谐振管耦合双效斯特林热机的机理研究

Heat-driven cryocoolers have virtues such as no inter-mediate energy conversion process, simple structure and low cost, etc. They may find important applications in liquefaction of natural gas and other gases, combined cold-heat-electricity generation and space missions. Based on analyses of classic duplex Stirling and thermoacoustically-driven cryocooler system, here we focus on a new configuration of duplex Stirling which utilizes a resonance tube to couple the prime mover and the cryocooler. Theoretical and numeric study will be performed to deeply investigate the working mechanisms inside. Main research contents include: (1) Energy transportation process inside the resonance tube with travelling wave as the main component; (2) Impedance match between the prime mover and cryocooler connected with a resonance tube; (3) System thermodynamics and dynamics in transient processes; (4) System characteristics with distributed load. The research will enrich contents of related disciplines and set a solid basis for future application.

热驱动低温制冷机具有无中间能量转换环节、结构简单、成本低等优点，在小规模天然气和更低温区气体液化、冷热电联供以及空间应用方面有重要的应用潜力。针对传统双效斯特林机和热声发动机驱动低温制冷机等结构的不足，本申请对一种新型的谐振管耦合的双效斯特林热机结构开展研究，拟通过理论和实验研究深入揭示其高效工作机制，主要研究内容包括：（1）行波声场条件下谐振管中声功传输机制；（2）系统阻抗匹配机制；（3）系统非稳态过程的热力学和动力学机制；（4）分布式负荷下的系统特性。本研究将实现一种新型热驱动低温制冷机结构，丰富相关学科内容，为将来应用打下坚实基础。

热驱动低温制冷机具有无中间能量转换环节、结构简单、成本低等优点，在非常规天然气液化、冷热电联供和空间应用方面有重要应用潜力。本项目提出采用新型谐振管耦合双效斯特林热机结构来推动技术发展。针对该创新热驱动制冷结构在其复杂工作机理阐释和工作性能展示等方面的不足，本项目主要开展了行波声场下谐振管声功传输机制、系统阻抗匹配机制、系统非稳态过程的热力学和动力学机制、分布式负荷下的系统特性等四个方面的研究工作。通过本项目的研究，发展了频域和时域多单元耦合热声系统的声电类比网络模型，深入揭示了非线性起振过程的动力学特性，在自由活塞斯特林发电机实验中系统地观测到了热声热迟滞回路现象和不同于传统热声热机的表现特性，实验结果验证了模型的有效性；提出了螺旋型谐振管以提升体积功率密度，通过CFD计算和实验研究掌握了谐振管的传输机制、声阻抗调节机理和损失特性，提出了损失修正因子，在兼顾计算速度的前提下提升了定量设计的精度；分别开展了自由活塞斯特林发动机和自由活塞斯特林制冷机的理论和实验研究工作，掌握了两者的声阻抗特性分布规律及其与热声转换性能之间的关系，研制成功热声转换效率>42%的6kW声功级发动机，以声功计相对卡诺效率为34%的80K温区500W级制冷机，并提出了并联回热器新结构以进一步提升功率量级；提出了新型冷电联供结构，获得了电机的最佳耦合位置，揭示了本结构在参数敏感性方面的优势；优化设计了一台在液化天然气温区具有1000W制冷量的谐振管耦合双效斯特林冷电联供系统，㶲效率近20%，同时可提供800W。