熱聲系統高溫段的漏熱分析與防護結構的優(yōu)化設計

2016年第3期低溫工程No.32016總第211期CRYOGENICSSum No 211熱聲系統高溫段的漏熱分析與防護結構的優(yōu)化設計李娟·2周剛李青(中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室北京100190)(2中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)摘要:對熱聲系統高溫段的漏熱進(jìn)行理論分析,建立高溫段真空防護結構的物理模型,并基于uent中S2S模型,對模型進(jìn)行了穩態(tài)數值模擬,得到了輻射散熱量、導熱量、外表面的熱流量隨加熱溫度的變化,以及輻射和導熱占總漏熱量的比值;在此基礎上,對防護結構進(jìn)行優(yōu)化,提出防護結構2,對比分析了兩種熱防護結構的防漏熱效果。結果表明,真空防護結構會(huì )有效的減少系統的漏熱,增大系統的熱聲轉換效率,且優(yōu)化后的結構2較結構1更能有效的減少系統漏熱。關(guān)鍵詞:熱聲高溫漏熱真空結構設計中圖分類(lèi)號:TB65文獻標識碼:A文章編號:100046516(2016)030030405Heat leakage analysis and optimum design of high temperaturesection of thermoacoustic systemLi juZhou gng( 'State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants, Technical Instituteof Physics and Chemistry Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)Abstract: Theoretical analysis of heat leakage has been made in the high temperature section of thethermoacoustic system. Physical model of the vacuum cavity structure is established, the steady-state numerical simulation is carried out basing on S2S model. The amount of radiation, heat conduction and heatflux of the external surface with the change of the heating temperature, and the ratio of radiation and heatconduction to the total leakage rate were obtained. On this basis, an optimized structure, structure 2 is pro-posed. And thermal protection effect is compared between two different structures. The results show that thevacuum protection structure can effectively reduce the heat leakage of the system, increase the efficiency ofhe system, and the optimized structure 2 is more effective than the 1Key words: thermoacoustic; high temperature; vacuum cavity; structure design1引言動(dòng)部件、工作可靠性高、可使用低品位熱源和環(huán)保的工作介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),因此應用前景十分廣闊。根據系統熱聲發(fā)動(dòng)機是一種利用熱聲效應將熱能轉化為中聲場(chǎng)的特性可以將熱聲發(fā)動(dòng)機分為駐波熱聲發(fā)動(dòng)聲能的新型熱力機械,具有結構簡(jiǎn)單、無(wú)或極少有運機和行波熱聲發(fā)動(dòng)機,行波熱聲發(fā)動(dòng)機中,氣體微粒中國煤化工收稿日期:201604-21;修訂日期:20160601CNMHG作者簡(jiǎn)介:李娟,女,24歲,碩士研究生。第3期熱聲系統高溫段的漏熱分析與防護結構的優(yōu)化設計31所經(jīng)歷的熱力學(xué)循環(huán)為類(lèi)似于理想的斯特林循環(huán),因K,溫度較高,對流和輻射漏熱較大。