300 Hz高频热声驱动脉冲管制冷机

介绍了300Hz驻波热声发动机驱动脉冲管制冷机的最新进展.在前期经验的基础之上,针对驻波发动机、脉冲管制冷机以及它们之间的耦合机制进行了优化.在平均压力和加热功率分别为4.13MPa和1760W时,脉冲管制冷机的入口压比达到了1.248,并获得了69.5K的无负荷最低制冷温度,这是该频率范围的热声驱动脉冲管制冷机首次获得70K以下的低温.     

用于热声驱动脉冲管制冷机的新耦合机制: 声学放大器

提出了声学放大器的概念, 有意识地用一根长管来连接热声发动机与脉冲管制冷机. 理论计算表明, 合适的管长及管径可以大幅度地放大来自热声发动机的压力波动, 脉冲管制冷机从而可以获得更大的驱动压比. 在理论分析的基础上, 初步的研究也证实了压力波动的放大效果. 在平均压力2.46 MPa, 工作频率69 Hz时, 一根内径8 mm, 长2.8 m的紫铜管把来自热声发动机的压力波动幅值平均放大为2.5倍以上. 特别地, 使用1.67 kW的加热功率, 发动机的压比为1.11, 脉冲管制冷机入口的压比到达了1.32, 进而在脉冲管制冷机的冷头获得了65.7 K的温度.     

突破液氮温度的完全无运动部件热声制冷机

脉冲管制冷机因为无低温下运动部件在小型低温制冷机研究领域倍受关注,热声发动机则利用热能产生自激振荡输出声功而无需任何运动部件,也是近年来国际研究的热点．如果两者成功耦合在一起则能形成完全无运动部件的低温制冷机,在可靠性、造价以及利用热源等方面具有无可比拟的优越性,可以应用在很多重要的场合,长期以来受制于热声发动机所能获得的压力波动大小,     

热声发动机及其驱动脉管制冷机研究进展

热声驱动脉管制冷作为一种可用热能驱动的完全无运动部件的新型制冷方案已成为制冷与低温领域的研究热点. 回顾了热声学的发展历史, 针对热声发动机及其驱动脉管制冷机研究中的关键技术, 综合评述了热声学理论和实验研究的最新进展与典型样机, 并指出了该研究领域今后的发展方向和工业应用的前景.     

92 K热声驱动脉管制冷机

1990年Radebaugh和Swift等人采用热声发动机代替常规机械压缩机驱动脉管制冷机,建成了完全无机械运动部件、可实现长期稳定运行的低温制冷机,引起了人们的兴趣．由于热声驱动脉管制冷机可采用太阳能集热或燃气等作驱动源,对于电能短缺而热能富集的场合具有实用意义,例如一可能的应用场合是用于液化天然气,即以燃烧天然气为驱动热源,用制取的制冷量来液化其余的天然气,目前相关的研发丁作受到极大的关注。     

小型斯特林热声发动机谐振管内径的影响研究

基于线性热声理论, 对一台小型热声斯特林发动机进行了数值仿真, 并进行了相应的实验研究. 计算和实验结果表明, 谐振管内径的变化对于小型斯特林热声发动机的谐振频率以及性能具有十分重要的影响. 适当减小谐振管的径向尺寸, 能够有效降低整机的谐振频率, 提高系统波动压力幅值, 这对于热声斯特林发动机的小型化具有重要的指导意义. 根据计算和分析, 搭建了一台小型热声斯特林发动机, 其谐振管的长度和内径分别为350 mm和20 mm, 工作频率为282 Hz, 当充气压力为2 MPa, 加热量为637 W时, 系统最大压力峰峰值和压比分别达到了0.22 MPa和1.116, 初步具备驱动热声制冷机或者热声发电机的能力     

13 K热耦合二级Stirling型脉管制冷机

Stirling型脉管制冷机比G-M型脉管制冷机具有更紧凑的结构和更高的制冷效率, 已经成为低温制冷机领域的研究热点. 为了获得低于20 K的无负荷制冷温度, 设计建立了一台热耦合二级Stirling型脉管制冷机. 热耦合级间布置方式使得各级制冷机内的工质流动相互独立, 便于小孔阀和双向进气阀调相结构的优化调节, 有利于实现系统内直流流动的有效控制, 级间制冷量的分配也更为灵活. 采用一台线性压缩机驱动该制冷机, 在200 W输入电功率条件下, 实现了14.97 K的无负荷制冷温度. 采用两台线性压缩机分别驱动第一级和第二级脉管制冷机, 在400 W总输入电功率条件下, 获得了12.96 K的低温, 为目前国内外公开报道采用二级Stirling型脉管制冷机获得的最低制冷温度.     

