絲網(wǎng)板疊型駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性研究

樓 平 劉 鈺，2 孫大明 邱利民 王 凱 王 波，3

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

(2上海航天設(shè)備制造總廠 上海 200245)

(3中國(guó)電子科技集團(tuán)第十六研究所 合肥 230043)

絲網(wǎng)板疊型駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性研究

樓 平1劉 鈺1，2孫大明1邱利民1王 凱1王 波1，3

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

(2上海航天設(shè)備制造總廠 上海 200245)

(3中國(guó)電子科技集團(tuán)第十六研究所 合肥 230043)

基于線性熱聲理論設(shè)計(jì)并搭建了一臺(tái)絲網(wǎng)型駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，采用不同目數(shù)的不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，考察了絲網(wǎng)板疊幾何參數(shù)和工作壓力對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和線性熱聲理論計(jì)算結(jié)果吻合度較好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高目數(shù)絲網(wǎng)板疊更容易使系統(tǒng)起振，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)采用不同板疊時(shí)的最小起振溫度均發(fā)生在小充氣壓力下;在不同的充氣壓力下，存在最優(yōu)目數(shù)的絲網(wǎng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能最佳。對(duì)該臺(tái)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)而言，最佳的絲網(wǎng)水利半徑應(yīng)為熱滲透深度的4.5倍左右。

駐波 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī) 板疊 絲網(wǎng)

1 引言

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是一種利用熱聲效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為聲能的新型熱力機(jī)械，具有無運(yùn)動(dòng)部件，工質(zhì)無污染、可利用低品位能源等突出優(yōu)點(diǎn)，在低溫制冷、熱發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1-5］。根據(jù)其內(nèi)部聲場(chǎng)性質(zhì)的不同，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可以分為行波型和駐波型兩種形式。駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)基于不可逆的熱力學(xué)循環(huán)，其熱聲轉(zhuǎn)化效率較行波低，但是它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，且制造成本較低，因而具有較好的應(yīng)用前景。

板疊是實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的場(chǎng)所，是駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件。目前常用的板疊主要有金屬絲網(wǎng)板疊，平板型板疊以及蜂窩陶瓷板疊等。其中平板型板疊結(jié)構(gòu)，氣體通道規(guī)則，阻力損失較小，但加工難度大、周期長(zhǎng)、成本高;蜂窩陶瓷板疊氣體通道光滑，但是需要定制且橫向換熱能力較差。相比之下，絲網(wǎng)型板疊雖然內(nèi)部流動(dòng)阻力較大，但是橫向?qū)嵝Ч^好，加工簡(jiǎn)單，成本低廉，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)絲網(wǎng)板疊型駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)已開展了一定的研究。松原洋一等［6］研究了板疊長(zhǎng)度以及銅絲網(wǎng)尺寸對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能影響，發(fā)現(xiàn)了起振溫度和消振溫度的不一致性;羅二倉(cāng)等［7］對(duì)交變流動(dòng)下的回?zé)崞鬟M(jìn)行了研究，在線性熱聲模型基礎(chǔ)上，建立了熱聲回?zé)崞髁鲃?dòng)、傳熱新模型;邱利民等［8］研究了絲網(wǎng)板疊填充率對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振溫度、起振能量和輸入加熱功率的影響，發(fā)現(xiàn)了絲網(wǎng)板疊的最佳填充率;陳國(guó)邦等［9］綜合軸向和橫向傳熱特性，比較分析了黃銅和不銹鋼絲網(wǎng)板疊的性能。

為了進(jìn)一步研究絲網(wǎng)板疊對(duì)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，本文針對(duì)一臺(tái)自行搭建的駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)開展了實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了不同目數(shù)不銹鋼絲網(wǎng)對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振溫度，諧振頻率，壓力振幅，熱聲轉(zhuǎn)換的影響，并且基于線性熱聲理論［10-11］分析討論了上述結(jié)果，加深了對(duì)絲網(wǎng)型板疊對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)影響的認(rèn)識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為本文設(shè)計(jì)搭建的駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖，該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)由熱腔、加熱器、板疊、水冷器、諧振管以及氣庫(kù)等組成，主要部件尺寸見表1。

圖1 絲網(wǎng)板疊型駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a screen-stack type standing-wave thermoacoustic engine

表1 駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)各部件尺寸Table 1 Dimensions of main parts of standing-wave thermoacoustic engine

在加熱器處布置了一個(gè)經(jīng)標(biāo)定的鎳鉻鎳硅熱電偶來測(cè)量熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱溫度Th，其最大的測(cè)量誤差為±3.5 K。水冷器后端的諧振管起始處布置了德國(guó)Infineon Technologies公司生產(chǎn)線性硅壓阻式壓力傳感器來測(cè)量熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓力p，其最大的誤差為±643 Pa。所測(cè)得的溫度和壓力數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由LabVIEW程序保存在計(jì)算機(jī)中。