在不采用減少此其效率高于駐波熱聲發(fā)動(dòng)機。對于理想的熱聲發(fā)漏熱措施的情況下,高溫段的漏熱,主要包括自然對動(dòng)機,其熱聲轉換效率E其中E為聲功流,Q流換熱E對和輻射漏熱E額(包括對外界環(huán)境的輻射漏熱和對冷端換熱器的輻射漏熱)。本次主要針為熱流,對應可得熱聲轉換效率,然而對于實(shí)際的熱對高溫段對外界環(huán)境的漏熱進(jìn)行研究,因此,計算中聲發(fā)動(dòng)機,由加熱器加入到系統中的熱量,不僅用于忽略對冷端換熱器的輻射漏熱,以下所指輻射散熱即回熱器的熱聲轉換,導熱、流動(dòng)損失、回熱器的非理為對外界環(huán)境的輻射散熱,總漏熱指對外界環(huán)境的輻想性均會(huì )對發(fā)動(dòng)機的熱聲轉換效率造成較大比例射散熱與自然對流散熱之和。按自然對流換熱系數的影響其中高溫段(包括加熱器、回熱器和熱緩沖6W/m2K,高溫段面積為9.24×103m2,溫度為管)的漏熱是熱聲系統熱損失的主要來(lái)源之一,因650K對自然對流換熱和輻射漏熱量進(jìn)行計算:此十分有必要對該高溫段的漏熱進(jìn)行理論分析和E對流=hA△t=6×9.24×10模擬研究。(650-300)W=19.4W(1)關(guān)于熱聲系統漏熱的研究很少,對于高溫段的漏Eg=cA(r-Tn)=0.4×567×102x熱研究,李山峰"通過(guò)實(shí)驗的手段,測量得到在發(fā)動(dòng)9.24×103×(6504-3004)=35.7W(2)機熱端溫度550℃以上時(shí),通過(guò)保溫層的漏熱量達到式中:h為自然對流傳熱系數,W/m2K;A為高200W以上,從而提出,通過(guò)減小回熱器以及熱緩沖溫段的表面面積,m2;b為不銹鋼面的發(fā)射率;為管管壁的厚度降低導熱損失減小熱端換熱器以及次黑體輻射常數其值為567×108W/(m2·K“)。水冷器表面的黑度來(lái)降低輻射換熱損失,并改進(jìn)保溫措施以減少漏熱。另外與一般的流動(dòng)換熱不同,熱聲容腔系統內是交變流動(dòng)換熱。在交變流動(dòng)換熱的研究中,主冷端換熱器Dean, smith等2對管內交變流動(dòng)傳熱進(jìn)行實(shí)驗研究,引入復努塞爾數,獲得每一階熱流密度和溫差以及兩者間的相位角,進(jìn)而求得每一階的復換熱系數以回熱器及復努塞爾數。然而周期換熱的情況未給出,使得其加熱器研究結果無(wú)法推廣應用于一般情況的交變流動(dòng)傳熱計算。 Bouvier等3針對圓管內交變流動(dòng)傳熱進(jìn)行了熱緩沖管實(shí)驗研究,采用反傳熱的方法,通過(guò)測量壁面內的溫副冷端換熱器度或是流體的溫度,推導得到交界面處的熱流密度和溫度以及無(wú)量綱換熱系數,但是其測量方法比較困難,精度難以保證。本文主要對高溫段的漏熱進(jìn)行理論分析,建立了高溫段真空防護結構的模型,并通過(guò)圖1熱聲發(fā)動(dòng)機環(huán)形圈示意圖靜態(tài)模擬的方式對該模型的防漏熱效果進(jìn)行模擬研Fig. 1 Schematic diagram of annular ring究;在此基礎上對熱防護結構進(jìn)行優(yōu)化,對比分析了兩種結構的防漏熱效果?？梢钥闯?當溫度為650K,加熱量為280W時(shí),2理論分析高溫段總熱損失為55.1W,總漏熱占系統總加熱量的19.2%,對流換熱和對環(huán)境輻射散熱占加熱量較回熱器是熱聲系統的核心部件,其兩端的溫度差大的比值,嚴重影響熱聲轉換效率。另外,隨著(zhù)陶瓷是熱聲轉換的必要條件。裝置中的回熱器和熱緩沖加熱器溫度的升高,根據上式中輻射力E和對流散管固定下來(lái)后,維持回熱器固定溫差值所需要的理想熱量與溫度T的關(guān)系,溫度升高時(shí),外表面的輻射散加熱量是不變的。如圖1所示,行波熱聲發(fā)動(dòng)機環(huán)形熱量和對流換熱量會(huì )進(jìn)一步增大,高溫段的熱損失會(huì )圈中,通過(guò)加熱器對熱聲熱機進(jìn)行加熱并保持回熱器進(jìn)一步增大中國煤化工兩端有著(zhù)合適的溫度差。因此加熱器、回熱器以及緩可見(jiàn)CNMHG清況下,系統的沖管段的溫度較系統其它位置的溫度高約50-200自然對流換熱和輻射漏熱均較高,嚴重影響發(fā)動(dòng)機系工程2016年統的熱聲轉換效率。因此,應該對系統的高溫段(包發(fā)進(jìn)行求解,將立體角離散化,求解有限個(gè)立體角發(fā)括回熱器、加熱器以及熱緩沖管)進(jìn)行絕熱保溫,以射出的輻射方程,通過(guò)求解各立體角內的輻射運輸方減少向外界的漏熱損失。