1、四級環路行波熱聲發電機的實驗研究摘 要：本文對一種四級壞路行波熱聲發電機進行了實驗研究?？疾炝酥本€電機外接電容、外接電阻 以及不同的工質成分對系統性能的影響。實驗發現在不同的外接電容下，系統可工作范圉對應的外接 電阻不一樣，且該外接電阻的上限會對系統的熱電效率產生影響，上限越高，系統的熱電效率越高。通過充入氮氣，改變系統的工質成分，可以提高系統的可工作電阻范圍上限，使系統的發屯量和效率 都得到了提高。關鍵詞環路；熱聲發電機；可工作范圍；電阻上限；0引言熱聲發動機是一種新型的外燃式熱機，由于其無運動部件、可靠性好、使用壽命長、 能夠利用低品位熱源等優點近些年來獲得了學者的廣泛關注與研究3。熱聲發

2、動機 按照其核心部件一回熱器中的聲場特性可以分為駐波發動機和行波熱聲發動機兩種。其 中行波熱聲發動機由于其基于對逆循壞，理論上對以達到卡諾效率而應用更加廣泛。直 線電機由于采用間隙密封技術，降低了活塞與氣缸的摩擦損失，使其聲電轉換效率較啟j。 熱聲發動機與直線電機可以組成熱聲發電機。熱聲發動機將熱能轉換為聲功，直線電機 將發動機輸出的聲功轉換為電功，完成熱電轉換。熱聲發電機最早是由美國的backhaus 在2004年首次提出，并以15%的熱電效率獲得了 58w的電功。經過更換新的電機以 及相應的發動機，又以16.8%的熱電效率獲得了 70 w的電功習。2008年，羅二倉提出 了百瓦級的行波熱聲

3、發電機并獲得了超過100 w的電功。2010年，吳張華、滿滿等設 計了一臺行波熱聲發動機，并根據該發動機的輸出特性設計相應的直線電機，獲得最大 電功481 w,最高熱電轉換效率12.03%叫 之后通過充入4.5%的制氣來降低整個系統 的運行頻率，又將最高電功提升到1043 w,最高熱電效率提升到19.8%叭浙江大學的 孫大明和王凱等也對該種類型的熱聲發電機以及發動機與直線電機的阻抗匹配方面進 行了非常細致的研究(91，0，1，2o然而，在這些行波熱聲發電機中，都有一根體積較大的 諧振管，使得其功率密度較低，實際應用存在困難。2010年，荷蘭的kccs de blok提出 了一種四級行波熱聲發動

4、機，該熱聲發動機增大了回熱器的面積，使得回熱器里的氣體 的振蕩速度明顯降低，提高了回熱器處的聲阻抗，因此降低了回熱器中的粘性損失，提 高了熱聲發動機的效率。他們以此熱聲發動機為原型開展了 score項目，在標準大 氣壓下獲得12.6 w的電功。2013年，吳張華、余國瑤等研制出的雙作用熱聲發電系 統，將三臺熱聲發動機核心單元連成冋路，屮間采用直線電機連接，獲得最大發電量1565 w,最高熱電效率16.8%r，51。但是這種結構對三臺電機的一致性提出了很高要求，實際 的應用也存在一定閑難。2015年，羅二倉、吳張華等提出了一種新型的環路行波熱聲發 電機，將三臺相同的熱聲發動機核心單元連成回路，中

5、間采用細長的諧振管連接。直線 電機旁接到發動機核心單元的岀口。該種結構使得系統體積大大縮小，功率密度得到提 高，并且電機旁接的結構對三臺電機的一致性要求較低，有較高的實際應用價值。在前基金項目：國家高技術研究發展計劃(2012aa051102)；北京市自然科學基金而上項h資助(3132034)期的三級環路行波熱聲發電機實驗屮，獲得最高電功4.69 kw,最高熱電效率18.4%。 本文是在以上三級環路行波熱聲發動機的基礎上進行的四級發電機的實驗，并進一 步考察了外接電容、外接電阻、以及工質成分對四級發電系統的性能影響。1實驗系統簡介熱聲發動機 檢心尤圖1是四級環路行波熱聲發電機的示意圖以及照片。

6、它是由四臺相同的熱聲發動機 核心單元通過細長的諧振管連接而成，在四臺熱聲發動機核心單元的出口接入四臺相同 的直線電機。為了抑制環路熱聲系統所具有的直流效應在其屮一臺發動機（2#）的 入口加入了椽膠彈性膜。諧振管采用的是內徑為20 mm,長度為1.5m的衛生級不銹鋼 管。熱聲發動機核心單元由主水冷器、冋熱器、高溫換熱器、熱緩沖管以及次水冷器組 成。每個部件的長度依次為60 mm, 60 mm, 80 mm, 125 mm和40 mm。熱聲發動機核 心單元的直徑為80 mm。主水冷器和次水冷器是翅片型的紫銅換熱器，采用25°c的冷 卻水進行冷卻?；責崞髦刑钊?20目的不銹鋼絲網，孔隙率為

