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专利名称:气体谐振装置的制作方法
在一个振荡气体柱内,一薄层气体首先沿某一方向位移,受压缩,向相反方向后移,并膨胀。在压缩时,气体被加热,在膨胀时,被冷却。当这种振荡气体柱和静态的固体介质进入接触时,在气体和介质之间出现了传热。如果该介质比气体具有大的实际热容量,并在气体振荡的前进方向上有低的传热率,它便贮存了由于气体绝热压缩而获得的热量,随后在气体膨胀后又将该贮存的热量还给气体。虽然对于常处在介质附近的几层气体这是正确的,然而在介质的两端有着不同的情况。在介质的下流端,若假定处在振荡的前进方向,则和介质二端保持热接触的那层气体在振荡时便沿离开介质的方向移动并压缩。该气体由于压缩而加热。随后,由于移向另一方向,并膨胀,它回到了近挨介质那端的位置上。在这里,由于膨胀时冷却,它再一次从介质那里接收热量。这便导致一段受热的气体从介质的下流端顺流而下。相反,在介质的上流端,不常和介质接触的气体粒子在振荡时沿一个方向向前移动,被压缩和加热,此时在它们前移的位置上和介质保持热接触,故将热量传给介质。当这层气体向相反方向向后移回到原始位置时,它膨胀和冷却。由于在其原始位置上,气体粒子不和介质保持热接触,便导致一层冷却的气体从介质的上流端逆流而上。
这种处于振荡气体柱中的介质通常被称作蓄热器,常和斯特林发动机一起应用。通常,这样一种蓄热器,须有尽可能大的表面积,和气体相比有高的实际热容量,并沿气体运动方向有低的传热率。任何压实金属丝的传统的填料已用作蓄热器,但也有可能采用压实的非金属板层,在减少气体摩擦损失和热传导方面这些是较为有效的。因此,蓄热器的应用便能由振荡气体流来建立温度差。反过来说,也已知道,如果在这种蓄热器的二端施加一足够大的温度差,那么在包围着这种蓄热器的气体中自然会诱发振荡。
也已知道,在处于谐振腔的气体柱中,只要对该腔的一端加热,如果建立起足够高的温差,便能产生振荡。作为这种气体的例子,在风琴管乐器内借助于管乐器底部内的氢火焰,可以产生谐振,早在1777年Higgins就已作了叙述,而在1949年,当时在室温下将一管子放入冷冻贮藏器内做试验,发表了Taconis谐振现象。
在Wheatley·Hofler,Swift和Migliori所写的题为“本征不可逆热声发动机”的文章里对这些效应进行了论证讨论,该文发表在美国物理杂志,53(2)卷,第147页,1985年2月。
按照本发明,一种热力驱动气体谐振装置包括一谐振管,其截面沿其长度从一端向另一端扩张;一热源,处于谐振管的一端;和一些装置,用以在谐振管气体中激发振荡。
该热源可由单个简接加热器组成,其中热源,诸如电加热元件、气体或石油燃烧器,被用来加热构成或处于气体谐振管一端的板。最好这一被加热的板装有散热片,以改善谐振管一端从被加热板至气体的传热。在谐振管内可设置一蓄热器,它接近于加热板,但不与其接触,并且和激发振荡的装置分离。该蓄热器由某种材料组成,这种材料具有大面积、较谐振管中的气体有大的有效热容量,沿谐振管的长度有低的导热率,在使用中该装置是这样的,热源沿蓄热器建立起温度梯度,这一温度梯度激发谐振管中的气体振荡。
然而,最最好的是热源和激发谐振管中气体谐振的装置均由具有相应于气体谐振管谐振频率的脉冲热源构成。这样一种脉冲热源可以包括一脉冲燃烧器或谐振火焰,经一阀供以可燃气体或蒸汽和空气的混合物,再加上火焰收集器,还包括一点燃器,它最初点燃谐振管一端中或中或通至谐振管的燃烧室中的混合物。最好,导入混合气的阀是由调准的止回阀构成,它响应脉冲燃烧,在其开、闭状态振荡,以引导一股混合气进入谐振管的一端或燃烧室,以备随后点燃。采用激发谐振管中气体振荡的脉冲热源在宽广的工况范围内为起动提供方便,并使谐振稳定运行。点燃器可由火花塞构成,以便脉冲热源达到最初的点燃,但一经点燃,脉冲热源最好能自持。这可以是混合气连续迸爆的结果,这些混合气被来自前期燃烧脉冲的衰减火焰所点燃,被压缩波引起的自发点燃而点燃,或者被具有产生局部热点点燃的灼热塞形
成的点燃器所点燃。
该脉冲热源还可以包括处于谐振管一端的简接式加热器。简接式加热器可以由被脉冲热源加热的热交换面所组成,以便将燃烧热大体上均匀地传播在谐振管一端的横截面上。如果气体谐振装置包括一脉冲燃烧器,那么谐振管的一端最好作成一抛物反射器,它能把脉冲燃烧效应更为均匀地传播到谐振管的一端。在此情况下,将脉冲燃烧安排成大体上发生在抛物面反射器的焦点上。在气体谐振装置包括一脉冲热源的情况下,它还可以包括一蓄热器,它和跨在它二端的温度梯度相配合,以增强由脉冲热源诱发的振荡。