热声振荡器的二端口网络模型及起振条件

热声发动机的起振过程是发生在非均匀声介质中的自激振荡过程, 揭示各影响因素之间的耦合关系是热声学基础研究的重要课题. 将热声发动机视为由主动网络与被动网络组成的热声振荡器. 相应地, 推导了组件对应的二端口Y参数, 采用负阻模型和反馈模型分别描述了驻波和行波热声发动机, 并给出了对应的二端口网络拓扑, 应用Nyquist失稳判据获得了热声振荡器的起振条件. 模型预测的起振参数, 特别是起振频率及模态特征与文献实验报道相符; 此外, 通过拓扑图论证了驻波热声发动机起振于负阻状态、热声——斯特林发动机存在高频模态. 该方法通过考察热声系统的频域响应, 实现了以解析方式反映发动机运行参数和系统结构对起振模态、起振温度的影响; 能避免使用经验频率设计热声系统, 在系统设计阶段提供热稳定性校核的途径.     

百瓦级行波热声发电机实验样机研究

报道了一种行波热声发动机驱动直线发电机产生电能的实验研究. 在原理实验中, 当热声发动机工作压力为2.5 MPa、谐振频率为64 Hz, 且压力振幅为0.2 MPa时, 该直线发电机可输出100 W以上的电能.     

一种大幅度提高热声发动机压比的“声学泵”

压比是评价热声发动机的重要参数之一. 提出了一种可以大幅度提高热声发动机的“声学泵”, 并给出了其工作原理的理论分析. 采用2.5 MPa的氮气在一台聚能型的行波发动机进行了实验, 表明它可以将压比从1.25提高到1.47以上.     

斯特林型脉管制冷机中的回热器温度不均匀性研究

回热器是脉管制冷机和热声热机中的最关键部件之一. 当回热器由中小功率放大到大功率时, 其内垂直于声传播方向的热力和水力联系变弱. 在这种情况下, 任何的非对称因素都可能在制冷机或发动机的回热器内引发严重的不稳定性问题, 从而降低制冷机或发动机的性能. 对一台大功率二级热耦合U型斯特林脉管制冷机进行了实验研究, 通过对中间换热器和回热器周向温度分布进行测量, 发现了一种由级间预冷不对称性引起的回热器温度不均匀性. 观察发现, 回热器周向的温度不均匀性源于第二级回热器的中间换热器, 之后, 这个温度不均匀性在回热器中以内部直流的形式自行放大, 最大径向温差可达30~40 K. 在对第一级冷头外加热负荷并逐步增大热负荷直至把第一级的预冷效应转变为加热效应的过程中, 回热器内的温度不均性逐渐变弱, 最后其方向发生逆转. 本研究证明了在大功率回热式热机中保持换热器加热或冷却作用周向均一的重要性.     

液氮温区高效直线压缩机驱动的脉冲管制冷机

通过对直线压缩机驱动的脉冲管制冷整机系统的效率进行理论分析, 发现惯性管的阻抗不仅对脉冲管制冷机的效率有重要影响, 而且会改变制冷机的阻抗, 从而进一步影响压缩机的电声转换效率. 借助于湍流修正模型, 解决了惯性管阻抗由于受到湍流转捩的影响而难以预测的问题, 因此设计出了一台高性能的直线压缩机驱动的脉冲管制冷机. 在电输入功率为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%.     

液氦温区分离型二级脉管制冷机研究

研制了一台液氦温区分离型二级脉管制冷机. 该制冷机由两台独立的脉管制冷机组成, 一级回热器冷端和二级回热器中部通过热桥相连, 从根本上弥补了传统耦合型多级脉管制冷机级间干扰的不足. 单独测试第1级脉管最低制冷温度达到13.8 K, 这是单级脉管制冷机最低制冷温度新纪录. 采用双压缩机双旋转阀驱动该二级脉管, 第2级最低制冷温度达2.5 K, 并可同时在4.2 K和37.5 K获得508 mW和15 W制冷量. 为了简化结构、扩大应用, 首次采用单压缩机单旋转阀驱动分离型脉管制冷机, 达到了相同的制冷性能.     

500W行波热声发电样机的实验研究

在前期的理论与实验的基础上, 设计制作了一台行波热声发动机及一台直线发电机.以氦气为工质, 在平均压力为3.54 MPa、工作频率为74 Hz 工况下, 以15.03%的最大热电转换效率获得了450.9 W 的电功、以12.65%的热电转换效率获得了481.0 W 的最大输出电功.     

以氦-3为工质的回热式气体制冷机性能分析

现有液氦温区回热式低温制冷机的实验测量和理论仿真研究几乎都采用氦-4为工质,改用氦-3为工质时低温制冷机理论上可突破氦-4的λ相变限制,获得低于2K的无负荷制冷温度,并在液氦温区获得更大制冷量.通过比较氦-3与氦-4的热物理性质差异以及低温制冷机回热器仿真计算,从回热器损失、制冷量、相对COP等多个方面定量分析了分别采用氦-3和氦-4为工质时低温回热器的性能.证明氦-3工质可以显著改进回热式气体制冷机的低温制冷性能.     

