热声制冷技术研究进展及未来发展展望

介绍了热声制冷原理,回顾了国内外近几年热声制冷工作在理论和实践方面研究进展,并对热声制冷研究的发展趋势进行了展望。     

热声制冷机的性能影响因素

简要介绍了热声制冷的基本原理、性能影响因素和研究方向     

Terfenol-D磁致伸缩换能器驱动热声制冷系统的实验研究

基于热声效应的原理设计了应用(Terfenol-D)磁致伸缩换能器驱动的热声制冷实验系统,实验结果表明:以空气为工质,在很短的工作时间内,制冷机取得了明显的温降.     

热声热机技术的研究进展

首先简要地介绍热声热机(包括热声发动机和热声制冷机)的基本工作原理和热声技术特点,指出热声热机是基于热致声效应和声制冷效应两类热声效应而工作的,它完全没有机械运动,采用惰性气体工作,是一种可靠性高和环保的新型的能源转换机械.然后重点介绍近十几年来国内外在热声技术研究方面所取得的重要进展,主要包括在热声发动机和热声制冷机两个方面.在热声发动机研究方面,简要回顾热声效应的发现和驻波热声发动机的研究进展,接着介绍行波热声发动机的提出和迅速发展历程,重点介绍热声转换效率达到30%的热声斯特林发动机和压比达到1.3(采用氦气)、效率达到32%的聚能型热声发动机研究工作;在热声制冷技术方面,分别介绍热声驱动脉冲管制冷获取低温的研究工作以及热声驱动室温制冷机获得高效率、大冷量等方面的研究工作,并重点介绍采用声压放大器获得液氢温度以下的完全无运动部件热声驱动脉冲管制冷机(低于20 K),以及在-20℃获得了300 W以上的制冷量的双行波流程的热声驱动室温热声制冷机.最后,扼要地介绍热声理论方面的研究进展,并对热声技术的问题和该研究领域的发展方向进行展望.     

热声机械的研究现状及展望

回顾了近几年国内外热声工作者在热声理论以及热声机械的研究进展,总结了近年来研究的热点方向,并对热声学研究今后的发展趋势进行了展望.     

驻波型热声制冷机板叠间的换热分析

基于线性小振幅声场,探讨了气体微团与固体板叠之间能量传递规律,系统地分析了谐振腔板叠内的热力过程。为了分析驻波型热声制冷机制冷因数,阐述了气体微团与固体板叠之间的热量交换,直观地了解气体微团与固体板叠之间热量交换的数值变化关系。运用稳态流动理论估算了气体与固体之间的换热量,根据经典传热学理论,对重要传热系数进行试验确定,但是试验结果与理论估算值有较大误差,表明稳态的对流换热理论已经不适用于热声理论。     

热声制冷机板叠性能指标数值计算与遗传算法优化

板叠是驻波热声热机的重要部件,直接影响热声热机的效率。针对驻波热声制冷机,构造了一个板叠性能指标的数值计算方法及其优化设计方法。分析基于短板叠近似理论的计算方法的局限,构造迭代数值方法同时求解制冷量、压力、体积流率、平均温度分布以及温度梯度等参数,从而计算出板叠性能指标;基于该迭代方法探讨了热声板叠长度、宽度、位置、阻塞率以及温差等与板叠性能指标之间的关系;以板叠长度、宽度、位置、阻塞率为优化设计变量,板叠性能指标为优化目标,利用遗传算法,对驻波热声制冷机板叠进行了优化设计。与基于短板叠近似理论的方法相比,由于考虑了更多的实际因素,该方法数值计算结果更为准确,优化设计结果更容易被接受。     

废烟气废热溴化锂制冷机的分析

对于废烟气废热溴化锂制冷机进行了分析,分析发现烟气废热驱动溴化锂制冷机中,溴化锂制冷机的COP仅仅反映的是溴化锂制冷机本身的性能,不能用来衡量废热溴化锂制冷机废热制冷的效率的高低和性能的好坏,而应采用废热利用率和废热制冷率来衡量废热溴化锂制冷机的废热制冷性能指标.     

