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。     

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。     

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。     

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。     

室温推移活塞脉管热机的四种运行模式

脉管制冷机可看作是是斯特林制冷机的变种,带室温推移活塞的脉管制冷机是一种可逆脉管制冷机,与斯特林制冷机一样可工作于四种模式。本文采用数值分析的方法阐述了脉管热机的四种工作模式,即热发动机,热泵,制冷机和冷发动机。     

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。     

自由活塞斯特林发动机活塞位移测量

自由活塞斯特林发动机活塞往复振动位移对研究发动机特性具有重要意义,然而该类发动机活塞位于高压封闭腔体内且结构较为紧凑,其活塞往复振动位移难于直接进行测量。加速度传感器具有尺寸小、安装方便和工作稳定等特点,提出了采用加速度传感器测量活塞位移的方法。根据加速度传感器测量位移的原理,建立了一套加速度传感器测量自由活塞斯特林发动机活塞位移的标定试验系统,以位移传感器为基准测试并分析了不同活塞振幅和不同振动频率下加速度传感器测量位移的误差大小。实验结果表明,在活塞振幅小于8 mm,振动频率大于20 Hz条件下,加速度传感器测量位移的误差小于5%。因此加速度传感器可以用于测量自由活塞斯特林发动机的活塞往复运动位移。最后成功把加速度传感器测量的自由活塞斯特林发动机活塞振动位移用于发动机循环指示功的实验研究。     

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。     

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.     

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。     

余热驱动热耦合多级自由活塞斯特林热电联供系统研究

我国工业余热资源丰富,尤其是中低温余热具有巨大的回收利用潜力。本文提出采用热耦合多级自由活塞斯特林发电机来构建余热回收利用系统,可有效拓宽余热利用温度范围,减小余热热源传热损失。首先基于热声理论,从声阻抗角度计算考察了单级自由活塞斯特林热电联供系统在变温和变充气压力等工况下的性能;然后对一台三级自由活塞斯特林热电联供系统进行解耦计算,分别考察了供水温度、单级加热量、工作压力等因素对系统性能的影响;最后开展了实验研究,在420/350/300℃热端温度及22/22/18 kW加热量下获得自由活塞斯特林热电联产系统净输出电功10.09 kW,供热量45.29 kW,对应总热电效率为16.27%,综合热利用率为89.32%,各级相对卡诺效率分别为30.90%、32.10%、36.08%,展现出重要的应用前景。     

空调制冷温区的电驱动大功率自由活塞斯特林制冷机的研究

液氮温区的自由活塞斯特林低温制冷技术研究已经较为深入,并且得到了初步商业化,但在空调制冷温区较大制冷功率(大于1000 W)的研究还不多见。考虑到自由活塞斯特林制冷技术采用氦气等惰性环保气体作为工作介质以及其结构紧凑等优点,本文研制了一台对置直线压缩机驱动的空调温区的千瓦级自由活塞斯特林制冷机,并对其工作特性和制冷性能进行了系统的测试。实验研究中,环境温度设定在35℃,考察了不同制冷温度、不同平均工作压力以及不同频率下制冷量、制冷系数等性能的变化情况。研究表明自由活塞制冷技术在空调制冷领域具有良好的应用前景。     

用于120～150℃蒸汽生产的超高温空气源自由活塞斯特林热泵性能研究

现有高温工业蒸汽主要产自于化石燃料燃烧,为减少碳排放和提高能源利用率,需提高可再生能源电力占比,同时开发一种高效、环保的电驱动超高温热泵系统代替传统化石能源蒸汽锅炉。本文针对一种用于产生高温蒸汽的电驱动空气源自由活塞斯特林热泵,基于SAGE软件对其在不同压力、频率和大温差情况下的性能进行了计算研究。研究表明,该系统在大温差供热领域性能优良;在环境温度20℃、供热温度120℃、工作频率45 Hz和平均压力8 MPa的工况条件以及1500 W的热端供热量目标下,系统整机供热系数达2.5,相对卡诺效率63.6%。     

关于可调压缩比斯特林热机的物理演示实验

本文设计了一种可调节压缩比的斯特林热机装置,可实现斯特林热机的压缩比(最大体积与最小体积的比值)动态调节以及压强(p)-体积(V)曲线的实时监测.阐述了轨尺在双缸双活塞斯特林热机中实现动态调节的机理,编写了采集热机工作过程中压强和体积的Labview程序.通过调节轨尺完成压缩比的动态调节,演示了斯特林热机在不同压缩比条件下的工作状态,分析了压缩比影响斯特林热机性质的机理.该装置制作简单,可使用酒精灯作为热源,用于物理演示实验教学.     

