声振荡效应，提高效率。
[0009]综合两个方面来看，添加储氢合金作为热声板叠以氢气为工质，能够有效提高热声发动机的热声转换效率和输出声功能力。
【附图说明】
[00?0]图1为热声发动机结构简图；
图2为热声发动机原理不意图；
图3为氢气在40Hz和一定压力下随温度变化的热渗透深度曲线；
图4为在2MPa和40Hz下氢气和氦气热渗透深度随温度的变化曲线；
图中，1-主冷却器、2-热声板叠、3-加热器、4-热缓冲管、5-副冷却器、6-反馈管路、7-声容管路、8-T型管、9-谐振直路、10-高温热源、11-低温热源。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示，本发明公开了一种以氢气为工质的热声发动机，包括主冷却器1、热声板叠
2、加热器3、热缓冲管4、副冷却器5、反馈管路6、声容管路7、T型管8和谐振直路9，其中主冷却器I在热声板叠2上方，加热器3在热声板叠2下方，热缓冲管4位于加热器3与副冷却器5之间，声容管路7在主冷却器I的上方连接行波环路的左右两个支路，T型管8是一个三通管用于连接副冷却器5、反馈管路6和谐振直路9。另外采用氢气作为工质，具有较小热渗透深度，热声板叠间距较小。在热声板叠2中添加储氢合金，与氢气工质发生吸氢放氢反应，改变系统压力，提高输出压比。
[0012]如图2所示，在热声发动机工作时，高温热源10向加热器3提供热能Qh，被加热的工质在热声板叠2中产生热声振荡，把一部分热能变为机械能，进入谐振直路9，产生声功率W，其余热量Q。则作为废热，通过冷却器释放到低温热源11中。
[0013]如图3和图4所示，氢气的热渗透深度分别随压力的升高而减小，随温度的升高而增大。并且在相同声振频率、压力和温度下，氢气的热渗透深度始终小于氦气的热渗透深度，因此利用氢气时的板叠间距比利用氦气时较小，能够增强系统内的热声振荡效应，提高效率。
[0014]本发明还公开了以氢气为工质的热声发动机的控制方法，包括以下步骤:
步骤I)，加热器对系统进行加热直到起振温度，然后维持在消振温度之上，维持振荡；步骤2)，主冷却器和加热器之间的温度差使得热声板叠上产生温度梯度，从而使热声板叠内的气体微团在平衡位置作来回振动，通过与相邻固体介质的能量交换来实现不同性质的热力循环，在主冷却器往加热器的方向上，气体微团压力升高，体积变大，进行膨胀过程，对外做声功，在加热器往主冷却器的方向上，气体微团压力降低，体积变小，进行压缩过程，消耗能量；
步骤3)，声功从加热器向外传递，通过热缓冲管，进入副冷却器降低传递声功的气体温度；
步骤4)，大部分声功进入谐振直路并在直路上形成驻波相位，其余行波成分进入反馈管路后在通过声容管路最终在热声板叠处形成行波相位，形成循环。
[0015]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0016]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种以氢气为工质的热声发动机，其特征在于，包括主冷却器(I)、热声板叠(2)、加热器(3)、热缓冲管(4)、副冷却器(5)、反馈管路(6)、声容管路(7)、T型管(8)和谐振直路(9)； 所述反馈管路(6)的一端、声容管路(7)、主冷却器(1)、热声板叠(2)、加热器(3)、热缓冲管(4)、副冷却器(5)的一端依次相连； 所述T型管(8)为三通管，其中两端分别与反馈管路(6)的另一端、副冷却器(5)的另一端相连，另一端与谐振直路(9)相连； 所述热声发动机米用氢气作为工质，且热声板叠(2)中含有储氢合金。2.基于权利要求1所述的以氢气为工质的热声发动机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I)，加热器(I)对系统进行加热直到起振温度，然后维持在消振温度之上，维持振荡； 步骤2)，主冷却器(I)和加热器(3)之间的温度差使得热声板叠(2)上产生温度梯度，从而使热声板叠(2 )内的气体微团在平衡位置作来回振动，通过与相邻固体介质的能量交换来实现不同性质的热力循环，在主冷却器(I)往加热器(3)的方向上，气体微团压力升高，体积变大，进行膨胀过程，对外做声功，在加热器(3)往主冷却器(I)的方向上，气体微团压力降低，体积变小，进行压缩过程，消耗能量； 步骤3)，声功从加热器(3)向外传递，通过热缓冲管(4)，进入副冷却器(5)降低传递声功的气体温度； 步骤4)，声功进入谐振直路(9)并在直路上形成驻波相位，其余行波成分进入反馈管路(6)后在通过声容管路(7)最终在热声板叠(2)处形成行波相位，形成循环。
【文档编号】F03G7/00GK105822514SQ201610302194
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】李卓裴, 侯聪, 张方驹, 蒋彦龙
【申请人】南京航空航天大学