热声热机系统的测量与实验研究

对热声热机驱动耗散性负载的性能进行了实验研究和分析,对热声热机系统起振温度和谐振频率进行了测量和标定。得出导致热声发动机工作在二附谐振频率模态下的影响因素。测量和分析了气体充气压力、频率以及谐振管长度对系统驱动制冷机,产生了25℃的温差。     

行波热声发动机驱动的脉管制冷机研究

通过改变热声发动机谐振直路长度,研究系统在不同工作频率下的性能.研究发现,在一定条件下降低频率可以显著改善脉管制冷机的性能.在工作压力为2.7 MPa,加热功率为2 350W,工作频率为45 Hz时,双向进气型单级脉管制冷机获得了80.9 K的最低制冷温度,这是目前用热声制冷方法获得的最低制冷温度.     

微型热声制冷机的试验研究

研制了一种复合结构的PZT声驱动器,谐振管结构中加入了渐缩锥管后空管谐振试验的结果表明该驱动器所能产生的声压超过了目前已经报道的同频率范围的热声制冷机.在此基础上研制的微型热声制冷机在运行频率2.2 KHz时,平均压力从0.5 MPa到2.1 MPa之间进行了一系列的工况试验,得到了最大温降12.3 ℃,最大温差31 ℃,均达到同类机型目前报道的最佳性能.在此基础上提出了工程化应用的进一步改进方向.     

热声发动机径向尺寸对谐振频率的影响

频率是热声系统中最为关键的参数,小型化面临的问题是系统运行频率升高,粘性阻力损失增加。对频率展开研究的结果是谐振管的径向尺寸对热声发动机的谐振频率影响很大,通过调节谐振管的径向尺寸,可以大大降低整机的谐振频率,对于指导热声斯特林发动机的小型化具有重要的指导意义。据此得到的计算结果与实验研究的结果验证了这种方法是十分有效的,可以达到降低系统谐振频率30%以上。     

回热器的热声指标

在热声谐振管中,回热管的结构尺寸对于热声谐振管的性能起着关键的作用。本文通过分析得出了采用板叠结构的回热器的有源网络模型,并在此基础上提出了评价回热器性能的指标;输出端放空时的输入阻抗,输出端封闭时的输入阻抗,输出端放空时的正向流放大倍数,以此为基础可以进行热声制冷机的整机优化匹配设计。     

气液耦合振动热声发动机的压力特性

采用气液耦合振动是提升热声发动机系统压力振幅以及降低谐振频率的有效方式.根据热声理论,对气液耦合振动热声发动机系统进行了模拟,重点讨论了平均工作压力对压力振幅、压比和谐振频率等性能参数的影响,分析了热声板叠产生声功率以及各部件消耗声功率随平均工作压力的变化情况.进行了相关实验,以验证模拟计算结果的合理性.模拟计算和实验数据均表明,增大平均工作压力可显著提升系统压力振幅,这对于利用其驱动后续负载是有利的.     

微型热声制冷机设计方案研究

声驱动的热声制冷机是微型低温技术潜在的最佳技术.为适应微型化的要求,将一般的电动扬声器改为电动膜片式声源,并将整个系统网络化,据此提出了一种微型热声制冷机的设计方法,并运用此方法提出了一个具体的高频设计方案:工作频率f＝4000 Hz;谐振管半径a=0.002 m;谐振管长L＝0.042 m.     

热声驱动的气-液双作用行波热声制冷机

提出了一种热声驱动的气-液双作用行波热声制冷机,对其性能进行了数值模拟分析.计算结果表明,在平均工作压力3.0 MPa,发动机定壁温加热温度440℃工况下,系统谐振频率为12.76 Hz,在-20℃制冷温度以及环境温度为27℃的情况下获得0.708 kW制冷量,整机的制冷系数(制冷量除以加热量)为0.512.在350℃、440℃以及550℃定壁温加热下,系统能够达到的最低制冷温度分别为-62.3℃、-68.3℃以及-70.8℃.系统整机相对卡诺效率在制冷温度变化范围内存在最大值.较低的发动机加热温度更有利于系统的热声转换,当发动机加热温度为350℃时,系统在-45℃制冷温度下达到25.30％最大相对卡诺效率.     