自由活塞斯特林发电机气体轴承的设计方法研究

自由活塞斯特林发电机是一种高效紧凑的外燃式热电转换装置。气体轴承是实现其动子无接触支撑下往复运动的技术方案之一,结合间隙密封技术,可有效提高斯特林发电机的可靠性和使用寿命。目前常用的自由活塞斯特林气体轴承技术主要针对的是小功率,其承载力要求不高,往往简单采用几倍于实际承载的设计思路以应对实际气路结构产生的较大差异,而对实际承载力与细致优化设计考虑较少并缺乏系统的优化设计方法指导。随着大功率斯特林热机的发展,气体轴承的准确设计要求越来越高,掌握其实际应用环境中的最基本特征是实现其高效优化设计的基础。因此,本文从最为简单的一维轴向流模型出发,结合流动的扩散效应和非轴向流效应修正,为气体轴承的设计提供一种快速的计算方法;同时对气体轴承参数进行无量纲分析,给出无量纲结构计算图表,为常规斯特林热机气体轴承的优化设计提供具有普适特性意义的分析方法。     

振荡流下回热器压降特性的实验研究

研制了一种简单实用的实验装置,用于振荡流回热器压降特性的研究。在活塞提供的振荡流作用下,研究了回热器孔隙率、长度、堆叠方式及温差对回热器动态压降的影响。实验结果显示,丝网型回热器的动态压降与回热器的长度及孔隙率几乎呈线性关系,而在相同条件下与丝网的堆叠方式无明显的关联;此外,回热器的动态压降随回热器两端温差的增加而增大,与温差变化方向无明显联系。本文研究的目的是为斯特林回热器的设计提供相关的实验数据。     

斯特林热机的基本优化关系及功率和效率界限

1前言近年来,有些学者应用有限时间热力学研究斯特林热机的优化性能,获得一些比经典热力学界限更有意义的新性能界限。但至今为数还较少,应继续开展研究。特别是有人提出“21世纪是斯特林热机的世纪’巾一］。本文将进一步研究受热阻、热漏和回热损失三种主要不可逆因素影响的斯特林热机的优化性能,导出热机的基本优化关系及功率和效率界限。结果表明,热漏的存在使斯特林热机的优化性能与无热漏时的有质的差异,而在热阻和回热损失的基础上再考虑热漏的影响,其结果将可反映出实际热机观测性能的主要特征【’,‘］,从而对实际更有指…     

容腔调相的单级行波热声发动机起振特性

将容腔结构引入单级环路行波热声发动机系统中进行相位调节,分析了不同容腔位置、容腔内径和容腔长度时系统的起振特性。基于线性热声理论,采用网格传输矩阵数值方法求解系统的起振频率和起振温差;此外,将计算结果与实验结果进行了对比,验证了计算方法的合理性。结果表明:容腔结构可以明显改善系统的起振特性,系统起振温差大幅下降;不同容腔位置处,热机起振特性差异明显;存在最优的容腔内径和容腔长度组合,使得起振温差最低,而容腔尺寸对热机起振频率的影响较小。      

新型热驱动斯特林冷电联产系统数值模拟研究

为解决现有热驱动斯特林冷电联产系统存在的系统性能对直线电机参数敏感性高、匹配难度大的问题,创新性地提出一种热驱动斯特林冷电联产装置,即采用声学谐振管和旁接直线电机实现自由活塞斯特林发动机和自由活塞斯特林制冷机之间的阻抗匹配、声功分配和传递。基于热声理论和商业计算软件Sage对系统进行理论分析和数值模拟,考察了发动机加热温度、制冷机制冷温度和平均压力等对系统性能的影响规律。计算结果表明：在平均压力5 MPa,加热温度833 K时,该热驱动斯特林冷电联产系统在制冷温度110 K下,能获得1000 W制冷量和800W电功,整机效率达29.4%。发动机、制冷机和直线电机能实现较好的功率匹配,电机输出电功的变化对系统热效率影响较小。     

基于应变片的自由活塞斯特林制冷机位移测试研究

压缩活塞与排出器的位移大小及相位差对自由活塞斯特林制冷机的制冷性能具有极其重要的影响。文中通过对目前各种位移测试方法优缺点分析,结合自由活塞式斯特林制冷机自身特点,提出了采用应变片响应涡旋柔性弹簧形变来测量活塞和排出器位移的新方法。通过分析、设计和标定,建立了一套基于应变片的自由活塞斯特林制冷机位移测量系统。实验测试结果表明,该位移测量系统是可靠的,具有体积小、投资省等优点,且不需要特别的安装空间。