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行波热声发动机、制冷机及其耦合规律研究

李山峰  
【摘要】: 热声效应是热能与声能之间相互转换的现象,其重要应用领域之一是热声热机(包括热声发动机和热声制冷机)。热声发动机将热能转化为声功形式的机械能,可以利用各种品位的热源驱动,对于缓解目前日益紧张的能源形式提供了新思路;热声制冷机消耗声功实现低温端向高温端的泵热,采用自然工质(氦气、氮气、空气等)作为制冷剂,对环境完全友好。基于可逆热声循环的行波热声发动机和行波热声制冷机具有潜在的高效率,引起了人们更多的关注。近年来,行波热声发动机、行波热声制冷机以及二者耦合整机的研究取得了显著进展,但距离实用化尚有一段路要走。为了进一步提升行波热声发动机驱动制冷机的整机效率,促进热声技术的应用,本文开展了以下几方面的工作: 1、行波热声发动机的工作机制及热声转换性能研究 使用阻容负载法详细研究了行波热声发动机的性能。以氮气为工质,工作频率23.6Hz左右,最大输出声功492W,最大净效率18.5%;以氦气为工质,工作频率67.5Hz左右,最大输出声功801W,最大净效率26.5%,发动机环路输出总效率(负载消耗声功与谐振管消耗声功之和除以加热功率)接近32%,是目前世界上报导的效率最高的热声发动机。 为了提高发动机的声功输出能力,设计了一种规则流道的平板回热器以取代丝网回热器,实验表明该平板型回热器能够有效地降低回热器阻力,增大体积流率,从而提高发动机内功流密度,大幅度提高发动机的声功输出能力,但效率略有降低。 通过计算和实验的手段对发动机漏热进行评估,以进一步提升发动机性能。研究结果表明:在保证安全的情况下,可以通过减小回热器以及热缓冲管管壁的厚度降低导热损失,减小热端换热器以及次水冷器表面的黑度来降低辐射换热损失,改进保温措施减少漏热损失,可望进一步提高热声发动机的转换效率。 Gedeon声流的存在对于具有环路的行波热声发动机性能有较大影响,使用弹性膜能够有效地抑制不同工况下的Gedeon声流。为了定量了解Gedeon声流的影响,对比研究发动机在有无弹性膜两种情况下的性能,发现Gedeon声流导致的能量损失占加热功率的一半左右,使得发动机的输出效率降低一半。 2、同轴行波热声制冷机的数值模拟与实验研究 为了获得更加紧凑的行波热声制冷机,在对行波热声发动机性能研究的基础上优化设计了一台同轴行波热声制冷机,从计算和实验的角度研究了多个参数对性制冷机能的影响,研究表明回热器丝网参数、工作频率、制冷温度、调相机构等对于制冷量和COP均存在最佳值。 首次提出使用弹性膜加惯性质量替代传统惯性管的方案,使得制冷机尺寸进步一缩小成为可能。实验结果表明,使用惯性质量调相可以有效减少粘性损耗和突变截面损失,提高制冷机性能。冷头温度为-40℃时,最大制冷量提高43%,冷头温度为-20℃时,最大制冷量提高40% ,冷头温度为0℃时,最大制冷量提高46%。 研究了该制冷机中对性能影响最为关键的自然对流和Gedeon声流。使用惯性质量调相时,最大的自然对流(热缓冲管冷端竖直向上)使得制冷量在冷头温度-40℃下降44.2%, -20℃,下降20.8%, 0℃,下降7.1%。使用35mm内径的惯性管调相时;Gedeon声流的存在使得最低温度由-73℃升高到-35℃,冷头温度为-20℃时,制冷量下降了47.7%,随着制冷温度的升高,Gedeon声流的影响越来越小,在冷头温度为0℃时,Gedeon声流使得制冷量下降了11.4%。 3、行波热声发动机驱动同轴行波热声制冷机的耦合规律研究 计算研究了不同阻抗负载下发动机的输出规律以及负载对于发动机的影响,结果表明在测量行波热声发动机的声功输出特性时采用较大容积的气库可以获得发动机的最大输出声功。 从数值和实验的角度对同轴行波热声制冷机与发动机之间的耦合规律进行了研究,结果表明:随着制冷机环路中惯性元件所提供惯性的增大,制冷机的阻抗实部增大,其COP先增大后减小。而制冷机阻抗实部的增大使得发动机热端温度与输出效率不断增大,制冷机COP与发动机输出效率的共同作用将使得整机效率(制冷量除以发动机加热功率)也先增大后减小存在极大值。通过优化,在制冷温度为-40℃时,获得最大230 W制冷量,整机效率0.112;制冷温度为-20℃时,获得最大340W制冷量,整机效率0.16;制冷温度为0℃时,最大制冷量469W,整机效率0.216。 针对行波热声发动机与行波热声制冷机之间的匹配关系进行研究,分析认为:由于行波热声制冷机入口是驻波为主的声场,不利于声功的输入,可以通过直接(减小制冷机阻抗虚部)和间接(通过声压放大器耦合)的方法调节发动机负载的阻抗,从而一定程度上优化发动机与制冷机之间的匹配关系。因此可以通过在发动机与制冷机中增加合适的声压放大器,进一步提升文中的发动机驱动制冷机的整机性能。


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