熱聲熱機中回熱器的數值計算與分析

第29卷第3期華中科技大學(xué)學(xué)報2001年3月J Huazhong Univ. of Sci.& Tech200l熱聲熱機中回熱器的數值計算與分析張曉青郭方中華中科技大學(xué)動(dòng)力工程系)摘要:針對熱聲熱機系統回熱器(或板疊)的數值計算討論了簡(jiǎn)單實(shí)用的簡(jiǎn)諧分析方法并對熱聲制冷機中的熱聲板疊進(jìn)行了數值計算與分析計算結果為回熱器(或板疊)的設計與優(yōu)化奠定基礎從而保證系統設計的可靠性關(guān)鍵詞:熱聲熱機回熱器板疊漖值計算中圖分類(lèi)號:TK11文獻標識碼:A文章編號:10008616(2001)3-0087-03從能量轉換的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,回熱器(或板疊是熱聲熱機中的有源元件即在其中有聲功的轉換dUn=t1+(y-1))l1+熱能轉換成聲能(如熱聲發(fā)動(dòng)機)或聲能轉換成f-f、)d7n熱能泵熱(如熱聲制冷機)固體介質(zhì)中振蕩流的(1-f夏1-a)dU1;(2)流體力學(xué)和熱力學(xué)是研究斯特林機的學(xué)者們最關(guān)d Tm/dx= tH2-(1/2 Rep,[1心的只有具備最仔細制作的回熱器的系統才能TnKf-f、)(1+a夏1-f、)y獲得最高的效率對斯特林低溫制冷機尤為如此Omcp I u122o4(1-a2)11-f12因為即使回熱器的微小失效也將會(huì )引起凈制冷功ln(f+f、)-(A1K+AK)}率的大大降低因此回熱器(或板疊)的計算與式中,為回熱器(或板疊)中平均的焓流對橫設計直接影響著(zhù)系統性能的好壞,回熱器(或板向絕熱良好的回熱器(或板疊)它是常數;U1為疊)計算方法的研究與探討對回熱式熱聲熱機的流體的體積流率;A1和A分別為流體和回熱器數值模擬與設計有著(zhù)重要的意義或板疊〕固體材料的橫截面積和∫分別為截簡(jiǎn)諧分析計算方法面平均的粘性和導熱分布函數;K和K分別為流體和固體的熱導率n和pn分別為流體的平均密回熱器的計算方法可以歸為三類(lèi)時(shí)間分步度和平均壓力;y為絕熱指數汨為普朗特數;cp回熱器或板疊)計算采用擾動(dòng)法中的簡(jiǎn)諧分的角頻等壓比熱羽為熱膨脹系數冫為聲波為單位質(zhì)法、全局隱含法和擾動(dòng)法.通過(guò)比較分析可知對析方法1較為簡(jiǎn)單、快速和實(shí)用對于平行板疊、圓形和矩形通道等簡(jiǎn)單幾何般把聲壓灬空間上平均聲速(m1)和平均的回熱器(或板疊)與粘性和傳熱損失相關(guān)的函溫度T看作相關(guān)參數由于簡(jiǎn)諧法將振蕩變量數與/已由文獻[3]推導出了較為成熟的計看作基頻的簡(jiǎn)諧量因此可采用振蕩量的復數幅算公式,因而回熱器或板疊)的數值可按式值來(lái)表示微分方程若回熱器一端的值是已知的,(1)-(3)進(jìn)行計算對于絲網(wǎng)狀和其他復雜形狀則利用復數幅值表示的微分方程組可計算整個(gè)的回熱器的計算卻沒(méi)有較成熟的公式可用可按回熱器上的p(x)ku(x)和T(x)等簡(jiǎn)諧分析方法根據穩定流關(guān)系的數據來(lái)確定幅對簡(jiǎn)單幾何的回熱器或板疊射計算可按如值相關(guān)的摩擦系數和傳熱系數進(jìn)而可確定相應下微分方程進(jìn)行計算2的中國煤化工函數∫和若缺乏apI穩CNMHG獲得摩擦系數和傳熱dx AK1-f)(1)系數.對具有不同穩定流數據的其他復雜形狀的收稿日期:2000-10-19作者簡(jiǎn)介:張曉氜1964)女講師武漢華中科技大學(xué)動(dòng)力工程系(430074).基金項藜自然科學(xué)基金資助項目(59m0華中科技大學(xué)學(xué)報2001年回熱器的計算只是摩擦系數和傳熱系數曲線(xiàn)擬的關(guān)系從圖3可看出對每一溫差存在一最佳間合形式的不同均可按簡(jiǎn)諧分析方法計算隙使系統制冷量最大2熱聲制冷機板疊的計算與分析熱聲制冷機系統結構如圖1所示其已知條002040.6081.01.214s/ mm圖1熱聲制冷機系統結構l—聲源ρ—熱端換熱器3-冷端換熱器;圖3s與Q和C/C的關(guān)系諧振腔S一諧振管—板疊件如下.工況平均壓力3×105Pa,諧振管的平均1一△T=0K:2-△T=10K;3-△T=15K;4-△T=20K溫度300K熱端換熱器溫度295K;諧振管:內徑圖4顯示了制冷量Q。和板疊的性能系數隨436mm管總長(cháng)2m諧振腔內徑中m20板疊長(cháng)度Ln的變化關(guān)系板疊的長(cháng)度對制冷量和m聲源振蕩容積幅值24cm板疊130m,其性能系數有較大的影響從圖4知在一定條隙0.7m板厚0.2m板疊熱端離聲源的距件下要使系統處于制冷模式板疊長(cháng)度存在一范離28m材料為Mr換熱器(板疊結構)間圍對圖中的每一條件也存在一最優(yōu)板疊長(cháng)度隙0.8mm板厚0.2mm熱端換熱器長(cháng)30mm冷端換熱器長(cháng)20mm,材料為銅片浦諧振頻率為640.16Hz工質(zhì)為氮氣對駐波系統,由于板疊間距s板疊長(cháng)度及板疊在駐波中所處的聲場(chǎng)位置X對系統有較大影響因而對此三個(gè)參數進(jìn)行了計算計算過(guò)程如圖2所示.