专利名称：一种尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机装置，特别涉及一种尾气余热驱动的径向行波热声发动机
直O
背景技术：
随着全球经济的高速发展，汽车、轮船、飞机、锅炉尾气的排放量日益增大。虽然各种燃烧设备采用先进的装置强化了燃烧，降低了不完全燃烧量，空燃比也趋于合理。然而， 降低排烟热损失和回收尾气余热的技术仍进展不快。燃油在发动机中燃烧产生的热量除去冷却水和摩擦等损失外，还有约30% 40%的能量以尾气余热的形式排放到大气中去。尾气的废弃热量约为燃烧总量的16%左右。各种燃烧尾气具有温度高(500°C以上)、压强大、 流速快等特点。为了进一步提高热效率，达到节能降耗的目的，回收尾气余热也是一项重要的节能途径。热声发动机是利用热声效应，实现热能到声能转化并实现声功输出的声波发生器。热声发动机的机理是通过流体的压缩、膨胀、位移与固体界面进行热交换。同传统发动机相比，热声发动机结构简单、无运动部件、可靠性高、使用寿命长；它采用氮气、氦气等惰性气体作为工质，工质环境友好，无污染；热声发动机可利用工业废热作为热源，实现对低品位能源的利用，有助于提高能源的综合利用率。目前，绝大多数的研究工作都是将热声发动机放置于平面波谐振器中。在此结构的尾气余热驱动热声发动机中，回热器与热交换器的接触面为平面，同时需要增加管路将尾气导入高温端换热器内，大大降低了换热效率。Swift简单考虑了径向模型的圆柱形谐振器的驻波热声热机，并发展了波动方程。Arnott推导出了径向波的堆栈中压力与声阻抗的一阶微分方程以及开放谐振管、换热器中的压力和阻抗的转换方程。Lightfoot发展了径向驻波热声发动机，并进行了实验研究。然而，由于驻波机基于不可逆热接触，其热声转换效率低。1979年，C印erley提出了行波型热声热机，该类热机回热器中的气体微团在理论上可以实现可逆热声转换，热声转换效率较高。1999年，美国LosAlamos研制的行波热声发动机以氦气为工质，谐振管长度为3. 74m,系统谐振频率为86Hz，在加入热量3kW的情况下，获得1. 2的系统压比，向谐振管输出声功710W，热效率达到0. 3，相对卡诺循环效率为41%，完全可以和内燃机0. 25-0. 40和传统的活塞式斯特林发动机0. 2-0. 38相媲美。其研究成果在《Nature》上发表，在国内外学术界和工业界引起广泛关注。这也极大地鼓舞了各国热声学者对行波型热声发动机的研究热情。近年来，基于行波工作模式的热声发动机研究得到了高度重视。为此，本发明针对尾气余热利用，提出了径向行波热声发动机装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尾气余热驱动的径向行波热声发动机，根据热声理论，结合尾气余热回收的节能环保理念，改变传统的平面波热声发动机的设计思想，采用径向波设计行波热声发动机，实现回热器与热交换器的圆柱换热表面，增大换热面积。高温尾气直接作用于回热器高温端驱动热声发动机，有效避免现阶段余热回收装置中的连接管道，提高换热效率。本发明的技术方案如下一种尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置包括尾气管道(1)、高温端换热器(2)、回热器(3)、主冷却器(4)、反馈通道(5)、热缓冲通道(6)、谐振通道(7)和谐振腔。其特征在于所述高温端换热器O)、回热器(3)和主冷却器⑷沿径向分布，且与尾气管道(1)呈同轴布置；在高温端换热器O)、回热器C3)和主冷却器中，声波驱动气体微团振荡，其振荡方向沿径向方向。所述回热器(3)中，温度梯度方向和声功传递方向均沿径向由外向内，所述温度梯度方向指由低温端指向高温端。所述回热器(3)与高温端换热器(2)和主冷却器的接触表面均为圆柱面，增大换热面积，提高换热效率。所述高温端换热器( 与尾气管道(1)直接接触，接触表面为圆柱面，增大换热面积，提高高温端换热效率，同时避免了尾气余热回收装置中的连接管道。本发明的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置中，还进一步包括安装于所述的反馈通道(5)中的直流抑制器(9)。所述的直流抑制器(9)可以为金属弹性膜、有机弹性膜或喷射泵；所述的有机弹性膜为硅胶、橡胶、或聚酯塑料制作的弹性膜片；所述的金属弹性膜为弹簧钢、铍青铜或不锈钢制作的弹性膜片。本发明的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置中，还进一步包括安装于所述的热缓冲通道(6)中的副冷却器(10)。本发明的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置中，使用氮气、氦气、二氧化碳、氩气或氢气中的一种或者多种气体组成的混合气体作为工作介质。本发明的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置与现有技术相比，其关键技术在于根据热声理论，结合尾气余热回收的节能环保理念，改变传统的平面波热声发动机的设计思想，采用径向波设计实现行波热声发动机。本发明的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置中，高温端换热器O)、回热器C3)和主冷却器(4)沿径向分布，且与尾气管道(1)呈同轴布置；在高温端换热器O)、回热器C3)和主冷却器中，声波驱动气体微团振荡，其振荡方向沿径向方向。本发明的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置具备如下优点所述回热器 (3)与高温端换热器( 和主冷却器的接触表面均为圆柱面，增大换热面积，提高换热效率；高温端换热器( 与尾气管道(1)直接接触，接触表面为圆柱面，增大换热面积，提高高温端换热效率，同时避免了尾气余热回收装置中的连接管道。
