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Thermoacoustic heat pump utilizing medium/low-grade heat sources for domestic building heating

Energy and Built Environment 2024年第4期5卷 628-639页

作者： Yiwei Hu Kaiqi luo Dan Zhao Zhanghua Wu Yupeng Yang ercang luo Jingyuan Xu Chinese Academy of Science Key Laboratory of CryogenicsTechnical Institute of Physics and ChemistryBeijing 100190China University of Chinese Academy Science Beijing 100049China Building Energy Research Center Tsinghua UniversityBeijing 100084China Department of Mechanical Engineering Faculty of EngineeringUniversity of CanterburyPrivate Bag 4800Christchurch 8041New Zealand Institute of Microstructure Technology Karlsruhe Institute of TechnologyKarlsruhe 76344Germany

Thermoacoustic heat pumps are a promising heating technology that utilizes medium/low-grade heat to reduce reliance on *** study proposes a single direct-coupled configuration for a thermoacoustic heat pump,aimed at minimizing system complexity and making it suitable for domestic *** investiga-tions were conducted under typical household heating conditions,including performance analysis,exergy loss evaluation,and axial distribution of key *** show that the proposed thermoacoustic heat pump achieves a heating capacity of 5.7 kW and a coefficient of performance of 1.4,with a heating temperature of 300℃and a heat-sink temperature of 55℃.A comparison with existing absorption heat pumps reveals favor-able adaptability for large temperature lift applications.A case study conducted in Finland over an annual cycle analyzes the economic and environmental performance of the system,identifying two distinct modes based on the driving heat source:medium temperature(≥250℃)and low temperature(<250℃),both of which exhibit favorable heating *** the thermoacoustic heat pump is driven by waste heat,energy savings of 20.1 MWh/year,emission reductions of 4143 kgCO_(2)/year,and total environmental cost savings of 1629€/year are *** results demonstrate the potential of the proposed thermoacoustic heat pump as a cost-effective and environmentally friendly option for domestic building heating using medium/low-grade heat sources.

关键词： Thermoacoustic heat pump Thermodynamics Heat pump Medium/low-grade heat Domestic heating

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微型高比功率热声斯特林发电机实验研究

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工程热物理学报 2024年第7期45卷 1924-1931页

作者：肖望余国瑶马英马壮成阳斌罗二仓低温科学与技术重点实验室中国科学院理化技术研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 齐鲁中科光物理与工程技术研究院济南251000

高比功率百瓦级便携电源在户外运动、应急救灾等场景有着重要需求。热声斯特林发电机因其外燃属性而燃料选择性广泛,同时兼具高效、紧凑、可靠和静音等特点,是构建便携式电源系统的重要发电技术。本文首次提出采用螺旋管束式热端换热器... 详细信息

高比功率百瓦级便携电源在户外运动、应急救灾等场景有着重要需求。热声斯特林发电机因其外燃属性而燃料选择性广泛,同时兼具高效、紧凑、可靠和静音等特点,是构建便携式电源系统的重要发电技术。本文首次提出采用螺旋管束式热端换热器来提升燃烧-交变流动换热性能和比功率。首先基于热声学的阻抗匹配和燃烧传热耦合,设计并研制了一套百瓦级热声斯特林发电系统;然后实验考察了不同工作压力、负载、燃烧功率下的输出特性;最后开展了损失分析。初步实验结果表明,该发电系统在管壁侧烟气温度为765℃时的最大输出电功为415 W,以柴油热值计算的对应热电效率为13.9%。受益于135 Hz的超高工作频率和轻量化设计,发电机本体的比功率达到112 W/kg,展现出突出的应用潜力。

关键词：超高频螺旋管束换热器热声斯特林输出特性

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燃烧型超高频热声斯特林发电机实验研究

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工程热物理学报 2024年第3期45卷 661-666页

作者：肖望余国瑶马英马壮成阳斌罗二仓武汉工程大学光电信息与能源工程学院武汉430205 中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190 齐鲁中科光物理与工程技术研究院济南251000 中国科学院大学北京100049

几十至几百瓦级便携式发电设备在离网应用和应急救灾等场景发挥着重要作用。自由活塞斯特林热机因其外燃属性带来的燃料适应性好、高效、可靠和静音等突出优点而有望成为便携式电源系统的重要发电技术。本文首次提出柴油气化燃烧驱动超... 详细信息

