复杂传热规律下热声制冷机最优性能

建立了复杂传热规律下广义不可逆热声制冷机的循环模型,运用有限时间热力学方法导出了存在热阻、热漏和其他内不可逆性时,传热指数为复数的热声制冷机制冷率与制冷系数的解析式,分析了传热指数中实部和虚部对热声制冷机最优性能的影响,通过数值计算对不同损失和不同传热规律情况下的热声制冷机最佳制冷系数和制冷率的变化规律进行了比较分析.     

热声谐振管的有源热声网络模型研究

根据流体力学基本方程组建立了采用平行板叠结构回热器的热声谐振管的有源热声网络模型,为热声谐振管与制冷机的优化匹配提供了一种有效的理论工具     

驻波型热声制冷机回热器的结构优化

对驻波型热声制冷机的回热器进行了理论研究,通过对绝热情况下回热器内系统能流的分析,得到了以回热器位置和结构参数为变量并能够较为准确地预测出回热器时均温度差△Tm的解析表达式.将所得解析表达式与实验结果、线性化结果进行比较,表明了结果的准确性.运用所得结果对板叠式回热器在声场中的位置、板叠厚度和板叠间距进行优化,得到了回热器最优位置xs=f-1 (△Tm),最优板叠间距2y0/δκ=3.3～3.4,最优板叠厚度为2l/δκ=0.7.     

热声热机中回热器的数值计算与分析

针对热声热机系统回热器（或板叠）的数值计算。讨论了简单实用的得谐分析方法,并对热声制冷机中的热声板叠进行了数值计算与分析。计算结果为回热器（或板叠）的设计与优化奠定基础,从而保证系统设计的可靠性。     

Influence of resonator diameter on a miniature thermoacoustic Stirling heat engine

A small scale thermoacoustic Stirling engine （TASHE） is simulated according to the linear thermoacoustic theory. The computed results show that in a small scale thermoacoustic Stirling heat engine, the diameter of the resonance tube might have important influences on the working frequency and the performance of the engine, which are always neglected in a large scale system. Likewise, the analysis and experimental results show that in order to obtain better engine performance, the diameter of the resonance tube must be chosen appropriately according to the looped tube dimension and the input heating power. This provides an effective way to miniaturize the thermoacoustic Stirling heat engine. According to the computation and analysis, a small scale engine was built, the resonance tube length and diameter of which were about 350 mm and 20 mm, respectively, and the working frequency was about 282 Hz. When the input heating power was about 637 W, the maximal peak to peak pressure amplitude and pressure ratio reached 0.22 MPa and 1.116, respectively, which were able to drive a thermoacoustic refrigerator or an electrical generator.     

热声发动机回热器操作因子的优化研究

研究热声热机中回热器长度和工作温度的优化方法.通过对热声学线性公式的进一步分解,提炼出一个量纲一参数———回热器操作因子.相对水力半径和回热器操作因子建立了工作频率与回热器长度及回热器水力半径之间的定量关系.通过回热器轴向尺寸和径向尺寸的一定比例缩放,使得热声系统在不同频率下实现相同的热声转换效率.以两种典型的热声发动机回热器为例,对操作因子进行优化研究,并由此得到了最佳工作效率下的回热器长度和温度分布.     

异型回热器热声热机结构动力学分析

利用商业软件ANSYS从结构动力学角度模拟分析了回热器结构的改变对热声热机的影响.在之前研究的基础上,改造了普通板叠回热器的结构,建立针束、肋片板、微坑板异形回热器模型,对包含各回热器的热声整机模型进行了结构动力学分析.分析得出,普通板叠回热器热声热机在150Hz附近谐振,而异型板叠回热器热机由于结构的改变,共振频率发生变化,在高阶模态应变到达峰值,说明了回热器的结构优化是提高热声热机性能的有效手段.     

