不同工作气体的双作用热声发电机的热力性能研究

张丽敏 罗二仓 吴张华 余国瑶 戴 巍

(1中国科学院低温工程学重点实验室 北京 100190)(2中国科学院研究生院 北京 100049)

1 引言

双作用热声发电机是由多个热声发动机与多个直线电机串联组成环形结构的一种新型热声发电装置［1］。热声发动机将热能转换为声能，再由直线电机将声能转换成电能。热声发动机具有结构简单，可靠性高，潜在效率高，工质无污染以及能利用低品位热能等优点。热声发动机与高效的直线电机组成的多缸双作用热声发电机不仅能发挥热声发动机的优势，而且取消了传统热声发动机体积庞大的谐振管，使系统的功率密度大大提高。它可以利用太阳能或生物质能等作为热源，极具市场应用前景。目前，关于双作用热声发电机的研究才刚刚起步，不同的工作介质对双作用热声发电机的影响尚不明确。本文对一台三缸的双作用热声发电机进行了数值模拟，考察了不同工作介质下系统的热力性能。

2 计算模型

三缸双作用热声发电机由3个热声发动机和3个直线电机组成，如图1所示。单个热声发动机和单个直线电机可示为一个单元块。理论上，组成双作用热声发电机的3个单元块完全一致。每个热声发动机的部件包括主水冷器、回热器、加热器、热缓冲管和次水冷器。每个直线电机由活塞、气缸、动子、定子和板簧组成。热声发动机与上一级直线电机间由前连接管相连，与本级直线电机间由后连接管相连。热声发动机的主要结构参数如表1所示。直线电机的主要结构参数如表2所示。系统内的平均压力为5 MPa，加热器温度保持923 K(650℃)，环境温度为303 K(30℃)。

图1 三缸双作用热声发电机示意图Fig.1 Schematic diagram of three-cylinder thermoacoustic double-acting electric generator

表1 热声发动机的主要结构参数Table 1 Dimensions of thermoacoustic engine

表2 直线电机的主要结构参数Table 2 Dimensions of electric generator

数值模拟采用DeltaEC6.2计算软件。DeltaEC(Design Environment for Low－Amplitude ThermoAcoustic Energy Conversion)是美国Los Alamos国家实验室Bill Ward、John Clark和Greg Swift开发的基于热声理论的用来模拟热声装置的计算软件［2］。不同的部件可以用相应的模块来模拟。计算模块包括换热器、回热器、管路、声容、活塞等。图1所示的双作用热声发电机可以简化为若干模块进行计算。

3 计算结果分析及讨论

对采用不同气体工质的系统分别进行了模拟计算，获得了不同工作介质下双作用热声发电机的热力性能。计算表明，三缸双作用热声发电机的3个单元块结构参数完全一致时，3个热声发动机和3个直线电机的工作状况也是相同的。因此，以下计算所得图线中仅给出单个单元块获得的电功、需要的加热量等计算值结果。

首先，对工作介质为N2、CO2和Ar 3种气体时分别进行了模拟计算。图2和图3是前连接管入口压比与活塞位移和加热量随电机外接电阻变化的计算曲线。三者有着相同的变化趋势，随着外接电阻的增大，先快速增大，随后增大速度明显减小。图4所示为单个电机获得电功与系统热电效率随外接电阻的变化关系。采用N2为工质时，获得的电功最大，系统效率也最高。采用Ar时次之，采用CO2时系统性能最差。但总体来说，采用这3种气体工质时，系统获得的电功均很小(单个电机电功低于100 W)，效率也很低(低于13%)。随着外接电阻的变化，获得电功与系统效率存在一个极大值点。但效率极值点对应的外接电阻值与获得电功极值点对应的外接电阻值不是重合的。因此，在应用设计时需要折中考虑，以保证获得足够的电功同时系统效率不能太低。图5是系统的频率随外接电阻的变化曲线。采用不同的工质时系统频率不同，而频率随外接电阻的变化较小。

图2 采用N2、CO2、Ar为工质时，前连接管入口压比和活塞位移随外接电阻的变化关系Fig.2 Pressure ratio at front connecting tube inlet and displacement of piston vs.external resistance with N2，CO2and Ar as working gas respectively

图3 采用N2、CO2、Ar为工质时，加热量随外接电阻的变化关系Fig.3 Heating power added to system vs.external resistance with N2，CO2and Ar as working gas respectively