工質(zhì)氣體為高純氮?dú)?。?shí)驗(yàn)中分別采用5目、10目、18目不銹鋼絲網(wǎng)作為板疊的填充材料來研究。表2列出了不同目數(shù)下絲網(wǎng)板疊的水力半徑和填充率。

表2 不同目數(shù)不銹鋼絲網(wǎng)的水力半徑和孔隙率Table 2 Hydraulic radius and porosity ratio of different screen meshes

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 起振溫度

起振溫度是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作的重要參數(shù)，決定了其可利用能源品位的高低。這里以加熱器壁面溫度Th作為系統(tǒng)的起振溫度。圖2給出了不同絲網(wǎng)目數(shù)下起振溫度Th隨充氣壓力的變化關(guān)系。可以看出，絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)熱聲系統(tǒng)的起振溫度有著顯著影響，具體表現(xiàn)為，在該臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)絲網(wǎng)目數(shù)取5目、10目、18目的情況下，系統(tǒng)的起振溫度隨著絲網(wǎng)目數(shù)的增加而降低。當(dāng)絲網(wǎng)目數(shù)為18目時(shí)，起振溫度隨充氣壓力變化有一個(gè)拐點(diǎn)，此時(shí)充氣壓力為0.3 MPa時(shí)，系統(tǒng)的起振溫度最小僅為182.16℃;當(dāng)絲網(wǎng)目數(shù)為5目、10目時(shí)，系統(tǒng)起振溫度隨充氣壓力減小而減小，在充氣壓力為0.2 MPa時(shí)，起振溫度最小，分別為380.28℃和239.52℃。當(dāng)充氣壓力小于0.2 MPa值，加熱溫度為650℃時(shí)，系統(tǒng)并未起振，結(jié)合文獻(xiàn)［12］可以推斷，這主要是因?yàn)楫?dāng)充氣壓力小于0.2 MPa時(shí)，系統(tǒng)起振所需的加熱溫度已大于650℃。

圖2 起振溫度隨充氣壓力的變化Fig.2 Onset temperature vs.charging pressure

3.2 起振頻率

3.3 壓力振幅

圖3 起振頻率隨充氣壓力的變化Fig.3 Frequency vs.charging pressure

圖4給出了采用不同絲網(wǎng)板疊時(shí)系統(tǒng)可獲得的最大壓力振幅隨充氣壓力的變化情況。需要說明的是，這里最大壓力振幅指的是加熱器達(dá)到650℃時(shí)系統(tǒng)輸出的壓力振幅。由圖可以看出，不同充氣壓力下不同目數(shù)絲網(wǎng)系統(tǒng)的壓力輸出性能是不同的。具體表現(xiàn)為:低充氣壓力時(shí)，低目數(shù)絲網(wǎng)熱聲轉(zhuǎn)化性能最好，即充氣壓力小于0.55 MPa時(shí)，5目絲網(wǎng)板疊的性能最優(yōu)，例如當(dāng)充氣壓力為0.4 MPa時(shí)，壓力振幅達(dá)到了0.041 MPa，隨著充氣壓力的升高，高目數(shù)絲網(wǎng)板疊的熱聲轉(zhuǎn)化性能逐漸提升，而低目數(shù)絲網(wǎng)板疊的熱聲轉(zhuǎn)化能力逐漸降低。在高充氣壓力下，即充氣壓力大于1.25 MPa時(shí)，18目絲網(wǎng)系統(tǒng)獲得最大的壓力振幅，例如當(dāng)充氣壓力為2.2 MPa時(shí)，壓力振幅為0.201 7 MPa，壓比為 1.202。

此外，由圖4還可以看出，對(duì)于5目絲網(wǎng)板疊系統(tǒng)，隨著充氣壓力的升高，壓力振幅先增大后減小，當(dāng)充氣壓力為1 MPa時(shí)，系統(tǒng)的壓力振幅最大，為0.07 MPa;對(duì)于10目、18目絲網(wǎng)板疊系統(tǒng)，壓力振幅隨充氣壓力的升高而增大。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上是一致的，其中對(duì)于10目絲網(wǎng)板疊系統(tǒng)在充氣壓力為2.2 MPa時(shí)也出現(xiàn)了峰值。根據(jù)文獻(xiàn)［10］中所述，系統(tǒng)的輸出性能與水力半徑和熱滲透深度的比值Rh/δk有著緊密的關(guān)系。對(duì)于平板式板疊而言，該值接近2時(shí)，聲功方程中流源項(xiàng)的虛部將達(dá)到極值，此時(shí)駐波分量產(chǎn)生的聲功將達(dá)到最大，換句話說，此時(shí)駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的聲功將達(dá)極大值。圖5繪制了該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)不同充氣壓力下3種絲網(wǎng)板疊的Rh/δk比值。由圖5可看出，隨著充氣壓力的升高，不同絲網(wǎng)板疊下的Rh/δk值也逐漸增高。由圖4中5目、10目絲網(wǎng)的最佳點(diǎn)，可計(jì)算出對(duì)于該臺(tái)絲網(wǎng)板疊型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)而言，Rh/δk取4.5左右可使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。

