ТЕРМОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
THERMOACOUSTIC ENERGY CONVERSION SYSTEM

Изобретение относится к термоакустической системе преобразования энергии, содержащей:
- замкнутую цилиндрическую оболочку, заполненную рабочей текучей средой, через которую при использовании системы может распространяться акустическая волна в направлении распространения, и
- по меньшей мере один узел из двух теплообменников с регенератором, расположенным между ними, установленный в упомянутой оболочке.
Такая система известна, например, из международной заявки на патент WO99/20957. Система из WO99/20957 содержит контур акустического или механико-акустического резонатора и регенератор, зажатый между двумя теплообменниками. Теплообменники могут быть соединены с внешними газовыми или жидкостными контурами для подачи в них теплоносителя, посредством которого тепло подают в теплообменники или отводят из них. Упомянутая система может быть использована либо в качестве теплового насоса, либо в качестве двигателя. Если упомянутую систему используют в качестве теплового насоса, то рабочую текучую среду заставляют колебаться, например, посредством упомянутого двигателя, воздуходувных мехов, конструкции свободного поршня, резонатора Гельмгольца или любого другого подходящего средства. Посредством колебаний рабочей текучей среды теплоту передают от одного теплообменника в другой теплообменник, так что систему можно использовать для охлаждения или нагревания. Если упомянутую систему используют в качестве двигателя, то тепло подают в один теплообменник, и отводят теплоту на другом теплообменнике. Это приводит к колебаниям рабочей текучей среды, и это колебание можно поддерживать путем непрерывной подачи тепла на один теплообменник и отвода тепла от другого теплообменника. Колеблющуюся текучую среду можно, например, использовать в качестве упомянутого осциллирующего средства для теплового насоса, и/или колебание можно, например, преобразовать в электрическую энергию.
По мере того, как упомянутый теплоноситель протекает через каждый теплообменник, теплоноситель охлаждается в одном теплообменнике и нагревается в другом теплообменнике. В связи с этим температура теплоносителя на входе каждого теплообменника отличается от температуры теплоносителя на выходе каждого теплообменника. Этот неравномерный градиент температуры влияет на прохождение акустической волны через теплообменники и будет индуцировать нежелательные радиальные акустические r и тепловые потоки внутри узла, тем самым, оказывая негативное влияние на его характеристики.
Предпринимались попытки преодолеть этот недостаток, и они известны из литературы. Тем не менее, эти попытки, включающие в себя использование выпрямителей потоков, а также круговых (радиальных) теплообменников, не были успешными.
Цель изобретения заключается в том, чтобы, по меньшей мере, частично преодолеть упомянутый выше недостаток и/или усовершенствовать систему, раскрытую в WO99/20957.
Этой цели достигают посредством системы в соответствии с преамбулой, то есть в соответствии с изобретением, отличающейся тем, что упомянутый по меньшей мере один узел расположен по существу параллельно локальной продольной оси упомянутой оболочки.
При расположении узла параллельно локальной продольной оси упомянутой оболочки, а не перпендикулярно, как в случае системы, раскрытой в WO99/20957, скорость, в частности акустический импеданс, акустической волны вдоль узла соответствует продольному неравномерному профилю температуры вдоль узла, тем самым, обеспечивают более или менее равномерную плотность энергии вдоль узла, таким образом, предотвращая или, по меньшей мере, сокращая упомянутые нежелательные радиальные потоки акустической энергии и теплоты внутри узла. В частности, скорость, соответственно акустический импеданс, акустической волны увеличивается, соответственно снижается, от переднего конца к дальнему концу узла, если смотреть в направлении распространения акустической волны, а градиент температуры через регенератор уменьшается от упомянутого переднего конца к упомянутому дальнему концу узла, что даст упомянутую более или менее постоянную плотность энергии вдоль узла.
Было замечено, что акустическая волна распространяется в локально продольном направлении упомянутой оболочки в направлении распространения. Упомянутый узел, таким образом, расположен параллельно направлению распространения акустической волны.
Также было отмечено, что упомянутая оболочка принимает по существу круглую или петлевую форму, так что направление продольной оси оболочки изменяется по длине оболочки. Узел расположен так, что он по существу параллелен локальной продольной оси упомянутой оболочки.
Упомянутая рабочая текучая среда, в частности, может представлять собой газ. Упомянутый газ предпочтительно представляет собой газ со сравнительно высоким соотношением γ между теплоемкостью при постоянном давлении и теплоемкостью при постоянном объеме. Отношение γ предпочтительно составляет по меньшей мере 1,4. Например, подходящими газами являются воздух или азот, обладающие отношением γ, равным приблизительно 1,4. Воздух в качестве упомянутого газа обладает преимуществом, заключающемся в том, что его легко применять. Еще более предпочтительным является отношение γ около 1,6, что включает в себя все инертные газы, такие как гелий, водород или аргон.
