专利名称：以太阳能为驱动源的热声泵水系统及其泵水方法
技术领域：
本发明涉及一种以太阳能为驱动源的热声泵水系统及其泵水方法。
背景技术：
热声效应是热与声之间的相互转换过程，根据能量的转换方向可以分成热致声和声致热(冷)两种。由于声波本身就是一种机械波，可以在平衡位置附近产生周期性的往复运动，热声泵水就是利用热致声效应产生声波，在频率比较低的情况下，这种往复运动使得水位运动到比较低的位置时把水吸到系统内，而运动到较高位置时，把水排放出来，这样经过一个周期，一定量的水将被从低水位泵到高水位，即形成时均水流。由于热声泵水效应首先依赖于系统中压力振荡的存在，因而首要工作是产生压力波。目前普遍采用电动机驱动的旋转式机械(离心式或轴流式)，在水泵的出口端产生一定的压力水头或扬程把水泵送到一较高水位，在入口端则通过形成负压来吸入水量。这种系统虽然结构及操作还是比较方便的，但是都需要消耗有用能源，如柴油机的柴油或者直接采用电能等。在需要泵水的环境和时间段通常分别是阳光充足的野外以及夏季，太阳能比较充裕，若能有效利用它作为驱动能源，通过一定能量转换机构来实现泵水的目的，将具有巨大的实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种以太阳能为驱动源的热声泵水系统及其泵水方法。
它具有热声谐振管，热声谐振管为环状管道，热声谐振管环状管道上部设有热声核，热声核依次设有热端换热器、热声板叠、冷端换热器，热声谐振管环状管道一侧中部依次设有单向阀、低水位水池，热声谐振管环状管道另一侧底部依次设有振荡振幅放大细盘管、高水位水池，热声核的热端换热器相对应处设有太阳能收集器。
本发明采用以太阳能为驱动源的热致声效应产生压力振荡，把由热声效应产生的小振幅的水位振荡通过一根细长盘管放大到一个大振幅的水位振荡，将水由低水位提高到高水位。
本发明利用太阳能这一可再生能源(其他余热和废热等亦可)，驱动一热致声转换系统，在缺乏电力的地方(如野外)，能够实现泵水的功能，达到灌溉等目的。水泵的动力源有很多种，包括柴油机驱动系统的柴油、电动机驱动系统的电能、风力泵水装置的风力、利用潮汐现象实现“泵”水的潮汐能等。其中后两者利用可再生能源，相较于需要消耗有用能源的前两者，其节能与绿色环保的特点是显而易见的。本发明旨在利用另一种习以为常的可再生能源-太阳能-来驱动热致声过程，最终实现泵水的过程，实现其巨大的实用价值。
附图是以太阳能为驱动源的热声泵水系统的结构示意图。
具体实施例方式
本发明采用一种有别于传统泵水系统的新型压差水位产生方式，即利用热致声效应产生的压力振荡，进而导致水位的周期性变动。其中热致声系统的驱动源为太阳能，利用太阳能收集装置提升能源品位，提高热源温度至热声系统的起振温度以上。在谐振管上连接有一根放大装置，以此来放大压力振荡引起的周期性水位变动幅度，进而达到增大泵水高度的要求。此外，为了克服由于振荡的对称性而引起的倒流现象，在谐振管的补水端应该设置一个单向阀门装置，使得水流只是处于补水的状态下才开启。
如附图所示，以太阳能为驱动源的热声泵水系统，其特征在于它具有热声谐振管2，热声谐振管2为环状管道，热声谐振管环状管道上部设有热声核，热声核依次设有热端换热器3、热声板叠4、冷端换热器5，热声谐振管环状管道一侧中部依次设有单向阀9、低水位水池8，热声谐振管环状管道另一侧底部依次设有振荡振幅放大细盘管6、高水位水池7，热声核的热端换热器3相对应处设有太阳能收集器1。
太阳能收集器1是一个直径比较大的聚光面，用于把太阳光聚焦到某一点，热声核的热端换热器3置于该点，聚焦后的太阳能作为系统的驱动源。太阳能收集器上要设置太阳光线跟踪装置，使得系统能够随着太阳光的入射方向而变化。由此，聚焦点也会发生变化，所以整个谐振管部分要与太阳能收集器发生关联动作，以保证聚焦后的光线能入射到热端换热器。
