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题名	双作用热声发动机热功转换机理研究
答辩日期	2013
授予单位	中国科学院研究生院
导师	罗二仓
关键词	双作用热声发动机 热声转换 回热器 热缓冲管 换热器
学位专业	博士 ; 制冷及低温工程
中文摘要	双作用热声发动机是一种基于热声效应的新型发动机，它将多台行波热声发动机及谐振子单元首尾相连，取消了传统行波热声发动机中的谐振管与反馈管，在增大功率的同时，提高了系统的功率密度。与双作用斯特林发动机相比，其通过引入热缓冲管，使谐振子可以运行在室温环境下，提高了系统的寿命和可靠性。此外，还具有内禀效率高、对环境无污染、可利用多元化热源等优点，应用前景广泛。双作用热声发动机主要由回热器、热缓冲管及换热器等关键部件组成，各部件的性能直接决定了发动机的整机性能。但是，现有针对发动机部件的研究较少，其中，回热器热功转换性能的评价体系不够合理，研究不够系统，尤其缺乏大功率条件下回热器性能的研究；发动机热缓冲管内流动特性的研究仍是一个空白；针对不同换热器结构下发动机性能的研究也较少。因此，围绕这些问题，本文开展了以下几方面的工作： 1、双作用热声发动机单元实验系统及理论分析 首次提出了一种双作用热声发动机单元热功转换性能的实验测试新方法及实验系统。与以往相比，通过引入直线电机，实验系统不仅能够方便地研究不同声场、功率、结构等条件下双作用热声发动机关键部件的性能，还可以用于对其单元整体特性及不一致性的研究。通过对热声发动机及直线电机的简化分析，建立了双作用热声单元热功转换性能的简化热声理论模型，将简化热声理论的应用范围拓展到了热声发动机及直线电机领域，并在小压力波动条件下获得了与完整热声理论相吻合的结果，为热声发动机的设计提供了一种直观、有效的分析手段。最后采用此简化模型对实验系统的声场调制原理进行了分析，为实验研究提供了理论指导。 2、 回热器热声转换特性的研究 建立了新的回热器性能评价体系，提出将净输出声功及热声效率作为表征回热器性能的新参数，并得出声场、温度、结构、平均压力及频率是影响回热器性能的主要参数。然后分别从数值计算及实验角度，对上述各参数进行了系统研究，获得了较大功率条件下回热器的热功转换特性，为双作用热声发动机回热器的设计提供了新的理论和实验依据。结果表明，回热器存在最优的工作声场，但由于有限热容与水力半径，此声场并不是完全的行波相位；加热温度及平均压力越高，回热器的净输出声功及热声效率越大；回热器的设计应在低流动阻力损失与高气固换热面积之间取得平衡。以氦气为工质，加热温度为650℃，平均压力为4 MPa时，纤维毡型回热器获得的热声效率最高，为35.6%，对应的净输出声功为661 W；而板叠型回热器时获得的净输出声功最大，为715 W，热声效率为32.7%。 3、热缓冲管层流化特性及换热器结构的研究 首次针对双作用热声发动机热缓冲管内层流化元件进行了定量实验研究，获得了其性能变化规律，填补了此方面研究的空白。结果表明，通过在热缓冲管两端添加层流化丝网，可以有效改善其内部流动，减少由于热缓冲管内冷热流体混合所造成的热量损失。但其同时也会带来阻力损失，因此需选择恰当的层流化丝网数目。对于3×1 kW双作用热声发动机，其热缓冲管热端采用10片40目的紫铜丝网时性能最佳，而室温端采用3-6片均可。为探索双作用热声发动机在碟式太阳能热发电系统及其他工程中的应用，首次对采用管束型加热器及不同水冷器的双作用热声发动机的单元特性进行了实验研究。结果表明，管束型加热器的阻力损失较大，导致系统性能大幅下降，同时其加热存在较大的不均匀性，也导致系统效率下降。壳管式水冷器可有效改善回热器处的流动特性，性能上也完全可以取代翅片式水冷器，同时其技术成熟、成本低廉，这为热声发动机的大规模工程应用奠定了基础。 4、双作用热声发动机单元不一致性特性的研究 针对本研究小组设计的3×1 kW双作用热声发电系统的初步实验结果进行了分析，指出发电系统三个单元之间的不一致性是导致整机性能不佳的主要原因。然后利用所提出实验系统，首次对双作用热声发电系统三个发动机单元的不一致性进行了定量实验研究。结果表明，不一致性的来源可能是由于不同加热器的翅片结构存在一定的加工误差，导致不同单元之间的换热特性和流动特性出现差别，继而引起性能的不一致，这为解决系统的不一致性及热声发动机下一步的改进提供了依据。
内容类型	学位论文
源URL	[http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10965]
专题	上海技术物理研究所_全文传递文献库_qwcd 学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	. 双作用热声发动机热功转换机理研究[D]. 中国科学院研究生院. 2013.

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