混合型热声发动机及其驱动的脉管制冷机性能研究

论文摘要

热声研究一直是近年来国际能源动力领域的关注焦点。这是由于,其一,由热声发动机驱动的脉管制冷机可以构成无运动部件的低温制冷系统,可望在航天技术、国防军工等高新技术领域得到广泛应用,同时又可用于天然气液化等新能源开发技术。其二,热声机械中使用的是无公害工质(如惰性气体),适应了环境保护的趋势。另外,热声热机可直接采用低品位热能(如太阳能、废热等)驱动,不仅有利于提高系统的热力学效率,而且对于缺乏电能的场合更具实际意义。 本文简要回顾了热声学的历史和研究现状,并对热声效应的基本原理进行了简要论述。基于热声效应原理的基础上,阐述了热声学中的声功及声功耗散理论。 本文详细介绍了自行开发的基于Labview软件开发平台的实验测试系统硬件组成和软件实现。介绍了热声系统中声功各种测量方法的原理及实际应用情况,通过比较各自的优缺点,确定采用可变负载法用于本文声功的测量。 本文主要对混合型热声发动机及其驱动的脉管制冷机的性能进行了研究,在热声发动机压力特性、输出特性以及驱动脉管制冷机的制冷特性等方面进行了深入研究。在工质为氦气,充气压力为2.6MPa,加热功率为2300W,工作频率为51Hz时,从该热声发动机上得到122W的最大声功输出。系统在谐振直路总长度为7米,工作压力为2.7MPa,加热功率为2350W,工作频率为45Hz时得到80.9K的最低制冷温度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1 课题研究意义
• 2 历史及现状
• 2.1 国外研究情况
• 2.1.1 热声理论研究
• 2.1.2 热声制冷机
• 2.1.3 热声发动机
• 2.1.4 热声驱动脉管制冷机
• 2.1.5 我国的热声研究
• 3 应用前景展望
• 4 本文主要工作
• 第二章 热声学原理
• 1 热声效应
• 2 声功理论
• 2.1 声功
• 2.2 声功耗散
• 3 小结
• 第三章 实验装置及测试系统
• 1 实验装置
• 2 测试系统实现
• 2.1 测量系统硬件组成
• 2.2 测量系统软件实现
• 3 测量系统特点
• 4 小结
• 第四章 热声发动机的压力特性研究
• 1 实验结果及讨论
• 1.1 压力波形分析
• 1.2 加热温度的影响
• 1.3 充气压力的影响
• 1.4 谐振管长度的影响
• 1.5 谐振管管径的影响
• 1.6 工质种类的影响
• 1.7 负载的影响
• 2 小结
• 第五章 热声发动机的输出特性研究
• 1 声功测量原理及方法讨论
• 1.1 速度直接测量法
• 1.2 可变负载法
• 1.3 双传感器法
• 1.4 活塞和扬声器法
• 1.5 声强仪测量法
• 2 讨论与说明
• 3 热声发动机的输出特性研究
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验结果及讨论
• 3.2.1 阀门开度的影响
• 3.2.2 气库容积的影响
• 3.2.3 充气压力的影响
• 4 小结
• 第六章 热声驱动脉管制冷机的制冷特性研究
• 1 实验结果及讨论
• 1.1 谐振管长对工作频率的影响
• 1.2 不同充气压力下最低制冷温度的比较
• 1.3 制冷机典型温降曲线
• 1.3.1 4米管长降温曲线
• 1.3.2 7米管长降温曲线
• 1.4 值得注意的问题
• 2 小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 主要研究成果
• 致谢