几十至几百瓦级便携式发电设备在离网应用和应急救灾等场景发挥着重要作用。自由活塞斯特林热机因其外燃属性带来的燃料适应性好、高效、可靠和静音等突出优点而有望成为便携式电源系统的重要发电技术。本文首次提出柴油气化燃烧驱动超高频自由活塞斯特林发电机的便携式发电系统。基于热声学的阻抗匹配和燃烧–交变流动热耦合,设计并研制了一套实验系统,实验中系统考察了不同燃烧功率下的输出特性,并开展了损失分析。初步实验结果表明,该发电系统在加热温度约为600℃时的最大输出电功为320 W,以柴油热值计算的最高热电效率为11.28%。受益于130 Hz的超高工作频率,发电机本体的比功率为90 W/kg,展现出良好的应用潜力。

关键词：柴油蒸发燃烧超高频自由活塞斯特林发电机输出特性

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双作用斯特林热机内部气体微团运行机理数值研究

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太阳能学报 2024年第6期45卷 389-395页

作者：常德鹏孙岩雷王珏罗靖胡剑英罗二仓中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 航天科工空间工程发展有限公司北京100854

针对一台双作用斯特林热机,通过SAGE计算以及Runge-Kutta法和线性插值等后处理过程,对内部气体微团进行热力求解,最终得到由欧拉观点转化为拉格朗日观点的热力结果。研究表明,斯特林热机回热器内部各气体微团独自运行于不同的热力过程,... 详细信息

针对一台双作用斯特林热机,通过SAGE计算以及Runge-Kutta法和线性插值等后处理过程,对内部气体微团进行热力求解,最终得到由欧拉观点转化为拉格朗日观点的热力结果。研究表明,斯特林热机回热器内部各气体微团独自运行于不同的热力过程,气体微团间互相接力,实现宏观上发动机的热功转换功能,其热力循环的包络线近似于2个等压过程和2个等温过程的组合。同时,研究实际机型的气体微团运行机理和热力过程,并从数值上验证斯特林循环与概括性卡诺循环的相互关系,为斯特林热机的设计与分析提供一定的理论基础。

关键词：斯特林热机斯特林循环 Runge-Kutta法运行机理概括性卡诺循环

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电驱动自由活塞斯特林热泵性能实验研究

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工程热物理学报 2024年第9期45卷 2558-2564页

作者：王日颖胡剑英吴张华张丽敏贾子龙罗二仓中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

热泵供暖技术能够有效减少燃煤取暖产生的能源消耗和环境污染,但目前常用的热泵供暖系统的低温适应性较差,难以满足寒冷地区的供暖需求。考虑到斯特林热泵技术具有十分广泛的可用温区,本文研制了一台电驱动自由活塞斯特林空气源热泵,旨... 详细信息

热泵供暖技术能够有效减少燃煤取暖产生的能源消耗和环境污染,但目前常用的热泵供暖系统的低温适应性较差,难以满足寒冷地区的供暖需求。考虑到斯特林热泵技术具有十分广泛的可用温区,本文研制了一台电驱动自由活塞斯特林空气源热泵,旨在考察其在不同气候条件下的供热性能。实验结果表明,在普通、寒冷和极寒地区供暖工况下,电驱动自由活塞斯特林热泵的整机制热性能系数分别达到了2.31、1.97和1.78。随泵热温差增大,斯特林热泵的相对卡诺效率逐渐升高,其在大泵热温差下优势更加明显。

关键词：自由活塞斯特林热泵电驱动

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超音速两相膨胀分离及制冷液化的研究进展

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制冷学报 2024年第5期45卷 1-16页

作者：陈宝生曾钰培邹爱红罗二仓中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

超音速膨胀降温并结合旋流分离技术是一种新型气体液化分离技术,近年来主要应用于分离多组分气体中的高凝点组分。介绍了超音速旋流分离器的2种典型结构;归纳了Laval喷管中凝结相变的理论发展、数值模拟、实验研究和分子模拟4个方面内容... 详细信息

超音速膨胀降温并结合旋流分离技术是一种新型气体液化分离技术,近年来主要应用于分离多组分气体中的高凝点组分。介绍了超音速旋流分离器的2种典型结构;归纳了Laval喷管中凝结相变的理论发展、数值模拟、实验研究和分子模拟4个方面内容;对超音速旋流分离器中的激波问题、结构优化进行了分析总结;大量实验及现场应用证明了超音速旋流分离器具有节能环保、无运动部件、无需添加化学药剂等优势,在天然气净化处理等领域已得到广泛应用。下一步研究可从单组分、多组分气体凝结相变机理、提升液化效率等方面入手,促进超音速旋流分离技术在普冷温区、氢氦低温温区的液化及制冷技术应用。

关键词：超音速旋流分离器 Laval喷管激波结构优化

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Acoustic characteristics of bi-directional turbines for thermoacoustic generators

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Frontiers in Energy 2022年第6期16卷 1027-1036页