热端换热器3、热声板叠4以及冷端换热器5构成了热能向声能转换的核心，激起热声振荡的必要条件是要在热声板叠4的两端形成一个足够大的温度梯度(临界阈值通常被称为临界温度梯度)，这个温度梯度通过热端换热器3的加热和冷端换热器4的冷却来实现。为了能够很好地吸收聚焦光线中的能量，热端换热器3要具有较高的“有效吸收系数”，此段的管道采用透明材质，使光线直接射入管道内的换热器结构材料(具有高吸收系数)上。冷端换热器5的具体结构要视情况而定若热端的加热温度不是太高，可以通过自然风冷或强制对流风冷(必要时添加一些扩展翅片)的方式；若热端负荷比较大，加热温度较高，则要采用水冷的方式。热声板叠4材料可以用玻璃细管、铜丝网、不锈钢丝网、陶瓷多孔材料等。振荡的发生还需要气体工质，可以直接采用空气，但是如果考虑到热端换热器和板叠材料免受氧化以及振荡频率等因素，亦可采用氮气、二氧化碳等气体。为了形成气柱，并且把气体振荡转化为水柱的振荡，谐振管中灌有一定量的水。
随着气柱振荡的发生，由于气--水界面并不是刚性的封闭端，水柱就会随之而发生振荡。考虑到热声振荡的幅度大小有限，直接利用该水柱的振荡无法实现很高的水位提升效果。振荡幅度放大细盘管6正是为克服这一问题而设置，盘管的直径约为谐振管直径的1/5以下，由于单位长度水柱能量的大幅度下降，使得在谐振管中幅度较小的振荡经过细盘管的“放大”而大大提高水柱在振荡最高点时的高度。在水柱可能达到最高点以下的某一点设置出水口，就能把一定的水量排放到高位水池7。具体的排水量跟高位水池的高度成反比，即高度越高，排水量越少。
由于水柱的振荡是一对称的过程，也就是说，在半个周期内，排水口的水位处于最高点，补水侧的水位处于最低点，此时系统能进行正常的排水与补水，把低位水池内8的水补充到谐振管2内；在另半个周期，排水口的水位处于最低点，而补水侧的水位则处于最高点，有发生倒流的危险。为此，在系统的补水侧采取一定的对应措施，可以采用单向阀9来实现。在补水侧处于低水位时，阀门开启，系统进行正常的补水，而当补水侧处于高水位时则关闭而不通水。单向阀9的型式可以是机械式的，也可以是电子控制式。机械式单向阀靠通过一定的机械设计来保证当补水侧处于比较高的水位时能够关闭起来，从结构与运行来说都是比较简单的，其缺点是当压差比较小时，阀门的关闭会有一定的困难。电子控制式的系统则能克服这个问题在阀门的两侧设置两个传感器，把水压信号转换成电信号，分别输入到一个比较器中，根据信号的对比情况生成动作信号(要实现开启动作，信号需要经过一定程度的放大)。
最后把系统中的各个部件进行安装与固定。考虑到水池位置一般是固定的，为适应谐振管系统同太阳能收集器实现联动，补水装置与谐振管之间以及放大细盘管与高位水池间需要通过软管进行连接。
权利要求
1.一种以太阳能为驱动源的热声泵水系统，其特征在于它具有热声谐振管(2)，热声谐振管(2)为环状管道，热声谐振管环状管道上部设有热声核，热声核依次设有热端换热器(3)、热声板叠(4)、冷端换热器(5)，热声谐振管环状管道一侧中部依次设有单向阀(9)、低水位水池(8)，热声谐振管环状管道另一侧底部依次设有振荡振幅放大细盘管(6)、高水位水池(7)，热声核的热端换热器(3)相对应处设有太阳能收集器(1)。
2.一种如权利要求1所述的以太阳能为驱动源的热声泵水系统的泵水方法，其特征在于采用以太阳能为驱动源的热致声效应产生压力振荡，把由热声效应产生的小振幅的水位振荡通过一根细长盘管放大到一个大振幅的水位振荡，将水由低水位提高到高水位。
全文摘要
本发明公开了一种以太阳能为驱动源的热声泵水系统及其泵水方法。热声泵水系统包括太阳能收集器、谐振管、热声板叠、冷端换热器、热端换热器、水位振荡幅值放大器、补水系统和高低位水池等。本发明采用以太阳能为驱动源的热致声效应产生压力振荡，把由热声效应产生的小振幅的水位振荡通过一根细长盘管放大到一个大振幅的水位振荡，将水由低水位提高到高水位。本发明意在利用太阳能这一可再生能源(其他余热和废热等亦可)，驱动一热致声转换系统，在缺乏电力的地方(如野外)，能够实现泵水的功能，达到灌溉等目的。
文档编号F03G6/06GK1670365SQ20051004952
公开日2005年9月21日 申请日期2005年3月31日 优先权日2005年3月31日
发明者金滔, 张葆森, 陈国邦 申请人:浙江大学