7、0.81。高溫換熱器是翅片 型紫銅換熱器，外圍插入36根電加熱棒，每根額定加熱功率為300 w,以維持高溫換 熱器溫度為650°co熱緩沖管兩端各放入一片不銹鋼絲網和三片紫銅絲網作為層流化原 件，減少髙溫換熱器到次水冷器的射流效應。每臺直線電機都是由兩臺置的小電機組 成，以減小電機振動。每臺小電機的參數如表1。每臺直線電機都與一臺電阻箱和一個 電容（照片中未標出）串聯，實驗屮通過改變電阻箱的電阻以及串聯不同的電容來考察 系統的性能。實驗屮充氣壓力為6mpao亠主水冷»處級沖*血線電機一 扶水冷0(a)(b)圖1四級環路行波熱聲發電機(a)示意圖(b)照片fig 1 (a)

8、schematic (b) photograph of four-stage looped traveling-wave thermoacosutic electricgenerator表1頁線電機參數數值65table 1 parameters of motors參數活塞直徑（nwi）動質量（kg）1.8彈簧剛度（kn/m）76機械阻尼（ns/m）24機電常數（n/a）140線圈電阻（q）1.9線圈電感（mh）155背腔容積（l）1.22實驗結果與分析2.1外接電阻與外接電容對系統的影響直線電機外接電阻和外接電容的大小會對發動機的熱聲轉換和電機本身的聲電轉 換產生影響，并進一步影響發電機的熱

9、電轉換。本小節主要對直線電機的外接電阻和外 接電容的影響進行實驗研究。實驗中工質為6 mpa的高純氨氣，熱端溫度為650°c,室 溫端為25°c。四臺電機在外接電容為20 pf、16.7 pf和15 pf下，改變外接電阻，考 察系統性能。圖2是不同電容下系統的頻率隨外接電阻的變化?？梢钥吹?，在相同的電容下，外 接電阻的變化對系統頻率的影響不大。而電容的變化對系統頻率會產生一定影響，可以看到外接20嚇電容時,圖2不同電容下頻率隨外接電阻的變化fig 2 frequency of the system vs. load resistance with different ele

10、ctric capacitances圖3是不同電容下1#發動機核心單元外接的電機前腔壓力波動幅值隨外接電阻的 變化?？梢钥闯?，在各個外接電容下，隨著外接電阻的增大，電機前腔壓力波動幅值是 逐漸減小的。電機前腔壓力波動幅值的人小是系統能否正常運行的一個重要標準：當電機前腔的壓力波動幅值較人時，電機活塞位移較大，容易出現撞缸現象；當電機前腔壓 力波動幅值較小時，系統可能會出現消振或者跳頻的不穩是現彖。因此，實驗中存在一 個系統能正常工作所對應的前腔壓力波動幅值范圍。在本實驗屮，該前腔壓力波動幅值 范圍為250 kpa500 kpa。由圖3可以看出，在不同的電容下，系統的町工作范圍對應 的外接電阻是

11、不一樣的，如外接電容為20 pf時，系統的工作范圉大致為25 q-45 q, 而在外接電容為15 pf時，系統的工作范圉大致為40 q-70qo202530 j5 4045*05560 6s 7075外接電h（n）«<h 二=丑它%弋±佶»二5-芒200圖3不同電容下1#電機前腔壓力波動隨外接電阻的變化fig 3 pressure amplitude in the front space of 1# linear alternator vs. load resistance with di fl erentelectric capacitances圖4是不同

12、電容下系統的輸出聲功、輸出電功與加熱量隨外接電阻的變化。由該圖 可以看出，在不同電容下，隨著外接電阻的減小，系統的輸出聲功（短虛線空心點）是 逐漸增大的。并且在外接電容為20 pf和16.7 pf時，系統的輸出電功也是逐漸增大的。 在外接電容為15 pf,外接電阻為40g時，獲得最高輸出電功5.7 kw。但是需要注意的 是，由于我們的實驗條件是固定高溫換熱器溫度為650 °c,在外接電阻減小的過程屮, 系統的加熱量也在急劇增加。因此電阻的減小并不能完全說明系統的性能得到改善，還 需要從效率方面進行綜合考慮。40202530 j5 40455055606570外接電rl（n）5 0 5

13、3 3 275圖4不同電容下輸出聲功、輸出電功與加熱量隨外接電阻的變化fig 4 total acoustic work, electric work, heating power vs. load resistance with different electriccapacitances圖5是不同電容下系統的熱聲效率、聲電效率與熱電效率隨外接電阻的變化。從熱 聲效率來看，隨著外接電阻的減小，熱聲效率是逐漸降低的。對比圖4可以看出，雖 然減小電阻可以增加輸出聲功，但是由于加熱量的急劇增加，導致系統的熱聲效率是下 降的。從聲電效率來看，隨著外接電阻的減小，系統的聲電效率是逐漸降低的。因此電 阻

14、的減小導致熱聲效率和聲電效率都會降低，二者共同作用，導致系統的熱電效率降低。 由圖5還可以看出，在相同的外接電阻下，不同電容的各個效率是比較接近的。并ii隨 著外接電阻的逐漸增大，熱聲效率和熱電效率都是逐漸提高的，二者共同作用導致系統 的熱電效率逐漸提高。實驗屮在外接電容為15 pf,外接電阻為70q時，獲得最高熱電 效率18.7%o圖5不同電容卜熱聲效率.聲電效率耳熱電效率隨外接電阻的變化fig 5 thermoacoustic efficiency, acoustic-to-electric efficiency and thennal-to-electric efficiency vs.

