关键词： 热声制冷机   环路   回热器   多层丝网  

摘要： 热声制冷技术具备高度可靠性的同时具有显著的环境友好性，回热器作为核心部件直接影响热声制冷机的性能。为了使热声制冷机回热器在不同温度下均高效地泵热，设计了一种使用多层丝网回热器的四级环路热声制冷机并进行了数值模拟研究。计算结果表明多层回热器的设计有利于保证回热器换热效果的同时减少黏性耗散，从而提升制冷机制冷量和效率。研究表明，三层丝网回热器的系统性能最优，在6MPa高压氦气，高温端923K，室温端303K的条件下，在77K制冷温度时获得制冷量109W，高于单层、二层和四层回热器条件。

关键词： 室温制冷   热声制冷机   热声发动机   直连型   调相  

摘要： 本文提出一种可利用低品位热能的热驱动直连型热声制冷机,它包含二个相同的基本单元,每个单元由直接相连的热声发动机、热声制冷机、谐振管和空腔连接。谐振管和空腔可以实现单元之间的相位调节。本文重点考察了谐振管与空腔组成的调相机构对发动机和制冷机的回热器进出口相位角、声功以及制冷系数的影响规律,以期指导将来实验装置的设计。计算结果表明:在环境温度50?C,热端温度300?C,制冷温度10?C的条件下,整机可获得5.8 k W的制冷量,制冷系数达到了0.48。

关键词： 热声热机   交变流动换热器   换热特性   阻力特性   局部阻力修正  

摘要： 为阐明热声发动机交变流动换热器内基本换热与阻力特性,以10 kW直线热管耦合自由活塞斯特林发电机的发动机核心为例,对三维模型进行等效,分别利用Sage一维和CFD二维模型两种方法,对交变流动换热单元在额定工况下的沿程基本状态参数、时均能量的分布特征进行计算并比较。结果表明:Sage一维模型中的换热分布特征及换热总量均与CFD二维模型计算结果相近,即Sage一维模型可以较好地捕捉换热器内的瞬态与时均特征;同时,Sage一维模型对换热器界面的突变截面损失则与CFD二维模型计算差异较大,可利用CFD二维模型的阻力计算结果,提出采用有效压降与有效速度获得突变截面处的局部阻力系数修正,并添加修正因子后代入Sage一维模型,可使Sage一维模型的阻力特性与CFD二维模型的阻力特性基本吻合。所得热声热机中换热器特性规律及分析方法同样可用于指导其他热声热机的相关研究与工程设计,具有一定的普适性。

关键词： 低品位热源   热声热机   非对称   起振温差  

摘要： 对于双级环路行波热声热机,两个热声核的相对位置直接影响到其起振温度,而热声热机的起振温差决定了其可利用的热源品位。基于线性热声理论分析,通过改变两个热声核的相对位置,研究了两个热声核的相对位置改变对其起振温差、压力振幅和压比等的影响。结果表明,双级环路行波热声热机的起振温度随着两个热声核从中心对称位置逐步靠近时先下降再上升,当两个热声核之间的谐振管长度比例为1∶3.5时,系统获得最小的起振温差为59.6℃(工质为N2,充气压力为2.5 MPa)。在相同温差下,该系统在谐振管长度比例为1∶3.5的位置相较于其他位置具有较大的压力振幅和压比。

