冷能驱动三级行波热声发动机的数值模拟与实验研究
发布时间：2021-11-16 03:55
近年来,天然气作为一种清洁高效能源,在世界能源市场中的地位不断提升。高效回收天然气汽化过程所释放的大量冷能对我国的节能减排与可持续发展战略具有重大意义。热声发动机作为斯特林发动机的独特变种,与直接膨胀法、二次冷媒法、燃气轮机等技术方案相比具有理论效率高,结构简单,运行可靠等优势。近年来,多级行波热声发动机凭借更低的起振温差与更高的能流密度受到了广泛关注。但目前应用于冷能回收的热声发动机研究还很缺乏,低温工况下的热声转化机理尚不明确。为验证热声发动机应用于冷能回收的可行性,填补该领域实验空白,深入探究低温工况下热声转化的影响因素,本文采用数值模拟与实验研究相结合的方法针对冷能驱动三级行波热声发动机的工作特性开展了研究,主要研究内容如下:1.对冷能驱动行波热声发动机的基本理论进行了归纳总结。基于DeltaEC软件,对一台冷能驱动三级行波热声发动机建立数学物理模型,开展了数值计算研究并在此基础上进行了设计和优化,研究了低温工况下热声发动机核心部件对热声效应的影响。计算结果显示,该热声发动机在110-500 K温度驱动下,以4 MPa氦气为工质,能够输出3×5 kW的声功,总体声功-?效率约为...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Swift设计制造的大型驻波热声发动机示意图
浙江大学硕士专业学位论文绪论8构与上述机型相近的行波热声发动机，在580℃的加热温度下获得了32%的热声效率与49%的相对卡诺效率。图1-2热声斯特林发动机结构示意图(a)Swift的热声发动机；(b)Yazaki的热声发动机2002年，浙江大学的邱利民、孙大明等[41]设计搭建了国内第一台斯特林型热声发动机，并发现可通过系统的充、放气过程向系统内施加压力扰动以降低发动机起振温度[42]，并采用赫姆霍兹谐振管放大压力振幅[43]。在此基础上，孙大明、王凯等[44]-[46]开展了一系列行波热声发动机发电研究，并首次系统性地提出了行波热声发动机和直线电机的匹配原则。他们搭建的行波热声发电系统经过换热器优化与系统阻抗匹配，最终在3.16MPa的平均压力下输出电功750.4W，最高热电效率达16.3%[47]。2008年，中科院理化所的罗二仓等[48]搭建实验台，以一台行波热声发动机驱动直线电机，以2.5MPa氦气为工质，在2.8kW加热功率，64Hz的工作频率下运行，取得了0.2MPa的压力振幅，电功输出达百瓦级。2014年，他们搭建了一台千瓦级行波热声发电系统，在17.7%的热电效率下最大输出电功达1043W，在输出电功为970W时达到最高发电效率19.8%[49]。与上述单级行波热声发动机相比，多级环路行波热声发动机具有起振温度低，压比高，能流密度大等优势，很快成为热声领域的研究热点。2010年，荷兰Aster公司的deBlok等[50]提出四级“自耦合”环路行波热声发动机，采用对称结构，热核间距为四分之一波长。
浙江大学硕士专业学位论文绪论9该机型通过在热核处局部增大截面积以达到增大热核区域阻抗、降低工质流速、降低粘性损耗的目的。此外，他们搭建了另一实验台以回收130-150℃范围内的低品位热能，初步实验中在79K温差下获得38%的相对卡诺效率，声功输出达1.64kW[51]。deBlok的研究成果显示出多级环路行波热声发动机在低品位热能利用领域的优势，是热声技术迈向工程应用的关键一步。图1-3deBlok四级自耦合行波热声发动机实物图2011年，中科院理化所的罗二仓课题组首先提出了双作用行波热声发电系统的概念[52]，该系统中，三级热核对称布置，三台直线电机对称置于谐振管内，同时作用于前后热声核。2014年，他们搭建实验台，以三级热声发动机驱动直线电机，获得了最高1.57kW的输出电功与16.8%的热电效率[53]。在随后的研究中，他们改变了声功引出位置，将直线电机对置安装于谐振管旁通处，在实验中获得了4.69kW的最大电功输出[54]。浙江大学孙大明课题组通过建立时域网络模型对多级行波热声发动机的起振特性进行研究，结合品质因子探究了行波热声发动机热声核数量与声功产出及耗散的关系。发现同四级行波热声发动机相比，三级行波热声发动机的品质因子更高。在随后的研究中，孙大明课题组设计搭建了一台三级行波热声发动机[55]并开展了相关实验研究，在4MPa平均压力下获得最低起振温差约44K，以3MPa氮气为工质，热源温度为543K时获得最大输出声功78.3W。浙江大学金滔课题组针对多级环路型行波热声发动机开展了一系列研究[56-58]，提出采用声容管和声阻管对多级环路热声发动机系统的声场相位进行调节，并指出通过在环路合
