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小型行波热声发动机的设计与实验研究

陈茂  
【摘要】:将热声发动机(压缩机)用来代替传统机械压缩机驱动脉管制冷机或利用热声逆效应驱动热声制冷机,组成了一套具有突出优点的制冷系统:结构简单,没有任何运动机械部件,消除常规机械制冷中的摩损,可靠稳定;可采用对环境友好的工质,符合人们共同保护生态环境发展要求;造价合理低廉,无需精密加工;可利用太阳能、工业废热等低品位热源,改善了能源利用的效率,尤其对于发展中国家偏远山区缺少电力设施但太阳能充足的地区的开发有积极意义。小型化后的行波热声发动机,工作频率很高,甚至达到上千赫兹,增加了系统中粘性耗散损失;若不采用额外放大声功的外部措施,发动机本身产生的压力振幅仍然偏小;起振温度仍然偏高,且运行过程中易出现不稳定的现象,降低系统的可靠稳定性。本论文针对行波热声发动机小型化后存在的上述问题开展研究,目的是提升小型行波热声发动机的综合性能。本论文主要包括以下几个部分:1)以线性热声理论为基础,采用DeltaEC软件对小型行波热声发动机建立了模型,数值模拟分析了各个热声部件及操作参数等对发动机性能的影响规律。提出了小型行波热声发动机系统中,对其工作频率,加热温度和压力振幅最有影响的声学部件是:谐振管,谐振腔,其次是声容和回热器。声容和回热器处于环路中,其结构尺寸不易调整,谐振管和谐振腔在改善发动机性能方面有更大的潜力。2)在数值模拟分析的基础上,设计并搭建了一台小型热声行波发动机试验台,总长小于1.5m,总高小于0.5m,谐振管长1m。实验研究了不同工质,加热功率,充气压力等操作参数,以及结构参数对热声发动机的起振温度,压力振幅,工作频率,声场分布等性能的影响。通过实验和数值模拟结合,更明确提出了最方便显著改善小型行波热声发动机性能的部件是谐振管和谐振腔,并对此进行了重点实验研究,用氦气作工质时,工作频率降到了90Hz,起振温差降到了198.2K,且在1-2.5MPa内该起振温差值变化不大,利于发动机在更广的充气压力范围内容易起振,在加热功率800W,平均压力0.8MPa时,压比达到1.108。在上述基础上提出未来可实现更佳性能的设计方案,进一步降低频率,提高压力振幅。3)实验研究了影响周期性起消振现象的主要因素,提出了平均压力,加热功率和工质种类是影响该现象发生的主要因素。对于氦气工质,平均压力位于起振温度曲线右支高压区域时,易发生周期性起振消振现象。另外,还对小型行波热声发动机中的耗散进行了定量分析,发现直流的存在给副室温端冷却器带来了大量热负荷,对小型行波热声发动机性能造成了不利的影响。4)将小型行波热声发动机与一台微型同轴脉管制冷机连接,实现了整体无机械运动部件的制冷系统,并进行了初步的实验,在平均压力2.5MPa,加热功率800W,氦气作工质时,制冷温度从室温289.4K降到了194.5K,展示了小型热声行波发动机驱动制冷机的应用潜力。


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