热声键合界面的微观结构特性

设计一系列的键合实验，通过扫描电镜SEM和EDS能谱测试分析热声键合界面的微观结构特性及变化规律，结果表明，热声键合界面的形状像一个中央未结合的椭圆环，键合强度取决于皱脊椭圆环结构；当作用力和功率保持不变，随着时间增加，键合区向中央延伸，当作用力和时间保持不变，随着功率的增加，焊接区里皱脊面扩大。EDS能谱测试Au—Al、Au—Ag界面的微观组织成分，证实了Au—Ag扩散偶的Kirkendall扩散效应及Au—Al键合界面可能形成金属间化合物。     

Rijke管热声振荡声学特性数值模拟

为了探究热声振荡发生的因素及机理,建立了Rijke管热声模型,采用稳定有限元方法对频域线性欧拉方程进行数值求解,在考虑平均流速及火焰处温度梯度的情况下,分析了火焰热释放、平均流速和燃烧响应模型对Rijke管声学特性的影响.结果表明,火焰热释放对Rijke管纵向模态的本征频率影响显著,本征频率随火焰热释放的提高而增大;平...     

不同结构石墨烯发声器的热声效率

为了研究不同石墨烯发声器结构对热声效率的影响,建立了石墨烯发声器的声压解析模型,对单层石墨烯发声器、多层石墨烯发声器以及镍铬基的泡沫石墨烯发声器的发声效率进行了理论与实验研究。首先,介绍了石墨烯发声器的工作原理,建立了石墨烯发声器的周期性温度变化模型和声压解析模型。然后,实验研究了单层石墨烯发声器、多层石墨烯发声器以及镍铬基的泡沫石墨烯发声器的热声效率。实验结果表明在14~25 kHz内,施加6 V交流电,测距为6 cm的条件下,单层、多层和泡沫石墨烯发声器的最高SPL分别为35.19,20.36和33.42 dB,SPL理论值最高约为37.45 dB。具有较低电阻,较低比热容,较高导热率的石墨烯发声器可以获得较高的热声效率和声压。     

基于ANSYS的热声制冷机谐振管强度的验证

介绍了热声制冷机的相关内容,并设计了一种等直径谐振管。在ANSYS 12CFX中建立谐振管中空气三维模型,并施加交变的压力边界条件,对空气场受到的压力进行分析,得到其所受的最大压力。将分析得到的最大压力加载到谐振管的三维模型的内表面,进行应力分析。根据最后得到的应力云图进行计算,得出结论,证明所设计的谐振管符合强度要求。     

基于激光划刻的石墨烯发声器的研究

本文研究了一种基于激光划刻的石墨烯发声器。为了研究不同结构石墨烯发声器对输出性能的影响,本文设计了实心、粗网、中网、细网四种结构的石墨烯发声器。首先,建立了实心结构和网状结构的热声转换模型;然后,给出了激光划刻石墨烯的制备流程和扫描电镜表征;最后,实验测试了四种结构的石墨烯发声器的输出性能。实验结果表明,实心结构的输出性能最佳,在输入功率为0.78 W、麦克风距离为5 cm、激励频率为20 kHz的条件下,声压级达到40.68 dB。研究发现在0～0.78 W的范围内,输入功率每增加0.1 W,理论声压级平均提高2.58 dB,实验声压级平均提高2.48 dB,与理论模型基本符合。基于激光划刻的石墨烯发声器具有成本低、制备简单、声学性能好等优势,在生物、医疗、可穿戴电子设备等领域具有广泛的应用前景。     

