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.     

突破液氢温度的热驱动热声制冷机

提出了一种“二介质耦合声学放大器”作为热声发动机与低温脉冲管制冷机的新型耦合机构, 使其继续保持压力幅值放大的功能, 且能够在热声发动机和脉冲管制冷机之间安装弹性膜. 利用此新型耦合机构, 可以使热声发动机以氮气为工作介质获得较低的工作频率, 而脉冲管制冷机则可采用氦气为工作介质使其优良的低温制冷性能得到保证. 采用聚能型行波热声发动机驱动, 最终使一台两级脉冲管制冷机获得了18.7 K的无负荷温度, 使热驱动的热声制冷机突破了液氢温度.     

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.     

采用锥形谐振管的高压比聚能型热声发动机

在一定的条件下, 热可以自发地产生声音, 这就是热致声现象. 热声现象的发现已有200百多年的历史, 但是, 基于热声效应的高能量密度热声器件的研究和开发则是最近十几年的事. 热声器件使用惰性气体、没有机械运动部件, 因此, 具有完全环保和高度可靠等突出优点. 随着研究工作的深入, 热声器件的转换效率也得到了极大的提高, 并有望赶上甚至超过一些传统热力机械, 显示出极大的发展潜力和广泛的应用前景[1]. .......     

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.     

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     

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.     

低品位热能驱动的高效热化学吸附式制冷研究

热化学吸附式制冷是一种以低品位热能驱动的节能环保型绿色制冷技术, 利用吸附剂与制冷剂之间可逆化学反应的热效应实现制冷效果. 主要介绍了热化学吸附式制冷循环技术的国内外研究现状, 在传统单效热化学吸附制冷循环的基础上, 评述了回质回热型热化学吸附制冷循环、双效热化学吸附制冷循环、多效热化学吸附制冷循环、双重热化学吸附制冷循环及基于内部回热技术的双效双重热化学吸附制冷循环等几种典型的高效吸附制冷循环技术, 并对热化学吸附式制冷技术的主要发展方向进行了阐述.     

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.     

热子气-气体和金属中热量传递的载体

热子气可以认为是热传导的主要载体, 是热量传递的载体. 类似于介电体中晶格振动能量量子化定义的声子, 大量的声子组成了声子气. 在气体和金属中则可以根据无规则运动的分子和电子所具有的能量定义热子, 大量无规则运动的热子就组成了热子气. 热子和声子、光子一样都没有静止质量, 但是热子的动质量可以连续变化, 即热子是非量子化的准粒子. 热子气在一定温度梯度驱动下的定向运动就形成了热流. 根据Einstein质能关系可以得到热子的质量为m_h=E/c², 即热能除以光速的平方. 热子气是具有真实质量的可压缩流体, 根据气体动力学原理, 并结合理想气体和金属中电子气的统计规律分别得到了两种体系中热子气的状态方程, 通过流体力学分析方法进一步推导出热子气的动量守恒方程, 它是具有阻尼的波动方程, 也就是普适导热定律. 基于热子气概念得到的普适导热定律可以用于定量研究由于热惯性作用而导致的极端条件下的非Fourier导热现象, 例如在超快速激光加热实验中出现的热波现象. 在通常情况下当热质惯性力作用可以忽略时普适导热定律将退化为Fourier定律. 利用两阶精度的有限差分格式, 计算了超快速飞秒激光加热金属薄膜条件下普适导热定律的热波解, 结果显示热波传递的波动性会随着热子气运动惯性作用的增强而增强.     

填充方钴矿热电材料的研究进展

热电转换是一种新兴的清洁能源技术, 可实现热能和电能的直接转换, 提高能源的使用效率, 降低石化能源的消费比重, 减少二氧化碳的排放, 达到保护环境的目的,相关研究在国际上引起了广泛关注. 由于材料中电和热的输运强烈地耦合在一起, 难以独立调控, 热电材料的性能优值长期徘徊在1.0左右, 仅在室温制冷等若干特殊领域获得了小规模应用. 有效提高热电材料性能已成为热电转换技术工业应用与热电材料科学领域亟待解决的热点与难点.科学家G. Slack提出理想化热电材料应该具有“声子玻璃-电子晶体”的特征, 相关研究成为近年来热电材料领域最重要和最具有代表意义的方向. 一些具有孔洞结构的笼状化合物, 如方钴矿材料被认为可能有“声子玻璃-电子晶体”特性, 而得到了广泛的关注; 但该笼状化合物中与输运性能相关的诸多物理机制, 以及与“声子玻璃-电子晶体”特征之间的关联尚不清楚, 限制了对该类材料的进一步认识和性能优化.     