关键词： 热声制冷机   声驱动器   声场强度   活塞模态振动  

摘要： 热声制冷机是一种绿色环保、结构简单的新型制冷装置,符合新能源多元化的发展趋势,是未来微电子元器件、微型医疗器械等装置散热、冷却的研究热点。热声制冷机是基于热声效应原理实现热量搬移的制冷设备,但目前主要存在制冷效率低、制冷量不足等问题,已有的研究表明,声场强度(声压)越高、质点位移越大,制冷效率越高,制冷效果越好,要提高热声制冷机制冷效率,就需要有强烈的气体交变流动,而以往的声驱动器存在振幅过小,驱动力不足等问题,提供的声能无法满足工质气体强烈的交变流动,进而不能满足制冷机对温降的需求。因此,针对这一问题,本文进行了以下研究工作:(1)提出用气柱的活塞模态振动代替驻波振动这一思想,用气柱的活塞模态振动代替驻波振动可以提高谐振腔内气柱的纵向振幅,进而提高谐振腔内工质气体交变流动的强度,而气柱的活塞模态振动具有与驻波相同的性质,都是纵向振动有稳定的速度节点与压力节点,和其他声驱动器热声制冷机一样,只要有相同的气体工质,把板叠放到适当的压力波腹与与速度波腹之间就可以实现热量搬移,进而实现更高效的制冷效率。(2)本文利用高速电机带动曲柄滑块机构推动振动薄板可以实现高频、大振幅的振动,进而可实现热声制冷机内工质气体强烈交变流动这一思想,设计了一款高频、大振幅的活塞式声驱动器,满足了热声制冷机对强力声源的需求。(3)运用仿真软件ANSYS对长600mm,直径100mm,壁厚5mm谐振腔内的气柱进行了自由模态分析,找出最佳激励频率,使谐振谐振腔内的声压幅值增大,提高热声转换效率,为后续的实验研究提供了基础。(4)对制冷机中一些关键热声元件进行了优化设计,并搭建了热声制冷机实验装置。根据仿真结果对热声制冷机谐振腔内的声场强度、制冷效果进行了实验研究。包括不同工况下对谐振腔轴向各个位置的声压值影响,以及不同条件对热声堆两端的温差的影响,实验结果验证了用气柱的活塞模态振动代替驻波振动在基频的驱动下的确可以提高制冷机谐振腔内的声场强度,有利于提高制冷机的制冷效果。

关键词： 热声热机   行波   两级   非对称   低品位热回收利用  

摘要： 能源与环境问题是制约我国经济和社会发展的长期“瓶颈”,发展低品位余热利用技术是实施我国节能减排战略的重大需求,已关系到建设美丽中国。热声发动机的工作原理是通过热声效应,使热能直接转化为声能,以此达到低品位热能利用的目的。无有害物质排放、无机械运动部件、热效率高、可靠性好、寿命长等优势。然而,要推进热声热机的工程化应用,还有不少问题需要解决,目前大多数与多级环路行波热声热机相关的研究基本都是关于热声核处于中心对称位置或一些特殊位置,这种分散式的布置方式客观上不利于热能的利用,并严重阻碍了热声热机系统的工程化应用。本文的研究对象主要是两级行波热声发动机,针对其在低温位热能利用上的缺陷与不足,探索其在利用低品位热的性能表现以及可能利用低品位热的最大深度,为热声系统的工程化应用做技术储备,主要做了如下研究工作。本文立足于线性热声基本理论与现代声学基础,应用经典热声模拟软件Delta EC构建了两级行波热声热机的仿真模型。结合数值模拟结果,并引入相关声学理论进行分析,发现在环路行波声系统的典型声场分布中,存在4个彼此距离1/4波长的纯行波点,这种纯行波点是热声核布置的理想位置。设计了通过改变热声单元的位置建立边界来调节环路热声热机内声场的方法。不同的热声核位置可以调整环路热机内部声场,热声核安装位置的合理选择以及各部件的合理设计可以实现良好的声阻抗匹配。对于具有两个热声核的热声系统,布置间隔为1/4波长可能是最佳布置。系统的设计并搭建了谐振管比例(连接两个热声核所使用的管道的比例)为1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4等七种不同的热声热机系统。采用控制变量法进行实验研究,取得实验结果如下:非对称的两级环路热声发动机存在热声核的最佳位置,即谐振管比例为1:3.5,两个热声核之间的距离约为1/4波长;对七种环路热声热机的性能进行分析发现:以2.5MPa的N为工质、谐振管比例为1:3.5时,起振温差最低可达59.6℃,相较于对称的两级环路热声发动机相比,起振温差下降了约93.4℃,非对称两级环路热声发动机可由低品位热驱动,具有对低品位热能高效回收利用的潜力。

