張麗敏 羅二倉 吳張華 余國瑤 戴 巍

(1中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點實驗室 北京 100190)(2中國科學(xué)院研究生院 北京 100049)

1 引言

雙作用熱聲發(fā)電機是由多個熱聲發(fā)動機與多個直線電機串聯(lián)組成環(huán)形結(jié)構(gòu)的一種新型熱聲發(fā)電裝置［1］。熱聲發(fā)動機將熱能轉(zhuǎn)換為聲能，再由直線電機將聲能轉(zhuǎn)換成電能。熱聲發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，潛在效率高，工質(zhì)無污染以及能利用低品位熱能等優(yōu)點。熱聲發(fā)動機與高效的直線電機組成的多缸雙作用熱聲發(fā)電機不僅能發(fā)揮熱聲發(fā)動機的優(yōu)勢，而且取消了傳統(tǒng)熱聲發(fā)動機體積龐大的諧振管，使系統(tǒng)的功率密度大大提高。它可以利用太陽能或生物質(zhì)能等作為熱源，極具市場應(yīng)用前景。目前，關(guān)于雙作用熱聲發(fā)電機的研究才剛剛起步，不同的工作介質(zhì)對雙作用熱聲發(fā)電機的影響尚不明確。本文對一臺三缸的雙作用熱聲發(fā)電機進(jìn)行了數(shù)值模擬，考察了不同工作介質(zhì)下系統(tǒng)的熱力性能。

2 計算模型

三缸雙作用熱聲發(fā)電機由3個熱聲發(fā)動機和3個直線電機組成，如圖1所示。單個熱聲發(fā)動機和單個直線電機可示為一個單元塊。理論上，組成雙作用熱聲發(fā)電機的3個單元塊完全一致。每個熱聲發(fā)動機的部件包括主水冷器、回?zé)崞?、加熱器、熱緩沖管和次水冷器。每個直線電機由活塞、氣缸、動子、定子和板簧組成。熱聲發(fā)動機與上一級直線電機間由前連接管相連，與本級直線電機間由后連接管相連。熱聲發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。直線電機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。系統(tǒng)內(nèi)的平均壓力為5 MPa，加熱器溫度保持923 K(650℃)，環(huán)境溫度為303 K(30℃)。

圖1 三缸雙作用熱聲發(fā)電機示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-cylinder thermoacoustic double-acting electric generator

表1 熱聲發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Dimensions of thermoacoustic engine

表2 直線電機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Dimensions of electric generator

數(shù)值模擬采用DeltaEC6.2計算軟件。DeltaEC(Design Environment for Low－Amplitude ThermoAcoustic Energy Conversion)是美國Los Alamos國家實驗室Bill Ward、John Clark和Greg Swift開發(fā)的基于熱聲理論的用來模擬熱聲裝置的計算軟件［2］。不同的部件可以用相應(yīng)的模塊來模擬。計算模塊包括換熱器、回?zé)崞?、管路、聲容、活塞等。圖1所示的雙作用熱聲發(fā)電機可以簡化為若干模塊進(jìn)行計算。

3 計算結(jié)果分析及討論

對采用不同氣體工質(zhì)的系統(tǒng)分別進(jìn)行了模擬計算，獲得了不同工作介質(zhì)下雙作用熱聲發(fā)電機的熱力性能。計算表明，三缸雙作用熱聲發(fā)電機的3個單元塊結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致時，3個熱聲發(fā)動機和3個直線電機的工作狀況也是相同的。因此，以下計算所得圖線中僅給出單個單元塊獲得的電功、需要的加熱量等計算值結(jié)果。

首先，對工作介質(zhì)為N2、CO2和Ar 3種氣體時分別進(jìn)行了模擬計算。圖2和圖3是前連接管入口壓比與活塞位移和加熱量隨電機外接電阻變化的計算曲線。三者有著相同的變化趨勢，隨著外接電阻的增大，先快速增大，隨后增大速度明顯減小。圖4所示為單個電機獲得電功與系統(tǒng)熱電效率隨外接電阻的變化關(guān)系。采用N2為工質(zhì)時，獲得的電功最大，系統(tǒng)效率也最高。采用Ar時次之，采用CO2時系統(tǒng)性能最差。但總體來說，采用這3種氣體工質(zhì)時，系統(tǒng)獲得的電功均很小(單個電機電功低于100 W)，效率也很低(低于13%)。隨著外接電阻的變化，獲得電功與系統(tǒng)效率存在一個極大值點。但效率極值點對應(yīng)的外接電阻值與獲得電功極值點對應(yīng)的外接電阻值不是重合的。因此，在應(yīng)用設(shè)計時需要折中考慮，以保證獲得足夠的電功同時系統(tǒng)效率不能太低。圖5是系統(tǒng)的頻率隨外接電阻的變化曲線。采用不同的工質(zhì)時系統(tǒng)頻率不同，而頻率隨外接電阻的變化較小。

圖2 采用N2、CO2、Ar為工質(zhì)時，前連接管入口壓比和活塞位移隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.2 Pressure ratio at front connecting tube inlet and displacement of piston vs.external resistance with N2，CO2and Ar as working gas respectively

圖3 采用N2、CO2、Ar為工質(zhì)時，加熱量隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.3 Heating power added to system vs.external resistance with N2，CO2and Ar as working gas respectively

圖4 采用N2、CO2、Ar為工質(zhì)時，獲得電功和系統(tǒng)熱電效率隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.4 Electric power and thermoelectric efficiency of system vs.external resistance with N2，CO2 and Ar as working gas respectively

