近年來,天然氣作為一種清潔高效能源,在世界能源市場中的地位不斷提升。高效回收天然氣汽化過程所釋放的大量冷能對我國的節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。熱聲發(fā)動機作為斯特林發(fā)動機的獨特變種,與直接膨脹法、二次冷媒法、燃氣輪機等技術(shù)方案相比具有理論效率高,結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠等優(yōu)勢。近年來,多級行波熱聲發(fā)動機憑借更低的起振溫差與更高的能流密度受到了廣泛關(guān)注。但目前應(yīng)用于冷能回收的熱聲發(fā)動機研究還很缺乏,低溫工況下的熱聲轉(zhuǎn)化機理尚不明確。為驗證熱聲發(fā)動機應(yīng)用于冷能回收的可行性,填補該領(lǐng)域?qū)嶒灴瞻?深入探究低溫工況下熱聲轉(zhuǎn)化的影響因素,本文采用數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的方法針對冷能驅(qū)動三級行波熱聲發(fā)動機的工作特性開展了研究,主要研究內(nèi)容如下:1.對冷能驅(qū)動行波熱聲發(fā)動機的基本理論進行了歸納總結(jié)�；贒eltaEC軟件,對一臺冷能驅(qū)動三級行波熱聲發(fā)動機建立數(shù)學(xué)物理模型,開展了數(shù)值計算研究并在此基礎(chǔ)上進行了設(shè)計和優(yōu)化,研究了低溫工況下熱聲發(fā)動機核心部件對熱聲效應(yīng)的影響。計算結(jié)果顯示,該熱聲發(fā)動機在110-500 K溫度驅(qū)動下,以4 MPa氦氣為工質(zhì),能夠輸出3×5 kW的聲功,總體聲功-?效率約為... 

【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：68 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

Swift設(shè)計制造的大型駐波熱聲發(fā)動機示意圖

浙江大學(xué)碩士專業(yè)學(xué)位論文緒論8構(gòu)與上述機型相近的行波熱聲發(fā)動機，在580℃的加熱溫度下獲得了32%的熱聲效率與49%的相對卡諾效率。圖1-2熱聲斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖(a)Swift的熱聲發(fā)動機；(b)Yazaki的熱聲發(fā)動機2002年，浙江大學(xué)的邱利民、孫大明等[41]設(shè)計搭建了國內(nèi)第一臺斯特林型熱聲發(fā)動機，并發(fā)現(xiàn)可通過系統(tǒng)的充、放氣過程向系統(tǒng)內(nèi)施加壓力擾動以降低發(fā)動機起振溫度[42]，并采用赫姆霍茲諧振管放大壓力振幅[43]。在此基礎(chǔ)上，孫大明、王凱等[44]-[46]開展了一系列行波熱聲發(fā)動機發(fā)電研究，并首次系統(tǒng)性地提出了行波熱聲發(fā)動機和直線電機的匹配原則。他們搭建的行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過換熱器優(yōu)化與系統(tǒng)阻抗匹配，最終在3.16MPa的平均壓力下輸出電功750.4W，最高熱電效率達16.3%[47]。2008年，中科院理化所的羅二倉等[48]搭建實驗臺，以一臺行波熱聲發(fā)動機驅(qū)動直線電機，以2.5MPa氦氣為工質(zhì)，在2.8kW加熱功率，64Hz的工作頻率下運行，取得了0.2MPa的壓力振幅，電功輸出達百瓦級。2014年，他們搭建了一臺千瓦級行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)，在17.7%的熱電效率下最大輸出電功達1043W，在輸出電功為970W時達到最高發(fā)電效率19.8%[49]。與上述單級行波熱聲發(fā)動機相比，多級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機具有起振溫度低，壓比高，能流密度大等優(yōu)勢，很快成為熱聲領(lǐng)域的研究熱點。2010年，荷蘭Aster公司的deBlok等[50]提出四級“自耦合”環(huán)路行波熱聲發(fā)動機，采用對稱結(jié)構(gòu)，熱核間距為四分之一波長。

浙江大學(xué)碩士專業(yè)學(xué)位論文緒論9該機型通過在熱核處局部增大截面積以達到增大熱核區(qū)域阻抗、降低工質(zhì)流速、降低粘性損耗的目的。此外，他們搭建了另一實驗臺以回收130-150℃范圍內(nèi)的低品位熱能，初步實驗中在79K溫差下獲得38%的相對卡諾效率，聲功輸出達1.64kW[51]。deBlok的研究成果顯示出多級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機在低品位熱能利用領(lǐng)域的優(yōu)勢，是熱聲技術(shù)邁向工程應(yīng)用的關(guān)鍵一步。圖1-3deBlok四級自耦合行波熱聲發(fā)動機實物圖2011年，中科院理化所的羅二倉課題組首先提出了雙作用行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的概念[52]，該系統(tǒng)中，三級熱核對稱布置，三臺直線電機對稱置于諧振管內(nèi)，同時作用于前后熱聲核。2014年，他們搭建實驗臺，以三級熱聲發(fā)動機驅(qū)動直線電機，獲得了最高1.57kW的輸出電功與16.8%的熱電效率[53]。在隨后的研究中，他們改變了聲功引出位置，將直線電機對置安裝于諧振管旁通處，在實驗中獲得了4.69kW的最大電功輸出[54]。浙江大學(xué)孫大明課題組通過建立時域網(wǎng)絡(luò)模型對多級行波熱聲發(fā)動機的起振特性進行研究，結(jié)合品質(zhì)因子探究了行波熱聲發(fā)動機熱聲核數(shù)量與聲功產(chǎn)出及耗散的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)同四級行波熱聲發(fā)動機相比，三級行波熱聲發(fā)動機的品質(zhì)因子更高。在隨后的研究中，孫大明課題組設(shè)計搭建了一臺三級行波熱聲發(fā)動機[55]并開展了相關(guān)實驗研究，在4MPa平均壓力下獲得最低起振溫差約44K，以3MPa氮氣為工質(zhì)，熱源溫度為543K時獲得最大輸出聲功78.3W。浙江大學(xué)金滔課題組針對多級環(huán)路型行波熱聲發(fā)動機開展了一系列研究[56-58]，提出采用聲容管和聲阻管對多級環(huán)路熱聲發(fā)動機系統(tǒng)的聲場相位進行調(diào)節(jié)，并指出通過在環(huán)路合


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