斯特林热声发动机的直流研究

具有环路的斯特林热声发动机引入了反馈回路,实现了行波相位的热声转换,获得了较高的热声转换效率。然而,环路的拓扑结构使得声场中直流的产生成为可能,直流的出现将严重制约热声发动机的性能。本文以温度和压力测量作为重要实验手段,研究直流与热声发动机温度分布、压比、热声转化效率之间的关系,考察了直流抑制前后系统的性能,指出有效抑制直流能大幅度提高热声发动机的性能。

声学放大器对热声发动机性能的影响

对声学放大器的声功传输能力以及其对热声发动机性能的影响进行了实验研究,发现声学发大器只有在一定条件下才能提高热声发动机的输出压比,当末端阻抗减小时其放大能力也减小。声学放大器本身也是一个声学阻力部件,如果仅以负载引出功计算热声发动机的效率,声学放大器在输出端负载阻抗较大时能够提高系统热效率,当负载阻抗减小后,它将使发动机的热效率急剧降低。

外加扰动对热声发动机起振特性的影响

热声发动机利用热声效应将热能转化为声功,系统中没有任何运动部件,具有结构简单、效率高、环境友好等突出优点。为了充分发挥热声发动机可利用低品位热能的优势,进一步降低系统的起振温度对热声热机的应用具有重要意义。该文首次提出利用外加扰动降低系统起振温度的设想,并在自行研制的多功能行波热声发动机实验台上进行了实验验证。初步实验结果表明,外加扰动可以大幅降低热声发动机的起振温度。实验以氮气为工质,当系统充气压力为0.9MPa时,通过加入压力扰动使系统的起振温度由原来的219℃降低到193℃。系统研究了外加扰动对热声发动机整个起振和消振过程的影响,获得的结果对加深热声系统起振机理的认识及热声发动机的实用化研究具有重要的指导意义。

影响热声发动机工作频率的因素

热声发动机工作频率关系到与负载的匹配情况,是热声发动机声能输出的重要评价指标。对热声发动机的频率调节手段进行了系统分析,试验验证了部分调频方法,并运用数值模拟分析了新的调频手段。研究发现,通过改变工质类型、改变谐振管长度和直径,可以在一定程度上有效调节热声发动机的工作频率。数值模拟结果显示,发动机内气体平均温度较平均压力和回热器长度对工作频率的影响更大。

以氦气为工质的行波热声发动机研究

随着对热声热机研究的深入,特别是行波热声发动机概念的提出,热声发动机效率得到了质的提高。为了实现热声发动机与制冷机的良好匹配,以氦气为工质时热声发动机需具有较低的起振温度、较大的压力波强度、较好的单频率特性。本文对自行研制的新型热声发动机进行了深入研究,以氦气为工质,在充气压力为2.0MPa时获得了1.19的压比,系统频率稳定在约73Hz,为利用新型热声发动机驱动脉管制冷机或其它热声制冷机创造了有利条件。此外,该热声发动机起振温度较低,初步具备了利用工业废热等低品位能源驱动的条件。

新型热声发动机驱动的脉管制冷机实验研究

为完全消除低温系统中的运动部件,简化低温系统结构并提高其可靠性,对自制新型热声发动机驱动的脉管制冷机系统进行了实验研究.对热声发动机的性能进行了实验分析,确定出系统充气压力和制冷机的接口位置,将一台单级小孔型脉管制冷机接到系统中.通过调节小孔阀,对脉管制冷机性能进行了优化.结果表明,以氦气为工质,在充气压力为2 MPa时,发动机单独运行时最大压比达1.19,驱动单级小孔型脉管制冷机获得了119 K的低温,这为热声制冷机系统应用于天然气液化奠定了良好基础.

行波热声发动机中Gedeon直流定量研究

针对行波热声发动机的环路结构可能引起声场Gedeon直流损失的问题,对热声发动机环路内的Gedeon直流进行了定量研究,从而进一步提高行波热声发动机的热效率.分析了Gedeon直流的产生和作用机理,基于线性热声理论,建立了热声回热器的简单焓流模型.利用实验测得的回热器温度数据,通过求解焓流模型,分析了Gedeon直流的规模及其对回热器温度分布的影响.结果表明,利用简单焓流模型计算得到的Gedeon直流流率与实验结果吻合较好.Gedeon直流对回热器的轴向温度分布影响显著,当Gedeon直流流率的绝对值达到2.0 g/s时回热器的轴向温度就已经严重偏离线性分布,此时回热器的效率较低.

行波热声发动机加热器改进及其驱动脉管制冷机系统实验研究

对自行研制的行波型热声发动机中的核心部件加热器进行了改进。采用改进的热声发动机驱动单级小孔型脉管制冷机 ,以氦气为工质 ,在充气压力为 2 2MPa的条件下 ,获得了 110K的最低制冷温度。通过对实验结果的分析 ,着重阐明了热声发动机和脉管制冷机之间的频率匹配问题及其改进途径 ,为进一步深入研究指明了方向。