千瓦级自由活塞斯特林发电机研究

自由活塞斯特林发电机具有结构简单、高效率、高可靠性、寿命长等诸多优点。但其研究机构多集中于美国,国内的相关研究很少,且缺乏实验研究。为此,本文按照热声理论设计了一台1 kW电功级自由活塞斯特林发电机,并对其进行了实验研究,主要考察了不同热源温度下发电机的工作特性,获得了最大762 W的电功输出,此时热电效率为19.1%,这也是目前国内所报道过的最高热电效率。同时,本文将实验与热声理论的计算值进行对比,结果表明,实验与计算结果能够较好地吻合。     

一种基于内燃机余热回收的冷电联供系统

本文建立一种基于内燃机余热利用的冷电联供系统,构建了热力学数学模型,研究了关键热力参数对联供系统热力性能的影响。结果表明:布雷顿循环透平膨胀压比的降低、压气机进口温度的降低及透平进口温度的增加,均有利于系统热力性能的提升;有机朗肯循环透平进口压力的增加能使得系统的电能输出及总效率增加;喷射式制冷循环喷射器进口工作蒸气压力增加能提高制冷量及制冷效率。为了获得联供系统的最佳设计参数和性能,采用遗传算法,对系统进行单目标优化,得出此联供系统最大效率能达到54.22%,此时电能输出为31.58 kW,制冷量输出为3.15 kW,系统能较好地回收内燃机余热。     

谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统性能实验研究

本文提出了一种谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林系统,其主要部件有自由活塞斯特林发动机子系统、谐振电机以及自由活塞斯特林制冷机/热泵子系统。全文针对谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统分别开展了制冷/热泵子系统、发动机子系统制冷和热功转换特性的实验研究。电驱动制冷子系统实验结果表明,当平均充气压力为3.3 MPa,工作频率为60.0 Hz,水冷温度19℃时,实验系统制冷效果较为显著,输入电功130 W时无负荷的制冷温度可以达到-23.7℃。发动机子系统热驱动声功输出特性实验结果表明,系统充气压力的变化对于系统热驱动起振特性有着十分明显的影响。另外,当平均充气压力为2.9 MPa,水冷温度22℃,外接电阻1500 Ω时,系统的加热功率越高,系统的热功转换性能越好。本文所开展的谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统的实验研究对未来要进行的整机系统热驱动制冷实验奠定重要基础。     

基于双效自由活塞斯特林的变温泵热技术研究

热泵对于缓解我国北方冬季所面临的供暖压力,具有十分积极的作用。本文主要针对一种新型的双效自由活塞斯特林变温热泵技术展开研究。主要采用SAGE程序对整机系统进行了数值计算,探究变温泵热对于系统加热量、泵热量、制热系数、整机(火用)效率以及各关键部件(火用)损失等热力学参数的影响。计算结果表明,采用变温热泵模式时,由于斯特林热泵侧温差减小,其泵热量增加,因此系统总的泵热量以及制热系数增大,但对应的(火用)效率降低。因此,可以在满足热量匹配的情况下,适当降低热泵侧室温换热器温度对热负载流体进行逐级加热,从而提高双效自由活塞斯特林热泵系统的工作效率。     

双作用自由活塞型斯特林发电系统性能研究

自由活塞斯特林发动机作为一种高效的能源转换装置,在可再生能源利用等领域有重要的应用前景。本文针对一种双作用自由活塞型斯特林发电系统,从声电耦合原理出发,推导了双作用斯特林发动机与直线电机之间的阻抗匹配方程,建立了发电系统的整机数值模型,并获得了加热温度、平均压力、活塞连杆直径、机械阻尼和间隙密封宽度等参数对整机性能的影响规律。结果表明,由于双作用活塞两侧同时存在较大的温差和压差,因此相较于单作用结构的系统而言,活塞间隙大小对该系统性能影响更大,这是导致效率变化的关键因素之一。经过优化计算,设计了一台四单元双作用自由活塞斯特林发电机,在加热温度600?C、放热温度20?C和平均压力8 MPa的额定工况下,每个发电单元可输出1.41 k W的电功,热电效率为40.8%,为后续实验研究奠定相关的理论基础。     

基于吸附制冷的微型冷热电联供系统实验研究

设计并建成一套小型燃气内燃机和高效余热吸附制冷机相结合的微型冷热电联供实验系统,对其在不同工况下的运行参数和特性进行实验研究,分析了联供系统的节能经济性。联供系统可以同时提供峰值发电量12kW,峰值制冷量9kW或峰值供热量28kW。结果表明联供系统热电联供节能性优于冷电联供,热电联供一次能源利用率均在70%以上.当天然气价格为1.8元/Nm~3和电价0.61元/kWh时,系统投资回收期低于4年.     

高温超导用自由活塞斯特林制冷机理论研究

制冷机是制约高温超导器件的瓶颈.文中针对自由活塞式斯特林制冷机进行了理论研究,建立了自由活塞斯特林制冷机的热声模型,对充气压力、活塞的位移振幅、热端换热器温度和密封间隙进行了模拟.模拟结果显示,以最大制冷量为目标最佳充气压力为1.9MPa,增加活塞位移振幅、降低回热器热端温度以及减小密封间隙可提高制冷机的性能.     

