畢業(yè)論文（設計）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%的熱電轉化效率，相對卡諾效率達到25.8%,表明了其利用低品位熱源驅動發(fā)電的潛力。關鍵詞四級環(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域具有應用潛力。熱聲發(fā)動機通?？煞譃轳v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，這種結構簡單的環(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)動機的應用方式之一。近年來，隨著對熱聲技術實用化的推進，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，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25.1%,相對卡諾效率達45.

4、1%。諸多研究表明了環(huán)路行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的應用潛力。然而，前述系統(tǒng)均需由溫度較高的熱源來驅動，使得其在與傳統(tǒng)熱能利用技術的競爭中無法體現出優(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)的構想，在熱聲發(fā)動機環(huán)路中設置了多個熱聲核,可以有效利用200°C以下的熱源驅動發(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)電中的應用提供了一條可行的技術途徑。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范圍內的輸出電基金項H：國家自然科學基金(No.51576170),國家重點棊礎研究發(fā)展計劃項忖(2016YFB0901403)。壓、熱電轉化效率等參數，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)的部分關鍵結構尺寸見表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)的主要結構尺寸部件主冷卻器回熱器加熱器熱緩沖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)動機產生聲波，再由聲波來驅動發(fā)電機來實現的。本文采用的發(fā)電機特性參數如表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、回熱器等）的壓力、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