Упомянутый регенератор может представлять собой любой подходящий регенератор, и обычно он выполнен из пористого материала, обладающего хорошими свойствами теплообмена.
В одном варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением упомянутая система содержит первой блокирующее средство, расположенное в упомянутой оболочке для блокирования первой части площади поперечного сечения оболочки перед упомянутым узлом, если смотреть в упомянутом направлении распространения, а также содержит второе блокирующее средство, расположенное в упомянутой оболочке для блокирования второй, противоположной части площади поперечного сечения оболочки после упомянутого узла, если смотреть в упомянутом направлении распространения, причем упомянутое первое и второе блокирующие средства расположены для того, чтобы не давать упомянутой акустической волне обходить упомянутый узел и направлять акустическую волну так, чтобы она сначала проходила через первый теплообменник из двух теплообменников, а затем, через регенератор во второй теплообменник из двух теплообменников.
В соответствии с изобретением узел расположен параллельно локальной продольной оси упомянутой оболочки. Тем не менее, в результате такого расположения акустическая волна может обходить узел. Первое и второе блокирующие средства предотвращают такой обход акустической волны и направляют акустическую волну так, чтобы она сначала проходила через первый теплообменник, а затем через регенератор во второй теплообменник.
Первое блокирующее средство предпочтительно расположено непосредственно перед упомянутым узлом.
Второе блокирующее средство предпочтительно расположено непосредственно после упомянутого узла.
В другом варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением упомянутое первое блокирующее средство постепенно поднимается от внутренней стенки оболочки в направлении распространения, тем самым, направляя упомянутую акустическую волну в упомянутом направлении.
Направление акустической волны в указанном направлении приводит к сравнительно высокой эффективности системы.
В другом варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением упомянутое второе блокирующее средство постепенно опускается к внутренней стенке оболочки в направлении распространения, тем самым, направляя упомянутую акустическую волну в упомянутом направлении распространения.
Направление акустической волны, выходящей из узла, в направлении распространения приводит к сравнительно высокой эффективности системы.
В еще одном варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением упомянутая оболочка имеет увеличенное поперечное сечение в области упомянутого узла по сравнению с другими частями упомянутой оболочки, причем перед упомянутым узлом, если смотреть в упомянутом направлении распространения, поперечное сечение оболочки постепенно увеличивается до упомянутого увеличенного размера, и при этом после упомянутого узла, если смотреть в упомянутом направлении распространения, поперечное сечение оболочки постепенно уменьшается до своего размера в упомянутых других частях, причем упомянутое первое блокирующее средство и/или упомянутое второе блокирующее средство расположено в постепенно увеличивающейся части, соответственно уменьшающейся части, упомянутой оболочки и при этом упомянутое первое блокирующее средство и/или упомянутое второе блокирующее средство постепенно поднимается, соответственно опускается, так, что площадь поперечного сечения потока упомянутой оболочки в упомянутой увеличивающейся части, соответственно уменьшающейся части, остается по существу постоянным на длине первого и/или второго блокирующего средства и по существу равна площади поперечного сечения в упомянутых других частях оболочки.
Преимущество упомянутой по существу постоянной площади поперечного сечения потока на длине блокирующего средства, которая по существу равна площади поперечного сечения потока в упомянутых других частях оболочки, заключается в том, что по сути площадь поперечного сечения потока не меняется, что может повлиять на акустическую волну.
В еще одном варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением упомянутая оболочка имеет упомянутое увеличенное поперечное сечение в области упомянутого узла по сравнению с (упомянутыми) другими частями упомянутой оболочки, причем перед упомянутым узлом, если смотреть в упомянутом направлении распространения, поперечное сечение оболочки постепенно увеличивается до упомянутого увеличенного размера, и при этом после упомянутого узла, если смотреть в упомянутом направлении распространения, поперечное сечение оболочки постепенно уменьшается до своего размера в упомянутых других частях, и при этом площадь поперечного сечения потока, ограниченная между внутренней стенкой оболочки и первым теплообменником и/или между внутренней стенкой оболочки и вторым теплообменником, по существу равна площади поперечного сечения потока в упомянутых других частях оболочки.
Преимущество упомянутой площади поперечного сечения потока, которая по сути равна площади поперечного сечения потока в упомянутых других частях оболочки, заключается в том, что по сути площадь поперечного сечения потока не меняется, что может повлиять на акустическую волну.
