毕业论文（设计）双作用热声斯特林发电机调相机构的研究

1、双作用热声斯特林发电机调相机构的研究摘要：与传统型热声斯特林发电机相比，双作用型热声斯特林发电机具有潜在的高效率与高能量密 度。谐振机构作为调节声场相位的部件，对双作用型热声斯特林发电机的性能有着重要的影响。本文 主要对比了弹簧振子调相与谐振管调相两种方式对于系统性能的影响，分析了调相方式对于系统性能 的影响机理，考察了调相方式对于系统输出性能的影响。计算结果表明，采用弹簧振子调相的系统， 其热效率与输出声功均有所提高，其输出声功约为谐振管调相系统的两倍，提升效果十分显著。 关键词：热声斯特林发电机；双作用；弹簧振子；谐振管；0前言20世纪以来，随着化石能源的大规模应用，能源短缺以及环境污染带

2、来的问题对人 类社会发展的影响日趋明显。作为一种新型外燃式机械，热声斯特林发电机以其灵活的 热源适应性，可以应用在太阳能利用、工业余热回收等多个领域，对于节能减排具有重 要的意义。同时热声斯特林发电机一般使用氨气、氮气等不活泼气体作为工质，对环境 友好。与传统斯特林机相比，由于高温端消除了运动部件，同时发电机实现了无油润滑 与无磨损运行，热声斯特林发电机还具有可靠性好、寿命长等优点。热声斯特林发电机 也因此成为近年来世界上的研究热点之一。热声斯特林发电机一般由热声斯特林发动机与直线发电机组成。热声斯特林发动机 的概念最早由美国george mason大学的ceperley提出旧，并在随后经历了

3、由传统型热 声特林发动机°句到双作用型热声斯特林发动机®可的发展。基于传统型热声斯特林发动 机的热声斯特林发电机由backhaus等人于2002年首先开展冈，他们在实验中以16.8% 的热电效率获得了 70w的发电量随后罗二仓小组对谐振管等做出了改进，获得了 更高的发电量与效率，m2o2012年，吴张华等在实验中获得了 1043w的发电量以及19.8% 的热电效率旧。浙江大学的孙大明等人也做过类似的研究【。与传统型热声斯特林发电机相比，双作用型热声斯特林发电机取消了体积庞大的驻 波型谐振管与反馈管，体积大幅缩小。同时利用多发电机单元组成多级系统，输出功率 也得到大幅提高。谐

4、振机构用于调节系统声场的相位，使其尽量保持在行波相位的附近， 对于系统的性能有着重要的影响。同时谐振机构作为连接不同发电机单元的部件，自身 可以传递声功，从而回收上一个发电机单元的一部分声功进入下一个发电机单元，提高 系统的整体效率。2013年，我们课题组曾设计了一台采用直线电机调相的系统，但是实 验小出现振动过大的问题最近我们组乂计了一台采用细反谐振管调相的热声斯特林 发电机，实验中获得了 4.69kw的最大发电量以及1&4%的最大热电效率，大幅提高了 热声斯特林发电机的输出功率问。但是实验中发现，环路中的gedeon直流会带來严 重的热损失，同时谐振管中气体振荡速度过大，也会带来明

5、显的声功损失。这些都对系 统的性能产生了不利的影响。为了解决这些问题，采用弹簧振子代替谐振管进行调相是 一个可行的方案，可大幅降低流速、减小流动损失，同时自身质量较小，可有效降低振基金项目：国家高技术研究发展计划(2012aa051102)；北京市自然科学基金面上项h资助(3132034)动强度。本文主要对比了弹簧振子调相与谐振管调相两种调相方式对于系统性能的影响。首 先通过考察系统声场一些关键参数的沿程分布，分析了不同调相方式对于系统性能的影 响机理。在此基础上，考察了两种不同调相方式对于系统输已性能的影响。最后，文章 还考察了弹簧振子阻尼系数对于弹簧振子调相系统性能的影响。1系统介绍图1是

