热声发动机

摘要： 热驱动热声制冷技术利用热声发动机输出的高强度声波驱动热声制冷机实现制冷,即实现热—声—冷能源转换,是一种环境友好、近零电耗且热源适应性好的新型绿色制冷技术。热驱动热声制冷系统工作温跨大,可实现室温至液氦温区不同制冷需求,在多个领域具有广阔的应用前景。本文以热驱动热声制冷技术近三十年来的发展为基础,介绍了热驱动热声制冷原理和分类,从热驱动室温热声制冷机和热驱动低温热声制冷机两个方面综述了研究现状和发展方向,对该技术在室温制冷、余热/冷回收、天然气液化和低温制冷等方面的应用及相关研究进行了归纳分析,并指出未来的研究需要在热声新流程、谐振机构、高效热声转换、低品位能源利用、工程样机实用化等方面实现协同突破,形成效率高、功率大、起振温度低、可实现极低温、稳定可靠的热驱动热声制冷技术,从而推动新型绿色制冷技术的科学发展与应用。

摘要： 还记得《变形金刚》里机器人们所争夺的“能量块”吗?它体积虽小,但蕴含的能量却不可估量.目前地球上已探明的能源中,最接近“能量块”的能源毋庸置疑是核能.1kg铀235核裂变释放的热能大约相当于燃烧2700t标准煤或1700t原油产生的能量.

摘要： 为了使热声发电系统实现最大声功捕获,提出一种基于热声发电系统声学阻抗设计方法,通过选择合适弹簧刚度系数和谐振电容参数使热声发电系统声学阻抗匹配捕获声功最大.根据相似定理和热声发电系统声学阻抗流源机理,采用类电路相量法建立声功捕获模型,推导声功函数与各元件参数关系.以直线发电机安全运行为约束条件,推导出直线发电机弹簧刚度系数和谐振电容设计表达式,通过数值计算和实验验证了优化设计方法的合理性.

摘要： 为解决传统热声制冷系统因采用气体谐振管导致整机效率较低的问题,本文提出一种新型气-液耦合双作用行波热声制冷系统,通过数值模拟优化了系统结构尺寸,并对其性能进行了数值模拟分析.首先,对三级气-液耦合双作用行波热声制冷系统的声功、压力及体积流幅值等重要参数的沿程分布进行了研究;然后,研究不同级数下系统的声功、热声转换效率等特性参数;最后,对比分析了各级系统的制冷量及COP随压力的变化特性.研究结果表明:在环境温度293 K、加热温度400 K、制冷温度270 K、平均压力1 MPa下,三级系统COP达到0.7,制冷量为0.78 kW,运行频率为13 Hz,系统相对卡诺效率为22.3％.系统级数增加,整机的功率密度提高,当平均压力为10 MPa时,六级系统制冷量达到最大值16.1 kW,COP为0.38.

摘要： 本文采用分子动力学计算方法从微观上对热声发动机板叠间的传热传质机理及其起振频率进行了模拟研究。在往复振荡过程中,由于温度梯度的存在,使得能量面发生了迁移,最终在冷热气体间产生密度梯度,直至密度梯度为零时完成一个周期。自激振荡伴随有能量耗散,故而温度波峰与波谷随着周期数的增加逐渐减小。随着温度比的升高,起振频率逐渐降低,这将有利于微通道板叠结构缩短谐振管的长度,实现结构的微型化。

摘要： 基于线性热声理论与动力学基本方程建立了热声发动机的二维一阶频域数学模型,并根据有限元中的加权余量法将数学模型转化为便于求解的矩阵形式.运用MATLAB软件自主编程,对行波型热声发动机系统内的声场特征进行了二维数值模拟.结果表明,在谐振管内,一阶各波动量呈现良好的正弦曲线分布现象.在回热器单个流道内,从冷端到热端,由于存在较大的阻抗,压力振幅与温度振幅有明显的下降,而速度振幅则逐渐升高.

摘要： A thermoacoustic core with various amount of Gedeon streaming under given heating power and inlet conditions was simulated based on the thermoacoustic theory in order to analyze the influence of Gedeon streaming on the performance of a four-stage thermoacoustic engine with looped configuration.The characteristics of acoustic field inside the thermoacoustic core,including the profiles of temperature,volumetric velocity amplitude,pressure amplitude,phase difference between pressure oscillation and velocity oscillation,acoustic power and total energy flow rate were calculated and analyzed.The mechanism of Gedeon streaming affecting the temperature profiles inside the regenerator and the thermal buffer tube was analyzed.Results show that the energy flow rate carried by the Gedeon streaming is the key factor in the local temperature gradient.The influence of Gedeon streaming on the thermal efficiency of the four-stage travelling-wave thermoacoustic engine was quantitatively evaluated.%为了研究Gedeon声直流对具有环路结构的四级行波热声发动机热效率的影响,基于热声学理论,在给定加热功率以及热声核入口参数的条件下,对不同Gedeon声直流下热声发动机内热声核进行模拟,探究Gedeon声直流对热声核的声场分布包括温度分布、体积流速振幅分布、压力振幅分布、压力与速度相位差分布、声功率分布以及总能流率分布的影响,针对Gedeon声直流对回热器以及热缓冲管内温度梯度的影响机制进行分析.结果表明,Gedeon声直流携带的能流是影响温度梯度的关键因素,给出Gedeon声直流对四级行波热声发动机热效率影响的定量评估.

