室温温区自由活塞斯特林制冷机设计

自由活塞斯特林制冷机作为一种新型制冷技术,具有效率高、可靠性好、结构紧凑、环境友好等特点.目前,室温温区自由活塞斯特林制冷机存在回热器声功利用量少、出口声功大等问题,导致排出器反馈声功大、尺寸大,给加工工艺和实际应用带来困难.本文基于SAGE软件,对室温温区自由活塞斯特林制冷机的核心单元结构进行了设计.通过多级制冷流程,提高制冷的声功利用,同时探究排出器对制冷性能的影响,寻找减小排出器直径的有效方法.在以制冷系数为优化计算目标、限制排出器行程的前提下,得到了不同核心单元直径的三级自由活塞斯特林制冷机可实现的最小排出器尺寸.计算结果显示,总核心单元等效面积相近时,三级自由活塞斯特林制冷机的排出器面积可减小至单级的49％.即多级制冷机有效减小了排出器尺寸,推动自由活塞斯特林制冷机在室温温区的应用.     

热驱动室温行波热声制冷机的实验研究

本文报道了热声驱动的室温行波热声制冷机的实验研究。以氦气为工质研究了平均充气压力、工作频率等参数对制冷性能的影响。实验达到的最好结果为:最低温度为-47℃,在-20℃的制冷量为80W,按输入制冷机的P-V功计算,相应的制冷系数COP达到1.6左右。     

液氦温区VM-PT制冷机的数值计算研究

本文对液氦温区Vuilleumier耦合脉冲管(VM-PT)制冷机进行了数值计算研究。为了减小来自室温的漏热,将气库置于一级冷头之上。采用SAGE软件建立了数值计算模型,以无负荷制冷温度为目标函数对制冷机运行参数进行了优化。为了进一步了解制冷机的工作原理,研究了脉冲管制冷机内焓流、声功、熵流、压力波、体积流率及温度的沿程分布,并对其相位关系和可用能损失进行了分析。计算结果表明,该制冷机可在平均压力0.9 MPa、压比1.61、运行频率0.8Hz时得到3.69 K的无负荷制冷温度,在4.2 K时可提供16.24 mW制冷量。     

新型MnFe基复合磁热材料及其在回热制冷循环中的性能特性

基于三种MnFe基磁热材料的热容及等温磁熵变随温度变化的实验数据,本文应用热力学理论设计一种新型MnFe基复合磁热材料,获得三种组分磁热材料与复合材料的优化摩尔质量比,进一步以该复合磁热材料为工质构建回热式Ericsson和Brayton制冷循环,基于热力学分析和数值计算,比较这两种制冷循环的非平衡回热量、净制冷量及性能系数等重要热力学参量,同时将复合材料的相关结果与单组分磁热材料的加以对比,结果表明:复合材料的大磁熵变温区要比任何一种组分材料的宽得多,而以复合材料为工质的制冷循环的净制冷量在近15 K温区内都较大,所得结果能为室温磁制冷机的参数优化设计提供有益的参考。     

电机调相式热声制冷机研究

优化匹配出口阻抗是热声制冷机获得最佳性能的关键点之一。本文提出了一种电机调相式热声制冷机方案,它利用直线发电机提供热声制冷机高效工作所需的相位,同时回收制冷机出口膨胀功并转换成电能,提高整机效率。与现有技术相比,本方案的热声制冷机具有制冷效率较高、结构简单的优点,适用于冷量比较大、制冷温度较高、膨胀功相对较多的情形。此外,还可满足热驱动热声冷电联产的应用需求。本文基于经典热声理论,先计算分析了直线发电机入口阻抗、制冷机入口压比对制冷性能的影响。在此基础上搭建实验台进行了初步实验,在平均压力3 MPa、工作频率55 Hz下,获得了110 K制冷量158.3 W,制冷机相对卡诺效率为16.1%,将回收的电功计入后整机效率达到了31.4%。     

液氮温区混合回热器斯特林制冷机数值模拟研究

自由活塞斯特林制冷机具有温区广、制冷效率高、结构紧凑、振动小以及寿命长的特点。回热器作为制冷机的核心部件,决定着制冷机的性能。为了提高液氮温区斯特林制冷机的效率,本文提出采用卷绕聚酯酰胺(简称PI)薄膜和不锈钢丝网混合填充的回热器,并对该混合回热器进行了数值模拟研究。首先分析了液氮温区混合回热器的填充参数,接着设计制冷机的尺寸参数并建立制冷机整机的数值模型,最终揭示回热器长度、两种填料填充比以及相位特性对混合回热器制冷性能的影响,并将混合回热器与单一填料回热器进行对比。结果表明,混合回热器在液氮温区具有明显优势,在混合回热器长度为8 cm、卷绕PI薄膜和不锈钢丝网混合填充比例为7:1、排出活塞领先动力活塞60°时获得最佳制冷性能。室温300 K、输入声功为451 W,在77 K获到58.1 W的制冷量,声功计的相对卡诺效率为37.26%,比单一填充卷绕PI薄膜和层叠不锈钢丝网的回热器分别高了6.26%和17.33%。     

声功回收级联型脉管制冷机实验研究

在原有单级脉管制冷机的基础上,设计并研制了一台声功回收级联型脉管制冷机.实验结果表明,在输入电功为500 W时,无负荷制冷温度为主级123.3 K,辅级131.0 K,主级制冷量为143.7 W@233.0 K,辅级制冷量为62.9W@233.0 K,其总和206.6 W@233.0 K,高于相同输入功时单级脉管制冷机的理论模拟值189.6 W@233 K,验证了声功回收方案的可行性,不仅是对回热式低温制冷法在普冷温区实践的一次有益探索,而且为更低温度大制冷量脉管制冷机声功的回收奠定了基础.     