15、load resistance with difierent electric capacitances2.2不同工質成分對系統的影響本小節主要考察不同的工質成分對系統性能的影響。實驗中將四臺電機外接16.7 pf 的電容，并且在系統工質中充入7%的氮氣，進行實驗。圖6是在不同工質成分下系統頻率隨外接電阻的變化?？梢钥吹?，充入氮氣之后系 統的頻率明顯低于未充入氮氣時的頻率，且頻率基本不隨外接電阻變化。說明工質的成 分是影響系統頻率的一個重要因素。外接電rl (q)圖6不同工質成分下系統頻率隨外接電阻的變化fig 6 frequency of the system vs. load resist

16、ance with different working gas圖7是在不同工質成分下1#電機前腔壓力波動幅值隨外接電阻的變化。由該圖可 以看出，兩種工質下隨著外接電阻的增大，電機前腔壓力波動都是逐漸減小的，且在相 同的電阻下，充入氮氣后的系統的壓力波動幅值是遠大于未充入氮氣時系統的壓力波動 幅值，并且系統可工作范圍對應的外接電阻的上限獲得提高，最大可工作電阻從原來的 60 q增加到了 75 qo50035404550556065兀 758()外接電無 ar -7% ar500050004 4 3 3 «<h二j逗吃揺弋逆咎淫二蘭e250圖7不同工質成分卜t#電機前腔壓力波動幅值

17、隨外接電阻的變化fig 7 pressure amplitude in the front space of 1# linear alternator vs. load resistance with differentworking gas圖8是在不同工質成分下輸出聲功、輸出電功與加熱量隨外接電阻的變化。由該圖 可以看出，充入氟氣之后系統在相同的外接電阻下輸出的聲功和電功都大幅增加，最高 輸出電功由5.1 kw增加到5.8 kwo但此時加熱量也大幅增加，因此還需要從效率方面 來進行綜合考慮。b卅功o.2 9 6 3 0 7 44 3 3 3 3 2 2(>vo 衣電功外接電rl(ft)

18、圖8不同工質成分卜輸出聲功.輸出電功m加熱量隨外接電阻的變化fig 8 total acoustic work, electric work, heating power vs. load resistance with different working gas 圖9是在不同工質成分下系統熱聲效率、聲電效率與熱電效率隨外接電阻的變化。 從熱聲效率來看，在外接電阻小于60 0時，充入氮氣的系統的熱聲效率小于未充入氮 氣的系統，但是由于充入筑氣之后系統可工作的外接電阻的上限提高，使得系統充入氟 氣之后能夠工作于大于60 q的范圍，在該范圍內系統的熱聲效率有所提高。從聲電效 率來看，在外接電阻小于

19、60 q時，充入氮氣使系統的聲電效率有所提高，并且由于充入氮氣之后系統可工作的外接電阻的上限提高，使得電機的聲電效率能夠繼續隨著外接 電阻的增人而增人，而不會由于前腔壓力較小而導致系統的消振或者跳頻。因此充入氮 氣之后，使得系統可以工作的外接電阻的上限提高，獲得了一個較高的熱聲效率和聲電 效率，從而使得熱電效率也獲得了提高。最高的熱電效率從未充入氮氣的17.8%增大到 了充入氮氣后的1&8%。*35405570外接電rl (q)圖9不同工質成分卜熱聲效率.聲電效率m熱電效率隨外接電阻的變化fig 9 thermoacoustic efficiency, acoustic-to-elec

20、tric efficiency and thennal-to-electric efficiency vs.load resistance with diiterent working gas3結論本文對一種四級環路行波熱聲發電機進行了實驗研究。考察了直線電機外接不同的 電容和電阻對系統頻率、電機前腔壓力波動幅值、功率以及效率的影響。實驗發現，在 不同的外接電容下，系統可工作范圉對應的外接電阻不一樣，外接電容越小，系統可工 作范圍的外接電阻的上限也就越高。在效率方面發現隨著外接電阻的增加，熱聲效率和 聲電效率都會增加，并且在不同電容下的熱聲效率和聲電效塞都比較接近。這就導致了 隨著外接電阻的增

21、加，系統的熱電效率會增加，且可工作范圍的電阻上限越大，系統的 熱電效率也就越高。此外，還探究了系統中充入氮氣對系統的影響。實驗發現在相同的 外接電容下，系統中充入氮氣后會使其可工作范圍的外接電阻的上限提高，使其最大發 電量和最高熱電效率都獲得提高。參考文獻1 孫大嘰邱利民，嚴偉林，等.熱聲發動機用加熱器的設計與實驗驗證j.工程熱物理學報,2004, 25(2):226-228sun darning, qin limin, yan weilin, et al. design and experimental verification of a heater for thcrtnoacoustic

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