实际热声微热力学循环的特性研究

对热声热机微热力学循环的研究有助于了解热声热机的热力学特性。根据热声非等熵振荡特性,建立实际热声发动机中微热力学循环的理论模型,该模型在p-V图上表现为一个椭圆,椭圆的偏转角度主要取决于压力和体积之间的相位差。得到循环中吸热过程和放热过程的分界点,在考虑热漏和不可逆程度因子的情况下推导循环的量纲一输出声功和热效率。数值计算表明输出功与热效率之间的关系曲线是一条回原点的柳叶形,与经典卡诺热机循环的输出功和热效率之间的关系曲线形状相同。输出功和热效率都有一极大值,两极值点之间的曲线是热声发动机运行的最佳工况。此外,压力和体积之间的相位差以及不可逆因素对输出功和热效率的影响较大。研究结果有助于热声发动机的优化设计。     

拟连续吸附制冷循环的实验与模拟研究

对拟连续吸附制冷进行了实验及理论模拟研究,建立了拟吸附制冷系统动态二维传热传质耦合模型,实验数据和模拟相吻合,在引入温度波理论的基础上,分析了各参数对系统性能的影响,为连续吸附制系统的设计及性能优化了理论及实验依据。     

Phase of acoustic impedance and performance of standing wave thermoacoustic coolers

Investigations on the relations between the phase angle of the acoustic impedance at the driver piston and the system performance of a standing wave thermoacoustic cooler were performed. The system performance measured at a fixed acoustic power showed that the coefficient of performance of the standing wave thermoacoustic cooler increases as the phase angle increases when the stack temperature span is relatively low. The results were consistent with the simulation results obtained from DELTAE, a computer code based on linear thermoacoustic theory. Analysis on the temperature profiles along the stack showed that the cooling efficiency (COP) of the system could be decreased or increased as the phase angle of the acoustic impedance at the driver piston changes depending on the stack temperature spans. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Yeon June Kang Insu Paek received the B.S. degree in Mechatronics Engineering from Kangwon National University, Chuncheon, Korea, in 1997, the M.S. degree in Mechanical Engineering from the University of Texas at Austin, USA, in 2000, and the Ph. D. degree in Mechanical Engineering from Purdue University, West Lafayette, USA, in 2005. He worked as a postdoctoral researcher in Purdue University and McGill University in 2006 and 2007. He is currently a faculty member in the Department of Mechatronics Engineering, Kangwon National University, Chuncheon, Korea. His research interests include thermoacoustic cooling and power generation, solar heat driven absorption cooling., and wind power. Luc Mongeau received the B.S. and M.S. degrees in mechanical engineering from the University of Montreal, QC, Canada, in 1984 and 1986, respectively, and the Ph. D. degree in Acoustics from Pennsylvania State University, University Park, USA, in 1990. He is currently a professor in the Department of Mechanical Engineering at McGill University, Montreal, QC, Canada. He has published over 50 archival journal publications on various topics related to acoustics and noise control. His research activities are in the flow and turbomachinery noise areas, as well as in the areas of voice production, and thermoacoustic refrigeration. James E. Braun received the B.S. degree in Mechanical Engineering from the University of Massachusetts, USA, in 1976, and the M.S. and Ph. D. degrees in Mechanical Engineering from the University of Wisconsin, Madison, USA, in 1980 and 1988, respectively. He is currently a professor in the Department of Mechanical Engineering, Purdue University, West Lafayette, USA. Professor Braun’s research combines the use of computer modeling, optimization, and experiments to study and improve the performance of thermal systems. He has published over 140 papers. Professor Braun is currently an associate editor for the international journal of HVAC&R Research. Shin You Kang received the B.S. and M.S. degrees in the Department of Mechanical Design from Seoul National University, Seoul, Korea, in 1982, and 1986, respectively. He then received the Ph.D. in Mechanical Engineering at the same university in 1992. Professor Kang is currently a professor in the Department of Mechatronics Engineering, Kangwon National University, Chuncheon, Korea. His research interests include mechanical structure design, crash analysis, optimal design, computational structure analysis and evaluation.     

加强型微型热声制冷机谐振管的设计

设计一种高效率的热声制冷机谐振管，采用Fluent流体软件对比渐扩管、直管、渐缩管中的压力，发现渐缩管具有增压作用。设计了1／4波长的谐振管，并调节其声腔使其达到纵向谐振频率状态，以便提高热声制冷机的效率。