畢業(yè)論文（設(shè)計）四級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機發(fā)電性能模擬

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1、級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機發(fā)電性能模擬1*摘要多級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機有著可利用低甜位熱能發(fā)電的應(yīng)用潛力。本文對四級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機的發(fā)電特性進行了模擬，分析了工作頻率和加熱溫度對系統(tǒng)發(fā)電性能的影響。模型中采用的加熱溫度為120C?200°C,旨在分析此溫度位的熱源對該發(fā)電系統(tǒng)的適用性。系統(tǒng)工作時的平均壓力為2.5MPa。結(jié)果顯示，在加熱溫度為150°C,頻率為57Hz條件下系統(tǒng)獲得了7.9%的熱電轉(zhuǎn)化效率，相對卡諾效率達(dá)到25.8%,表明了其利用低品位熱源驅(qū)動發(fā)電的潛力。關(guān)鍵詞四級環(huán)路；行波；熱聲發(fā)動機；熱聲發(fā)電0前言熱聲發(fā)動機可將熱量轉(zhuǎn)換為聲功，

2、具有運行可靠和環(huán)境友好等優(yōu)點⑴，在能源可再生利用領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。熱聲發(fā)動機通常可分為駐波型和行波型，行波熱聲發(fā)動機因其熱力循壞的可逆性一般比駐波型更高效。因此，自Ceperley提岀第一臺壞路形式的行波熱聲發(fā)動機后，這種結(jié)構(gòu)簡單的環(huán)路行波熱聲機械得到了廣泛的研究〔鐵熱聲發(fā)電是熱聲發(fā)動機的應(yīng)用方式之一。近年來，隨著對熱聲技術(shù)實用化的推進，研究者們對環(huán)路行波熱聲發(fā)動機的發(fā)電性能進行了許多探索°Yu〔"]等致力于低成本單級環(huán)路熱聲發(fā)動機發(fā)電的工作，使用揚聲器作為發(fā)電機，在500W的加熱功率下獲得了7.1W的電功oChcn[5]等建立了雙級壞路熱聲發(fā)

3、電系統(tǒng)，利用廚灶燃燒天然氣產(chǎn)生的余熱進行發(fā)電，在兩級加熱溫度分別為250°C和200°C時獲得了15W的電功，熱電轉(zhuǎn)化效率為3.3%。Kang⑹等對雙級環(huán)路熱聲發(fā)電系統(tǒng)進行了實驗，使用He為工質(zhì)，工作壓力1.8MPa,在兩級熱端溫度分別為512°C和452°C時得到了204W的最大電功，在熱端溫度分別為597°C和511°C時得到了3.43%的熱電轉(zhuǎn)化效率。Hamood⑺等將直線發(fā)電機通過諧振管上的支路連接在兩級發(fā)動機之間，并以He為工質(zhì)進行了模擬，在加熱溫度為400°C時獲得138.4W的電功輸出，熱電效率高達(dá)25.1%,相對卡諾效率達(dá)45.

4、1%。諸多研究表明了環(huán)路行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。然而，前述系統(tǒng)均需由溫度較高的熱源來驅(qū)動，使得其在與傳統(tǒng)熱能利用技術(shù)的競爭中無法體現(xiàn)出優(yōu)勢。Blok[&刃指出熱聲系統(tǒng)最具前景和商業(yè)價值Z處是能夠利用廢熱和太陽能建立起的70-200°C的溫度差，提出了多級環(huán)路行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)想，在熱聲發(fā)動機環(huán)路中設(shè)置了多個熱聲核,可以有效利用200°C以下的熱源驅(qū)動發(fā)動機工作；擬建造一臺可以利用130?150°C低溫廢氣的發(fā)電系統(tǒng)，以期獲得10kW的電功。Blok的理念和嘗試為低品位熱源在行波熱聲發(fā)電中的應(yīng)用提供了一條可行的技術(shù)途徑。然而，對這種多級行波

5、熱聲發(fā)電系統(tǒng)機理的研究尚不充分，其性能也還有待進一步改進和提高。本文擬建立四級環(huán)路行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)，并基于DeltaEC軟件對系統(tǒng)進行性能模擬和分析，主要考察在平均壓力為2.5MPa以及加熱溫度為120°C?200°C范圍內(nèi)的輸出電基金項H：國家自然科學(xué)基金(No.51576170),國家重點棊礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項忖(2016YFB0901403)。壓、熱電轉(zhuǎn)化效率等參數(shù)，旨在探索四級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機利用較低溫度熱源發(fā)電的可行性。1模擬對象及方法圖1為四級壞路行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)，由四級環(huán)路行波熱聲發(fā)動機岡連接四臺發(fā)電機構(gòu)成。系統(tǒng)由完全相同的四級單元

6、組成，每級單元依次包括主冷卻器、冋熱器、加熱器、熱緩沖管、次級冷卻器、諧振管和發(fā)電機等。發(fā)電機連接在緊挨著次級冷卻器的諧振管±o系統(tǒng)的部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸見表1所列。圖1四級環(huán)路行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)表1四級壞路行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)尺寸部件主冷卻器回?zé)崞骷訜崞鳠峋彌_管次級冷卻器諧振管直徑（mm）130130130252525長度（mm）252025700201500熱聲發(fā)電是通過熱聲發(fā)動機產(chǎn)生聲波，再由聲波來驅(qū)動發(fā)電機來實現(xiàn)的。本文采用的發(fā)電機特性參數(shù)如表2所列。在發(fā)電機的輸出端擬接入電阻R和電容C作為外接負(fù)載,如圖1所示。采用基于線性熱聲理論的D

7、eltaEC軟件對熱聲發(fā)電系統(tǒng)的性能進行模擬與分析。DeltaEC根據(jù)線性熱聲理論中的動量方程、連續(xù)性方程和能量方程對熱聲系統(tǒng)屮的部件（包括諧振管、換熱器、回?zé)崞鞯龋┑膲毫?、體積流速和溫度進行求解。線性熱聲理論的動量方程、連續(xù)性方程和能量方程分別為［⑼：iep"xdp=U1-九clU叫+(心)尬+沽冊卸YP.nH=-Re[pU(l——)]+——%”巴I——曲(人+er丘)如一(必+A&J如2(1+6(1-九)」2炯1-k)

8、l-九『5Wdx…丿力⑶dH.—=Q(4)dx式中，錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。分別表

9、示體積流速振幅、壓力振幅、氣體流通面積和角頻率。錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。分別表示氣體平均密度、平均工作壓力和平均溫度。錯誤!未找到引