圖3~圖5是對圖1所示聲驅動(dòng)的駐輸入系統已知參數,賦混度一個(gè)線(xiàn)性初值L,/m計算工作介質(zhì)的熱物性參數圖4L1與Q和C/C的關(guān)系計算各元件的單位傳遞矩陣及系統總傳遞矩陣l一△T=30K:2-—△T=20K;3-△T=10K匚計算邊界上的參數:P2U從圖5的計算結果知在其他條件一定的情計算各戴面上的參數:PU.了計算各截面上的平均熱流聲功率,焓流,及回熱器中否算沮度梯(10輸出結果圖2計算程序框圖圖5X與Q和C甲/C的關(guān)系N為循環(huán)數,』為迭代精度波熱聲制冷機中的板疊利用式(1)~(3)算的中國煤化工△7=10K結果圖中,Cm是板疊的性能系數定義為板疊況CNMHGAT=30 K佚式板疊的位置X存冷端的制冷量Q與板疊消耗的聲功之比;是在一范圍對圖中的每一條件板疊也存在一最優(yōu)相應溫區的卡諾性能系數洶T是板疊兩端的溫位置使制冷量和性能系數達最大值以提高制冷機在△T=20℃溫差下的制冷量圖3顯親疊性能參數與板疊間隙、之間第3期張曉青等:熱聲熱機中回熱器的數值計算與分析為優(yōu)化目標并適當考慮性能系數,作者從熱聲制冷機板疊的計算結果,優(yōu)化了原有板疊參數,優(yōu)化前后結果比較如下優(yōu)化前:X=320mm,L=120mm,s=0.8mmQ=15.74W,Cm=0.23;實(shí)驗結果:Q。=14.41W,C=0.2115=0.1 mm優(yōu)化后:X=160mm,L=150mm,s=0.7mQ。=23.58W,Ccmp=0.21;實(shí)驗結果:Q21.45W,Ccop=0.193從計算結果知,優(yōu)化后制冷量提高了圖6Q與聲源的驅動(dòng)頻率f的關(guān)系49.81%以適當犧牲性能系數為代價(jià)性能系數l—制冷量中的對流分量Q2-導熱分量Q-降低了8.7%實(shí)驗值為制冷量提高了48.853—行波分量Qmx—駐波分量Qu性能系數降低了8.5%此結果是比較滿(mǎn)意的.間隙為2δ~4δ,以提供合適的駐波相位.回熱器基于對板疊的計算數據對此駐波熱聲制冷(或板疊)間隙或水力半徑是影響熱聲熱機系統機中的能量分量進(jìn)行了計算結果示于圖6中正常運行的重要因素.總之,回熱器(或板疊)的圖6顯示了在不同板疊間隙s時(shí)板疊冷端計算與設計對熱聲熱機系統的正常運行是至關(guān)重處總熱流即制冷量和其分量與頻率的關(guān)系(計算要的條件m=0.3MPa;X1=0.31m△T=10K)由圖參考文獻6可覓板疊冷端的總熱流即制冷量在大間隙時(shí)s=0.7mm)駐波分量占優(yōu)勢在小間隙時(shí)(s[1 ]Swift G W, Ward W C. Simple Harmonic Analysis of Re-generators. Thermophysics and Heat Transfer, 1996, 100.1mm)行波分量占優(yōu)勢,計算結果說(shuō)明了小間(4):652~662隙有利于行波成分的增加因而要求在行波熱機[2] Swift G W. hermoacoustic Engi.Acs,.sc.Am如斯特林中的板疊間隙或回熱器的水力半徑遠小1988,84:1145~11于一個(gè)流體滲透深度δ以提供熱機正常工作的[3] Arnott W p,BsHE, Raspet R. General Formulation of合適的行波相位;而要求在駐波熱機中板疊Cross Sections. J. Acouoc,Am.,1991,90:3228Numerical Calculation and Analysis of Regeneratorin Thermoacoustic Heat EnginesZhang Xiaoqing Guo FangzhorAbstract: A method of simple harmonic analysis for calculation of regenerator or stack )in thermoacoustic heat engine systems is described. The calculation and analysis of stack in thermoacoustic refrigerator are presented. Thedesign and optimization of regenerator(k) are strongly based on its numerical calculation assuring the reliability of design of thermoacoustic systemsKey words: thermoacoustic heat engine regenerator stack numerical calculationZhang Xiaoqing Lect. i Dept. of Power Eng., HUST, Wuhan 430074, Chin中國煤化工CNMHG