填料物性对热声器件谐振频率的影响

利用热声网络理论,对热声器件谐振频率进行了分析计算,揭示了热声器件的谐振频率与其填料物性的关系,利用数值计算分析了填料物性对热声器件谐振频率的影响.结论表明在声压一定的情况下,热声器件谐振频率分别随着其填料物性:横截面积、比定压热容以及密度的增大而增大;随着声压的增大,谐振频率分别随填料的横截面积、比定压热容以及密度的增大而增大得更快.     

热声制冷机

热声制冷是微型低温技术潜在的最佳方法。一台声驱动热声制冷机主要包含一个接在中空管道端部的声波发生器和一个在管道内预选位置处放置的热声器件。声波发生器产生的声波在热声效应作用下可在热声器件两端形成温度梯度。介绍了一种基于高效斯特林循环的热声制冷机的基本原理及主要组成。在此基础之上,可通过对各组成部件结构参数的计算、确认,设计出一台热声制冷机。     

Experimental investigation on a thermoacoustic engine having a looped tube and resonator

The purpose of this paper is to study the impact of regenerator hydraulic radius, resonator length, and mean pressure on the characteristics of the tested thermoacoustic engine, which has a looped tube and resonator. Two different acoustic oscillations are observed in the tested engine [Yu ZB, Li Q, Chen X, Guo FZ, Xie XJ, Wu JH. Investigation on the oscillation modes in a thermoacoustic stirling prime mover: mode stability and mode transition. Cryogenics 2003;43(12):687-91]. In this paper, they are called two acoustic modes, high frequency mode (with a frequency independent of the resonator length) and low frequency mode (with a frequency depending on the resonator length). Experimental results indicate that the relative penetration depth (the ratio of penetration depth over hydraulic radius) plays an important role in the excitation and pressure amplitude of the two acoustic modes. For each tested regenerator hydraulic radius, there is a measured optimal relative penetration depth, which leads to the lowest onset temperature difference. Note that, in the tested engine, the measured optimal relative viscous penetration depths are in the range 3-5 (for low frequency mode). Furthermore, experimental results also show that the resonator length affects the presence of high frequency mode in this engine.     

哑铃形热声谐振器的谐振频率

热声自激振荡模态取决于声学谐振器结构形式和特征尺度。级联型热声热机依靠哑铃形谐振器来调制所需要的局部高阻抗行波声场,谐振管通常由几段不同横截面的管段组成。哑铃形热声谐振器的谐振频率由共鸣腔容积、谐振管截面和长度共同决定。根据哑铃形谐振器不同截面管段内的声传播规律、共鸣腔声学边界条件以及管段间的声压和体积流率连续条件,利用行波叠加的方法,建立均匀管模型、变截面模型和热声网络模型,得到了系统谐振频率随共鸣腔容积变化和谐振管特征尺寸变化的规律。系统谐振频率的变化将引起最佳听音点的位置的移动,进一步起到调节回热器声阻抗的作用。实际热声热机实验研究中,通过改变谐振器特征尺度或结构形式调节系统的谐振频率,也是热声热机调试过程中实现自激振荡的主要手段。     

行波型热声发动机谐振管的调相作用

基于环形圈加谐振管的热声发动机的两自由度模型构思,在调相机理上开展了工作.系统分析和仿真研究表明:谐振管对于热声发动机系统不仅是决定系统工作频率、储能和稳定工况,还对行波型热声发动机的声场产生调相作用.针对不同形式的谐振管(谐振管,谐振腔和容腔),以及不同体积的容腔负载(10 L,20 L,40 L)进行仿真计算.研究不同条件下,对回热器处的压力和体积流率之间的相位调节作用及声功的影响.在此基础上,对回热器起点、中点和终点3个位置的流体微团进行分析,得到不同位置的p-V图.结果表明,谐振管的确起到调节声场相位的作用,容腔形式的谐振管更有利于回热器内声场的优化,而容腔的体积大小对回热器声场的影响不大.     

谐振子耦合型热声驱动脉管制冷机研究

热声驱动脉管制冷机通常采用直接或者长管耦合的方式,但是因为耦合后的发动机和制冷机难以达到最佳的工作状态,耦合长管的损失也比较大,因此整体效率较低。本文提出一种热声驱动脉管制冷机结构,利用谐振子耦合热声发动机和脉管制冷机,能够显著减小声功传递损失,提升整机效率。全文针对在900 K加热温度、80 K空气液化温区下的热声驱动脉管制冷机展开理论研究,首先分析了谐振子耦合机理,并对谐振子参数进行了优化设计;其次,研究了加热温度、制冷温度和机械阻尼对系统性能影响;最后,将谐振子耦合型与长管耦合型两种方式的热声驱动制冷机进行了对比分析。结果表明:在平均压力为3MPa,加热温度为900 K,制冷温度为80 K时,谐振子耦合的热声驱动制冷机可获得整机22.5%的效率,而长管耦合的热声驱动脉管制冷机获得11.6%的效率。     

