中高频热声驱动脉冲管制冷的工作机制研究

论文摘要

热声驱动脉冲管制冷机是一种完全没有机械运动部件的低温制冷机,具有结构简单、可靠性高、运行稳定、环保等优点,在冷却电子器件、液化天然气等方面具有广阔的应用前景。但是由于大振幅大压比热声理论不完善以及已有热声系统尺寸较大和整机效率较低等不足之处,热声驱动脉冲管制冷机的大规模应用仍需热声研究者的进一步努力。针对上述问题,本文在以下几个方面开展了研究实验工作:1.惯性管调相工作机制的研究1.1针对大压比下线性热声理论误差较大的缺点,提出了新修正参数的简化湍流模型,该模型在进行惯性管调相能力计算时与实验结果符合较好,特别是对入口相角计算的准确度有显著提高。1.2提出了新的无量纲参数用于表征惯性管的调相能力,较好地反映了惯性管的内在工作机理,且特别适合指导惯性管的工程设计和选型。在此基础上,对纯惯性管、惯性管加无限大气库两种典型常用调相机构绘制了不同工作压比下的通用选型图表,可用于指导脉冲管惯性管的优化设计。?1.3理论和实验研究表明:为满足高效脉冲管制冷机入口相角的要求,对于纯惯性管调相机构,其长度一般为0.25~0.5波长;对惯性管加无限大气库调相结构,其长度一般在0.25波长以内。此外,对大冷量脉冲管制冷机,纯惯性管、惯性管加无限大气库均能满足其调相要求;对小冷量脉冲管制冷机,单一直径惯性管一般难于满足要求,组合惯性管是解决该问题的途径之一。?2. 300Hz热声驱动脉冲管制冷机的工作机制及热力性能研究2.1重点研究了热声板叠、调相结构以及声压放大器等部件对300Hz的驻波热声发动机驱动脉冲管制冷机的影响规律。研究结果表明:与常规线切割加工手段相比,光化学蚀刻工艺的热声板叠因可以很好保证尺寸精度而极大地提高了热声发动机的转换效率;声压放大器在300Hz也具有显著声压放大作用,可有效地提高整机系统的效率;组合惯性管调相机构具有较大阻抗变化范围,利于通过调节管长、管径获得最佳调相效果,与前述理论分析结果相吻合。2.2研究了平均压力和重力场对系统性能的影响规律,结果表明:增加平均压力能在一定程度上改善整机性能,但不能增加系统的输出功率;对300Hz中高频率脉冲管制冷机系统,重力场的影响不大。2.3对该系统的结构参数、运行参数等进行了优化研究,在加热功率为750W时,该系统获得了69.3K的最低温度;在加热功率为500W、冷头温度为80K时获得了0.2W的制冷量。此外,将一种纳米绝热材料应用于热声系统,降低了系统的漏热,可进一步提高热声驱动脉冲管制冷机的整机热力性能。3. 500Hz高频热声驱动脉冲管制冷机的工作机理及热力学性能研究3.1对工作频率为500Hz驻波热声驱动脉冲管制冷机的工作机理进行了研究。实验中,发现当声压放大器末端的阻抗不匹配时,将出现压力波动幅值缩小而不是放大的现象。在加热功率为2200W时,该制冷系统获得了119K的最低制冷温度;当负载与热声发动机之间不匹配时,该系统的频率跳转至918Hz,在加热功率为1985W时获得了179.9K的最低制冷温度。3.2对适合于极高频脉冲管制冷机回热器填料纤维毡进行了研究,推导并建立了其热声学方程。以300Hz热声发动机为驱动源进行了纤维填料回热器制冷性能的初步研究,实验系统获得了122K的最低制冷温度,表明采用纤维填料回热器具有可行性,但需进一步深入研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1-1 研究背景
• 1-2 热声技术的发展
• 1-2-1 热声效应的发现
• 1-2-2 热声理论的发展
• 1-2-3 热声发动机的发展
• 1-2-4 热声制冷机的研究
• 1-3 本文的主要研究内容
• 第二章 热声理论
• 2-1 前言
• 2-2 回热器的介观热力循环理论的描述
• 2-3 线性热声理论
• 2-3-1 基本热声方程
• 2-3-2 热声方程的解
• 2-3-3 热声热机的时均能量效应
• 2-4 线性程序计算方法
• 2-5 简化湍流模型
• 2-6 小结
• 第三章 通用惯性管选型图表的研究
• 3-1 研究背景
• 3-2 理论模型
• 3-2-1 线性热声理论
• 3-2-2 简化的湍流模型
• 3-2-3 计算值与实验值的比较
• 3-3 通用惯性管选型图表的绘制
• 3-3-1 图表的形式的选择
• 3-3-2 通用图表的绘制
• 3-3-3 使用范例
• 3-4 组合惯性管的初步研究
• 3-5 小结
• 附录一
• 第四章 高频驻波发动机驱动脉冲管制冷机的研究
• 4-1 研究背景及意义
• 4-2 300Hz 热声发动机驱动脉冲管制冷机实验系统
• 4-2-1 热声发动机的主要部件
• 4-2-2 声压放大器
• 4-2-3 高频脉冲管制冷机
• 4-3 测量和数据采集系统
• 4-3-1 温度的测量
• 4-3-2 压力的测量
• 4-3-3 功率的测量
• 4-4 300Hz 热声驱动脉冲管制冷机的特性研究
• 4-4-1 最佳制冷效果及整机模拟
• 4-4-2 热声发动机部分的影响
• 4-4-3 声压放大器的影响
• 4-4-4 脉冲管制冷机结构参数的影响
• 4-4-5 运行参数的影响
• 4-5 300Hz 小系统的实验研究
• 4-5-1 高温区部件的设计
• 4-5-2 新型绝热材料的应用
• 4-5-3 制冷性能研究
• 4-6 行波热声驱动脉冲管制冷机的研究
• 4-7 小结
• 附录二
• 第五章 更高频的热驱动脉冲管制冷机的探索
• 5-1 500Hz 热声驱动脉冲管制冷机
• 5-1-1 系统结构简介
• 5-1-2 耦合结构的研究
• 5-1-3 平均压力的影响
• 5-1-4 惯性管的影响
• 5-1-5 温降曲线
• 5-1-6 热声不稳定现象的研究
• 5-2 高频回热器填料的研究
• 5-2-1 回热器填料介绍
• 5-2-2 纤维毡填料的计算模型
• 5-2-3 纤维毡填料脉冲管制冷机的实验研究
• 5-3 小结
• 第六章 全文总结及前景展望
• 6-1 全文总结
• 6-2 前景展望
• 参考文献
• 附录三
• 致谢