一般的熱聲系統中,高溫段程獲得輻射強度分布,積分獲得輻射熱源。外壁面采用真空夾層以減少對外界環(huán)境的漏熱,如圖S2S輻射模型非常適用于封閉空間中沒(méi)有介質(zhì)2所示;抽真空以后,真空度可以達到1×10Pa。一的輻射問(wèn)題,通過(guò)設定和計算角系數文件來(lái)計算輻射方面,它可以緩解由于加熱器加熱引起的管體膨脹可量,從而可以不涉及到輻射介質(zhì),因此對于計算真空能導致的微小變形,另一方面,可以有效避免夾層內輻射具有良好的精度。部空氣的傳導和對流所造成的熱損失。對比以上輻射模型的使用情況,本文主要是真空輻射,因此采用S2S輻射模型,邊界條件設為溫度邊界條件,模型兩端為冷端換熱器,因此溫度設置為加熱器300K,模型中加熱器的溫度,根據實(shí)驗獲得,如表1真空腔所示。表1加熱器的加熱溫度與加熱量對照表圖2真空腔結構示意圖(結構1)Table 1 Heating temperature and heatingFig 2 Schematic diagram of vacuum cavity(structure 1)quantity of heater試驗數據數值對圖2所示的真空腔熱防護結構的散熱進(jìn)行分加熱電壓/V加熱電流/A2.332.933.514.094.66析,上述結構中,加熱器的熱量傳導至真空腔內表面,加熱量/W146.5210.6286.3372.8真空腔內表面的熱量一部分通過(guò)連接板徑向傳導至加熱器溫度/K565609655708真空腔外表面,一部分通過(guò)熱輻射進(jìn)行傳熱,而系統外表面的散熱方式主要是輻射散熱和自然對流換熱。系統主要的氣體工質(zhì)為高壓氦氣,主要的固體通過(guò)數值模擬的方式對結構1的散熱進(jìn)行模擬研究工質(zhì)不銹鋼板和陶瓷加熱器,兩者的物性參數如表2所示。3數值模擬3.1模型選擇及邊界條件設置表2主要工質(zhì)材料的熱物性其物理模型如圖2所示,采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃Table 2 Thermal properties of main working materials分,網(wǎng)格質(zhì)量為0.38;對于模型中的輻射漏熱, fluent工質(zhì)密度/(kg/m3)比熱容/(J/kg/K)導熱系數/(W(m·K)陶瓷中主要有5中輻射模型:DTRM模型、P模型、R0s不銹鋼板8030land模型、Do模型以及S2S模型。高壓氦氣4.67350.1557DTRM的主要思想是用單一的輻射射線(xiàn)代替從輻射表面沿某個(gè)立體角的所有輻射效應;模型的計算3.2模擬結果及分析精度主要由跟蹤射線(xiàn)的數目和計算網(wǎng)格的疏密程度決模擬可得上述模型中,真空腔內的輻射散熱量定;對于大數目的射線(xiàn)問(wèn)題,非常耗費CPU時(shí)間。不銹鋼支撐的導熱量以及系統外表面的溫度分布。PⅠ輻射模型是PN模型中最簡(jiǎn)單的類(lèi)型。P-1圖3為系統真空腔內輻射散熱量和連接板的導模型的主要出發(fā)點(diǎn)是把輻射強度方程展開(kāi)成為正交熱量隨加熱器溫度的變化,很顯然輻射量和導熱量均的球諧函數,對于光學(xué)深度比較大(如燃燒應用中),隨著(zhù)加熱器溫度的升高而升高,輻射散熱量由5.2W表現非常好。上升為16.9W,導熱量由8.7W上升為12.8W;這ROSSLAND模型不計算介質(zhì)輻射強度的輸運方是因為,隨著(zhù)加熱器溫度的升高,真空腔內表面和系程,而是在P1模型基礎上引入與溫度成3次方的傳統外表面的溫度均隨之升高,表面溫度的升高必然會(huì )熱系數來(lái)計算輻射傳熱量,相對于P1模型計算較快,導致散熱量凵中國煤化工和導熱量占總散推薦用于光學(xué)深度大于3的情況下。熱量的比值CNMH(可以看出,隨著(zhù)DO模型是從有限個(gè)立體角發(fā)出的傳播方程出加熱器溫度的升高,導熱量的增長(cháng)幅度較輻射量的增第3期熱聲系統高溫段的漏熱分析與防護結構的優(yōu)化設計長(cháng)較為緩慢,這是因為輻射量與溫度成4次方的關(guān)708e402系,而導熱量是一次方的關(guān)系,因此輻射量隨溫度的660=+402變化較為明顯。圖5、6分別為加熱器溫度為708K6.44e+0218真空腔輻射量63e+026連接點(diǎn)導熱量5.47e+02系10圖6真空腔內表面的溫度分布Fig6 Temperature distribution on inner surfaceof vacuum cavity500540560580600620640660680700720加熱器溫度/K時(shí),真空腔外表面和內表面的溫度分布,在真空腔外圖3輻射量和導熱量隨加熱器溫度的變化表面,溫度分布為兩端高,中間低,內表面的溫度分布Fig 3 Radiation and heat conduction vs則相反,因此可以看出,連接板的熱傳導在熱量傳遞heating temperature中占很大比值。