燃烧型超高频热声斯特林发电机实验研究

几十至几百瓦级便携式发电设备在离网应用和应急救灾等场景发挥着重要作用。自由活塞斯特林热机因其外燃属性带来的燃料适应性好、高效、可靠和静音等突出优点而有望成为便携式电源系统的重要发电技术。本文首次提出柴油气化燃烧驱动超高频自由活塞斯特林发电机的便携式发电系统。基于热声学的阻抗匹配和燃烧–交变流动热耦合,设计并研制了一套实验系统,实验中系统考察了不同燃烧功率下的输出特性,并开展了损失分析。初步实验结果表明,该发电系统在加热温度约为600℃时的最大输出电功为320 W,以柴油热值计算的最高热电效率为11.28%。受益于130 Hz的超高工作频率,发电机本体的比功率为90 W/kg,展现出良好的应用潜力。     

焦点固定型碟式-斯特林太阳能热发电系统实验研究

太阳能光热发电是自由活塞斯特林热机技术的重要应用方向之一。为降低碟式-斯特林太阳能热发电系统成本,本文提出并实验研究了一种焦点固定型碟式-自由活塞斯特林太阳能热发电系统。初步实验结果表明:自由活塞斯特林发电机起振时对应的吸热器壁面温度为345℃。当太阳辐射强度在760 W/m2附近时,吸热器壁面温度在650℃以上,发电机的输出功率可达1320W。本工作验证了低成本的多碟聚光器用于碟式-自由活塞斯特林太阳能热发电系统的可行性,并为下一步系统优化指明了方向。     

基于SAGD稠油开采余热利用的冷热电三联供系统

将水平井蒸汽辅助泄油(SAGD)技术运用于稠油开采可提高采收率,对超稠油油藏的开发具有重要意义。但伴随着SAGD工程的生产运行,大量中低温余热热能被浪费。针对稠油开采余热利用问题,本文设计了一种基于SAGD稠油开采余热利用的冷热电三联供系统,构建了系统热力学模型,利用Aspen HYSYS软件进行模拟计算,分析了关键热力学参数对系统热力学性能的影响。结果表明:卡琳娜循环的蒸发压力降低,透平进口温度增加,以及调整氨气组分为0.7,均有利于增加循环发电量、余热回收率和拥效率;低温制冷循环压缩比和冷凝温度的降低,可以提高制冷量和制冷效率;按卡琳娜循环余热回收率92.5%计算,系统最多可回收余热9.25×10~5 MJ/h,按0.9 CNY/kW·h电价计算,系统可带来约270万元/年的经济效益。     

利用低温烟气余热的吸收-压缩复合热泵系统

针对工业过程中大量低温烟气直接排放带来的能源浪费和热污染问题,本文提出一种吸收-压缩复合热泵系统,回收200℃以下的低温烟气余热,制备0.5 MPa工艺蒸汽。该系统将热压缩和机械压缩有机结合,利用烟气高温段余热驱动热压缩过程,替代了部分机械压缩耗功,烟气低温段余热用于氨液在蒸发器的气化,氨气在吸收器中被稀氨水吸收,放出的热量用于生产工艺蒸汽。建立了系统热力学模型,模拟了系统设计工况的热力性能,每100 kW低温烟气,仅需耗电4.81 kW,便可制得25.33 kW高温热量(高于152℃)。进一步研究了发生压力、浓溶液质量分数,精馏塔塔顶温度对系统性能的影响,为系统热力性能优化提供了理论依据。本研究为利用低温工业余热制备工艺蒸汽提供了一种新方法。     

结合吸收式热泵的HAT循环系统综合设计与性能分析

针对HAT循环在热电联供能力、水回收和烟气排放等方面的问题,采用多种类型的吸收式热泵系统与其结合,对六个综合系统进行模拟,并对结果进行了分析.表明,循环效率方面,采用增温型热泵且放热用于系统内部,其效率要高于向外放热的增热型热泵;水回收方面,开式循环热泵的水回收率高且回收水量灵活,同时排烟温度也高,在110℃以上;热电联供方面,热电输出效果与热泵系统的选择关系密切,对于文中可实现热电联供的三个系统,热电效率分别为0.6285,0.7677,0.6383.     

