[发明专利]一种热声环路直流抑制方法和系统

说明书

本发明实施例提供一种热声环路直流抑制方法和系统，以单一单元热声环路系统中的第一时均压差为优化目标，在所述热缓冲管体积不变条件下，减小所述热缓冲管的截面积，使所述第一时均压差小于设定阈值；获取减小所述热缓冲管的截面积后回热器两端的第二时均压差，通过在谐振管两端增加换热器，使所述换热器在改变所述谐振管的进出温差范围时，所述谐振管两端产生与所述第二时均压差相当的正向或反向的额外时均压差。采用逆向推演法，利用热缓冲管的逆向温度差异产生的工质密度差异和环路中谐振管中的高时均动能特性，实现环路时均质量流抑制以及实际系统中的时均质量流抑制调节。

技术领域

本发明涉及热声热机技术领域，更具体地，涉及一种热声环路直流抑制方法和系统。

背景技术

热声热机的工作原理是可压缩流体在声场调制作用下，处在换热器与回热器中的气体微团通过在平衡位置往复振荡完成介观热力学循环，经微团间的相互接力，最终实现宏观的热、功转换过程。热声热机可实现热致声成为热声发动机或热声发电机，声致冷(热)成为热声制冷机或热声热泵。对于使用热缓冲管内气体作为膨胀活塞隔离高温端与室温端的热声热机，其核心部件如图1所示。其中1为压缩腔，2 为主室温散热器，3为回热器，4为吸热器，5为热缓冲管，6为次室温散热器，7为膨胀腔，9为任意声功输出装置。对于发动机，吸热器4从高温吸收热量，将1传递过来的声功放大并从输出装置9输出；对于制冷机，系统消耗1传递过来的声功，使得吸热器4从低温吸收热量泵向主室温散热器2，部分或全部声功可从9输入或输出。当吸热器4为高温换热器时，则热缓冲管5的温度梯度与声功传播反向相反，称为逆温热缓冲管。

现有技术中实现大功率、高效热声热机的方法都是采用多单元环路系统，如图2所示，采用直径小于核心单元的谐振管8将各单元串联起来，发动机可通过9向外输出声功，制冷机可通过9从外界输入声功，或采用环路中串联发动机单元与制冷机单元的方式工作。环路系统使得声波的传播特性以行波为主，便于在回热器中产生近行波相位，同时放大的核心单元直径可降低回热器中流速从而减少阻力，提高热声转换效率；谐振管则可回收上一级声功用于下一级声功输入，一方面提高系统能流密度，另一方面提高了系统效率。因谐振管可视为气体弹簧，同时作为前一级单元的压缩活塞和后一级的膨胀活塞，因此也称为双作用环路热声系统。

但环路系统中存在的最大问题就是Gedeon直流，这是一种时均质量流。到目前为止，抑制直流的方法主要包括两种：弹性膜和非对称的喷射泵；弹性膜装置因为具有弹性，可实现声波传递；弹性膜片不允许穿透，因此可在较大工况范围抑制时均质量流，但是弹性膜隔直流装置的缺点主要是弹性膜一般采用橡胶材料，非常容易破损，且长期运行时稳定性差；而对于非对称喷射泵，喷射泵的基本工作原理是利用往复流动在两个方向上产生损失的不对称性来产生时均压降来实现系统所需要抵抗的时均质量流，但是其依靠增加系统的损失来工作，且利用的是两个方向损失的差异，影响系统效率，同时固定的结构设计工况适应性较差。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种热声环路直流抑制方法和系统。

根据本发明的第一个方面，提供一种热声环路直流抑制方法，包括：

以单一单元热声环路系统中的第一时均压差为优化目标，在所述热缓冲管体积不变条件下，减小所述热缓冲管的截面积，使所述第一时均压差小于设定阈值；

获取减小所述热缓冲管的截面积后回热器两端的第二时均压差，通过在谐振管两端增加换热器，使所述换热器在改变所述谐振管的进出温差范围时，所述谐振管两端产生与所述第二时均压差相差 50％～150％的正向或反向的额外时均压差，用于实际系统中的时均质量流抑制时的调节。

作为优选的，以单一单元环路系统中的第一时均压差为优化目标，具体包括：

基于单一单元热声环路系统两端面时均压差及回热器两端面的时均压差，得到第一时均压差，以所述第一时均压差为优化目标。