毕业论文（设计）四级环路行波热声发动机发电性能模拟

1、级环路行波热声发动机发电性能模拟1*摘要多级环路行波热声发动机有着可利用低甜位热能发电的应用潜力。本文对四级环路行波热声 发动机的发电特性进行了模拟，分析了工作频率和加热温度对系统发电性能的影响。模型中采用的加 热温度为120c200°c,旨在分析此温度位的热源对该发电系统的适用性。系统工作时的平均压力为 2.5 mpa。结果显示，在加热温度为150°c,频率为57 hz条件下系统获得了 7.9%的热电转化效率，相 对卡诺效率达到25.8%,表明了其利用低品位热源驱动发电的潜力。关键词四级环路；行波；热声发动机；热声发电0前言热声发动机可将热量转换为声功，具有运行可靠和环境

2、友好等优点，在能源可再 生利用领域具有应用潜力。热声发动机通常可分为驻波型和行波型，行波热声发动机因 其热力循坏的可逆性一般比驻波型更高效。因此，自ceperley提岀第一台坏路形式的行 波热声发动机后，这种结构简单的环路行波热声机械得到了广泛的研究铁热声发电是 热声发动机的应用方式之一。近年来，随着对热声技术实用化的推进，研究者们对环路 行波热声发动机的发电性能进行了许多探索°yu"等致力于低成本单级环路热声发动机 发电的工作，使用扬声器作为发电机，在500 w的加热功率下获得了 7.1 w的电功ochcn5 等建立了双级坏路热声发电系统，利用厨灶燃烧天然气产生的余热进行

3、发电，在两级加 热温度分别为250°c和200°c时获得了 15 w的电功，热电转化效率为3.3%。kang等对 双级环路热声发电系统进行了实验，使用he为工质，工作压力1.8 mpa,在两级热端温 度分别为512°c和452°c时得到了 204 w的最大电功，在热端温度分别为597°c和511°c 时得到了 3.43%的热电转化效率。hamood等将直线发电机通过谐振管上的支路连接在 两级发动机之间，并以he为工质进行了模拟，在加热温度为400°c时获得138.4 w的电 功输出，热电效率高达25.1%,相对卡诺效率达45

4、.1%。诸多研究表明了环路行波热声发电系统的应用潜力。然而，前述系统均需由温度较 高的热源来驱动，使得其在与传统热能利用技术的竞争中无法体现出优势。blok&刃指出 热声系统最具前景和商业价值z处是能够利用废热和太阳能建立起的70-200°c的温度 差，提出了多级环路行波热声发电系统的构想，在热声发动机环路中设置了多个热声核, 可以有效利用200°c以下的热源驱动发动机工作；拟建造一台可以利用130150°c低温 废气的发电系统，以期获得10 kw的电功。blok的理念和尝试为低品位热源在行波热声 发电中的应用提供了一条可行的技术途径。然而，对这种多级行波

5、热声发电系统机理的 研究尚不充分，其性能也还有待进一步改进和提高。本文拟建立四级环路行波热声发电系统，并基于deltaec软件对系统进行性能模拟 和分析，主要考察在平均压力为2.5 mpa以及加热温度为120°c200°c范围内的输出电基金项h：国家自然科学基金(no.51576170),国家重点棊础研究发展计划项忖(2016yfb0901403)。 压、热电转化效率等参数，旨在探索四级环路行波热声发动机利用较低温度热源发电的 可行性。1模拟对象及方法图1为四级坏路行波热声发电系统，由四级环路行波热声发动机冈连接四台发电机 构成。系统由完全相同的四级单元组成，每级单元依次包

6、括主冷却器、冋热器、加热器、 热缓冲管、次级冷却器、谐振管和发电机等。发电机连接在紧挨着次级冷却器的谐振管 ±o系统的部分关键结构尺寸见表1所列。图1四级环路行波热声发电系统表1四级坏路行波热声发电系统的主要结构尺寸部件主冷却器回热器加热器热缓冲管次级冷却器谐振管直径（mm）130130130252525长度（mm）252025700201500热声发电是通过热声发动机产生声波，再由声波来驱动发电机来实现的。本文采用 的发电机特性参数如表2所列。在发电机的输出端拟接入电阻r和电容c作为外接负载, 如图1所示。采用基于线性热声理论的deltaec软件对热声发电系统的性能进行模拟与分析。

