新型谐振管耦合型双效斯特林制冷机的数值模拟

结合经典双效斯特林制冷机结构与热声理论,提出一种谐振管耦合型双效斯特林制冷机,采用声学谐振管耦合斯特林发动机与斯特林制冷机,从而实现热驱动制冷,具有结构简单、潜在效率高、可靠性高、绿色环保的优点,在小型天然气液化、冷电联供以及空间探测领域有较大的应用潜力。针对实验室现有发动机和制冷机的参数,采用模拟软件Sage搭建了计算模型,计算验证了该结构的可行性。计算结果表明,在充气压力为3 MPa,工作频率为50 Hz,发动机压比为1.3条件下,该系统在80 K的制冷温度可获得210 W制冷量,整机效率为11.3%。同时进一步探究了系统内声场分布和主要部件损失,研究表明回热器内部声场偏离行波声场,谐振管中粘性损失较大和制冷机输入声功偏小是当前整机效率较低的主要原因。如果进行合理的优化设计,此类系统可以实现25%以上的整机效率。

谐振电机耦合型双效斯特林燃气热泵系统研究

针对当前国家大力推行清洁能源技术和煤改气政策的供暖现状,本文探索了一种双效斯特林燃气热泵系统。全文基于热声学观点对系统进行了理论研究,并采用SAGE程序对其进行数值模拟和优化设计。计算表明,当加热、供热和冷端温度分别为923 K、333 K和273 K时,系统可获得的泵热量为7000 W,COPh为1.79,系统(火用)效率可达到45.67%;但谐振活塞位移对温度、压力以及谐振电机机械阻尼等参数变化具有敏感性,该特点将会严重制约系统的高效运行。为了降低系统的敏感性,本文采用谐振电机耦合斯特林发动机和斯特林热泵,通过对谐振电机电功输入和输出的调控来保持电机活塞工作状态的稳定。结果表明,谐振电机对于实现斯特林发动机和斯特林热泵的高效耦合以及降低系统敏感性具有可行性。

基于双效自由活塞斯特林的变温泵热技术研究

热泵对于缓解我国北方冬季所面临的供暖压力,具有十分积极的作用。本文主要针对一种新型的双效自由活塞斯特林变温热泵技术展开研究。主要采用SAGE程序对整机系统进行了数值计算,探究变温泵热对于系统加热量、泵热量、制热系数、整机(火用)效率以及各关键部件(火用)损失等热力学参数的影响。计算结果表明,采用变温热泵模式时,由于斯特林热泵侧温差减小,其泵热量增加,因此系统总的泵热量以及制热系数增大,但对应的(火用)效率降低。因此,可以在满足热量匹配的情况下,适当降低热泵侧室温换热器温度对热负载流体进行逐级加热,从而提高双效自由活塞斯特林热泵系统的工作效率。

谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统性能实验研究

本文提出了一种谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林系统,其主要部件有自由活塞斯特林发动机子系统、谐振电机以及自由活塞斯特林制冷机/热泵子系统。全文针对谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统分别开展了制冷/热泵子系统、发动机子系统制冷和热功转换特性的实验研究。电驱动制冷子系统实验结果表明,当平均充气压力为3.3 MPa,工作频率为60.0 Hz,水冷温度19℃时,实验系统制冷效果较为显著,输入电功130 W时无负荷的制冷温度可以达到-23.7℃。发动机子系统热驱动声功输出特性实验结果表明,系统充气压力的变化对于系统热驱动起振特性有着十分明显的影响。另外,当平均充气压力为2.9 MPa,水冷温度22℃,外接电阻1500Ω时,系统的加热功率越高,系统的热功转换性能越好。本文所开展的谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统的实验研究对未来要进行的整机系统热驱动制冷实验奠定重要基础。