低起振温差的热声热机特性研究

摘要

热声技术是一种利用热声效应实现热能与声能（一种机械能量）转换的新技术，在低品位能源尤其是新能源和低温余热的利用方面有很大的应用前景。热声热机起振温度的高低直接关系到系统可利用能量的品位，因此，研究低温差的热声热机对于低品位能源的利用具有十分重要的意义。为了探索低起振温度和高性能热声热机系统的特性，本文开展了低温差热声热机系统的数值模拟研究，主要研究内容如下：
　　1)利用DeltaEC软件，同时考虑系统效率与高温换热器加热温度，设计了低温差的驻波热声热机，并利用二端口网络模型及起振判据模拟分析了驻波热机的起振特性，研究了板叠和谐振管结构参数对热声热机稳态和起振特性的影响。研究结果表明：在不同的充气压力下，存在最优的板叠间距，使起振温度最低，而最优板叠间距与热渗透率的比值基本不变，对于所研究的驻波热声热机，该比值大约为2.25。
　　2)运用热声理论和传输矩阵方法推导了多级环形热声热机的起振条件式，该起振条件式是系统的结构配置、工况和工质热物性质的隐式函数，可以为热声热机的设计优化与性能分析提供一种工程实用的网络方法。将该网络方法用于多级环形热声热机的研究，模拟分析了起振特性及其影响因素。研究表明：在不同充气压力下，均存在获得最低起振温差的最优回热器丝网水力半径；热机的级数越多，起振温差和振荡频率越低。同时，利用DeltaEC软件对热机的稳态特性也进行模拟分析，计算了热声热机的输出声功和效率。研究结果表明：在相同的加热功率下，采用混合工质可以降低回热器两端所需的温差，并产生较大的声功率。
　　3)运用推导的起振条件式，对多级环形热声热机驱动的制冷系统进行了起振特性及影响因素的研究；同时，分析了稳定工况下的系统特性，以及制冷温度和热机加热温度对系统性能的影响。研究结果显示：小型热声热机驱动的制冷系统有较低的起振温差；相对于制冷温度，制冷机单元的相对卡诺性能系数存在最大值，且热机的加热温度越高，该最大值也越大，对应的制冷温度越低。

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1 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 低温差热声热机的研究进展

1.3 本文主要工作

2 线性热声理论及低温差驻波热声热机的数值模拟

2.1 线性热声理论及DeltaEC数值模拟方法

2.2 基于DeltaEC的低温差驻波热声热机的模拟研究

2.3 二端口网络模型及起振条件

2.4 小结

3 多级环形热声热机的起振特性及稳态性能研究

3.1 多级环形热声热机的结构

3.2 基于热声网络模型的起振特性分析

3.3 基于DeltaEC的稳态性能分析

3.4 小结

4 多级环形热声热机驱动制冷机的起振特性及稳态性能研究

4.1 多级环形热声热机驱动的制冷机结构

4.2 基于热声网络模型的起振特性分析

4.3 基于DeltaEC的稳态性能分析

4.4 小结

5 全文总结及展望

5.1 全文总结

5.1 展望

致谢

参考文献

附录1 硕士期间发表论文

附录2 四级环形热声热机的DeltaEC程序