摘要： 本文首次采用有限元法(FEM),分别对驻波型热声发动机和行波型热声发动机实验系统进行了数值模拟,以线性热声理论作为计算模型,且与实验系统具有相同的几何结构和运行工况,同时采用有限元方法中的加权余量法对计算模型进行求解,通过自主编写的MATLAB计算程序,对热声系统进行一系列的迭代计算,计算结果成功观测到了热声发动机系统内复杂的声场分布特性和流场特性.计算结果与实验结果的对比验证了有限元方法对热声发动机模拟的有效性.

摘要： 可诱导非对称压降的喷射泵被引入热声发动机的环路结构中,用于抑制Gedeon流,以提高热效率.针对Swift对喷射泵提供时均非对称压降的理论推导结论与Idelchik等人报道的实验结果之间存在的矛盾,本文利用计算流体力学软件FLUENT,研究了喷射泵的厚径比l/de对时均非对称压降的影响.结果表明,改变厚径比l/de会引起时均非对称压降方向的变化,对于喷射泵设计,必须选择合适的厚径比l/de.

摘要： 本研究基于气液相变过程的热声效应,搭建了一台带有环路结构的开式气液相变热声发动机系统,采用乙醇、R141b、乙酸甲酯、丙酮作为工质,分别进行了实验,均实现了在低于100°C的加热温度下的起振并稳定运行,证明了该气液相变热声发动机系统对于低品位热源具有较好的适用性,且在实验所选的四种工质中,R141b能够在较小的驱动温差下获得更大的位移振幅,性能最佳.

摘要： 热声发动机是一种新型的热功转换系统,具有结构简单,使用寿命长,工质对环境友好等优点.热缓冲管是热声发动机的关键部件之一,它位于高温换热器和次室温换热器之间,理想情况下可避免在高温换热器附近往复运动的气体接触室温环境,造成热量损失.不过由于换热器流道的特殊结构设计,使热缓冲管两端会产生射流等现象,带来流动紊乱、热量损失等问题.本文设计并搭建了研究热缓冲管损失的实验平台,由压缩电机、膨胀电机和热声发动机核心单元组成,主要考查在热缓冲管两端分别添加不同层流化丝网对系统性能的影响.实验结果表明,未添加层流化丝网会使热量损失急剧增大,热声效率大幅下降;而过多添加层流化丝网会使阻力损失增大,同样降低热声效率;当两端分别添加3 片层流化丝网时,所需加热量最少,热声转换效率最高.

摘要： 在热声发动机的板叠中存在较大的温度梯度,从而导致热渗透深度出现严重的不均一性.根据板叠轴向温度变化趋势与平板间距(即:2-4 倍热渗透深度)变化一致的设计思想,本文提出了非等间距板叠的热声结构设想,并针对渐缩和渐扩两种非等间距板叠的热声性能展开了深入研究和对比分析,获得了板叠锥角与热声发动机各热力参数间的关系,为进一步改善热声性能提供理论支撑.

摘要： 本文基于包含流动和传热两个方面的电路类比理论,针对一具有环路结构的气液相变热声发动机系统进行了计算分析.重点讨论了排出器、动力活塞、反馈管以及负载液柱的直径和长度对于系统谐振频率、温度梯度以及火用效率的影响,为该类型气液相变热声发动机系统的结构参数优化指明的方向.

摘要： 本文针对分别采用壳管式水冷器及翅片式水冷器的热声发动机系统的输出性能进行了对比实验研究.实验中考察了不同温度梯度、声场条件、平均压力下,系统分别采用两种水冷器时输出特性的变化.实验结果表明,两种情况下系统的性能较为接近,功率较大时采用壳管式水冷器略好,反之, 采用翅片水冷器略好.平均压力为4 MPa下,采用壳管式水冷器获得的最大净输出声功为695 W,最大热声效率为34.2%;采用翅片式水冷器获得的最大净输出声功为688 W,最大热声效率为34.2%.本文的研究为壳管式水冷器在大功率、工程化热声发动机系统中的应用奠定了初步基础.