6、弹簧振子调相的双作用热声斯特林发电机的结构示意图。系统包括四个相同 的发电单元，发电单元之间通过弹簧振子首尾相连。每个热声发电单元依次包括主水冷 器，冋热器，加热器，热缓冲管，次水冷器，以及直线发电机，其中直线发电机对置旁 接于次水冷器出口处。热量由加热器进入系统，在回热器屮通过热声效应转化为声功。 声功从次水冷器流出，一部分进入直线发电机推动电机活塞振荡进行发电，一部分经过 弹簧振子的调相之后流入下一个发电单元进行循环。图2是谐振管调相的双作用热声斯 特林发电机结构示意图，与图1所示结构相比，该结构釆用细长的谐振管代替弹簧振子 作为调相机构。图1弹簧振（调相系统除声斯转林发电单元直俊发电机-

7、主只冷器加ab次k冷himf 冲*图2谐振管调相系统2计算模型本文采用美国los alamos国家实验室开发的deltaec软件进行数值计算罔。该软件基 于经典热声学理论，对系统内声场进行芦学近似处理，然后对声场的一些主要参数进行一维 上的数值积分，利用打靶法进行求解。由于环路的对称性，本文只针对其屮单个单元进行数 值计算。对于四单元的环路系统，单元进出口的体积流率与压力波动相位差均为90。另一 方面，相对于热声发动机交变流动与传热的复杂性，直线发电机技术已经较为成熟，因此本 文主要针对发动机部分进行数值分析。在数值模拟过程中，将直线发电机作为集总部件进行 处理，具体以声阻抗的形式加以表示。r

8、n.膨胀侧pe-uea爪缩侧pcua图3弹费振子物理模型示意图发动机主要部件的参数如表1所示。在弹簧振子调相系统中，弹簧振子物理模型如图3 所示，其控制方程主要为力平衡方程，如式（1）所示。其中弹簧振子的刚度k为110kn/m, 质量块直径为60mm,阻尼系数 陽为10ns/im在谐振管调相系统屮，谐振管直径为20mmo 为了便于利用中低品位能源，加热温度设定为340°c。环境温度为30°c,工作气体为6mpa 的氨气。表1热声斯特林发动机主要部件的参数主要部件部件参数主水冷器080><60mm,管道直径1.5mm,孔隙率0.2回热器080x70mm, 120目

9、丝网，丝径50屮“加热器<i)80x80mm,翅片间距 1mm热缓冲管<i)80x 150mm,壁厚 6mm,孔隙率 0.373次水冷器80x40mm,管道直径2.8mm,孔隙率0.436k、jtj旗”=0匸上+吒3声场参数沿程分布的比较不同的谐振机构，调相机理也有所不同。本节主要考察系统声场一些关键参数的沿程分 布，从而对两种调相方式对于系统内部能量转换过程的影响进行分析与对比。计算过程中, 采用两种调相方式的系统运行频率均为60hz,负载阻抗的幅值与相角分别为7xlo7pa s/m图4弹费振子调相系统相位沿程分布图5谐振管调相系统相位沿程分布图5、图6是两种调相方式的系统压力波

10、动与体积流率相位沿程分布情况。由图4可以 看出，弹簧振子调相的系统压力波动的相位在发动机管路内从42。减小到46。，儿乎保持不 变，经过弹簧振子后，从46。大幅度减小35-132%其主要靠弹簧振子的惯性进行调节。而体 积流率的相位在整个发动机单元内保持相对均匀的变化，其主要依靠发动机中气体的可压缩 性进行调节，与弹簧振子无关。而图5所示的弹簧振子调相的系统压力波动的相位在发动机 管路内从34。减小到-39°,几乎保持不变，经过谐振管后，从39。大幅度减小至-124%其主 要依靠谐振管内气体的惯性进行调节，这点与弹簧振子调相的系统比较类彳以。体积流率的相位在发动机内从0。减小至-59&