小型室温磁制冷系统的改进及实验研究

基于先前报道的旋转内磁体式小型室温磁制冷系统,系统采用了新的双层同心嵌套式Halbach磁体组,开展了钆工质的制冷温跨与制冷量的实验研究。采用新的双层Halbach磁体组后,磁体组轴线处平均磁场强度由0.3?1.2 T提升至0.06?1.40T。在回热器两端绝热保温的工况下,采用新磁体组的系统在相似频率和利用系数下性能显著提升,并在1.25 Hz的运行频率下获得19.8K的制冷温跨。在系统引入高低温换热器的条件下,设定回热器高温端温度为27.5℃时,室温磁制冷机在7K制冷温跨下获得10W制冷量,工质比制冷量约47W·kg-1,并在1.7 K的制冷温跨下获得了50 W制冷量。     

气体轴承斯特林制冷机研究进展

气体轴承斯特林制冷机是相同制冷量下体积最小、重量最轻、效率最高和可靠性最高的制冷机。为了满足高温超导器件等电子器件对斯特林制冷机需求,开展了10W@77K气体轴承斯特林制冷机的性能和环境适应性研究。在此基础上,设计制作了-100~-20℃温区、5W@77K和15W@77K气体轴承斯特林制冷机样机并进行了测试。10W@77K制冷机在输入功率为166.1W时达到10.55W@77K(热端温度30℃),制冷系数达到6.35%,通过了高低温贮存、高低温冲击、高低温工作以及机械振动、机械冲击等环境适应性实验。-100~-20℃温区制冷机在150W输入功率下获得38W@-80℃的制冷量,制冷系数为25.3%。15W@77K制冷机在输入功率为260W时获得了15.6W@77K的制冷量(热端温度35℃),制冷系数为6%。5W@77K制冷机在输入功率为90W时获得了5.1W@77K的制冷量(热端温度35℃),制冷系数为5.67%。该系列气体轴承斯特林制冷机的良好性能和环境适应性使得其可广泛应用于超导接收前端、斯特林低温冰箱和小型液氮系统等场合。     

驻波热声冷却机的研究

与压缩机制冷相比,热声制冷结构简单、可靠性高和使用寿命长。本文在正常室温(20℃)和室压(1个大气压)的工作环境下以空气为声学介质来探讨热声制冷机的设计及热声制冷效果的影响因素,并制作样机进行实验研究。研究发现:板叠长度和中心位置对热声转换效率影响较大,其数值需要理论与实验相结合来确定;以空气为声学工质,在正常室温、室压下的热声制冷机,用50W的供电驱动、90 Hz工作时可实现冷热端37℃的温差。     

Theory of inert gas-condensing vapor thermoacoustics: transport equations

The preceding paper [J. Acoust. Soc. Am. 112, 1414-1422 (2002)] derives the propagation equation for sound in an inert gas-condensing vapor mixture in a wet-walled pore with an imposed temperature gradient. In this paper the mass, enthalpy, heat, and work transport equations necessary to describe the steady-state operation of a wet-walled thermoacoustic refrigerator are derived and presented in a form suitable for numerical evaluation. The requirement that the refrigerator operate in the steady state imposes zero mass flux for each species through a cross section. This in turn leads to the evaluation of the mass flux of vapor in the system. The vapor transport and heat transport are shown to work in parallel to produce additional cooling power in the wet refrigerator. An idealized calculation of the coefficient of performance (COP) of a wet-walled thermoacoustic refrigerator is derived and evaluated for a refrigeration system. The results of this calculation indicate that the wet-walled system can improve the performance of thermoacoustic refrigerators. Several experimental and practical questions and problems that must be addressed before a practical device can be designed and tested are described.     

Piezo-driven thermoacoustic refrigerators with dynamic magnifiers

Thermoacoustic refrigeration is an emerging cooling technology which does not rely for in its operation on the use of any moving parts or harmful refrigerants. This technology uses acoustic waves to pump heat across a temperature gradient. The temperature gradient forms across the ends of a porous body, called the stack, enclosed in a resonator. The vast majority of thermoacoustic refrigerators to date have used electromagnetic loudspeakers to generate the acoustic input. In this paper, the design, construction, operation, and modeling of a piezo-driven thermoacoustic refrigerator are detailed. The performance of the refrigerator is significantly enhanced by coupling the acoustic driver with an elastic structure, referred to as a dynamic magnifier. Proper selection of the magnifier parameters can increase the magnitude of the pressure oscillations across the stack, and consequently the temperature difference. The magnified refrigerator demonstrates the effectiveness of piezoelectric actuation in moving 0.3 W of heat across a 10 °C temperature difference with an input power of 7 W. All the theoretical predictions are validated against data from experimental prototypes. The developed theoretical and experimental tools can serve as invaluable means for the design and testing of piezo-driven thermoacoustic refrigerator configurations.     