图1为本发明的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置的结构示意图；图2为本发明的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置的结构剖视图。
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图3为本发明实施例1结构示意图；图4为本发明实施例2结构示意图；图中1-尾气管道，2-高温端换热器，3-回热器，4-主冷却器，5-反馈通道、6_热缓冲通道，7-谐振通道，8-谐振腔，9-直流抑制器，10-副冷却器。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进一步描述本发明实施例1本实施例的结构如图3所示，它包括尾气管道1、高温端换热器2、回热器3、主冷却器4、反馈通道5、热缓冲通道6、谐振通道7、谐振腔8、直流抑制器9和副冷却器10。其特征在于所述高温端换热器2、回热器3和主冷却器4沿径向分布，且与尾气管道1呈同轴布置；在高温端换热器2、回热器3和主冷却器4中，声波驱动气体微团振荡，其振荡方向沿径向方向。本实施例中，回热器3中，温度梯度方向和声功传递方向均沿径向由外向内，所述温度梯度方向指由低温端指向高温端。本实施例中，回热器3与高温端换热器2和主冷却器4的接触表面均为圆柱面，增大换热面积，提高换热效率。本实施例中，高温端换热器2与尾气管道1直接接触，接触表面为圆柱面，增大换热面积，提高高温端换热效率，同时避免了尾气余热回收装置中的连接管道。本实施例中，直流抑制器9为喷射泵。本实施例中，使用氦气作为工作介质。实施例2本实施例的结构如图3所示，它包括尾气管道1、高温端换热器2、回热器3、主冷却器4、反馈通道5、热缓冲通道6、谐振通道7和谐振腔8。其特征在于所述高温端换热器 2、回热器3和主冷却器4沿径向分布，且与尾气管道1呈同轴布置；在高温端换热器2、回热器3和主冷却器4中，声波驱动气体微团振荡，其振荡方向沿径向方向。本实施例中，回热器3中，温度梯度方向和声功传递方向均沿径向由外向内，所述温度梯度方向指由低温端指向高温端。本实施例中，回热器3与高温端换热器2和主冷却器4的接触表面均为圆柱面，增大换热面积，提高换热效率。本实施例中，高温端换热器2与尾气管道1直接接触，接触表面为圆柱面，增大换热面积，提高高温端换热效率，同时避免了尾气余热回收装置中的连接管道。本实施例中，使用氩气占60%的氩气和氦气混合气体作为工作介质。
权利要求
1.一种尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置包括尾气管道(1)、高温端换热器 O)、回热器⑶、主冷却器⑷、反馈通道(5)、热缓冲通道(6)、谐振通道(7)和谐振腔⑶。 其特征在于所述高温端换热器O)、回热器C3)和主冷却器(4)沿径向分布，且与尾气管道(1)呈同轴布置；在高温端换热器O)、回热器C3)和主冷却器中，声波驱动气体微团振荡，其振荡方向沿径向方向。
2.按权利要求书1所述的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置，其特征在于在所述回热器(3)中，温度梯度方向和声功传递方向均沿径向由外向内，所述温度梯度方向指由低温端指向高温端。
3.按权利要求书1所述的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置，其特征在于所述回热器C3)与高温端换热器( 和主冷却器(4)的接触表面均为圆柱面，增大换热面积， 提高换热效率。
4.按权利要求书1所述的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置，其特征在于所述高温端换热器( 与尾气管道(1)直接接触，接触表面为圆柱面，增大换热面积，提高高温端换热效率，同时避免了尾气余热回收装置中的连接管道。
5.按权利要求书1所述的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置，其特征在于还进一步包括安装于所述的反馈通道(5)中的直流抑制器(9)。
6.按权利要求书1和5所述的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置，其特征在于 所述的直流抑制器(9)可以为金属弹性膜、有机弹性膜或喷射泵；所述的有机弹性膜为硅胶、橡胶、或聚酯塑料制作的弹性膜片；所述的金属弹性膜为弹簧钢、铍青铜或不锈钢制作的弹性膜片。
7.按权利要求书1所述的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置，其特征在于还进一步包括安装于所述的热缓冲通道(6)中的副冷却器(10)。
8.按权利要求书1所述的尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置，其特征在于使用氮气、氦气、二氧化碳、氩气或氢气中的一种或者多种气体组成的混合气体作为工作介质。
全文摘要
一种尾气余热驱动的径向行波热声发动机装置包括尾气管道(1)、高温端换热器(2)、回热器(3)、主冷却器(4)、反馈通道(5)、热缓冲通道(6)、谐振通道(7)和谐振腔(8)。其特征在于所述高温端换热器(2)、回热器(3)和主冷却器(4)沿径向分布，且与尾气管道(1)呈同轴布置；在高温端换热器(2)、回热器(3)和主冷却器(4)中，声波驱动气体微团沿径向方向振荡。本发明改变传统的平面波热声发动机的设计思想，采用径向波设计行波热声发动机，实现回热器与热交换器的接触面为圆柱面，增大换热面积，提高高温端换热效率。高温端换热器(2)与尾气管道(1)直接接触，避免了尾气余热回收装置中的连接管道。
文档编号F02G5/02GK102536709SQ20121002210
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月1日 优先权日2012年2月1日
发明者康慧芳, 邢乐乐 申请人:北京理工大学