本文编号：3498100
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Swift设计制造的大型驻波热声发动机示意图
浙江大学硕士专业学位论文绪论8构与上述机型相近的行波热声发动机，在580℃的加热温度下获得了32%的热声效率与49%的相对卡诺效率。图1-2热声斯特林发动机结构示意图(a)Swift的热声发动机；(b)Yazaki的热声发动机2002年，浙江大学的邱利民、孙大明等[41]设计搭建了国内第一台斯特林型热声发动机，并发现可通过系统的充、放气过程向系统内施加压力扰动以降低发动机起振温度[42]，并采用赫姆霍兹谐振管放大压力振幅[43]。在此基础上，孙大明、王凯等[44]-[46]开展了一系列行波热声发动机发电研究，并首次系统性地提出了行波热声发动机和直线电机的匹配原则。他们搭建的行波热声发电系统经过换热器优化与系统阻抗匹配，最终在3.16MPa的平均压力下输出电功750.4W，最高热电效率达16.3%[47]。2008年，中科院理化所的罗二仓等[48]搭建实验台，以一台行波热声发动机驱动直线电机，以2.5MPa氦气为工质，在2.8kW加热功率，64Hz的工作频率下运行，取得了0.2MPa的压力振幅，电功输出达百瓦级。2014年，他们搭建了一台千瓦级行波热声发电系统，在17.7%的热电效率下最大输出电功达1043W，在输出电功为970W时达到最高发电效率19.8%[49]。与上述单级行波热声发动机相比，多级环路行波热声发动机具有起振温度低，压比高，能流密度大等优势，很快成为热声领域的研究热点。2010年，荷兰Aster公司的deBlok等[50]提出四级“自耦合”环路行波热声发动机，采用对称结构，热核间距为四分之一波长。
浙江大学硕士专业学位论文绪论9该机型通过在热核处局部增大截面积以达到增大热核区域阻抗、降低工质流速、降低粘性损耗的目的。此外，他们搭建了另一实验台以回收130-150℃范围内的低品位热能，初步实验中在79K温差下获得38%的相对卡诺效率，声功输出达1.64kW[51]。deBlok的研究成果显示出多级环路行波热声发动机在低品位热能利用领域的优势，是热声技术迈向工程应用的关键一步。图1-3deBlok四级自耦合行波热声发动机实物图2011年，中科院理化所的罗二仓课题组首先提出了双作用行波热声发电系统的概念[52]，该系统中，三级热核对称布置，三台直线电机对称置于谐振管内，同时作用于前后热声核。2014年，他们搭建实验台，以三级热声发动机驱动直线电机，获得了最高1.57kW的输出电功与16.8%的热电效率[53]。在随后的研究中，他们改变了声功引出位置，将直线电机对置安装于谐振管旁通处，在实验中获得了4.69kW的最大电功输出[54]。浙江大学孙大明课题组通过建立时域网络模型对多级行波热声发动机的起振特性进行研究，结合品质因子探究了行波热声发动机热声核数量与声功产出及耗散的关系。发现同四级行波热声发动机相比，三级行波热声发动机的品质因子更高。在随后的研究中，孙大明课题组设计搭建了一台三级行波热声发动机[55]并开展了相关实验研究，在4MPa平均压力下获得最低起振温差约44K，以3MPa氮气为工质，热源温度为543K时获得最大输出声功78.3W。浙江大学金滔课题组针对多级环路型行波热声发动机开展了一系列研究[56-58]，提出采用声容管和声阻管对多级环路热声发动机系统的声场相位进行调节，并指出通过在环路合
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