作者： Dongdong LIU Yanyan CHEN Wei DAI ercang luo University of Chinese Academy of Sciences Beijing 101408China Technical Institute of Physics and Chemistry Chinese Academy of SciencesBeijing 100190China

Bi-directional turbines combined with rotary motors may be a feasible option for developing high power thermoacoustic generators with low cost.A general expression for the acoustic characteristics of the bidirectional turbine was proposed based on theoretical derivation,which was validated by computational fluid dynamics modeling of an impulse turbine with fixed guide *** structure of the turbine was optimized primarily using steady flow with an efficiency of near 70%(the shaft power divided by the total energy consumed by the turbine).The turbine in the oscillating flow was treated in a lumped-parameter model to extract the acoustic impedance characteristics from the simulation *** key acoustic impedance characteristic of the turbine was the resistance and inertance due to complex flow condition in the turbine,whereas the capacitance was treated as an adiabatic case because of the large-scale flow channel relative to the heat penetration *** for the impedance were obtained from both theoretical predictions and numerical *** good fit of the correlations shows that these characteristics are valid for describing the bi-directional turbine,providing the basis for optimization of the coupling between the thermoacoustic engine and the turbine using quasi-one-dimensional theory in the frequency domain.

关键词： thermoacoustic power generator acoustic characteristics bi-directional impulse turbine energy conversion

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An acoustical pump capable of significantly increasing pressure ratio of thermoacoustic heat engines

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Chinese Science Bulletin 2006年第8期51卷 1014-1016页

作者： luo ercang HU Jianying DAI Wei CHEN Yuanyuan Technical Institute of Physics and Chemistry Chinese Academy of Sciences Beijing 100080 China Graduate School of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China

Pressure ratio is one of the important parameters for evaluating a thermoacoustic heat en- gine. A so-called acoustical pump, which is capable of significantly increasing pressure ratio of a ther- moacoustic heat engine, is proposed. Its operating principle is given. Also, a verification experiment is done with nitrogen gas in the energy-focused ther- moacoustic heat engine, showing that the pressure ratio increased from 1.25 to 1.47.

关键词：压力比声泵热力工程实验研究

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A heat-driven thermoacoustic cryocooler capable of reaching below liquid hydrogen temperature

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Chinese Science Bulletin 2007年第4期52卷 574-576页

作者： HU JianYing luo ercang DAI Wei Zhou Yuan Technical Institute of Physics and Chemistry Chinese Academy of Sciences Beijing 100080 China Graduate University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China

A "double-gas acoustic amplifier" is introduced to couple a thermoacoustic heat engine and a two-stage pulse tube cooler in this paper. Compared with previous acoustic amplifiers, this new acoustic amplifier maintains the function of amplification for pressure amplitude. In particular, the novel acoustic amplifier with a reservoir makes it possible to install an acoustic transparent but gas blocking elastic membrane between the engine and the cooler. Thus, the engine can use nitrogen as the working gas to work at low frequency; and meanwhile, the cooler can still use helium as the working gas to maintain its high performance. With this new amplifier, the cooling temperature of a two-stage pulse tube cooler driven by an energy-focused thermoacoustic engine reached 18.7 K.

关键词：热驱动热声制冷低温冷却器液氢温度声学放大器

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A novel coupling configuration for thermoacoustically-driven pulse tube coolers: Acoustic amplifier

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Chinese Science Bulletin 2005年第18期50卷 2112-2114页

作者： DAI Wei luo ercang HU Jianying CHEN Yanyan Technical Institute of Physics and Chemistry Chinese Academy of SciencesBeijing 100080 China Graduate School of Chinese Academy of Sciences Beijing 100039 China

Thermoacoustically-driven pulse tube cooler can provide cryogenic cooling power with no moving com-ponents. Up to now, pulse tube cooler is directly coupled with the thermoacoustic engine and obtainable pressure ratio for the pulse tube cooler is limited by the capability of the ther-moacoustic engine. The authors propose here the concept of acoustic amplifier, which is actually a long tube connecting the engine with the pulse tube cooler. Theoretical calculation shows that suitable length and diameter of the tube can lead to a pressure wave amplification effect which means that pressure wave amplitude coming from the thermoacoustic engine can be much amplified to drive the pulse tube cooler. Based on this, a 2.8 m long copper tube with 8 mm inner diameter is used as the acoustic amplifier in experiments. The experimental results show that due to the amplification effect, pressure wave amplitude at the inlet of the pulse tube cooler is over 2.5 times of that at the engine outlet. Typically, with 1.67 kW heating power, the pressure ratio provided by the engine is 1.11 while at the inlet of the pulse tube cooler the pressure ratio is 1.32, which leads to a lowest no-load temperature of 65.7 K.

关键词：声音放大器脉冲管冷却器压力波

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