图4 采用N2、CO2、Ar为工质时，获得电功和系统热电效率随外接电阻的变化关系Fig.4 Electric power and thermoelectric efficiency of system vs.external resistance with N2，CO2 and Ar as working gas respectively

图5 采用N2、CO2、Ar为工质时，系统频率随外接电阻的变化关系Fig.5 Frequency of system vs.external resistance with N2，CO2and Ar as working gas respectively

图6 采用不同组分的He-Ar为工质时，前连接管入口压比和活塞位移随外接电阻的变化关系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

图7 采用不同组分的He-Ar为工质时，加热量随外接电阻的变化关系Fig.7 Heating power added to system vs.external resistance with He-Ar mixture of different components as working gas respectively

图8 采用不同组分的He-Ar为工质时，获得电功和系统热电效率随外接电阻的变化关系Fig.8 Electric power and thermoelectric efficiency of system vs.external resistance with He-Ar mixture of different components as working gas respectively

图9 采用不同组分的He-Ar为工质时，前连接管入口压比和活塞位移随外接电阻的变化关系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

随后，对系统采用不同组分的He－Ar混合气作为工质时，进行了模拟计算。相应的计算曲线如图6—图9所示。计算结果表明，氦气含量越高时，系统内的压比越大，活塞位移越大，所需加热量越大。另外，频率也随着氦气含量增加而增加。对该热声发电机，氦气含量越高，获得电功越大，系统的效率也更高。当气体工质为纯He(即100%He)不含Ar组分，单个电机获得电功极大值为1 106 W，此时系统的热电效率为22%。那么，3台电机获得的总电功为3 318 W，热电效率为22%。目前，获得电功最大的热声发电系统是中国科学院理化技术研究所吴张华等研制的500 W行波热声发电样机［3］，工质为氦气，最大获得电功为481.0 W，此时热电效率仅为12.65%。且此热声发电样机是传统热声发动机驱动直线电机组成的系统，带有5.3 m的谐振管，功率密度较低。该模拟计算结果表明，双作用热声发电机功率密度大大提高，而且双作用结构有利于回收一部分声功，使系统效率得到提高。

图10 采用He、H2为工质时，前连接管入口压比和活塞位移随外接电阻的变化关系Fig.10 Pressure ratio at front connecting tube inlet and displacement of piston vs.external resistance with He and H2as working gas respectively

图11 采用He、H2为工质时，加热量随外接电阻的变化关系Fig.11 Heating power added to system vs.external resistance with He and H2as working gas respectively

图12 采用He、H2为工质时，获得电功和系统热电效率随外接电阻的变化关系Fig.12 Electric power and thermoelectric efficiency of system vs.external resistance with He and H2 as working gas respectively

图13 采用He、H2为工质时，系统频率随外接电阻的变化关系Fig.13 Frequency of system vs.external resistance with He and H2as working gas respectively

以上计算结果表明，系统的热力性能受工质特性影响很大。在分析的几种气体中，N2、CO2以及Ar的导热系数相差不大，而He、H2的导热系数比N2等气体大一个量级左右，H2为最高。计算表明，对于气体工质，导热系数越大，其热声转换性能越好。相应的计算结果如图10—图13所示。如图12所示，采用氢气比采用氦气为工质，热电效率变化不大，但是获得的电功大大增加了，单个电机最大可获得1 715 W的电功，此时的热电效率为22.8%。3个电机获得的总电功达5 145 W。如图10所示，此时的活塞位移也比较大，为12.8 mm。这将对电机提出更高的要求。另外不利的一点是，氢气为易燃易爆气体，有一定的危险。当然，系统采用的纯氢为工质，再通过合理的防爆设计可以有效的解决这一问题。

4 结论

在不同工作介质下，对一台三缸双作用热声发动机进行了数值模拟。计算结果表明，系统的热力性能受工质特性影响很大。以N2、CO2、Ar为工质时，获得电功均较小，系统的热电效率也较低。对于He－Ar混合气作为工质时，氦气含量越高，获得电功越大，系统的效率也更高。采用H2为工质时，系统的热力性能最佳，3个电机最大可获得总电功5 145 W，此时系统的热电效率可达22.8%。由于H2易燃易爆，在部分场合不易使用，那么采用He作为工质较佳。

1 罗二仓，戴 巍，胡剑英，等.一种双作用单级行波热声系统:中国，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 吴张华，满 满，罗二仓，等.500 W行波热声发电相机的实验研究［J］. 科学通报，2011，56(14):1088－1090.