热驱动深度制冷循环

吸收制冷循环能利用低品位热能, 例如太阳能、地热和废热等, 具有节能和环保等一系列优点, 有着十分宽广的发展前景. 然而, 传统吸收制冷循环无法获得低的制冷温度, 这一缺陷极大地限制了吸收制冷的应用范围. 为此, 本文研究了一个综合有吸收制冷循环和压缩式自行复叠循环优点的新吸收制冷循环, 以期达到利用低品位热能获得低温的目的, 该循环采用R23 + R134a/DMF工质对. 通过新循环数学物理模型的计算表明, 在160℃发生温度下, 新循环可以获得约-62℃的制冷温度, 远低于传统基本吸收制冷循环所能获得的制冷温度. 同时, 在157℃发生温度下, 新吸收制冷系统获得了-47.3℃制冷温度, 为吸收制冷循环迄今为止获得的最低制冷温度. 理论和实验结果都证明了采用自行复叠原理的新循环能够利用低品位热能获得低的制冷温度. 新吸收制冷循环也可以为其他形式热驱动深度制冷方法提供有益的参考.     

空间液氦温区J-T节流制冷机节流微孔实验

液氦温区节流制冷机在空间探测中获得了广泛的应用,基于本实验室研制的多级高频脉冲管预冷节流循环的复合式制冷机,针对节流微孔对节流制冷机性能的影响进行分析和实验.研究发现,节流微孔的尺寸不仅影响节流制冷机的流量,对节流制冷效果也有着重要影响.通过实验对不同孔径微孔进行了研究,获得了最佳微孔尺寸.此外,对节流前高压对节流制冷机流量、制冷机和最低无负荷温度的影响进行了分析和实验研究.基于此,采用三级无油线性压缩机驱动节流循环,测试了闭式循环节流制冷机的性能,在4.48 K获得了81.5 m W的制冷量.     

以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证

量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展,对2 K以下温区高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率低温制冷机的需求日益迫切,高频脉冲管耦合Joule-Thomson(JT)的复合制冷循环是实现这一目标的重要手段.目前国际上以该循环获得2 K以下温区的成功实践,均是在脉冲管分系统使用氦-4而JT分系统使用氦-3作为循环工质的情况下获得的.氦-3在地球上存量稀少、价格高昂,是阻碍这一循环在更广范围内实用化的关键瓶颈.本文对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环开展了理论与实验研究,分析了基于该循环获取2 K以下温度的关键难点和可行性,从采用间隙密封的直流线性压缩机的低压压力和多级间壁式回热器的低压侧压降损失入手,理论预测出在40 kPa系统充气压力下可实现1.1 kPa的压缩机吸气压力和438.6 Pa的低压侧总压降,从而能获得1.54 kPa的饱和蒸气压,此时采用氦-4节流可实现1.78 K的制冷温度.同时,在氦-4超流态工况下,分析了小界面温差的Kapitza热导对冷头蒸发器内超流氦热传递的影响,并给出了在此基础上JT循环参数优化的限制条件.设计出的制冷机的无负荷温度经过...     

开口式行波热声发生器

考虑入射波和反射波, 建立行波热声系统内管末端阻抗与管口阻抗的理论模型, 详细对比管 末端封闭和开口对压力、体积流率、阻抗和声功的影响, 指出开口式行波系统的声场特点. 在此基 础上, 研制了一台开口式低频行波热声发生器, 它由环形圈、开口式谐振管、回热器和冷热端换热 器等元件组成. 以1 bar 空气为工质, 运行频率74 Hz, 在输入热量210 W 时, 管口处声压级达到 133.4 dB, 距离管口0.5 m处声压级为101 dB, 性能已达到低频声源可应用的范围. 随着研究的深入, 出口处声压级可达到150 dB, 有望解决现有低频声波发生器声压低、装置复杂、声学性能重复性差 等问题, 可以为低频远距离噪声实验或者工业声源和振动提供高声强声源.     

石墨烯热致发声器件的新进展

<正>热致发声器是一种基于焦耳热直接转换为声波的能量转换器,其工作原理是对介质(如空气,水等)中的导体施加交变电流,产生周期性变化的焦耳热脉冲,使周围介质发生周期性膨胀,从而产生声波,即热致发声.热致发声器具有频响范围宽、无需振动元件的显著特点,在模拟发声、三维成像等领域具有潜在的应用.因此,近年来受到人们的广泛关注.南京航空航天大学纳米科学研究所郭万林教授团队以三维泡沫状石墨烯材料构建热声元件,发现其能显著抑制基底热散失,产生高的声压,提高发声效