Two-port network model and startup criteria for thermoacoustic oscillators

The startup process of a thermoacoustic engine is a self-excited oscillation process generated in inhomogeneous acoustic media. To reveal these coupling relations between various influential factors is an important task of basic research on thermoacoustics. In this paper thermoacoustic engines are regarded as thermoacoustic oscillators consisting of the active network and the passive network. Accordingly, the two-port Y-parameter for relevant component is derived, and standing wave and traveling wave thermoacoustic engine are described by the negative-resistance and feedback model, respectively. The relevant two-port network topology is given as well. The startup criteria for thermoacoustic oscillators are obtained by using Nyquist instability criterion. The model prediction of startup parameters, particularly, startup frequency and mode characteristic are in agreement with that of experimental results reported in the literature. Moreover, with topological graphs it is verified that standing wave engines would start up in a negative-resistance state and there would exist high frequency modes in thermoacoustic-Stirling engines. By investigating into the frequency response of thermoacoustic system, this method proposed can achieve such an objective that these effects of operating and structural parameters of engine on startup modes and startup temperature can be revealed in an analytical way. Thus this approach to test and check thermal stability can be provided in a design phase, instead of using empirical frequency to design thermoacoustic systems. Electronic Supplementary Material  Supplementary material is available for this article at and is accessible for authorized users. Supported by National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50576024 and 51076013)     

斯特林制冷机的最小附加功率

讨论含有热阻和回热损失的不可逆斯特林制冷机的能量损失．导出制冷机在给定制冷率下的最小附加功率，并作些讨论．所得结论可为斯特林制冷机的优化设计和最佳工况的选择提供新理论依据．     

替代工质应用于冰箱毛细管的特性研究及优化方法

按照冰箱实际运行工况，对冰箱毛细管建立了比较完善的物理与数学模型，运用非线性解法，得出了一定情况下毛细管内工质Ｒ１２以及Ｒ１３４ａ的流动特性，在此基础上，提出的一种对具有回热的毛细管的优化方法，并计算出了一定工况下不同的替代工质的毛细质与回气管的最佳匹配。     

一类三热源制冷机的生态学优化准则

以生态学准则函数为目标，研究一类三热源制冷机的优化性能．导出制冷机的一些新性能参数，为制冷机的最佳工况选择提供了一个新方案，对制冷机的优化设计有指导意义．     

不可逆卡诺制冷机的最小附加功率

导出存在热阻、热漏和内不可逆性的不可逆卡诺制冷机在给定制冷率下的最小附加功率,并由此导得一些新性能界限．所得结论可为制冷机的优化设计和最佳工况选择提供些新理论依据．     

单效溴化锂吸收式制冷机的仿真计算

溴化锂吸收式制冷机是一种可利用低品位热能的节能型制冷机.针对蒸汽型单效溴化锂吸收式制冷机在船舶空调系统中的应用,编写了制冷机的设计计算程序和变工况的仿真计算程序,主要研究设计参数对流体流量和传热面积的影响及外界参数对制冷量与热力系数影响的变化规律.其结果与理论分析能较好地吻合,对溴冷机的设计及操作运行、控制调节等具有一定的指导意义.     

一类不可逆斯特林制冷机的优化性能

应用有限时间热力学理论研究混合热阻、回热损失、回热时间对斯特林制冷机性能的影响,导出了该制冷机制冷率与制冷系数之间的优化关系式,并对一些极限情况作了讨论,其中一些结论与相关的文献所给出的结果相一致,所得结论能更全面地反映制冷机的观测性能,从而可为斯特林制冷机的优化设计和最佳工况的选择提供新的理论。     