7、 deltaec根据线性热声理论中的动量方程、连续性方程和能量方程对热声系统屮的部件 （包括谐振管、换热器、回热器等）的压力、体积流速和温度进行求解。线性热声理论 的动量方程、连续性方程和能量方程分别为：iep"xdp =u1-九clu叫+(心)尬+沽册卸yp.nh=-repu(l )+ %”巴i 曲(人+ er丘)如一(必+ a& j 如2(1 + 6(1-九)2炯1-k)|l-九5 w dx丿力dh .=q(4)dx式中，错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。分别表示体积 流速振幅、压力振幅、气体流通面积和角频率。错误!未找到引用源。和错误!未找

8、到引 用源。分别表示气体平均密度、平均工作压力和平均温度。错误!未找到引用源。、错误! 未找到引用源。、错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。分别为绝热指数、定压比 热容、热导率和普朗特数。错误!未找到引用源。为虚数单位。错误!未找到引用源。和 错误!未找到引用源。分别表示粘度方程、传热方程。错误!未找到引用源。和错误!未找 到引用源。分别表示流道固体的截面积和热导率。错误!未找到引用源。和错误!未找到 引用源。分别表示复数的实部和虚部。错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。为 总能流和单位长度换热量。上标表示取共辘复数。农2发电机的特性参数背腔容积s (m2)内阻 厂(错误！ 未找到

9、引用 源。)内感le (h)机电常数bl (t m)动质量m (kg)机械刚度k (n/m)机械阻尼r,n (n-s/m)0.001396.860.084150.010.5080.0003443.23对于发电机，deltaec根据发电机入口处声波的压力、体积流速等值计算出发电机 的电压、电流以及输出电功率，具体控制方程为】：i=(zmvl-tpl)/(zezm-tl)(5)= rez + imz式中，错误!未找到引用源。为电机负载电路电流，错误!未找到引用源。为电机负载两 端电压。错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。分别为气体压力振幅和体积流速振 幅。错误!未找到引用源。、错误!未找到引

10、用源。分别为电机机械阻抗和电阻抗；z为发 电机外接负载的电阻抗，错误!未找到引用源。和c为负载电阻和电容。通过式(8)来限 定发电机外接负载电阻抗的电容和电阻值，从而研究特定外接负载下的发电性能。系统中采用he/ar混合气体作为工质，工作时的平均压力为2.5 mpa。2模拟结果分析与讨论由于四级系统内各个单元的结构是完全相同的，每个单元中的输入和输出的压力振 幅、体积流速振幅以及温度、频率等的值相等，压力、体积流速的相位差90%鉴于这 种对称性，下面仅就某一级单元进行模拟和分析。图2显示了声功和总能流在系统中的 分布情况，x轴上的位置点如图1所示。在水冷器和次级水冷器处，由于冷却水会带走 热量

11、，总能流出现下降，而在加热器处，由于有热量输入，总能流出现增加。在回热器、 热缓冲管和谐振管处，总能流则保持不变。此外，回热器处产生了大量声功，而其余部 件内则会消耗声功。图h'x=0.792m处是发电机的接入位置，此处总能流的减少量即为 发电机输出的电功率大小，电功率与加热器输入热量之比即为热电转化效率。由于发电 机的内部损耗，此处的声功减少量大于总能流的减少量，并将后者与前者之比作为声电 转化效率。500250sso o o400a/wk25453504duu0.0 0.51.01.52.02.5y(m图2热声发电系统内的能量分布情况图36显示了在给定外接负载的电阻和电容(r=30

12、q, c=0f)和he/ai工质组分 (he摩尔分数x=0.85)下，系统的发电性能随着加热温度的变化关系。从图3屮可见，加热温度在140150°c之间热电转化效率存在最大值。在图中120200°c温度范围内，热 电转化效率为4.9%6.0%。从图4中可见，随着加热温度的升高，发电机输出电压增大。 由于外接电阻和电容不变，电流随电压的升高而增大。根据式(6)可知，当乙不变时，匕随着口的变化同时增大或减小。图5表明发电 机入口的气体体积流速振幅和压力振幅均随加热温度的上升而增大，使得图4中的输出 电压随加热温度上升而增大。图6则显示尽管输出电功率随温度上升有所增大，但输入 系

13、统的热量也需增加，这使得图3中热电转化效率的变化不明显。0.240.20严6诿0.120.080.04热电转化效率、-相对卡诺效率、12014016018020010820加热温度th(°c)6$ 溟4壬加热温度th(°c)图3加热温度对热电转化效率和相对卡诺效率的影响 图4加热温度对发电机输出电压和电流的影响25205 o 5 o2a52dlx1al173j50204080o 51 m/mqs-tfs'esx/匡黑熾垢菸拴5 4 3 2 1 0o202080-1o20加热温度齐(。0图5加热温度对发电机入口压力振幅和体积流速振幅的影响加热温ffith(°

