專利名稱：以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲泵水系統(tǒng)及其泵水方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲泵水系統(tǒng)及其泵水方法。
背景技術(shù)：
熱聲效應(yīng)是熱與聲之間的相互轉(zhuǎn)換過程，根據(jù)能量的轉(zhuǎn)換方向可以分成熱致聲和聲致熱(冷)兩種。由于聲波本身就是一種機(jī)械波，可以在平衡位置附近產(chǎn)生周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，熱聲泵水就是利用熱致聲效應(yīng)產(chǎn)生聲波，在頻率比較低的情況下，這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得水位運(yùn)動(dòng)到比較低的位置時(shí)把水吸到系統(tǒng)內(nèi)，而運(yùn)動(dòng)到較高位置時(shí)，把水排放出來，這樣經(jīng)過一個(gè)周期，一定量的水將被從低水位泵到高水位，即形成時(shí)均水流。由于熱聲泵水效應(yīng)首先依賴于系統(tǒng)中壓力振蕩的存在，因而首要工作是產(chǎn)生壓力波。目前普遍采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械(離心式或軸流式)，在水泵的出口端產(chǎn)生一定的壓力水頭或揚(yáng)程把水泵送到一較高水位，在入口端則通過形成負(fù)壓來吸入水量。這種系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)及操作還是比較方便的，但是都需要消耗有用能源，如柴油機(jī)的柴油或者直接采用電能等。在需要泵水的環(huán)境和時(shí)間段通常分別是陽光充足的野外以及夏季，太陽能比較充裕，若能有效利用它作為驅(qū)動(dòng)能源，通過一定能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)泵水的目的，將具有巨大的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲泵水系統(tǒng)及其泵水方法。
它具有熱聲諧振管，熱聲諧振管為環(huán)狀管道，熱聲諧振管環(huán)狀管道上部設(shè)有熱聲核，熱聲核依次設(shè)有熱端換熱器、熱聲板疊、冷端換熱器，熱聲諧振管環(huán)狀管道一側(cè)中部依次設(shè)有單向閥、低水位水池，熱聲諧振管環(huán)狀管道另一側(cè)底部依次設(shè)有振蕩振幅放大細(xì)盤管、高水位水池，熱聲核的熱端換熱器相對(duì)應(yīng)處設(shè)有太陽能收集器。
本發(fā)明采用以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱致聲效應(yīng)產(chǎn)生壓力振蕩，把由熱聲效應(yīng)產(chǎn)生的小振幅的水位振蕩通過一根細(xì)長盤管放大到一個(gè)大振幅的水位振蕩，將水由低水位提高到高水位。
本發(fā)明利用太陽能這一可再生能源(其他余熱和廢熱等亦可)，驅(qū)動(dòng)一熱致聲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在缺乏電力的地方(如野外)，能夠?qū)崿F(xiàn)泵水的功能，達(dá)到灌溉等目的。水泵的動(dòng)力源有很多種，包括柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的柴油、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電能、風(fēng)力泵水裝置的風(fēng)力、利用潮汐現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)“泵”水的潮汐能等。其中后兩者利用可再生能源，相較于需要消耗有用能源的前兩者，其節(jié)能與綠色環(huán)保的特點(diǎn)是顯而易見的。本發(fā)明旨在利用另一種習(xí)以為常的可再生能源-太陽能-來驅(qū)動(dòng)熱致聲過程，最終實(shí)現(xiàn)泵水的過程，實(shí)現(xiàn)其巨大的實(shí)用價(jià)值。