就所有这些产生气体谐振的装置来说,需要设计谐振管的形状,以便为谐振管二端提供所需要的有关压力和绝热温度值,并减少会限制气体谐振振荡的气体-壁面摩擦损失,由于谐振管的截面从其一端向另一端扩大,在小端上较大端产生了较大的压力和绝热值,这一点随后要作详细的动力学的讨论。最好,谐振管具有截头锥形的形状,底径和高度的比约为1∶3。首先,这样为纵向谐振提供了一种直径和长度比,这可以认为是一种和实际上一样大的气体活塞,因而减少了壁面摩擦损失。谐振管的谐振频率主要取决于它的长度,而与其形状无关。通过使谐振管的截面积从一端向另一端增加,有可能增加谐振气体质量,并在给定的容积压缩比下降低了它的速率。摩擦损失和气体速度的三次方成正比,因此,这就减少了摩擦损失,从而大大提高谐振装置的性能。最好,谐振管纵截面具有截顶蛋形形状,这样,沿横断面看时,其侧壁是曲面。这使接近这一端的谐振气体质量进一步增加,故使摩擦损失更进一步减少。
在气体谐振装置内的振荡气体中产生的机械能,可被用来操作一具有分子筛材料的压力振荡气体分离器。最简单的方案之一是把气体谐振装置应用于从空气中进行压力振荡分离氧的装置。在此情况下,谐振管的另一端包含一分子筛材料,在分子筛材料面向热源的一侧开有气体交换孔口,而在分子筛材料背向热源的一侧设有气体出口。谐振时,当空气前移经过分子筛材料层时,氮气被分子筛材料优先吸附。当空气后移时,压力降低,被吸附在分子筛材料表面上的气体放出来了。这样,当分子筛材料在谐振管中经受所产生的振荡时,被分子筛材料优先吸附的氮气会回到谐振管内,并从气体交换孔口流出,而氧气,很少为分子筛材料所吸附,会被推动,经分子筛材料层,并在分子筛材料的下流侧从气体出口处流出。在振荡时产生的气体有限位移使谐振管中的平均压力稍微高于周围压力,因此在分子筛材料层的下边形成被分离的氧气的接续流。
通常,分子筛材料是一种膨胀的浮石,但也可采用活性炭。分子筛材料最好具有足够大的表面积,以便能有高的氮气吸附率,业已发现,吸附和放出的累积率和压力振荡成正比。而和循环速率几乎无关。
在另一种构造内,在谐振管振荡气体中产生的机械能被用来驱动一热泵。在此情况下,气体谐振装置包括位于其另一端的热槽;位于靠近另一端的蓄热器;以及蓄热器面向热源一侧侧壁上的装置,以便在谐振管中气体和低热源之间进行热交换。
借助这一装置,前面讨论过的效应被利用来形成一热机,驱动热泵。这样,谐振管气体中的振荡作用于蓄热器,使在其二端产生温度差,在谐振管另一端的蓄热器的下游,气体被加热,而在蓄热器的上游,气体被冷却。发生在蓄热器上游的热交换为蓄热器上游的气体膨胀提供热量,并提供一种热源,它被泵吸来产生为处于谐振管另一端的热槽所带走的部分热量。除此之外,谐振管另一端的热槽也接受热源提供的热量。申请人已压印了首字母缩写词HASER以说明带有代表“HeatAmplificationbystimulatedEmissionofRadiation”的首字母缩写词的这类驱动热泵的热机,它类似于首字母缩写词LASER(LightAmplificationbystimulatedemissionofradiation)和MESER(MicroWiveAmplificationbystimulatedEmissionofradiation)。
如果低热源是空气,那么在大气和蓄热器上游区域内的气体之间最好进行直接热交换。为了
促使这种气体交换,在谐振管壁部,位于压力零点处设置一些孔口,当纵向振荡沿谐振管向下传递时,在压缩振荡已穿过孔口之后,大气会经孔口被吸入谐振管内。此时,从大气中被吸入到谐振管内的气体跟谐振管内的气体混合,结果,使来自大气的气体和已在谐振管中的气体发生热交换。然而,下一个振荡会推动现已冷却的来自大气的空气从孔口中排出。
然而,HASER最好还包括一风扇,驱动来自大气的空气经气体交换孔口进入谐振管。最好,有一外腔包围谐振管,在具有热源的谐振管一端的顶部设置一风扇,一波形圆环状导流器靠近气体交换口,以引导被风扇吹下来的空气经一半孔口流入,并使已冷却的空气从另一半孔口离开,最后经外腔下部流出。流经外腔的空气吸收由热源和气体谐振管上部放出的热量,这一热量又重新被输入该系统中作为低热部分,故进一步改善了HASER的热输出。