В еще одном варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением вход для подачи теплоносителя в первый теплообменник расположен на переднем конце первого теплообменника, если смотреть в направлении распространения, при этом выход для выпуска упомянутого теплоносителя из первого теплообменника расположен на дальнем конце первого теплообменника, если смотреть в направлении распространения.
В первом теплообменнике теплоноситель поглощает теплоту, так что температура теплоносителя на входе ниже, чем на выходе. При расположении входа на переднем конце, а выхода на дальнем конце первого теплообменника градиент температуры на входе больше, чем на выходе, так что градиент температуры соответствует акустическому импедансу, как было описано выше.
В еще одном варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением вход для подачи теплоносителя во второй теплообменник расположен на переднем конце второго теплообменника, если смотреть в направлении распространения, при этом выход для выпуска упомянутого теплоносителя из второго теплообменника расположен на дальнем конце второго теплообменника, если смотреть в направлении распространения.
В этом варианте осуществления узел выступает в качестве двигателя.
В еще одном варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением вход для подачи теплоносителя во второй теплообменник расположен на дальнем конце второго теплообменника, если смотреть в направлении распространения, при этом выход для выпуска упомянутого теплоносителя из второго теплообменника расположен на переднем конце второго теплообменника, если смотреть в направлении распространения.
В этом варианте осуществления узел выступает в качестве теплового насоса.
В еще одном варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением упомянутая система содержит несколько упомянутых узлов, которые находятся на некотором расстоянии друг от друга в продольном направлении упомянутой оболочки, предпочтительно на равном расстоянии.
На практике часть упомянутых узлов выступает в качестве двигателей, которые обеспечивают энергией другую часть упомянутых нескольких узлов, которые выступают в качестве теплового насоса.
Упомянутая система может содержать любое подходящее число узлов, например, два или четыре узла.
В еще одном варианте осуществления термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с изобретением длина каждого узла составляет по меньшей мере 5%, предпочтительно по меньшей мере 10%, более предпочтительно 15% от средней общей длины окружности оболочки.
Изобретение будет дополнительно разъяснено со ссылкой на фигуры, показанные на чертежах, на которых:
на фиг. 1 приведено схематическое представление узла термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с существующим уровнем техники;
на фиг. 2 показан вид в перспективе теплообменника узла, показанного на фиг. 1;
на фиг. 3 приведено схематическое представление узла термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 4 приведено схематическое представление узла термоакустической системы преобразования энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 5 приведен вид в перспективе узла термоакустической системы преобразования энергии в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 6 показан вид в перспективе термоакустической системы преобразования энергии, содержащей несколько узлов в соответствии с фиг. 5.
Отметим, что одинаковые компоненты обозначены на фигурах одинаковыми ссылочными позициями, но увеличенными на 100.
На фиг. 1 показан узел в соответствии с существующим уровнем техники, который образует часть термоакустической системы преобразования энергии. Узел содержит регенератор 1, зажатый между первым теплообменником 2 и вторым теплообменником 3. Узел расположен в замкнутой цилиндрической оболочке 4, заполненной рабочей текучей средой, через которую может распространяться акустическая волна в направлении 5 распространения. На фиг. 1 показана только часть оболочки 4. Узел расположен перпендикулярно локальной продольной оси 6. Теплообменник 2 называют первым теплообменником, потому что он расположен перед регенератором 1, если смотреть в направлении 5 распространения, так что волна сначала проходит через первый теплообменник 2, а затем через регенератор 1 во второй теплообменник 3. Первый и второй теплообменники 2, 3 содержат коннекторы 7-10. У каждого теплообменника 2, 3 имеется входной коннектор и выходной коннектор для подачи в него и отвода из него теплоносителя соответственно. В зависимости от того, функционирует ли узел в качестве теплового насоса или двигателя, можно соответствующим образом выбрать коннекторы 7-10 в качестве входных коннекторов или выходных коннекторов.
На фиг. 2 более подробно показан второй теплообменник 3 и профиль 11 его температуры. В этом примере коннектор 9 выступает в качестве входного, а коннектор 10 выступает в качестве выходного, так что узел функционирует как двигатель. Когда тепло отводят от теплоносителя, который протекает через второй теплообменник 3 от входа 9 к выходу 10, его температура снижается по длине второго теплообменника в направлении выхода 10. Это приводит к так называемому радиальному неравномерному распределению температуры, как было описано касательно существующего уровня техники, которое нарушает характеристики волны для оптимальной производительности, так как термоакустический коэффициент снижается со стороны входа 9 к стороне выхода 10.
