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环路行波热声发动机声阻抗匹配的机理与优化研究

杨睿  
【摘要】:热声热机是一种可将热能转化为声能或消耗声能进行泵热的无运动部件热力机械,具有高可靠性、长寿命和环境友好等优点。三十多年来,在热声热机理论以及实验样机的研究上已经取得了诸多重要进展,但在实用化方面却面临着与传统热机相竞争的严峻考验。适宜于低品位热源驱动的热声发动机是热声热机实用化可能取得突破的重要方向,也是热声研究领域近年来的热点之一。环路行波热声发动机可同时实现高效的热声转换和声功传输,从而有望实现对低品位热源的高效利用。为进一步探索环路热声发动机的声阻抗匹配机制,降低起振温度,实现在低温位热源驱动下的高效运行,本文开展了以下工作:(1)讨论利用容性腔和阻性管对环路热声系统中的声场进行调节的机制,并对其调相效果进行理论分析和实验验证。从构建声学准软/硬边界条件出发,提出利用容性腔和阻性管两种调相方式在环路热声发动机内建立起合适的声场。搭建一台单级环路行波热声发动机,对比系统在无调相装置、以容性腔为调相装置和以阻性管为调相装置时的性能。实验结果显示,当把容性腔或阻性管分别安装在恰当的位置时,系统的起振温度均可显著降低。当以容性腔为调相装置,并以2.37MPa的CO2为工质时,系统的起振温度仅为40℃(对应的起振温差为3I℃)。(2)系统设计并建造了单级、双级、三级和四级等四种可由低温位热源驱动的环路热声发动机。在环路结构的一种典型声场分布里,有四个相距大约1/4波长的速度和压力相位差为0的纯行波点,它们都符合高效热声转换对回热器处声场的要求。在此基础上,结合调相装置,构建了四种可以在低温位热源下运行的热声发动机,其中单级、双级和三级系统的结构均不具对称性,打破了传统同类机型的对称结构的限制。以1MPa的CO2为工质时,三级和四级系统的起振温度可低至29℃(对应的起振温差为17℃),这是公开文献中常规尺寸热声发动机所能达到的最低起振温度和温差。(3)以环路热声发动机为基础,验证了低温位热源驱动热声发动机进行发电或制冷的可行性。将三级环路热声发动机与一台直线电机耦合,对该热声发电系统进行了实验研究。经过优化后,在120℃的加热温度下,该系统的热电转换效率可达1.51%。此外,设计了一台热驱动的环路热声制冷系统,并对该系统进行了模拟计算,分析了其在210℃~250℃的加热温度下的性能。根据理论计算的结果,在将热量从-3℃的冷源泵至30℃环境的工况下,系统的总能效系数可超过0.4,相对卡诺能效系数可超过13%。


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