3.4 最大加熱功率

圖4 壓力振幅隨充氣壓力的變化Fig.4 Pressure amplitude vs.charging pressure

圖5 Rh/δk隨充氣壓力的變化Fig.5 Rh/δkvs.charging pressure

圖6、圖7分別給出了采用不同絲網(wǎng)板疊時(shí)的最大加熱功率和板疊處產(chǎn)生的聲功隨充氣壓力的變化情況。其中最大加熱功率，指的是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱溫度為650℃時(shí)的加熱量。由圖可以看出，加熱功率與板疊處產(chǎn)生的聲功有著類似的變化規(guī)律，說明最大加熱功率可以間接地表征熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換能力。由圖可知，在較小的充氣壓力下，5目絲網(wǎng)板疊需要最高的加熱功率，能產(chǎn)生最大的聲功，隨著充氣壓力的升高，5目絲網(wǎng)板疊所需的加熱功率逐漸下降，聲功產(chǎn)生量也逐漸下降。在充氣壓力高于0.75 MPa時(shí)10目絲網(wǎng)板疊需要最高的加熱功率，產(chǎn)生最大的聲功;在充氣壓力高于2 MPa時(shí)，18目絲網(wǎng)板疊取代10目絲網(wǎng)板疊需要最高的加熱功率，產(chǎn)生的聲功也最大。以上分析說明對(duì)于一臺(tái)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生改變時(shí)，板疊的填充率和水力半徑都應(yīng)做相應(yīng)變化，才能達(dá)到較好的性能，否則會(huì)造成熱聲轉(zhuǎn)化能力低、壓力振幅小等不利結(jié)果。

4 結(jié)論

圖6 最大加熱功率隨充氣壓力的變化Fig.6 Maximum heating power vs.charging pressure

圖7 板疊處的聲功隨充氣壓力的變化Fig.7 Acoustic power at stack vs.charging pressure

本文針對(duì)一臺(tái)絲網(wǎng)板疊型駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究了絲網(wǎng)板疊幾何參數(shù)和工作壓力對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響，所得結(jié)論如下:

(1)板疊絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)熱聲系統(tǒng)的起振溫度有著顯著影響。對(duì)于該臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，在板疊絲網(wǎng)目數(shù)取5目、10目、18目的情況下，系統(tǒng)的起振溫度隨著絲網(wǎng)目數(shù)的增加而降低;絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率的影響較小。

(2)在各個(gè)充氣壓力下，不同目數(shù)絲網(wǎng)板疊的熱聲轉(zhuǎn)換能力顯著不同。低充氣壓力下，低目數(shù)的絲網(wǎng)對(duì)應(yīng)的壓力振幅較大，達(dá)到650℃所需的加熱功率也較大。高充氣壓力下，高目數(shù)的絲網(wǎng)對(duì)應(yīng)的壓力振幅較大，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)所需的加熱功率也較大。

因此，為使駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的性能，其板疊的幾何參數(shù)應(yīng)該與發(fā)動(dòng)機(jī)的操作參數(shù)相匹配，如在高充氣壓力下，應(yīng)選擇高目數(shù)的絲網(wǎng)填充板疊。

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12 賴碧翚，邱利民，李艷鋒，等.基于熱聲網(wǎng)絡(luò)理論的駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振模擬［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2011，45(6):1130-1135.

Working characteristics of a screen-stack type standing-wave thermoacoustic engine

Lou Ping1Liu Yu1，2Sun Daming1Qiu Limin1Wang Kai1Wang Bo1，3

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)
(2Shanghai Aerospace Manufacture Factory，Shanghai 200245，China)
(3The 16th Research Institute of China Electronics Technology Group，Hefei 230043，China)

A screen-stack type standing-wave thermoacoustic engine was designed and built based on linear thermoacoustic theory.The influence of different stack on the performance of thermoacoustic engine was tested and analyzed.Both experiment and simulation indicate that it is easier for engine with higher mesh screen stack to oscillate，and there exists a minimum onset temperature when mean pressure is low;besides，different mesh stacks should be chosen for different mean pressure.For the standing wave thermoacoustic engine，the optimum stack hydraulic radius should be about 4.5 times of thermal penetration depth.

standing-wave;thermoacoustic engine;stack;screen

TB651

A

1000-6516(2012)01-0012-04

2011-11-23;

2012-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61077035)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(No.2010CB227303)資助。

樓 平，男，25歲，碩士研究生。

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