На фиг. 3 показан первый вариант осуществления системы в соответствии с изобретением, в котором узел и, в частности, первый теплообменник 102, регенератор 101 и второй теплообменник 103 расположены по существу параллельно локальной продольной оси 106 оболочки 104 и, соответственно, параллельно направлению 105 распространения акустической волны. Непосредственно перед узлом, если смотреть в направлении 105 распространения, расположено первое блокирующее средство 112, причем первое блокирующее средство 112 проходит радиально внутрь от внутренней стенки оболочки 104. Обычно оболочка имеет круглое поперечное сечение, так что первое блокирующее средство 112 имеет форму части круга, если смотреть на поперечное сечение перпендикулярно направлению 105 распространения и локальной продольной оси 106, как подробно показано на выноске А. Первое блокирующее средство 112 перекрывает первую часть площади поперечного сечения оболочки 104. Непосредственно после узла, если смотреть в направлении 105 распространения, расположено второе блокирующее средство 113, причем второе блокирующее средство 113 проходит радиально внутрь от внутренней стенки оболочки 104. Если оболочка 104 имеет круглое поперечное сечение, то второе блокирующее средство имеет форму идентичную форме первого блокирующего средства 112, но повернутую на 180°, так что оно охватывает вторую, противоположную часть площади поперечного сечения оболочки 104. Акустическую волну, проходящую в направлении 105 распространения, сначала блокирует первое блокирующее средство 112, а на дальнем конце узла - второе блокирующее средство 113, причем блокирующие средства 112, 113, тем самым, предотвращают обход акустической волной узла и, таким образом, направляют акустическую волну так, чтобы она сначала прошла через первый теплообменник 102, а затем через регенератор во второй теплообменник 103. Коннектор 108 первого теплообменника 102, который расположен на переднем конце узла, представляет собой вход для подачи теплоносителя, а коннектор 107, который расположен на дальнем конце узла, представляет собой выход для выпуска теплоносителя. По мере того, как теплоноситель поглощает тепло, его температура возрастает по длине первого теплообменника 102 от первой более низкой температуры на входе 108 до второй более высокой температуры на выходе 107. Таким образом, градиент температуры снижается в направлении 105 распространения акустической волны.
Если узел выступает в качестве двигателя, то коннектор 110, который расположен на переднем конце узла, представляет собой вход для подачи теплоносителя, а коннектор 109, который расположен на дальнем конце узла, представляет собой выход для выпуска теплоносителя. Жидкость, подаваемая во второй теплообменник 103, например, может быть нагрета посредством избыточного тепла или солнца, и это тепло передают в акустическую волну, проходящую через второй теплообменник 103. По мере того, как теплоноситель отдает тепло, его температура снижается по длине первого теплообменника 102 от первой сравнительно высокой температуры на входе 110 до второй более низкой температуры на выходе 109. Таким образом, градиент температуры является наиболее высоким на переднем конце узла и снижается в направлении 105 распространения акустической волны. Упомянутое снижение градиента температуры по длине узла соответствует скорости или акустическому импедансу волны, тем самым обеспечивая более или менее равномерную плотность энергии вдоль узла, предотвращая, таким образом, или по меньшей мере сокращая упомянутые нежелательные радиальные потоки акустической энергии или тепловые потоки внутри узла.
Если узел выступает в качестве теплового насоса, то коннектор 109 представляет собой вход для подачи теплоносителя, а коннектор 110 представляет собой выход для выпуска теплоносителя. Жидкость, подаваемая во второй теплообменник 103, отдает тепло в акустическую волну, так что она остывает и, например, может быть использована для охлаждения здания, т.е. в системе кондиционирования воздуха здания. По мере того, как теплоноситель отдает тепло, его температура снижается по длине первого теплообменника 102 от первой более высокой температуры на входе 109 до второй сравнительно низкой температуры на выходе 110. Таким образом, градиент температуры является наиболее высоким на переднем конце узла и снижается в направлении 105 распространения акустической волны. Упомянутое снижение градиента температуры по длине узла соответствует скорости или акустическому импедансу волны, тем самым обеспечивая более или менее равномерную плотность энергии вдоль узла, предотвращая, таким образом, или по меньшей мере сокращая упомянутые нежелательные радиальные потоки акустической энергии или тепловые потоки внутри узла.