谐振管横截面从一端向另一端扩张对HASER还有另外的优点。二端的相对横截面积决定了由此产生压缩比。小横截面产生高压缩比,反之亦然。这一结果可从小位移的声学理论中推导出来,并随即被提出来作为特殊的例子。谐振管横截面从其一端到另一端扩张导致了驱动端的高压缩比和泵吸端的低压缩比,从而提供了最佳的热效率。
在谐振管另一端的热槽可包括一浅水池,在此情况下,作为良好导热体的散热片,诸如金属散热片,最好和水池保持热接触,并在水池和蓄热器下游侧之间的空间内延伸。这样一种热槽跟蓄热器下游的热气体具有良好的热接触。池中的水沿某一个系统进行循环,从谐振管的另一端把热量带走,而这一循环系统可包括水池二端的止回流,这样,通过谐振管内压力波动作用于池中水表面,使水沿该系统流动。
这样一种HASER,作为用于居民楼采暖和致冷的热水发生器具有特殊的用途。HASER一般处于建筑物的屋顶空间内,在冬天,屋顶空间是通风的,或者空气自外部被引入屋顶空间内,故空气提供了低热源。谐振管另一端的热槽被用来把水加热到譬如说40℃,而这种水是满足民用热水需要的,它沿建筑物中央供热系统循环。在夏季通过关闭屋顶空间的通风设备并打开屋顶空间下面房间天花板内的冷气通风口或引导空气离开HASER进入房间,HASER被用来为建筑物提供制冷。来自谐振腔另一端热槽的水通常被用来满足民用热水需求,也被向外引到被致冷的建筑物外边的热交换器。从谐振管排出的所形成的冷空气冷却屋顶空间,随后,经天花板内的冷气通风口,或经管道使建筑物致冷。
通过在蓄热器上部的谐振腔内安装分子筛材料,压力振荡气体分离器可和HASER组合在一起。通过这一组合,自出口的输出量是冷的,并富氮。这样一种输出对于保藏易腐品是很好的,并且这样一种组合装置提供了一种轻便的、自持的富于冷空气的氮气源。
现在参照附图,将叙述根据本发明的HASER的详细的实施例,其中图1是压力振荡气体分离器的局部纵剖视图;
图2是HASER局部纵剖视图;
图3是通过热源的横剖视图;
图4是说明谐振管和气体位移大小的简图;
图5是表示谐振管特性的曲线图;
图6是说明位移和密度幅值的谐振管长度上如何相对于时间变化的另一曲线图;
图7是说明蛋形补偿效果的又一曲线图;
图8是说明蓄热器工作的温度相对于位置的曲线图;
示于图1中的压力振荡气体分离器和示于图2中HASER两者均包括一个由脉冲热源2形成的热机1,它安装在其纵剖面是蛋形的谐振管的一端。谐振管3的外形尺寸是这样的,它的高度大约是它底径的3倍。靠近谐振管顶部可包括一蓄热器4,它是由非金属蜂窝材料制造的,通常是玻璃或玻璃状材料,外围同轴环5包围谐振管3,在顶部安装一电动风扇6,将空气向下吹,流经室5。一波纹环形导流器7引导空气流流过处于压力零点的谐振管3侧壁上的间隔孔口8。空气经另外的孔口8和外腔5的下部排出。孔口8形成喷嘴流,因此经间隔孔口8的输入空气流便强烈地会聚,确保了经孔口8的空气和排气不会过份混合。
在图3中更为详细地表示了脉冲热源2,它包括一气体混合空间9,气体和空气输入该空间,并在其中混合;还包括一谐振止回阀10,其谐振频率和谐振管相同,还包括一火焰收集器。谐振止回阀10可以和安装在二冲程发动机上的相同,它包括一开口12,被一端固定在开口12上的簧片13盖住。随着谐振管3中的瞬态压力增大,达到气体混合空间9内的压力,该阀由簧片13保持关闭,以密封开口12的周沿;而随着谐振管中内的瞬时压力下降到低于气体混合空间9内的压力,簧片13弯曲,使气体和空气混合物通过开口12并进入谐振管3。
在促使气体混合物的供应在相位上更接近于谐振腔压缩脉冲、从而导致脉冲燃烧相应改善的某一优选结构里,谐振止回阀包括一个直径比较大的金属盘,和燃烧室同轴线安装,以其边缘卡持在略为中凹的底座板上,在该底座板上还同轴线地安装着火焰收集器。气体混合物以低压波引入到接近夹持边缘的中间环形空间,并从那里朝火焰收集器、用脉冲径向向内输送。该盘的厚度要作成使其轴向自然振荡频率低于谐振腔的频率,这样,气体阻尼和谐振腔压力脉冲的联合作用便使该盘以谐振腔的谐振频率基本上产生反相振荡。这样振荡将气体混合物经火焰收集器引入到燃烧室,引入是在压力升高的时刻进行的,而不是在最大负压时进行的,前者减少了过早燃烧的程度,这种过早燃烧就热机工作来说是低效率的。