11、#176;,经过谐振管后，继续减小至-90°,发动机部分与谐振管部分 对其均有一定的调节作用。但是发动机部分由于直径较大，主要表现为容性阻抗，因此在体 积流率的调节过程中占据主要作用。与弹簧振子相比，谐振管不仅可以调节压力波动相位, 对体积流率的相位也具有一定的调节能力，因此更具有灵活性。图6是两种调相方式的系统 发动机部分压力波动与体积流率相位差的沿程分布。从图中可以看出，与弹簧振子调相的系 统相比，谐振管调相的系统无论在回热器部分还是在负载入口处，其声场都更加接近行波相 位；前者有利于回热器内的热声转换效应，后者有利于负载对声功的利用，两者都有利于系 统效率的提高。4020-20

12、0.0 叮 0.20.30.40.5x(m)图6发动机部分相位差沿程分布-40图7、图8分别表示两种调相方式的系统声功沿程分布。采用弹簧振子调相的系统，在 冋热器内，通过热声效应，声功由6631w放大至10225w,共获得3594w的声功。经过弹 簧振子后，由于摩擦阻尼，声功从7103w减小至6635w,损失了 468w,占回热器内产生 声功的13.0%。采用谐振管调相的系统，在回热器内，声功由5242w放大至7953w,共获 得2711w的声功。但是在谐振管屮，由于粘性阻尼，系统声功从6242w减小至5242w,损 失了 1000w的声功，占回热器内产生声功的36.9%。谐振机构损失声功过大

13、，这会严重降低系统的效率。ic500($)«<0.000.2030.40.5x(m)(0000.6图7弹簧振子调相系统声功沿程分布45000.00.51.01.52.02.53.0x(m)图8谐振管调相系统声功沿程分布0075总的来说，谐振管调相的系统对于系统声场相位的调节更加灵活，可以保证回热器与负 载入口处的声场更加接近行波相位，但是谐振管内气体的粘性阻尼同时会带来大量的声功损 失。而弹簧振子调相的系统则可以消除该项损失，自身由于摩擦阻尼产牛的声功损失相对较 小。图9、图10分别表示两种调相方式的系统压比与体积流率幅值沿程分布情况。弹簧振 子调相的系统可以获得更高的压比，这

14、有利于提高系统的输出功率。0')40.0 0.10.20.30.40.50.6x(m)图9弹簧振子调相系统压比与体积流率沿程分布)21)1 o o g0.)0l.(m)1.30体枳瀝率幅(ft亠压比r d亠>0.00.5!.01.52.0233.0x(m)图10谐振管调和系统压比与体积流率沿程分布4输出性能的比较由于调相机理的不同，采用不同谐振机构的系统输出性能乜会有所不同。本节主要考察 两种调相方式的系统输出性能随负载的变化。为了排除频率的干扰，计算过程中固定系统运行频率为60hzo).4iooo.2 io>i vm1 pa vm*|z|*s.oa io'p

15、71; vm* - p-ioe-iovm*8080图11弹赞振子调相系统热效率随负载的变化0 80-4004080r1抗相角图12弹赞振子调相系统输出声功随负载的变化阻抗相角(。)图11、图12分别表示弹簧振子调相系统热效率以及输出声功随负载阻抗的变化规律, 其屮系统热效率与单元输出声功分别由式(2)、式(3)表示，qh表示加热量，em、e°ui分 别表示负载前后的声功。由图中可以看出，负载对系统的性能有看十分显著的影响，且对系 统热效率与输出声功有着不同的影响规律。综合考虑系统热效率与输出声功，阻抗幅值为 8xl()7pas/n?比较合适。此时，随着阻抗相角的变化，系统所能取得的最

16、大热效率与最大输 出声功均比较高，同时输出声功的变化比较平稳。当阻抗相角为10。时，系统可获得24.9% 的最人热效率；阻抗相角为50。时，系统可获得3527w的最大单元输出声功。= ein-eout图13、图14分别表示弹簧振子调相系统热效率以及输出声功随负载阻抗的变化规律。 由图中可以看出，谐振管调相系统热效率以及输出声功随负载的变化规律与弹簧振子调相系 统比较类似。综合考虑系统热效率与输出声功，最佳负载阻抗幅值为6xlo7pa s/m当阻抗 相角为6。时，谐振管调相系统可获得21.6%的最大热效率；阻抗相角为45。时，谐振管调相 系统可获得1609w的最大单元输出声功。对比两种调相方式下

