燃气驱动热声发动机中加热器的设计与实验验证

加热器在热声发动机的能量传递和转化过程中起着重要作用,是热声发动机的核心部件之一。目前热声发动机大多采用电能驱动,采用燃气直接燃烧驱动将对热声发动机的实用化具有积极促进意义。根据热声发动机的工作特点,以时均流对流换热公式为依据,设计了一种新型燃气燃烧驱动加热器,并应用于现有的混合型热声发动机实验台上,取得了较好的实验结果。     

热声发动机用加热器的设计与实验验证

热声发动机利用热声效应将热能转换为机械能,热能由核心部件加热器提供。加热器在热声发动机的能量传递和转化过程中起着举足轻重的作用。针对热声发动机的工作特点,介绍了一种采用时均流对流换热公式进行热声发动机用加热器设计的方法。基于该方法,设计了一种新型热声发动机用电加热器,并应用于自行研制的太型多功能行波热声发动机试验台。设计计算和实验结果表明,该加热器能够充分满足热声发动机的加热要求。本文对以振荡流体为特征的换热器设计具有一定参考价值。     

负载对热声发动机性能的影响

热声发动机作为一种完全没有运动部件的能量转化和传输机械具有广阔的应用前景.为了提高热声发动机的驱动性能,本文采用变负载法对热声发动机性能的影响因素进行了实验研究.实验结果表明,负载的阻力和容抗对热声发动机的加热温度、压比和声功引出有重要影响.同时,实验中还发现了能够使热声发动机瞬时消振和起振的实验方法,将极大方便对热声发动机的开关控制.     

热声驱动摩擦纳米发电机研究

热声发动机作为一种新型的外燃式热机,具有可靠性高、使用寿命长、环境友好等优点,在热声发电、热驱动制冷等领域具有重要应用前景。本文结合热声技术和摩擦纳米发电技术的特点,首次提出了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一热-声-电换能新流程。理论计算了驻波热声发动机和接触分离式摩擦纳米发电机采用末端耦合结构时的换能特性,并开展了系统实验研究。实验中,热声驱动摩擦纳米发电机获得了最高10 V的开路电压输出;在外接电阻为400 MΩ时,最高输出功率为0.008μW,验证了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一概念的可行性。     

50 K温区热声驱动脉管制冷

开展了采用声压放大器结构的驻波型热声发动机驱动单级双向进气型脉管制冷机实验研究,考察了声压放大器长度对热声驱动脉管制冷特性的影响.经过实验优化,采用长度3.7 m、直径8 mm的声压放大器,在2.0 kW加热功率条件下,实现1.196的压比,制冷温度达到54.5 K.     

热声斯特林发电系统的实验研究

本文介绍了一台由热声斯特林发动机及其驱动的直线发电机组成的热声斯特林发电系统原理样机.一方面为满足发电机与发动机间体积流率和相位的匹配要求,另一方面为了能在直线发电机活塞处获得较好的压力波与体积流率间相位关系、提高直线发电机的电功输出能力,装置保留了发动机原有的锥形谐振管.初步实验以氦气为工质,在2.5MPa平均压力、64Hz工作频率下,获得了97W的电功.本文还分析了该热声发电系统的效率,得出直线发电机声电转换效率超过了0.8.然而由于谐振管耗散了大量的声功,目前整机的热电转换效率还较低.     

40K温区的热驱动低温热声制冷机

热声驱动脉管制冷机主要由热声发动机和脉管制冷机组成,是一种完全无运动部件的新型低温制冷机。本文在实验室现有行波热声发动机的基础上,运用线性热声理论对两级脉管制冷机进行了设计,并用声学放大器对热声发动机和脉管制冷机进行耦合,提高脉管制冷机的驱动压比,从而获得了41 K的低温,这是目前热声驱动脉管制冷机所获得的最低制冷温度。正因为本热声驱动脉管制冷机系统的热驱动特性及其主要部件都是按照热声理论进行设计,所以我们将其称为热驱动低温热声制冷机。     

带阻性管的环路行波热声发动机性能研究

高效的行波热声发动机要求回热器处在接近行波和高声阻抗的声场。为此,本文拟采用阻性管进行调相,设计了一台单级环路行波热声发动机,分别以He,N2和CO2为工质,对该热声发动机的起振特性和稳态运行工况进行了系统的实验研究。结果表明,安装阻性管后,单级环路行波热声发动机的起振温度可以被降低300℃以上,最低起振温度仅为55C(工质为CO2,平均压力为2.35 MPa)。此外,系统可以在200℃以下的加热温度达到比较可观的压比。可见,阻性管可以作为环路行波热声发动机的一种有效调相方式,本文所提出的热声发动机系统具有利用低品位热源驱动的潜力。     

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。     

氮氢电弧加热发动机气体流动特性分析

采用数值模拟的方法对低功率氮氢电弧加热发动机内的气体流动状况进行了分析研究,根据发动机内气体流动特性,确定了电弧加热发动机内的热边界层和流动边界层的定义方法,考察了主流区和边界内的能量转化过程。研究表明,在发动机约束通道内,电弧的热能主要在主流区转化为气体的热能,提升气体的焓值,而在发动机喷管扩张段的电弧贴附区域,电弧加热起到提升边界层内气体焓值和动能的作用.进一步的分析表明,缩小约束通道直径以及增加工作电流都有助于增加主流区气体对推力的贡献,从而提高发动机的性能。