关键词： 热声热机   有限时间热力学   （火用）经济性能   （火用）效率   性能优化  

摘要： 热声热机是通过热致声效应实现热声循环或通过声制冷原理实现热声逆循环的一种装置。这种新型的无运动部件热功转换装置,充分的利用了热声谐振代替了传统的机械压缩,而这种方法使得热声热机无论是热声发动机方向,还是热声制冷机方向都具有鲜明的特点;其基本结构简单可靠、使用寿命长、工作噪声低、且无污染的特点突出,也使热声热机发展方向明朗,应用前景广阔。但由于热声效应的热和声相互转化过程涉及到非常复杂的非线性因素,各个理论都存在其局限性和适应性。为了加深对热声热机工作机理的理解,本文基于有限时间热力学理论,分别建立热声热机理论循环模型、热声发动机循环模型和热声制冷机循环模型。利用数值方法分析了各设计参数对系统性能的影响,并得出了系统的最佳运行特性和计算最佳工作区间的方法。全文工作如下:第一部分为热声热机理论循环模型的建立,将热声系统中气体工质波动方程与单原子气体工质的内能变化量方程、理想气体状态方程和能量守恒方程相结合,导出了工质气体与毛细管壁之间的横向热交换量的解析式,从不同的角度解释模型的热声自激振荡机理,结果将有益于我们理解热声效应原理的本质。第二部分为热声发动机循环的有限时间热力学分析与优化。在内可逆模型的基础上建立了考虑不可逆、热漏的热声发动机模型,推导出无量纲功率、效率、（火用）效率、利润率及纯利润率的解析式。分别分析了系统在考虑内不可逆性和外不可逆性条件下各设计参数对优化目标的影响,得到了系统的最佳工作区间。通过优化热声热机的压力驱动比得到了循环系统的最优性能特性。结果表明,存在压力驱动比的合理范围,使热声发动机循环中利润率和效率可几乎同时到达最优,具有实际意义。第三部分为热声制冷机循环的有限时间热力学分析与优化。在内可逆模型的基础上建立了考虑不可逆、热漏的热声制冷机模型,导出了无量纲制冷率、制冷系数、（火用）效率、利润率及纯利润率的解析式。分别分析了系统在考虑内不可逆性和外不可逆性条件下各设计参数对优化目标的影响,得到了系统的最佳工作区间。通过优化热声制冷机的压力驱动比得到了循环系统的最优性能特性。结果表明,热声制冷机存在最优利润率和无量纲最优制冷率,但无量纲制冷率和制冷系数无法同时最优。

关键词： 热声效应   热声制冷机   板叠   工作介质参数   数值模拟   正交试验  

摘要： 为探究介质工作参数对板叠上热量搬移效果的影响,使用数值模拟与试验探究相结合的方法,以板叠两端温差作为试验目标,以声场振动频率、气体振动幅值和板叠材料等作为影响因素,探索各工况参数之间的最佳组合。结果说明对制冷过程影响最大的因素是板叠材料的导热系数,其次为气体微团的振幅,影响最小的是振动频率,最佳因素水平组合为(A3B4C4),即振动频率为1390 Hz、气体振动幅值为20 mm、板叠材料为石棉。板叠材料的选择是优于其它因素的,振幅的调控仅次于材料的选择,在保证前两因素敏感度取到较好水平情况之下,振动频率可在较大范围内选取,为获得大振幅提供了依据。文中把振幅与频率作为独立因素进行考察,发现频率在很宽范围内变化时,对制冷效果影响不大。正交试验结果提示,可以把激励频率设置在一阶活塞模态频率上,以获得最大振幅,而不考虑频率变化的影响。

关键词： 热声制冷机   室温制冷   SAGE软件   相角   制冷系数  

摘要： 热声制冷机作为一种新型制冷技术,具有效率高、可靠性好、环境友好等特点。目前,室温温区热声制冷机存在回热器声功利用量少、出口声功大、回收损失大等问题。本文基于SAGE软件,对室温温区热声制冷机的工作机理进行了研究。通过对两级及以上热声制冷机的制冷系数、制冷量以及进出口阻抗相角进行分析,探寻同时提高声功利用率和制冷量的方法。在分别以制冷系数和制冷量为优化计算目标的前提下,得到了室温温区多级热声制冷机的制冷量、制冷系数及声功利用率随级数变化的变化规律。计算结果显示,多级热声制冷机对出口声功的利用率存在最大值。可根据实际需求综合考虑制冷系数及制冷量,以得到较优的制冷工况。

摘要： 热声热机(Thermoacoustic Engine)是一种把热能转换成声能或者说声波等形式的机械功的装置。像其他许多热机一样,它可以逆向运行而作为制冷机,即利用声能将热量从低温热库输向高温热库。热声热机的高运行频率减少了热传导并且无需任何气室。与许多其他热机不同,除了工作流体本身,热声热机没有任何活动部件。