附圖是以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲泵水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用一種有別于傳統(tǒng)泵水系統(tǒng)的新型壓差水位產(chǎn)生方式，即利用熱致聲效應(yīng)產(chǎn)生的壓力振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致水位的周期性變動(dòng)。其中熱致聲系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源為太陽能，利用太陽能收集裝置提升能源品位，提高熱源溫度至熱聲系統(tǒng)的起振溫度以上。在諧振管上連接有一根放大裝置，以此來放大壓力振蕩引起的周期性水位變動(dòng)幅度，進(jìn)而達(dá)到增大泵水高度的要求。此外，為了克服由于振蕩的對(duì)稱性而引起的倒流現(xiàn)象，在諧振管的補(bǔ)水端應(yīng)該設(shè)置一個(gè)單向閥門裝置，使得水流只是處于補(bǔ)水的狀態(tài)下才開啟。
如附圖所示，以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲泵水系統(tǒng)，其特征在于它具有熱聲諧振管2，熱聲諧振管2為環(huán)狀管道，熱聲諧振管環(huán)狀管道上部設(shè)有熱聲核，熱聲核依次設(shè)有熱端換熱器3、熱聲板疊4、冷端換熱器5，熱聲諧振管環(huán)狀管道一側(cè)中部依次設(shè)有單向閥9、低水位水池8，熱聲諧振管環(huán)狀管道另一側(cè)底部依次設(shè)有振蕩振幅放大細(xì)盤管6、高水位水池7，熱聲核的熱端換熱器3相對(duì)應(yīng)處設(shè)有太陽能收集器1。
太陽能收集器1是一個(gè)直徑比較大的聚光面，用于把太陽光聚焦到某一點(diǎn)，熱聲核的熱端換熱器3置于該點(diǎn)，聚焦后的太陽能作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源。太陽能收集器上要設(shè)置太陽光線跟蹤裝置，使得系統(tǒng)能夠隨著太陽光的入射方向而變化。由此，聚焦點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化，所以整個(gè)諧振管部分要與太陽能收集器發(fā)生關(guān)聯(lián)動(dòng)作，以保證聚焦后的光線能入射到熱端換熱器。
熱端換熱器3、熱聲板疊4以及冷端換熱器5構(gòu)成了熱能向聲能轉(zhuǎn)換的核心，激起熱聲振蕩的必要條件是要在熱聲板疊4的兩端形成一個(gè)足夠大的溫度梯度(臨界閾值通常被稱為臨界溫度梯度)，這個(gè)溫度梯度通過熱端換熱器3的加熱和冷端換熱器4的冷卻來實(shí)現(xiàn)。為了能夠很好地吸收聚焦光線中的能量，熱端換熱器3要具有較高的“有效吸收系數(shù)”，此段的管道采用透明材質(zhì)，使光線直接射入管道內(nèi)的換熱器結(jié)構(gòu)材料(具有高吸收系數(shù))上。冷端換熱器5的具體結(jié)構(gòu)要視情況而定若熱端的加熱溫度不是太高，可以通過自然風(fēng)冷或強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)冷(必要時(shí)添加一些擴(kuò)展翅片)的方式；若熱端負(fù)荷比較大，加熱溫度較高，則要采用水冷的方式。熱聲板疊4材料可以用玻璃細(xì)管、銅絲網(wǎng)、不銹鋼絲網(wǎng)、陶瓷多孔材料等。振蕩的發(fā)生還需要?dú)怏w工質(zhì)，可以直接采用空氣，但是如果考慮到熱端換熱器和板疊材料免受氧化以及振蕩頻率等因素，亦可采用氮?dú)?、二氧化碳等氣體。為了形成氣柱，并且把氣體振蕩轉(zhuǎn)化為水柱的振蕩，諧振管中灌有一定量的水。
隨著氣柱振蕩的發(fā)生，由于氣--水界面并不是剛性的封閉端，水柱就會(huì)隨之而發(fā)生振蕩。考慮到熱聲振蕩的幅度大小有限，直接利用該水柱的振蕩無法實(shí)現(xiàn)很高的水位提升效果。振蕩幅度放大細(xì)盤管6正是為克服這一問題而設(shè)置，盤管的直徑約為諧振管直徑的1/5以下，由于單位長度水柱能量的大幅度下降，使得在諧振管中幅度較小的振蕩經(jīng)過細(xì)盤管的“放大”而大大提高水柱在振蕩最高點(diǎn)時(shí)的高度。在水柱可能達(dá)到最高點(diǎn)以下的某一點(diǎn)設(shè)置出水口，就能把一定的水量排放到高位水池7。具體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。
