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以直线发电机为负载的热声斯特林发动机输出特性研究

作　者: 楼平
导　师: 邱利民; 孙大明
学　校: 浙江大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 热声发动机 直线发电机 热电转换 阻抗匹配
分类号: TM359.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


热声发动机是一种新型热功转化装置,具有无运动部件、可利用低品位能源、工质无污染等优点,在天然气液化、电子器件冷却、气体分离、热声发电等方面有着广泛的应用前景,近年来受到国内外研究者的广泛关注。深入理解热声发动机的输出特性,对于实现发动机与负载的匹配,进而提高热声发动机驱动负载的整机效率具有重要的意义。本文针对热声发动机的输出特性开展了理论和实验研究,取得的进展主要包括：(1)基于电-力-声类比方法,建立了直线发电机的简化物理模型,分析了直线发电机的能量转化过程,实现了基于线性热声理论的热声发动机驱动直线发电机负载的数值模拟。(2)利用线性热声理论分别对发电机负载、热声发动机驱动阻容(Resistance and Compliance, RC)负载和热声发动机驱动发电机负载进行了数值模拟。分析讨论了工作频率、外接负载、入口压力振幅、活塞面积对发电机性能与阻抗分布的影响；获得了以氦气为工质时,与发动机最佳输出特性对应的阻抗输出区域；研究了气体工质、外接负载、充气压力和加热功率对发动机驱动发电机整机性能的影响,初步总结了发动机与发电机之间的耦合关系。(3)分别以氮气和氦气为工质开展了初步的热声发动机驱动直线发电机负载实验,结果表明负载与发动机之间的声学传输部件可有效地改进发动机的输出特性；以氦气为工质,在2.1MPa充气压力下,获得了140W的输出电功。与计算结果进行了对比,验证了计算的可靠性。进一步地,从阻抗匹配和声电效率两个方面,通过采用两台驱动和外接电路串联电感的方式,实现了对热声发动机驱动发电机负载的优化计算,优化后该系统在2.1MPa充气压力,加热端温度为650℃,外接电阻为160Ω时,可获得输出电功248W,热声效率为15.2%,热电效率为11.1%。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
主要符号表  8-10
目录  10-12
第一章 绪论  12-30
  1.1 研究背景和意义  12-13
  1.2 热声技术的主要研究进展  13-20
    1.2.1 热声现象的早期发现  13
    1.2.2 热声发动机的研究进展  13-20
  1.3 热声理论的主要研究进展  20-23
    1.3.1 线性热声理论  20-22
    1.3.2 非线性热声理论  22-23
  1.4 热声发动机驱动负载的研究进展  23-28
    1.4.1 热声发动机驱动脉管制冷机的研究进展  24-26
    1.4.2 热声发动机驱动直线发电机的研究进展  26-28
  1.5 目前存在的主要科学问题  28-29
  1.6 本文主要的研究工作  29-30
第二章 热声理论及直线发电机理论基础  30-40
  2.1 前言  30
  2.2 线性热声理论  30-33
    2.2.1 基本控制方程  30-31
    2.2.2 方程组的热声简化  31-32
    2.2.3 时均能量流  32-33
  2.3 直线发电机理论基础  33-37
    2.3.1 直线发电机的结构与原理  33-34
    2.3.2 控制方程及电-力-声类比模型  34-37
  2.4 基于线性热声理论的数值模拟  37-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章 热声发动机驱动发电机负载的数值模拟  40-58
  3.1 前言  40-41
  3.2 直线发电机负载的数值模拟  41-46
    3.2.1 数学物理模型  41
    3.2.2 直线发电机负载的模拟结果  41-46
  3.3 热声发动机驱动阻容负载的数值模拟  46-50
    3.3.1 数学物理模型  46-48
    3.3.2 热声驱动RC负载的模拟计算结果  48-50
  3.4 热声发动机驱动发电机负载的数值模拟  50-57
    3.4.1 数学物理模型  50-51
    3.4.2 热声发动机驱动发电机负载的模拟计算结果  51-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章 热声发动机驱动直线发电机负载的实验研究  58-73
  4.1 实验装置简介  58-60
    4.1.1 行波热声发动机  58
    4.1.2 直线发电机  58-59
    4.1.3 测试系统  59-60
  4.2 热声发动机驱动发电机负载的实验结果与分析  60-68
    4.2.1 以氮气为工质的实验结果与分析  60-65
    4.2.2 以氦气为工质的实验结果与分析  65-68
  4.3 发动机与发电机的親合匹配特性的优化分析  68-72
    4.3.1 阻抗匹配优化  69-70
    4.3.2 声电效率优化  70-72
  4.4 本章小结  72-73
第五章 总结与展望  73-75
  5.1 全文总结  73-74
  5.2 本文的主要创新点  74
  5.3 展望  74-75
参考文献  75-81
攻读硕士学位期间的主要成果  81-82
致谢  82

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 特殊电机 > 直线电机
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