不同工作氣體的雙作用熱聲發(fā)電機(jī)的熱力性能研究

張麗敏 羅二倉(cāng) 吳張華 余國(guó)瑤 戴 巍

(1中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)(2中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

1 引言

雙作用熱聲發(fā)電機(jī)是由多個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與多個(gè)直線電機(jī)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(dòng)機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為聲能，再由直線電機(jī)將聲能轉(zhuǎn)換成電能。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與高效的直線電機(jī)組成的多缸雙作用熱聲發(fā)電機(jī)不僅能發(fā)揮熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，而且取消了傳統(tǒng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)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(yáng)能或生物質(zhì)能等作為熱源，極具市場(chǎng)應(yīng)用前景。目前，關(guān)于雙作用熱聲發(fā)電機(jī)的研究才剛剛起步，不同的工作介質(zhì)對(duì)雙作用熱聲發(fā)電機(jī)的影響尚不明確。本文對(duì)一臺(tái)三缸的雙作用熱聲發(fā)電機(jī)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(jì)算模型

三缸雙作用熱聲發(fā)電機(jī)由3個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和3個(gè)直線電機(jī)組成，如圖1所示。單個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和單個(gè)直線電機(jī)可示為一個(gè)單元塊。理論上，組成雙作用熱聲發(fā)電機(jī)的3個(gè)單元塊完全一致。每個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)直線電機(jī)由活塞、氣缸、動(dòng)子、定子和板簧組成。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與上一級(jí)直線電機(jī)間由前連接管相連，與本級(jí)直線電機(jī)間由后連接管相連。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。直線電機(jī)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(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-cylinder thermoacoustic double-acting electric generator

表1 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Dimensions of thermoacoustic engine

表2 直線電機(jī)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(jì)算軟件。DeltaEC(Design Environment for Low－Amplitude ThermoAcoustic Energy Conversion)是美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jì)算軟件［2］。不同的部件可以用相應(yīng)的模塊來模擬。計(jì)算模塊包括換熱器、回?zé)崞鳌⒐苈?、聲容、活塞等。圖1所示的雙作用熱聲發(fā)電機(jī)可以簡(jiǎn)化為若干模塊進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析及討論

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

首先，對(duì)工作介質(zhì)為N2、CO2和Ar 3種氣體時(shí)分別進(jìn)行了模擬計(jì)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(jī)外接電阻變化的計(jì)算曲線。三者有著相同的變化趨勢(shì)，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(gè)電機(jī)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(shí)，獲得的電功最大，系統(tǒng)效率也最高。采用Ar時(shí)次之，采用CO2時(shí)系統(tǒng)性能最差。但總體來說，采用這3種氣體工質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)獲得的電功均很小(單個(gè)電機(jī)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(gè)極大值點(diǎn)。但效率極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的外接電阻值與獲得電功極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的外接電阻值不是重合的。因此，在應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)需要折中考慮，以保證獲得足夠的電功同時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(duì)系統(tǒng)采用不同組分的He－Ar混合氣作為工質(zhì)時(shí)，進(jìn)行了模擬計(jì)算。相應(yīng)的計(jì)算曲線如圖6—圖9所示。計(jì)算結(jié)果表明，氦氣含量越高時(shí)，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(duì)該熱聲發(fā)電機(jī)，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(gè)電機(jī)獲得電功極大值為1 106 W，此時(shí)系統(tǒng)的熱電效率為22%。那么，3臺(tái)電機(jī)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(guó)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(jī)［3］，工質(zhì)為氦氣，最大獲得電功為481.0 W，此時(shí)熱電效率僅為12.65%。且此熱聲發(fā)電樣機(jī)是傳統(tǒng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)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(jì)算結(jié)果表明，雙作用熱聲發(fā)電機(jī)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jì)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(gè)量級(jí)左右，H2為最高。計(jì)算表明，對(duì)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(jì)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(gè)電機(jī)最大可獲得1 715 W的電功，此時(shí)的熱電效率為22.8%。3個(gè)電機(jī)獲得的總電功達(dá)5 145 W。如圖10所示，此時(shí)的活塞位移也比較大，為12.8 mm。這將對(duì)電機(jī)提出更高的要求。另外不利的一點(diǎn)是，氫氣為易燃易爆氣體，有一定的危險(xiǎn)。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(jì)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(duì)一臺(tái)三缸雙作用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)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(shí)，獲得電功均較小，系統(tǒng)的熱電效率也較低。對(duì)于He－Ar混合氣作為工質(zhì)時(shí)，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(shí)，系統(tǒng)的熱力性能最佳，3個(gè)電機(jī)最大可獲得總電功5 145 W，此時(shí)系統(tǒng)的熱電效率可達(dá)22.8%。由于H2易燃易爆，在部分場(chǎng)合不易使用，那么采用He作為工質(zhì)較佳。

1 羅二倉(cāng)，戴 巍，胡劍英，等.一種雙作用單級(jí)行波熱聲系統(tǒng):中國(guó)，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(cāng)，等.500 W行波熱聲發(fā)電相機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 科學(xué)通報(bào)，2011，56(14):1088－1090.