摘要： 气-液双作用行波热声发动机解决了传统热声发动机低频下谐振管尺寸较长、工作介质不理想,与负载匹配困难等一系列问题,结构紧凑,功率密度高.本文设计搭建了世界首台气-液双作用行波热声发动机实验台并进行了无负载情况下的实验研究,分别测量了发动机的起振温度、谐振频率、热端温度、压力波动幅值和相位等参数随平均压力和加热量的变化情况,各压力下谐振频率均小于23Hz,起振温度低于100°C,在1.5MPa、1200W 加热量下,得到1.45的压比,性能远优于传统的行波热声发动机.

摘要： 板叠是热声发动机内热声转化的重要场所,孔隙率是板叠的重要结构参数之一.本文通过改变平板厚度和间距建立了一系列驻波发动机模型,详细比较了孔隙率对系统的压力振幅、压比、体积流率、声功流等性能参数的影响.结果表明,孔隙率的减小可提升系统性能.当板叠的孔隙率保持相同时,不同平板厚度和间距的系统的压力振幅、压比以及声功流等却不相同.故对于平板式板叠的热声发动机,以平板厚度和间距作为特性结构参数评判系统性能将更为合理.

摘要： 热声制冷机由于结构简单、无运动部件,具有广阔的应用前景。本文在已有的小型行波热声发动机的基础上,开展了热声制冷的工作。利用线性热声理论对制冷机进行数值模拟,并对制冷机的各热声元件优化。优化后,系统整体装配后横向尺寸仅0.5m,在充气压力3MPa,发动机输入功率 384W的条件下,达到了80K的无负载温度。由于本制冷机由行波型热声发动机驱动,并且是通过线性热声理论优化,因此称之为小型行波低温热声制冷机。

摘要： 本发明能够提供一种从热能向声能转换的转换效率高的热声发动机及该热声发动机的设计方法。在将热声发动机(110)的运行时的蓄热器(111)的平均温度设为Ts、运行时的加热器(112)的温度设为Th、运行时的冷却器(113)的温度设为Tc、蓄热器(111)的截面中的流路面积的总和设为Ss、加热器(112)的截面中的工作气体存在的内部空间面积的总和设为Sh、冷却器(113)的截面中的工作气体存在的内部空间面积的总和设为Sc、蓄热器(111)的长度设为Ls时，以加热器(112)的长度Lh＝Ls×(Th/Ts)×(Ss/Sh)的方式，并以冷却器(113)的长度Lc＝Ls×(Tc/Ts)×(Ss/Sc)的方式进行设计。加热器(112)的长度Lh比蓄热器(111)的长度Ls长，且比冷却器(113)的长度Lc长。

摘要： 本发明涉及能源利用设备技术领域，尤其涉及一种热声驱动机组、热声发动机及热声热泵系统。该热声驱动机组包括多级发动机组件，多级所述发动机组件之间逐级并联耦合，以逐级放大声波能量，从而确保发动机组件中的回热器内横截面上的能量流动均匀、温度分布均匀，从而大幅提高热声发动机及热声热泵系统的工作效率。该热声发动机利用压缩机向热声驱动机组内输送压力波，以在热声驱动机组内形成声波能量，并将声波能量逐级放大后转化为电能，从而实现高效回收并转化低品位热能，实现能源的回收利用。该热声热泵系统通过将热声发动机与热声热泵对应耦合连接，使得该系统既能有效利用低品位热量，实现高效的制冷或供热功能。

摘要： 本发明提供了一种驻波型热声发动机驱动的热磁发电系统，包括驻波型热声发动机和热磁发电机；所述的热磁发电机固定于驻波型热声发动机中设置的软磁板叠(7)上，所述的软磁板叠(7)由若干软磁材料片平行叠摞而成，该软磁板叠(7)沿径向设置于热磁发电机的磁回路上，其轴向与热声发动机产生的声波的传播方向重合；所述的驻波型热声发动机通过软磁板叠(7)产生热声效应，所述的热磁发电机通过软磁板叠(7)产生热磁效应。本发明提供的热磁发电系统将热磁发电机耦合在驻波型热声发动机的软磁板叠上，通过软磁板叠在上述功能上的复用，使得整个系统完全没有运动部件，系统结构更为紧凑和简单，且降低了系统阻尼，有效提高了系统的使用寿命。