由于水柱的振蕩是一對(duì)稱的過程，也就是說，在半個(gè)周期內(nèi)，排水口的水位處于最高點(diǎn)，補(bǔ)水側(cè)的水位處于最低點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)能進(jìn)行正常的排水與補(bǔ)水，把低位水池內(nèi)8的水補(bǔ)充到諧振管2內(nèi)；在另半個(gè)周期，排水口的水位處于最低點(diǎn)，而補(bǔ)水側(cè)的水位則處于最高點(diǎn)，有發(fā)生倒流的危險(xiǎn)。為此，在系統(tǒng)的補(bǔ)水側(cè)采取一定的對(duì)應(yīng)措施，可以采用單向閥9來實(shí)現(xiàn)。在補(bǔ)水側(cè)處于低水位時(shí)，閥門開啟，系統(tǒng)進(jìn)行正常的補(bǔ)水，而當(dāng)補(bǔ)水側(cè)處于高水位時(shí)則關(guān)閉而不通水。單向閥9的型式可以是機(jī)械式的，也可以是電子控制式。機(jī)械式單向閥靠通過一定的機(jī)械設(shè)計(jì)來保證當(dāng)補(bǔ)水側(cè)處于比較高的水位時(shí)能夠關(guān)閉起來，從結(jié)構(gòu)與運(yùn)行來說都是比較簡單的，其缺點(diǎn)是當(dāng)壓差比較小時(shí)，閥門的關(guān)閉會(huì)有一定的困難。電子控制式的系統(tǒng)則能克服這個(gè)問題在閥門的兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)傳感器，把水壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，分別輸入到一個(gè)比較器中，根據(jù)信號(hào)的對(duì)比情況生成動(dòng)作信號(hào)(要實(shí)現(xiàn)開啟動(dòng)作，信號(hào)需要經(jīng)過一定程度的放大)。
最后把系統(tǒng)中的各個(gè)部件進(jìn)行安裝與固定?？紤]到水池位置一般是固定的，為適應(yīng)諧振管系統(tǒng)同太陽能收集器實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，補(bǔ)水裝置與諧振管之間以及放大細(xì)盤管與高位水池間需要通過軟管進(jìn)行連接。
權(quán)利要求
1.一種以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲泵水系統(tǒng)，其特征在于它具有熱聲諧振管(2)，熱聲諧振管(2)為環(huán)狀管道，熱聲諧振管環(huán)狀管道上部設(shè)有熱聲核，熱聲核依次設(shè)有熱端換熱器(3)、熱聲板疊(4)、冷端換熱器(5)，熱聲諧振管環(huán)狀管道一側(cè)中部依次設(shè)有單向閥(9)、低水位水池(8)，熱聲諧振管環(huán)狀管道另一側(cè)底部依次設(shè)有振蕩振幅放大細(xì)盤管(6)、高水位水池(7)，熱聲核的熱端換熱器(3)相對(duì)應(yīng)處設(shè)有太陽能收集器(1)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲泵水系統(tǒng)的泵水方法，其特征在于采用以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱致聲效應(yīng)產(chǎn)生壓力振蕩，把由熱聲效應(yīng)產(chǎn)生的小振幅的水位振蕩通過一根細(xì)長盤管放大到一個(gè)大振幅的水位振蕩，將水由低水位提高到高水位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱聲泵水系統(tǒng)及其泵水方法。熱聲泵水系統(tǒng)包括太陽能收集器、諧振管、熱聲板疊、冷端換熱器、熱端換熱器、水位振蕩幅值放大器、補(bǔ)水系統(tǒng)和高低位水池等。本發(fā)明采用以太陽能為驅(qū)動(dòng)源的熱致聲效應(yīng)產(chǎn)生壓力振蕩，把由熱聲效應(yīng)產(chǎn)生的小振幅的水位振蕩通過一根細(xì)長盤管放大到一個(gè)大振幅的水位振蕩，將水由低水位提高到高水位。本發(fā)明意在利用太陽能這一可再生能源(其他余熱和廢熱等亦可)，驅(qū)動(dòng)一熱致聲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在缺乏電力的地方(如野外)，能夠?qū)崿F(xiàn)泵水的功能，達(dá)到灌溉等目的。
文檔編號(hào)F03G6/06GK1670365SQ20051004952
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
發(fā)明者金滔, 張葆森, 陳國邦 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)