声学双作用行波型热声发动机高效热声转换工作机理研究

This project is proposed to reveal the high efficient thermoacoustic conversion mechanism of the acoustical double-acting traveling-wave thermoacoustic heat engine. It is also expected to provide proper technology solutions to improve the efficiency of the acoustical double-acting heat-driven thermoacoustic refrigerators or generators. It will give the theoretical guide to design an acoustical double-acting heat-driven thermoacoustic system. The content mainly includes: (1) Study on the characteristics of the acoustical double-acting, to reveal the phase shift mechanism of the acoustical double-acting thermoacoustic heat engine. (2) Study on the coupling mechanism of the acoustical double-acting thermoacoustic heat engine with different loads. (3)The method of using coupler is proposed to improve the thermoacoustic conversion efficiency of the whole system. The researches will be carried out in this project are the key scientific issues to explore the working mechanism of the acoustical double-acting system and to promote its application in practice. It is worth of further study.

本项目旨在系统研究声学双作用行波热声发动机高效热声转换工作机理，在此基础上提出有效提高声学双作用热声发动机驱动制冷或发电系统整机效率的技术方案，为声学双作用驱动不同负载系统的设计提供理论基础。主要研究内容包括：（1）研究声学双作用特性，以揭示声学双作用热声发动机中的调相机理；（2）研究不同负载与声学双作用热声发动机的耦合规律；（3）提出采用耦合器提高声学双作用热声系统整机效率的技术途径。本项目拟开展的研究工作是探索声学双作用热声系统工作机理及其应用推广过程中急需解决的关键科学问题，其研究具有重要的学术意义。

本项目旨在系统研究声学双作用行波热声发动机高效热声转换工作机理，在此基础上提出有效提高声学双作用热声发动机驱动制冷或发电系统整机效率的技术方案，为声学双作用驱动不同负载系统的设计提供理论基础。主要研究内容和成果有：（1）研究了声学双作用热声发动机的调相规律，明确了影响声学双作用热声发动机热功转换效率的关键因数是回热器处的高声阻抗和行波相位，需两个条件同时达到才能使回热器获得更高效的热声转换效率。此外，谐振管的耗功和换热器的换热性能也会影响整机性能。提出了新型的壳管式换热器，可有效提高换热性能。（2）研究了不同负载与声学双作用热声发动机的耦合规律，基于在室温制冷温区热声制冷机入口最优阻抗角为正值的发现，提出了直连型低品位热源驱动的室温制冷机新流程。实验中在加热温度为300℃，环境温度为50℃时，在10℃的制冷温度获得了4.0kW的制冷量，相应的COP为0.28。相比以前国内外报道的相同工况下的热驱动热声制冷机，制冷量和COP都大幅提升。（3）提出采用机械耦合器作为调相部件，可以用于耦合两级脉管制冷机或者耦合热声发动机与制冷机。理论和实验研究表明，机械耦合器可以在耗功较小的情况下，满足相位调节的需求。（4）提出了旁通型和并联型可以梯级利用热源的热声发动机新流程，并理论验证了其可行性。在并联型结构的实验中获得了32.3%的热声效率。本项目的研究完成了预期的研究目标，取得的研究成果在探索声学双作用热声系统工作机理及其应用推广过程中具有重要的意义。