过冷沸腾中热声振荡驻波自激形成的实验研究

借助工程信号处理的时域和频域方法,详细分析了竖直管内过冷沸腾中热声振荡特性,获得了热声振荡驻波自激形成与主流过冷度的关系．实验表明,当主流过冷度较大时,过冷沸腾声振荡具有多频性;随着过冷度的下降,多频的声振荡逐渐在管道长度方向上发展为具有单一高频的热声驻波;当过冷度下降到致使加热面接近饱和沸腾时,空泡群脉动所致低频压力波动将取代高频热声振荡驻波．在此基础上,提出了验证热声振荡驻波形成与否的相关判断原则,它可方便地应用于过冷沸腾传热工况的诊断之中．     

平面型热声转换装置的特性分析

利用热声效应制作出一种由加热层、绝缘层和储热层构成的平面型热声转换装置.对加热层输入交变电压信号时,由于焦耳效应及各层材料的不同热力学特性,其表面附近区域会产生相应的声波.通过对装置模型进行理论分析,推导出装置输出声压及效率的表达关系式,并利用高速数据采集系统及红外成像仪对装置工作特性进行了实验研究.结果表明:该平面型热声转换装置的输出声压和效率随输入电功率的增大而增大;环境温度对装置输出声压的影响较小;通过对装置表面静态温度场分布进行分析,得到装置结构的优化方法.该装置实现了电能、热能、声能之间的转换,具有无任何运动部件、频率可控、稳定性高等优点,因而可广泛用于电声换能领域.     

直线冰箱压缩机的频率特性

为了开发高性能、高可靠性的直线冰箱压缩机,从理论上分析了影响直线压缩机固有频率的因素,通过实验研究了直线压缩机在不同排气压力和工作频率下的工作特性.研究结果表明:直线压缩机的固有频率不仅与运动组件质量和弹簧刚度有关,还受到排气压力及活塞行程的影响,随排气压力的增大而增大;在不同的排气压力和活塞行程下,当工作频率接近固有频率时,压缩机的工作电流和输入功率最小,压缩机效率最高,工作可靠稳定.在设计直线冰箱压缩机时,为了使其高效、可靠稳定地运行,应保证额定运行工况下的固有频率与工作频率相等.     

双侧激励源对热声制冷谐振腔内声场分布的影响

超声磁致伸缩换能器作为热声制冷机的激励元件,其输出声场强度直接影响热声制冷的效率。为提高谐振腔内直观的声压幅值,在单侧磁致伸缩换能器激励的基础上,集合声波相干理论,应用有限元软件ATILA模拟了双侧激励情况下,不同长度谐振腔与激励相位的匹配关系对谐振腔内声压幅值的影响,并与单侧激励谐振腔内声压幅值做比较。研究结果表明:相同激励力情况下,双侧激励(170 mm受同相激励,340 mm受反相激励)谐振腔内产生的平面驻波声场更加稳定、单色性好、声压幅值是单侧激励的1.78(半波长谐振腔)/1.81倍(一个波长谐振腔),均接近于2倍关系。以上研究成果对双侧激励源的相位与谐振腔长度的匹配工作提供了实验依据。     

Experimental investigation of a 500 W traveling-wave thermoacoustic electricity generator

In this paper, an experimental investigation of a traveling-wave thermoacoustic electricity generator, which consists of a traveling-wave thermoacoustic heat engine and a linear alternator driven by that engine, is presented. Using the results of previous theoretical and experimental research, we designed and fabricated a traveling-wave thermoacoustic heat engine and a linear alternator. In the experiments, 450.9 W of electrical power was obtained with a maximum thermal-to-electrical efficiency of 15.03%, and a maximum electrical power of 481.0 W was achieved with 12.65% thermal-to-electrical efficiency.     

多孔填料回热器工质的压缩性研究

讨论了微型热声热机中气体工质在非等截面的多孔填料回热器中的压缩性,指出表征热声热机热声效应的热函数和粘性函数以及由热声效应所产生的平均功流均与工质在多孔填料中的压缩性虚部相关.理论研究表明,通过改变填料的特征尺寸就可以达到改变工质压缩性虚部的目的,进而可以获得最大的热声效应所产生的功流.