Influence of stack geometry on the performance of thermoacoustic refrigerator

The work reported in this paper is focused on the performance of a thermoacoustic refrigerator under various operating conditions. The experiments were conducted with various stack geometries fabricated with epoxy glass and Mylar material. Four stacks with different pore sizes are used to evaluate the performance of the refrigerator. Stack 1 has parallel plates of Mylar material 0.12 mm thick spaced 0.36 mm apart. Stacks 2, 3 and 4 are made of epoxy glass with pores of circular cross-section having 1, 2 and 3 mm diameter, respectively. The entire resonator system was constructed from aluminium material coated with polyurethane material from inside to reduce conduction heat losses. Helium gas was used as a working fluid. The experiments were conducted with different drive ratios ranging from 1.6% to 2% with varying cooling load from 2 to 10 W. For the experiments, operating frequencies from 200 to 600 Hz with mean pressure varying from 2 to 10 bar in steps of 2 bar each were considered. The temperatures of the hot end and cold end of the heat exchangers were recorded using RTDs and a data acquisition system under various operating conditions. The coefficient of performance (COP) and relative COP (COPR) are evaluated. Results show that COP of the refrigerator rises with increase of cooling load and decreases at higher drive ratio. It was also observed that the temperature difference between the hot end and cold end of the stack is higher at 2 W cooling load for 400 Hz operating frequency. The temperature difference between the hot end and cold end of the stack was observed to be 19.4, 17.2, 14 and 12.4°C for stacks 1, 2, 3 and 4, respectively, for 10 bar mean pressure and 2 W cooling load. The temperature difference and COP of the parallel plate stack are better compared with other stack geometries.     

热声斯特林热机中行波圈子系统特性的实验研究

行波圈是热声斯特林型发动机的一个主要的子系统，行波圈的基本属性对热声斯特林型发动机的整机稳定性和效率有着决定性的影响。单独对行波圈子系统的基本属性进行了理论和实验研究，通过改变回热器阻抗、平均压力和输入功率等控制参数，对单独行波圈环路内声场分布进行了详细研究，并且对有无谐振管情况进行了对比和分析。在理论上对行波圈的基本属性以及和谐振管的匹配进行了分析和讨论，并得出了一些有意义的结论。     

Design and analysis of acoustically-driven 50 W thermoacoustic refrigerators

The design of loudspeaker-driven 50 W cooling power thermoacoustic refrigerators operating with helium at 3% drive-ratio and 10 bar pressure for a temperature difference of 75 K using the linear thermoacoustic theory is discussed. The dimensional normalization technique to minimize the number of parameters involved in the design process is discussed. The variation in the performance of the spiral stack-heat exchangers’ at 75% porosity as a function of the normalized stack length and center position is discussed. The resonator optimization is discussed, and the optimized one-third-wavelength (tapered, small diameter tube and divergent section with hemispherical end), and one-fourth-wavelength (tapered and divergent section with hemispherical end) resonator designs show 41.3% and 30.8% improvements in the power density compared to the published 10 W designs, respectively. The back volume gas spring system for improving the performance of the loudspeaker is discussed. The one-third-wavelength and one-fourth-wavelength resonator designs are validated using the DeltaEC software, which predicts the cold heat exchanger temperature of ? 3.4 °C at 0.882 COP, and ? 4.3 °C at 0.841 COP, respectively.     

基于DeltaE程序的行波热声热机特性研究

采用DeltaE程序编程分析了行波热声热机装置(环行圈与谐振管)内的振荡压力、体积流率、温度、声功和相位等分布情况，得出装置内行波与驻波的变化趋势，并给出一定的分析和结论。     

混合型热声发动机中两个模态的特性对比研究

文献[1]报道了本混合型热声发动机存在两个振动模态--高频模态和低频模态.在试验上成功地获得了稳定的高频模态.首次对这两个模态的本征特性及其演变规律进行了详细的对比分析,发现这是两个显著不同的热声模态.在理论上对该型热机进行了初步的探讨,分析了该模态行为对系统的稳定性的重要影响,并指出了这种效应的工程意义.