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行波型热声发动机的热力分析和实验研究

杨梅  
【摘要】: 热声热机是一种与传统的热机完全不同的新型热机。它具有无污染、无运动部件等优点,而且结构非常简单,可靠性高,寿命长。由热声发动机驱动的热声(包括脉管)制冷机,在天然气液化方面有着巨大的商业应用前景。此外,采用热声制冷机替代现有空调制冷设备的研究也取得了很大的进展。因而热声机械成为制冷界的一个研究热点。 本文围绕同轴型行波热声发动机,对其热声网络模型展开了研究,并进行了实验研究工作,作者主要对以下几个方面进行了探讨: 1.热声热机的分布参数网络模型分析 在现有热声网络模型的基础上,对行波型热声发动机采用分布参数法进行了详细的分析,得到了较为完整的分布参数法网络模型,并给出了该模型的定性关系式。为整机系统的匹配性研究奠定理论模型框架,并得到一些结论,对于我们设计行波型热声发动机有非常重要的理论指导意义。 2.热声热机的优化设计 在热声网络模型的基础上,设计和优化系统,调节系统中的声场相位,提高热声热机的效率。对回热器内部功的损失和回热器的热漏损失进行了分析,以系统的效率作为最终的目标函数,对热声系统进行优化设计,并设计了一台同轴型行波热声发动机。 3.同轴型行波热声发动机的实验研究 (1)建立了国际上第一台实用同轴型行波热声发动机,使得行波热声热机小型化,实现一套小型化的热声热机系统。并进行了实验研究,系统地研究了回热器的目数,长度等结构参数以及充气压力,加热温度等操作参数对系统振幅,压比性能和起振温度的影响情况。以氮气做工质,在加热温度为365℃的情况下,获得最大的压比为1.047,频率是91Hz。 (2)以氮气做为工质时,同轴型行波热声发动机获得最低的起振温度105℃,这是国际上最低的起振温度。它意味着我们可以利用低品位热能,工业废热等来驱动热声发动机,热声热机可以得到更为广泛的应用。 (3)频率跳变实验现象和初步的理论分析。在实验中发现,在一定的加热温度和工作 压力下,系统的自激振荡的频率从第二谐振频率跳变到第三谐振频率。自激振荡频率的 跳变是一个很复杂的问题,由于热声发动机的回热器和谐振管的祸合是非线性的,使得 系统的分析变得十分困难。频率的跳变现象有待于从非线性理论出发进一步研究。


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