17、的系统性能，可以发现，采用弹簧振子调相的系统，其热效率与输 出声功均比谐振管调相系统有所提高。根据前一节的分析，采用弹簧振子调相，可以减少谐 振机构带来的损失，但是对于系统相位的调节能力有所下降，因此其效率相比谐振管调相系 统提升较小。另一方面，由于弹簧振子调相的系统能够获得更高的压比，因此其输出功率相比谐振管调相系统有显著的提升，约为谐振管调相系统的两倍。0.0-80-40040阻抗相角（。）80图13谐振管调和系统热效率随负载的变化0.4.;111 2000-12>«kio p1vbi1 o o oo80-40040阻抗相角（。）图14谐振管调相系统输出声功随负载的变化i5

18、ooiooo5002)谷2壬簿尺w5弹簧振子阻尼系数对系统性能的影响根据前面的分析，弹簧振子调相的系统性能改善的关键因素是有效降低了谐振机构产生 的声功损失，而弹簧振子的阻尼系数直接影响了与其相关的摩擦损失。因此本节主要考察弹簧振子阻尼系数对于系统性能的影响。根据第4节的计算结果，系统所选用负载阻抗幅值为8xlo7pa-s/m*«集5000阻抗相角（。）图15阻尼系数对系统热效率的影响-80-4004080阻抗相为（。）图16阻尼系数对系统输出声功的影响(mm)(mm)(xm)(mm)4 i i图15、图16是不同阻尼系数对于系统性能的影响。由图中可以看出，在计算的范围内， 阻尼系数

19、对于系统热效率的影响非常小，但是对系统输出声功有较大影响。随着阻尼系数的 增加，系统输出声功出现明显的下降。图17是阻尼系数对弹簧振子处体枳流率的影响。随 着阻尼系数的增加，弹簧振子处体积流率出现明显下降。而摩擦损失不仅与阻尼系数有关, 与弹簧振子的振荡速度也有直接的联系。系统通过降低振荡速度，来抵消增人阻尼而带来的 摩擦损失的增加，系统热效率因此得以维持较小的变化。但随着系统内部声场的减弱，系统 输出声功的能力却受到明显的削弱。图17阻尼系数对弹费振子处体积流率的影响(5e)*獲卒技$4還惠希6结论本文主要对比了弹簧振子调相与谐振管调相两种方式对于系统性能的影响。首先通过考 察系统声场-些关

20、键参数的沿程分布，分析了不同调相方式对于系统性能的影响机理。谐振 管能够更加灵活地调节系统内声场的相位，可以保证冋热器与负载入口处的声场更加接近行 波相位，但是谐振管内气体的粘性阻尼同时会带來大量的声功损失。而弹簧振子调相的系统 则可以消除该项损失，自身由于摩擦阻尼产生的声功损失相对佼小。另一方面，弹簧振子调 相的系统可以获得更高的压比，这有利于提高系统的输出功率。在此基础上，本文对比了两 种调相方式下系统的输出性能。计算结果表明，采用不同调相方式的系统，其最佳负载阻抗 有所不同。但总的來说，釆用弹簧振子调相的系统，其热效率与输出声功均有所提高。其中 热效率提升较小，输出功率的提升效果则十分显

21、著，约为谐振管调相系统的两倍。最后，文 章还考察了弹簧振子阻尼系数对于弹簧振子调相系统的影响。在计算的范围内，随着阻尼系 数的增加，弹簧振子处的体积流率下降明显，系统热效率维持较小的变化，但是其输出声功 的能力却受到明显的削弱。阻尼系数对于弹簧振子调相系统的性能影响较大，合适的阻尼系 数是保证系统高效运行的关键。参考文献1 ceperley p h. a pistonless stirling engine-the traveling wave heat engine j. the journal of the acoustical society of america, 1979, 66(5

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