基于新型S-CO2动力循环的内燃机余热回收

为了有效回收内燃机的废热,基于超临界CO₂(S-CO₂)再压缩循环,提出了一种新型的S-CO₂动力循环,并建立了相应的热力学模型,以分析系统的热力学性能,研究透平入口温度和系统压力对循环性能的影响。结果表明,在设计工况下,系统的净输出功为33.06 kW,热效率和效率分别可以达到35.86%和67.90%,余热回收率为58.70%。随着高压透平入口温度的升高,循环效率增加而净功减少。随着低压透平入口温度升高,循环效率和净功均增加。此外,存在再压缩机出口压力使净功和循环效率达到最大。     

内燃机缸套水低温余热驱动除湿机组实验研究

本文针对内燃机冷热电联供系统缸套水低品位余热无法高效回收利用的难题,利用缸套水低品位余热驱动LiCl溶液吸收式除湿机组,搭建实验平台,改变内燃机输出功率,研究LiCl溶液吸收式除湿机组性能变化情况。内燃机输出功率从18 kW增加到50 kW,内燃机缸套水热负荷增加,再生器的再生能力增强,再生液脱水量△mg从0.84 g/s升高到1.02 g/k,再生液浓度从33.3%升高到34.0%;除湿器的性能增强,送风温度从21.1℃升高到22.5℃,相对湿度从49.49%降低到41.97%,溶液的除湿量从0.69 g/s增加到0.76 g/s。     

一种控温热管理器的实验研究

本文针对余热利用中既需控制热源温度又需要对热量输入/输出进行管理的场合,提出了热管理器的概念.在运行过程中,热管理器可以实现对热源温度的控制,并根据各个用热对象的级别及工况,通过不凝性气体体积的变化,自动实现对热量输出的分配.为了验证热管理器的可行性,本文建立了实验样机及系统.实验结果表明,加热功率从6.0kW上升至14.0 kW,工质蒸汽温度的变化幅度仅为0.7℃.工质蒸汽/不凝性气体的交界面起到了良好的"热开关"作用.从热源回收的热量,按照优先级顺序依次分配给各个热用户.     

液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机实验及模拟研究

自由活塞斯特林制冷机具有高可靠性、高效率、结构紧凑等优点,在高温强电超导和气体液化等领域有较广阔的应用前景。本文针对一台液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机展开了实验和计算研究.实验中,输入声功2.35 kW时,制冷机在80 K获得了215 W制冷量,相对卡诺效率为24.9%。数值计算表明室温端换热器的性能不足对制冷机性能影响较大,此外,结构缺陷导致的回热器轴向孔隙率不均匀可能是制约制冷机性能的主要因素。针对上述问题优化系统有望显著提升制冷机性能。     

谐振电机耦合型双效斯特林燃气热泵系统研究

针对当前国家大力推行清洁能源技术和煤改气政策的供暖现状,本文探索了一种双效斯特林燃气热泵系统。全文基于热声学观点对系统进行了理论研究,并采用SAGE程序对其进行数值模拟和优化设计。计算表明,当加热、供热和冷端温度分别为923 K、333 K和273 K时,系统可获得的泵热量为7000 W,COPh为1.79,系统(火用)效率可达到45.67%;但谐振活塞位移对温度、压力以及谐振电机机械阻尼等参数变化具有敏感性,该特点将会严重制约系统的高效运行。为了降低系统的敏感性,本文采用谐振电机耦合斯特林发动机和斯特林热泵,通过对谐振电机电功输入和输出的调控来保持电机活塞工作状态的稳定。结果表明,谐振电机对于实现斯特林发动机和斯特林热泵的高效耦合以及降低系统敏感性具有可行性。     

燃料电池余热驱动吸附制冷复合系统实验研究

回收低温质子交换膜燃料电池运行过程中产生的约70?C低品位废热实现高效制冷是提高冷电联供系统总效率的关键。本文研制并搭建了吸附制冷与固体除湿空调复合系统实验平台,利用燃料电池余热驱动实现高效制冷除湿。实验结果表明,复合系统能有效被70?C低品位余热驱动。提高入口空气的温度或相对湿度能有效提升系统性能,制冷量和COP分别达3.95 k W和0.539。经计算,采用该复合系统回收利用燃料电池产生的70?C低品位余热能大幅提高系统总效率,可达67.3%。     

自由活塞型斯特林制冷机热力学参数的无量纲分析

自由活塞斯特林制冷机由于其结构紧凑、制冷效率高、可靠性好而不断受到重视。自由活塞斯特林制冷机的热力学参数对整机制冷性能具有决定性影响。基于等温模型,对自由活塞斯特林制冷机进行了无量纲分析,通过引入无量纲制冷量,详细研究了死容积比、扫气容积比、温度比、位移相位角对整机热力性能的影响。其研究结果为不同温区的自由活塞斯特林制冷机热力参数设计提供了参考意见。     

自由活塞斯特林热泵的理论与实验研究

自由活塞斯特林热机取消了传统斯特林热机的曲柄连杆结构,具有结构简单、高效率、高可靠性、寿命长等诸多优点。但目前的研究热点多集中于自由活塞斯特林发动机与制冷机,对自由活塞斯特林热泵的研究关注很少。本文设计了一台电驱动自由活塞斯特林热泵,首次提出并采用了热机部分反向布置的结构,彻底避免了高温端换热器对直线电机造成的不利影响,并给出了实验结果。该热泵在-20~50℃的泵热温差下获得了1.4的整机COP。利用热声理论,本文对该热泵进行了理论计算,并与实验结果进行了对比,初步考察了热泵在不同泵热温差、不同输入电功以及不同运行频率的工作特性。