高效室温行波热声制冷的研究 第一部分 方案及热力分析

文中对简化的热声网络法、T型传输线网络法以及传输矩阵法进行了比较讨论。采用简化的热声网络法对几种可能的制冷流程进行了分析 ,并确定出了可能高效工作的制冷方案。最后基于传输矩阵法对一种行波热声制冷机进行了分析和热力设计 ,得到该制冷机较优的结构参数。当制冷温度为 - 2 3℃时 ,其 COP可达 2 .86 ,相对卡诺热效率为 5 7%。     

频率对热声制冷机影响的研究

分析和研究了频率对热声制冷机声压、温差和声功的影响 ;使用网络模型计算的结果与实验结果相吻合 ;该研究也是对网络模拟和声功测量方法的验证。     

电动声源热声致冷机声学和计算实例

我们将各种热声致机简化为一包括声学终端在内的声管道系统，并通过实例讨论了致冷机的声学特性，该管道系统与一般声管道不同：１．在热声堆中热波和粘滞波不可不计。２．在热声堆与声管连接时，必需考虑合成波的体积流；而热声堆内只需考虑传播波的体积流。本文对此提出了阻抗连接条件的修正。实例使用电动扬声器为声源，给出了热声行波和驻波致冷的声学计算方法以及它们的声学特性，所用扬声器的标称伏安为１００ＶＡ，可为热声致     

烟气型吸收式制冷机的变工况特性研究

基于分布式冷热电联产系统变工况运行的实际需要,建立了烟气型双效溴化锂吸收式制冷机的变工况模型。制冷机变工况模拟计算时,保持浓溶液流量及换热系数(高压发生器除外)不变,得到了烟气进口温度、烟气流量及冷却水进口温度变化时的制冷机各重要性能参数曲线,发现当烟气流量低于50%时,COP下降较快,冷却水进口温度降低时有利于制冷机运行,但是要注意防止浓溶液结晶。制冷机额定工况模拟计算时,与已有文献进行对比,验证模型的可靠性。     

回热器的热声直流模型及其效应研究

本文由基本的守恒方程出发,获得了能描述回热器存在声直流时的非线性动力学模型及由此而导致的非线性时均热力学效应。根据所得到的模型,考察了声直流对临界声功产生率温度梯度、回热器温度分布以及脉冲管制冷性能的影响。     

Influence of stack geometry and resonator length on the performance of thermoacoustic engine

Thermoacoustic engines convert heat energy into high amplitude sound waves, which is used to drive thermoacoustic refrigerator or pulse tube cryocoolers by replacing the mechanical pistons such as compressors. The increasing interest in thermoacoustic technology is of its potentiality of no exotic materials, low cost and high reliability compared to vapor compression refrigeration systems. The experimental setup has been built based on the linear thermoacoustic model and some simple design parameters. The engines produce acoustic energy at the temperature difference of 325–450 K imposed along the stack of the system. This work illustrates the influence of stack parameters such as plate thickness (PT) and plate spacing (PS) with resonator length on the performance of thermoacoustic engine, which are measured in terms of onset temperature difference, resonance frequency and pressure amplitude using air as a working fluid. The results obtained from the experiments are in good agreement with the theoretical results from DeltaEc.     

供水温度对CO2空气源热泵系统性能的影响

为探究热泵供水温度对CO2空气源热泵系统性能的影响,保持室外环境温度15.5℃不变,调节热泵供水温度,测试冷却水流量、气冷器出水温度、压缩机排气温度、气冷器CO2进出口温差、压缩机排气压力、压缩机耗功量、系统制热量、气冷器热交换完善度、系统COP的变化情况。结果表明:供水温度由45℃升至85℃,气冷器出水温度、压缩机排气温度、气冷器CO2进出口温差、压缩机排气压力随之增加,冷却水流量随之减小。系统制热量增加了7.3%、气冷器热交换完善度下降了20.0%、系统COP下降了35%、压缩机功耗增加了65.1%。     

高效室温行波热声制冷机的研究(第二部分:电声压缩机驱动的行波热声制冷机的实验研究)

热声制冷机是利用热声效应将声能转化为热能的新型制冷装置 ,以其环保性及高可靠性等优点吸引着起来越多的科研者。该文研究对象为电声压缩机驱动的室温行波热声制冷机。首先介绍了制冷机的工作原理、设计及加工 ;实验系统建立后 ,改装曲柄 -连杆活塞压缩机 ,使之提供变频的波动压力作为该制冷机的驱动源。初步实验在充气压力 2 .0 MPa、氦气为工质的工况下 ,获得 2 6 4 K的制冷温度