摘要： 本发明能够提供一种从热能向声能转换的转换效率高的热声发动机及该热声发动机的设计方法。在将热声发动机(110)的运行时的蓄热器(111)的平均温度设为Ts、运行时的加热器(112)的温度设为Th、运行时的冷却器(113)的温度设为Tc、蓄热器(111)的截面中的流路面积的总和设为Ss、加热器(112)的截面中的工作气体存在的内部空间面积的总和设为Sh、冷却器(113)的截面中的工作气体存在的内部空间面积的总和设为Sc、蓄热器(111)的长度设为Ls时，以加热器(112)的长度Lh＝Ls×(Th/Ts)×(Ss/Sh)的方式，并以冷却器(113)的长度Lc＝Ls×(Tc/Ts)×(Ss/Sc)的方式进行设计。加热器(112)的长度Lh比蓄热器(111)的长度Ls长，且比冷却器(113)的长度Lc长。

摘要： 本发明涉及能源利用设备技术领域，尤其涉及一种热声驱动机组、热声发动机及热声热泵系统。该热声驱动机组包括多级发动机组件，多级所述发动机组件之间逐级并联耦合，以逐级放大声波能量，从而确保发动机组件中的回热器内横截面上的能量流动均匀、温度分布均匀，从而大幅提高热声发动机及热声热泵系统的工作效率。该热声发动机利用压缩机向热声驱动机组内输送压力波，以在热声驱动机组内形成声波能量，并将声波能量逐级放大后转化为电能，从而实现高效回收并转化低品位热能，实现能源的回收利用。该热声热泵系统通过将热声发动机与热声热泵对应耦合连接，使得该系统既能有效利用低品位热量，实现高效的制冷或供热功能。

摘要： 本发明实施例提供一种磁性流体密封谐振子、热声发动机和热声制冷系统，该磁性流体密封谐振子包括：U型管、磁性流体和两个第一磁性件；所述U型管内填充有所述磁性流体；两个所述第一磁性件分别安装在所述U型管的两端，所述磁性流体的液面位于所述第一磁性件的磁力线范围内。本发明提供的磁性流体密封谐振子，在不影响液体谐振子的功能的前提下，采用磁性流体作为液柱，并利用磁性流体与第一磁性件的相互作用对液柱进行密封，解决液面不稳定的问题。

摘要： 本发明实施例提供一种波纹管密封谐振子、热声发动机和热声制冷系统，该波纹管密封谐振子包括：波纹管、谐振片和液体；所述谐振片安装在所述波纹管的两端，所述谐振片与所述波纹管形成密封空间，所述密封空间内填充有液体。本发明提供的波纹管密封谐振子，在不影响液体谐振子的功能的前提下，采用波纹管对液体谐振子进行封装，并在波纹管的两端连接谐振片，可直接通过热声发动机的管壁内的气体驱动两端的谐振片运动，有效解决统液体谐振子液面不稳定、不能翻转等问题。

摘要： 本发明涉及热声加热设备技术领域，尤其涉及一种热声发动机。该热声发动机中的主水冷器、回热器和高温换热器顺次连接，高温换热器的壳体内置有核燃料堆，从而使得发动机内自激振荡的工作气体直接与核燃料堆进行换热，将核燃料堆的热量转化为机械能或者传递给环境，使核燃料堆得到有效的冷却，形成一种非能动的气冷堆，可使核堆的安全性获得提高；同时，将核燃料堆与热声发动机直接耦合换热使外燃式的热声发动机变成了一种准内燃机的形式，大大简化了系统换热流程，系统功率密度可以获得大幅度提高，且热声发动机的承压壁面不再需要承受高温，内部工作介质可工作在更高的温度，潜在的热力性能也将获得大幅提升。

摘要： 本实用新型实施例提供一种磁性流体密封谐振子、热声发动机和热声制冷系统，该磁性流体密封谐振子包括：U型管、磁性流体和两个第一磁性件；所述U型管内填充有所述磁性流体；两个所述第一磁性件分别安装在所述U型管的两端，所述磁性流体的液面位于所述第一磁性件的磁力线范围内。本实用新型提供的磁性流体密封谐振子，在不影响液体谐振子的功能的前提下，采用磁性流体作为液柱，并利用磁性流体与第一磁性件的相互作用对液柱进行密封，解决液面不稳定的问题。

摘要： 本实用新型实施例提供一种波纹管密封谐振子、热声发动机和热声制冷系统，该波纹管密封谐振子包括：波纹管、谐振片和液体；所述谐振片安装在所述波纹管的两端，所述谐振片与所述波纹管形成密封空间，所述密封空间内填充有液体。本实用新型提供的波纹管密封谐振子，在不影响液体谐振子的功能的前提下，采用波纹管对液体谐振子进行封装，并在波纹管的两端连接谐振片，可直接通过热声发动机的管壁内的气体驱动两端的谐振片运动，有效解决统液体谐振子液面不稳定、不能翻转等问题。