1
2
Как также показано на фиг. 3, поперечный размер, в этом варианте осуществления диаметр, оболочки 104 постепенно увеличивается в направлении по потоку, начиная примерно от места перед областью, где расположен упомянутый узел, и постепенно уменьшается в направлении по потоку после упомянутой области. Оболочка 104, таким образом, имеет первый, меньший диаметр d в других областях упомянутой оболочки 104, не включающих в себя упомянутый узел, и второй, больший диаметр d в области упомянутого узла. Блокирующее средство 112, 113 перекрывает часть площади поперечного сечения потока, а первый и второй теплообменники 102, 103 расположены так, что площадь 114 поперечного сечения потока, ограниченная между внутренней стенкой оболочки 104 и первым теплообменником 102, и площадь 115 поперечного сечения потока, ограниченная между внутренней стенкой оболочки 104 и вторым теплообменником 103 по существу равна площади 116 поперечного сечения потока в упомянутых других частях оболочки.
На фиг. 4 показан второй вариант осуществления системы в соответствии с настоящим изобретением. Отметим, что здесь будут описаны только отличия от варианта осуществления, показанного на фиг. 3, и что для дополнительного описания второго варианта осуществления читателю следует обратиться к описанию фиг. 3. Второй вариант осуществления аналогичен варианту осуществления, показанному на фиг. 3, и отличается только тем, что первое блокирующее средство 212 постепенно поднимается от внутренней стенки оболочки 204 в направлении 205 распространения, тем самым, направляя акустическую волну так, чтобы она сначала прошла через первый теплообменник 202, и тем, что второе блокирующее средство 213 постепенно снижается к внутренней стенке оболочки 204 в направлении 205 распространения, тем самым, направляя акустическую волну в направлении 205 распространения.
На фиг. 5 показан третий вариант осуществления системы в соответствии с настоящим изобретением. Отметим, что здесь будут описаны только отличия от варианта осуществления, показанного на фиг. 3, и что для дополнительного описания второго варианта осуществления читателю следует обратиться к описанию фиг. 3. Третий вариант осуществления аналогичен варианту осуществления, показанному на фиг. 3, и отличается только тем, что первое блокирующее средство 312 постепенно поднимается от внутренней стенки оболочки 404 в направлении 305 распространения, тем самым, направляя акустическую волну так, чтобы она сначала прошла через первый теплообменник 302, и тем, что второе блокирующее средство 313 постепенно снижается к внутренней стенке оболочки 304 в направлении 305 распространения, тем самым, направляя акустическую волну в направлении 305 распространения. Первое и второе блокирующие средства 312, 313 также имеют такую форму, что площадь сечения потока остается по существу постоянной на длине первого и второго блокировочных средств 312, 313. Таким образом, площадь сечения потока является по существу постоянной и, в частности, равной площади в других областях, не включающих в себя указанный узел в области блокирующих средств, в области, ограниченной между внутренней стенкой оболочки 304 и первым теплообменником 302, и в области, ограниченной между внутренней стенкой оболочки 304 и вторым теплообменником 303.
На фиг. 6 показано, что оболочка 304 имеет замкнутую форму и представляет собой цилиндрическую оболочку. Упомянутая оболочка 304 включает в себя четыре узла в соответствии с третьим вариантом осуществления, показанным на фиг. 5, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга в продольном направлении 306 упомянутой оболочки 304, предпочтительно на равном расстоянии друг от друга. Два или три из упомянутых узлов функционируют как двигатели, приводящие в действие остальные один или два узла, которые функционируют в качестве теплового насоса. Функцию каждого узла можно выбрать путем подачи подходящего теплоносителя, имеющего соответствующую входную температуру, на второй теплообменник 303 и путем использования коннектора 310 на переднем конце в качестве входа и коннектора 309 на дальнем конце в качестве выхода для двигателя или путем использования коннектора 309 на дальнем конце в качестве входа и коннектора 310 на переднем конце в качестве выхода для теплового насоса. Среднюю общую длину окружности оболочки 304, измеряемую вдоль центральной продольной оси 306 оболочки 304, предпочтительно выбирают в соответствии с рабочей текучей средой и создаваемой в ней акустической волной, и она приблизительно равна длине волны. Длина каждого узла равна по меньшей мере 5%, предпочтительно по меньшей мере 10%, более предпочтительно по меньшей мере 15% от средней общей длины окружности оболочки 304 и, соответственно, от длины волны.
Отметим, что на фигурах площадь поперечного сечения потока, ограниченная между внутренней стенкой оболочки и первым или вторым теплообменником, по существу постоянна на длине каждого теплообменника. Как вариант, площадь поперечного сечения потока может изменяться по длине теплообменников, при этом площадь поперечного сечения потока, в частности, может быть приспособлена к локальным температурным и акустическим условиям.
Также отметим, что изобретение не ограничено показанными вариантами осуществления, а также охватывает их варианты в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.