圖5 采用N2、CO2、Ar為工質(zhì)時，系統(tǒng)頻率隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.5 Frequency of system vs.external resistance with N2，CO2and Ar as working gas respectively

圖6 采用不同組分的He-Ar為工質(zhì)時，前連接管入口壓比和活塞位移隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.6 Pressure ratio at front connecting tube inlet and displacement of piston vs.external resistance with He-Ar mixture of different components as working gas respectively

圖7 采用不同組分的He-Ar為工質(zhì)時，加熱量隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.7 Heating power added to system vs.external resistance with He-Ar mixture of different components as working gas respectively

圖8 采用不同組分的He-Ar為工質(zhì)時，獲得電功和系統(tǒng)熱電效率隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.8 Electric power and thermoelectric efficiency of system vs.external resistance with He-Ar mixture of different components as working gas respectively

圖9 采用不同組分的He-Ar為工質(zhì)時，前連接管入口壓比和活塞位移隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.9 Pressure ratio at inlet of front connecting tube and displacement of piston vs.external resistance with He-Ar mixture of different components as working gas respectively

隨后，對系統(tǒng)采用不同組分的He－Ar混合氣作為工質(zhì)時，進(jìn)行了模擬計算。相應(yīng)的計算曲線如圖6—圖9所示。計算結(jié)果表明，氦氣含量越高時，系統(tǒng)內(nèi)的壓比越大，活塞位移越大，所需加熱量越大。另外，頻率也隨著氦氣含量增加而增加。對該熱聲發(fā)電機，氦氣含量越高，獲得電功越大，系統(tǒng)的效率也更高。當(dāng)氣體工質(zhì)為純He(即100%He)不含Ar組分，單個電機獲得電功極大值為1 106 W，此時系統(tǒng)的熱電效率為22%。那么，3臺電機獲得的總電功為3 318 W，熱電效率為22%。目前，獲得電功最大的熱聲發(fā)電系統(tǒng)是中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所吳張華等研制的500 W行波熱聲發(fā)電樣機［3］，工質(zhì)為氦氣，最大獲得電功為481.0 W，此時熱電效率僅為12.65%。且此熱聲發(fā)電樣機是傳統(tǒng)熱聲發(fā)動機驅(qū)動直線電機組成的系統(tǒng)，帶有5.3 m的諧振管，功率密度較低。該模擬計算結(jié)果表明，雙作用熱聲發(fā)電機功率密度大大提高，而且雙作用結(jié)構(gòu)有利于回收一部分聲功，使系統(tǒng)效率得到提高。

圖10 采用He、H2為工質(zhì)時，前連接管入口壓比和活塞位移隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.10 Pressure ratio at front connecting tube inlet and displacement of piston vs.external resistance with He and H2as working gas respectively

圖11 采用He、H2為工質(zhì)時，加熱量隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.11 Heating power added to system vs.external resistance with He and H2as working gas respectively

圖12 采用He、H2為工質(zhì)時，獲得電功和系統(tǒng)熱電效率隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.12 Electric power and thermoelectric efficiency of system vs.external resistance with He and H2 as working gas respectively

圖13 采用He、H2為工質(zhì)時，系統(tǒng)頻率隨外接電阻的變化關(guān)系Fig.13 Frequency of system vs.external resistance with He and H2as working gas respectively

以上計算結(jié)果表明，系統(tǒng)的熱力性能受工質(zhì)特性影響很大。在分析的幾種氣體中，N2、CO2以及Ar的導(dǎo)熱系數(shù)相差不大，而He、H2的導(dǎo)熱系數(shù)比N2等氣體大一個量級左右，H2為最高。計算表明，對于氣體工質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，其熱聲轉(zhuǎn)換性能越好。相應(yīng)的計算結(jié)果如圖10—圖13所示。如圖12所示，采用氫氣比采用氦氣為工質(zhì)，熱電效率變化不大，但是獲得的電功大大增加了，單個電機最大可獲得1 715 W的電功，此時的熱電效率為22.8%。3個電機獲得的總電功達(dá)5 145 W。如圖10所示，此時的活塞位移也比較大，為12.8 mm。這將對電機提出更高的要求。另外不利的一點是，氫氣為易燃易爆氣體，有一定的危險。當(dāng)然，系統(tǒng)采用的純氫為工質(zhì)，再通過合理的防爆設(shè)計可以有效的解決這一問題。

4 結(jié)論

在不同工作介質(zhì)下，對一臺三缸雙作用熱聲發(fā)動機進(jìn)行了數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明，系統(tǒng)的熱力性能受工質(zhì)特性影響很大。以N2、CO2、Ar為工質(zhì)時，獲得電功均較小，系統(tǒng)的熱電效率也較低。對于He－Ar混合氣作為工質(zhì)時，氦氣含量越高，獲得電功越大，系統(tǒng)的效率也更高。采用H2為工質(zhì)時，系統(tǒng)的熱力性能最佳，3個電機最大可獲得總電功5 145 W，此時系統(tǒng)的熱電效率可達(dá)22.8%。由于H2易燃易爆，在部分場合不易使用，那么采用He作為工質(zhì)較佳。

1 羅二倉，戴 巍，胡劍英，等.一種雙作用單級行波熱聲系統(tǒng):中國，201110082230.3［P］.

2 Bill Ward，John Clark，Greg Swift.Design environment for low－amplitude thermoacoustic energy conversion(DeltaEc)，Version 6.2，Users Guide［M］.Los Alamos National Laboratory，LA－CC－01－13，2008.

3 吳張華，滿 滿，羅二倉，等.500 W行波熱聲發(fā)電相機的實驗研究［J］. 科學(xué)通報，2011，56(14):1088－1090.