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。     

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%。     

斯特林型冷电联产系统耦合方式研究

为了探索斯特林型冷电联产系统高效可靠的耦合结构,基于热声分析方法和数值模拟,重点考察了串接电机、旁接电机和谐振管三种谐振耦合方式在斯特林型冷电联产系统的工作性能并开展了其对关键参数的敏感性分析。计算结果表明：谐振管耦合型斯特林冷电联产系统的效率小于串接电机型耦合系统,而大于旁接电机型耦合系统。但相比于串接电机型与旁接电机型,谐振管耦合型斯特林冷电联产系统性能对电机等效机械阻尼、运行压力和热端温度的敏感性小,能在较大的工况范围内保持高效运行。     

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。     

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.     

线性压缩机与气动斯特林冷指效率匹配研究

为了解决制冷机实验中线性压缩机与冷指不匹配的问题,本文以热声学理论为基础,对线性压缩机与冷指的匹配规律探索研究。基于压缩活塞的运动控制微分方程、电机的电压平衡方程和整机的阻抗特性,研究压缩机电机效率和PV功转化效率的影响因素和提高方法。在匹配原理的指导下,对一台双磁钢动磁式线性压缩机驱动的气动分置式斯特林制冷机进行优化分析,优化后,制冷机获得6 W/80 K制冷性能所需的电功从163.5 W降低到86.8 W,压缩机的电机效率从68.6%提高到79.6%。     

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.     

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。     

液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机实验研究

自由活塞斯特林制冷机是一种结构紧凑、效率高、运动部件少、可靠性高的回热式制冷机。随着高温超导发展的需求,液氮温区大冷量自由活塞制冷机成为重要发展趋势之一。本文搭建了一台液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机,初步实验获得60 K以下的无负荷制冷温度。在80 K获得了78 W的冷量,制冷机相对卡诺效率为18.8%。这是国内首台液氮温区大冷量(50 W)自由活塞斯特林制冷机。分析表明,通过对冷端换热器结构的改进,冷量及效率将进一步提升。     

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。     

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%。     

液氮温区高频热驱动脉冲管制冷机实验研究

优化设计并研制了一小冷量液氮温区高频热驱动脉冲管制冷机,系统轴向长度仅为1.2 m.针对之前系统热效率较低问题,在数值计算的指导下,对高频驻波热声发动机的板叠流道尺寸和热腔进行了优化,并对声压放大器进行了调整.采用4.0 MPa氦气为工质,在发动机端加入750 W加热量获得了68.3 K的最低制冷温度,这是目前国际上报道的高频热驱动脉冲管制冷机的最低制冷温度.加入500 W加热量时,制冷机获得了76.9 K的无负荷最低制冷温度,在80 K时有0.2 W的制冷量.     

300Hz级电驱动脉冲管制冷机特性研究

脉冲管制冷机在更高频率下运行能够大幅提高能量密度,有利于系统体积与质量的减小。据此本文开展了300Hz级超高频电驱动同轴脉冲管制冷机的研究。首先分析了直线压缩机与制冷机匹配特性,通过调节前腔体积,使得压缩机在280 Hz附近谐振,并能够提供制冷机运行所需压比。实验中取得了最低无负荷冷头温度63.3 K,在80 K获得了1.0W的制冷量,消耗声功约为44 W,以声功计算相对卡诺效率达到6.2%。实验中系统考察了整机性能随惯性管长度、运行频率和平均压力的变化趋势。     

液氮温区高效脉冲管制冷机的特性研究

本文介绍了由线性压缩机驱动直线型脉冲管制冷机的最新研究结果。根据压缩机参数,依靠线性热声计算程序,优化出10 W级直线型脉冲管制冷机,并使得制冷机入口阻抗能够与压缩机匹配。实验结果表明,由于制冷机与压缩机之间耦合较好,压缩机在达到较好的声电效率的同时,制冷机也拥有较高的相对卡诺效率。其中最好的结果为在输入电功为127 W、制冷温度为77 K的情况下获得了9.4 W的制冷量,整机相对卡诺效率达到了19.8%。文中给出了不同压力、不同调相机构下的压缩机及制冷机特性并对结果进行了分析。     

油润滑压缩机驱动高效脉冲管制冷机的研究

本文设计并加工了一台油润滑压缩机驱动的直线型脉冲管制冷机,压缩机和制冷机之间安装有弹性膜片,该弹性膜可以传递声功同时将压缩机侧工作气体与制冷机侧工作气体隔开,从而使油润滑压缩机作为斯特林型脉冲管制冷机的驱动成为可能,解决了使用传统无油直线压缩机成本昂贵的问题。经过系统实验,制冷机在以氦气为工质,充气压力2MPa,工频15Hz时,在80K获得28.5W制冷量,输入电功680W,电冷转化相对卡诺效率达到11.52%。     

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。     

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。     

液氮温区热声驱动脉管制冷机的研究

热声发动机驱动的脉管制冷机是一种完全无运动部件的低温制冷机,具有非常好的应用前景,本文介绍了本实验室在这方面取得的最新进展。首先我们对驻波热声发动机进行了改进设计,提高了其驱动压比,用氦气作为工质最大压比达到了1.15。在此基础上我们用其驱动同轴双向进气小孔型脉管制冷机,通过调整热声发动机的振荡频率,使之与脉管达到匹配,最终达到了84.3K的最低制冷温度,这也是目前用驻波热声发动机驱动脉管所达到的最低制冷温度。同时,在此实验过程中,一些抑制跳频的方法也得到了实验验证。