外激勵熱聲斯特林制冷機的研究.pdf

1、化石燃料的枯竭前景以及能源利用從集中走向分散的趨勢使得可再生能源利用技術得到了快速的發(fā)展,無可動部件的優(yōu)勢使熱聲熱機具有良好的前景。傳統(tǒng)斯特林熱機的理論效率與卡諾效率一樣高,它能夠利用外掛能源,但是需要嚴格的運動相角關系,這需要機械部件來確保,使得其工作頻率不可能很高,而熱聲熱機無運動部件,因此理論頻率可以非常高,甚至是超聲范圍。但是熱聲熱機的瓶頸問題仍然是機器尺寸大,輸出功率密度小。把熱聲熱機和斯特林熱機結(jié)合起來,用熱聲理論來指導斯特

2、林循環(huán)的不斷完善與提高,充分利用無運動部件的優(yōu)勢以提高機器的工作頻率,就有可能產(chǎn)生比較大的功率密度,來滿足用戶的能量需求。這為可再生能源利用提供了一條新途徑的同時,也開拓了熱聲斯特林換能設備的應用領域,本文正是在這樣的思路下展開了研究工作。
　　首先從太陽能熱聲制冷板的概念設計中提出,使用吸收系數(shù)與反射系數(shù)相差大的高性能半導體材料來利用太陽能或工業(yè)廢熱,通過微通道與加熱腔連接,在熱端局部實現(xiàn)450-500K左右溫度,通過外激勵降低

3、起振閾值,使熱聲斯特林制冷機工作在諧振狀態(tài),從而產(chǎn)生出需要的功率密度。對制冷溫差較大的場合,通過級聯(lián)的方法來滿足要求。制冷板的熱能在外表面經(jīng)過傳導和輻射接收和排出,其外表面作為一個等溫換熱器,換熱器內(nèi)側(cè)由一個陣列構(gòu)成,陣列中的材料具有合適的質(zhì)量和比熱,熱傳導性能和表面積,在一個時間周期內(nèi)能夠與工作流體交替存儲和傳遞熱能,并且能夠匹配制冷板換熱器的熱諧振周期。根據(jù)需要,制冷板可以采用不同的工作流體,每個工作流體都有自己獨特的物理特性,而空

4、氣和氦氣是兩個主要被采用的工作流體。
　　為實現(xiàn)熱聲斯特林諧振換能器,分析了當前國外正在研制的熱聲斯特林系統(tǒng)。在此基礎上,在目前可實現(xiàn)的水平下,提出一個200mm尺寸水平的單元制冷頭樣機結(jié)構(gòu)。在線性熱聲理論基礎上,建立其數(shù)學模型,估算出其主要尺寸、工作頻率、聲功和焓流。
　　回熱器在熱聲熱機中是一個關鍵部件,其兩端溫差影響長度,而回熱器長度又影響制冷機的聲功及效率,同時回熱器填料還具有選頻特性。不論從儲能的觀點還是從濾波的觀

5、點來看,諧振器的品質(zhì)因數(shù)――Q因子都是至關緊要的特性。因此圍繞回熱器的這些問題展開了回熱器填料的頻率特性實驗研究,為熱聲斯特林諧振換能器的廣泛應用建立基礎。
　　其次設計制造了單元制冷頭的外激勵源――動磁激振器,它是降低熱聲斯特林諧振換能器的起振閾值的關鍵部件。對其主要參數(shù)進行了設計計算,以及磁路計算,由此得到了動磁激振器的結(jié)構(gòu)尺寸。并對制造出的動磁激振器進行了實驗研究,得到了活塞運動行程及力常數(shù),結(jié)果表明,動磁激振器具有良好的前