外激勵(lì)熱聲斯特林制冷機(jī)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(shù)得到了快速的發(fā)展,無可動(dòng)部件的優(yōu)勢使熱聲熱機(jī)具有良好的前景。傳統(tǒng)斯特林熱機(jī)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(yán)格的運(yùn)動(dòng)相角關(guān)系,這需要機(jī)械部件來確保,使得其工作頻率不可能很高,而熱聲熱機(jī)無運(yùn)動(dòng)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(jī)的瓶頸問題仍然是機(jī)器尺寸大,輸出功率密度小。把熱聲熱機(jī)和斯特林熱機(jī)結(jié)合起來,用熱聲理論來指導(dǎo)斯特

2、林循環(huán)的不斷完善與提高,充分利用無運(yùn)動(dòng)部件的優(yōu)勢以提高機(jī)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(shí),也開拓了熱聲斯特林換能設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)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(shè)計(jì)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)450-500K左右溫度,通過外激勵(lì)降低

3、起振閾值,使熱聲斯特林制冷機(jī)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(jí)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(dǎo)和輻射接收和排出,其外表面作為一個(gè)等溫?fù)Q熱器,換熱器內(nèi)側(cè)由一個(gè)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(dǎo)性能和表面積,在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)能夠與工作流體交替存儲(chǔ)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(gè)工作流體都有自己獨(dú)特的物理特性,而空

4、氣和氦氣是兩個(gè)主要被采用的工作流體。
　　為實(shí)現(xiàn)熱聲斯特林諧振換能器,分析了當(dāng)前國外正在研制的熱聲斯特林系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,在目前可實(shí)現(xiàn)的水平下,提出一個(gè)200mm尺寸水平的單元制冷頭樣機(jī)結(jié)構(gòu)。在線性熱聲理論基礎(chǔ)上,建立其數(shù)學(xué)模型,估算出其主要尺寸、工作頻率、聲功和焓流。
　　回?zé)崞髟跓崧暉釞C(jī)中是一個(gè)關(guān)鍵部件,其兩端溫差影響長度,而回?zé)崞鏖L度又影響制冷機(jī)的聲功及效率,同時(shí)回?zé)崞魈盍线€具有選頻特性。不論從儲(chǔ)能的觀點(diǎn)還是從濾波的觀

5、點(diǎn)來看,諧振器的品質(zhì)因數(shù)――Q因子都是至關(guān)緊要的特性。因此圍繞回?zé)崞鞯倪@些問題展開了回?zé)崞魈盍系念l率特性實(shí)驗(yàn)研究,為熱聲斯特林諧振換能器的廣泛應(yīng)用建立基礎(chǔ)。
　　其次設(shè)計(jì)制造了單元制冷頭的外激勵(lì)源――動(dòng)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(guān)鍵部件。對其主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算,以及磁路計(jì)算,由此得到了動(dòng)磁激振器的結(jié)構(gòu)尺寸。并對制造出的動(dòng)磁激振器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了活塞運(yùn)動(dòng)行程及力常數(shù),結(jié)果表明,動(dòng)磁激振器具有良好的前