14、c)图6加热温度对加热量和输出电功率的影响图710显示了在给定加热温度(th=150°c)和外接电阻和电容负载(rez=30q, imz=0q) f，系统的发电性能随频率的变化关系。计算中，频率变化通过改变he/ar 工质组分配比來实现。从图7中可见，热电转化效率随着频率的降低先增大后减小，在 57hz附近存在最高热电转化效率(7.9%)。图8则表明输出电压和电流随着频率的增大 也存在最大值(66.4v, 2.2a)o图9给出了发电机入口参数随频率的变化情况。可以发现，发电机入口体积流率随 频率的升高存在最大值，结合式（6）即可解释图8中发电机输出电压与之有类似的变化 趋势。图10则

15、显示，虽然电功率随频率的升高存在最大值，但是所需加热量却随频率的 升高而单调增加，使得图7中的热电转化效率存在峰值且随频率的升高而变化显著。5图7频率対热电转化效率和相对k诺效率的影响图8频率对发电机输出电压和电流的影响43<607080频率f(hz)904 3 2 1302003 edo2xwb51ji806040060708090100频率f(hz)mm/w聚吕4 3 2图9频率对发电机输入压力振幅和体积流速振幅的影响 图10频率对加热杲和发电机电功率的影响此外，发电机的输出电功率随频率增加存在极值的现象述与电机自身的特性有关。当发电机入口压力振幅给定时，输出电功率可由式（9）计算得

16、到叨：(9)_|卩冲必3 (bz? 一 xn + 心尺,)2 + (x,a +式中，错误!未找到引用源。为发电机机械阻抗的虚部，其中错误!未找到引用源。表示 等效刚度。错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。分別表示电阻抗实部和虚部。 错误!未找到引用源。由式（9）可知，频率/会改变发电机自身的机械阻抗和电阻抗。 在入口压力振幅、外接负载和结构参数等给定时，发电机的机械阻抗和电阻抗决定了它 的输出电功率。根据式（9）对图10工况下的输出电功率进行计算时，随着频率/的增 大，输岀电功率w存在最大值。3结论利用deltaec软件对四级环路行波热声发电系统开展了模拟计算，对不同加热温度 和工作频率

17、下系统的输出电压、热电转化效率等发电性能进行了分析与讨论。结果表明， 系统随着加热温度和频率的变化存在热电转化效率最大值。系统在加热温度为150°c条 件下，通过改变频率获得了 7.9%的热电转化效率，可见，四级环路行波热声发电系统在 利用低品位热能进行发电方面具有显著的应用潜力。然而，系统在发电机外接负载与热 声系统的匹配，以及系统的结构、运行参数选择等方面仍有优化改进的空间，以期在热 电转化效率方面达到更高的水平。参考文献1 garrett s l. the power of sound j. american scientist, 2000, 88(6): 516-5252 j

18、in t, huang j, feng y, et al. thermoacoustic prime movers and relrigerators: thermally powered engines without moving components j. energy, 2015, 93: 828-8533 yu z, backhaus s, jaworski a j. design and testing of a travelling -wave looped-tube engine for low-cost electricity generators in remote and

19、 rural areas c. proceedi ngs of 7 th in ternational energy conversion engineering conference, denver, colorado, usa, 20094 yu z, jaworski a j, backhaus s travelling-wave thermoacoustic electricity generator using an ultra- compliant alternator for utilization of low-grade thermal energy j. applied e

20、nergy, 2012, 99(2): 135-1455 chen b, yousif a a, riley p h, hann d b development and assessment of thcrmoacoustic generators operating by waste heat from cooking stove j. engineering, 2012, 4(12):894-9026 kang h, cheng p, yu z, zheng h a two-stage traveling-wave thermoacoustic electric generator wit

21、h loudspeakers as alternators j. energy, 2014, 137: 9-177 hamood a, mao x, jaworski aj. design of two-stage thermoacoustic stirling engine coupled with push-pull linear alternator for waste heat recovery j. icr2015: the 24th hr international congress of refrigeration, yokohama, japan, 20158 de blok k. novel 4-stage traveling wave thermoacoustic power generator c. in asme 2010 3rd joint us-european fluids engineering summer meeting collocated with 8th international conference on nanochannels,