30K温区百瓦级二级斯特林制冷机

30 K温区大冷量回热式低温制冷机在超导冷却、气体液化等领域具有广阔的应用前景.相较于其他类型的低温制冷机,斯特林制冷机具有结构紧凑、降温速率快、效率高等优势.基于理论分析和数值计算结果研制了一台大冷量二级斯特林制冷机,并对其开展了初步的实验研究.对不同工况下制冷机的压力波特性以及室温端换热器的换热特性进行研究,发现提高充气压力,压缩腔的压力振幅会提高,室温端换热器的换热量提高.提高第二级制冷温度,压缩腔的压力振幅与室温端换热器的换热量减小,且其减小速率均随制冷机第一级热负荷的增加而提高.制冷机无负荷工作时,每提高0.1 MPa充气压力,制冷机第二级制冷温度降至30 K的平均降温速率提高0.72 K/min.在2.6 MPa充气压力时,制冷机第二级可在13.24 min内降至30 K,最终无负荷制冷温度为19.83 K,此时第一级制冷温度为71.2 K.在第一级无热负荷时,该制冷机在30 K时可提供110 W制冷量,相对卡诺效率为10.96%,这是目前国内该类型低温制冷机公开报道的最高性能.     

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.     

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.     

石墨烯中热波传递的分子动力学研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,通过向扶手椅型和锯齿型单层石墨烯施加持续时间为1 ps的局部热脉冲,研究了其瞬态导热规律和特性.模拟结果表明,热脉冲在石墨烯中激发出两道以不同速度传递的波,一道波具有宏观动量,传播速度等于声速,是系统受热膨胀形成的声波(第一声);另一道波无宏观动量,传播速度约为声速的1/3,是晶格无规则振动形成的热波(第二声).热脉冲激发的声波是纵波,能量传递只有纵向分量,而热脉冲激发的热波是由面内横向晶格振动形成,只有横向能量分量.热量传递表现出的各向异性说明,在热脉冲传递过程中系统处于非平衡状态.另外,统计得到热脉冲能量传递距离与时间的关系约为2 1.80????t,说明热脉冲能量在石墨烯中是以弹道-扩散的方式传递的,弹道输运越强,热波现象越显著.热波波峰区域的能量传递为弹道输运,而在高温扩散区和热波衰减部分的能量传递则为扩散输运.     

制冷空调系统性能优化的(火积)耗散热阻法研究进展

摘结器络的法通各摘要制冷空结了制冷空调耗散热阻络图的构建方的整体约束方,实现了换热通过对系统中各变量间的整调系统是典型系统性能全局阻概念,并以此方法.通过分析方程.根据该约热器网络性能换热器网络的体约束方程,型的能源利用局优化的火积耗此为基础阐述了析等效热阻网络约束方程和拉格能的多目标优化的耗散热阻分结合拉格朗日系统,优化其散热阻法的研了制冷空调系络图,结合电路格朗日条件极化.在此基础上分析以及热功日方程,实现了其性能有利于提研究进展.首先统中所涉及的路原理从物理极值法,介绍了上,对于包含功转换过程的热制冷系统的性提高能源利用先介绍了火积的由的换热器网络的理上导出了系统了换热器网络的热功转换过程热力学分析,构性能优化.效率.本文总由来以及换热的等效热阻网统中各变量间的定量优化方程的制冷系统,构建了系统中热方,     

空调制冷技术解读:现状及展望

空调制冷已经成为人们健康、运输、食品保鲜等不可缺少的设施,使得人们可以在地球上最冷和最热的地方工作和生活.本文首先分类介绍了三类典型的空调制冷技术,其次介绍了空调除湿、热泵和低温技术的应用,最后总结了空调制冷技术在未来发展中所面临的能效提升、环保制冷和应用拓展等机遇与挑战.空调制冷技术已经成为一种基础应用技术,除传统的室内空气调节、食品药品保存和气体液化等应用以外,目前已经拓展到数据中心冷却、电动车热管理、清洁供热、工业余热回收、低温生物医学和大科学装置中,体现出强学科交叉融合趋势.     

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     

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.     

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,