另外,溫度為650K時(shí),系統總漏熱量為30W,與不加防護結構的總漏熱量55.1W相輻射量比值比,可有效的減少漏熱83.67%。0.38導熱量比值3.3熱防護結構的優(yōu)化設計為了進(jìn)一步減小輻射漏熱,可在真空腔中加一層輻射屏,在穩定條件下0.320.30q1(E1-Es3)(En-En)式中:q13,q32分別為真空腔表面1對遮熱板和0.24遮熱板對表面2的輻射傳熱熱流密度,且兩個(gè)系統的520540560580600620640660680700720發(fā)射率相同,均為:加熱器溫度/K圖4輻射量和導熱量的比值隨加熱器溫度的變化,=11(5)Fig 4 Ratio of radiation and heat conduction vsheating temperature在熱穩態(tài)條件下,q13=q32=q12。將式(3)和式(4)相加可得91(6)與未加輻射屏時(shí)的輻射傳熱相比,其輻射傳熱量75e+02減小了一半。另外為使削弱輻射傳熱的效果更為明顯,可采用發(fā)射率較低的金屬薄板作為遮熱板或多層445e+02遮熱板。4.40=+4根據以上分析,建立熱防護結構優(yōu)化后(結構2475e+04.230+02的模型,如圖7所示。結構2在結構1的基礎上,為圖5真空腔外表面的溫度分布圖了減少真空腔內的輻射散熱,在真空腔內部焊接遮熱Fig 5 Temperature distribution on outer surface板。此時(shí)真空Ⅵ中國煤化工鷹熱板,再經(jīng)遮of vacuum cavity熱板輻射至真CNMHG板的溫度高于連接板的溫度,因此遮熱板的熱量一部分還會(huì )通過(guò)軸34低溫工程2016年向導熱傳至連接板,并進(jìn)一步由連接板傳導至真空腔→結構外表面以及系統外表面。因此,結構2系統的輻射散結構2熱量是減小的,但導熱量在一定程度上是增加的,為了減少結構2的軸向導熱散熱量,研究對遮熱板進(jìn)行間斷處理。對結構2的散熱進(jìn)行數值模擬研究。間斷處理20540560580600620640660680700720加熱器加熱器溫度圖9兩種結構下導熱量隨加熱溫度的變化Fig 9 Heat conduction vs heating temperature圖7優(yōu)化后的結構示意圖(結構2)for two different structuresFig 7 Schematic diagram of optimizedtructure( structure 230→結構1結構對結構2的數值模擬研究中,采用與結構1中相同的邊界條件與輻射模型。其模擬結果如圖8-11所示,分別為兩種結構下輻射量、導熱量、系統外表面熱流量以及外表面溫度隨加熱器溫度的變化。首先很顯然,在相同的加熱器溫度下,結構1的輻射散熱量要高于結構2,但其導熱量卻低于結構2的導熱量,這些在上述的理論分析中都是可以直接得到的。20540560580600620640660680700720經(jīng)過(guò)模擬分析,還可以看出,在相同的加熱器溫度下,加熱器溫度/K結構1中系統外表面的熱流量和溫度均要高于結構圖10兩種結構下外表面熱流量隨加熱溫度的變化2,由此可見(jiàn),雖然結構2中遮熱板的存在增加了系統Fig 10 Heat flux vs heating temperature for的導熱散熱量,但是這部分的散熱量在整個(gè)系統散熱two different structure量中占很小的比例,例如,當加熱器溫度為609K時(shí),結構1的導熱量為10.4W,結構2的導熱量為10.7一結構1結構2W,僅僅增加了0.4W,但其輻射散熱量卻由此平均減少了2.5W,且結構2的外表面溫度明顯低于結構410結構25405605806006206406606807007208圖11兩種結構下外表面平均溫度隨加熱溫度的變化Fig. 11 Average temperature vs heating temperature520540560580600620640660680700720for two different structures加熱器溫度圖8兩種結構下輻射量隨加熱溫度的變化1,外表面中國煤化工小對流散熱;因此Fig 8 Radiation vs heating temperature for結構2的HCNMH(熱,即結構2要優(yōu)two different structures于結構1。(下轉第56頁(yè))56低溫工程016年(1)與純制冷劑141b為工質(zhì)相比,質(zhì)量分數為reverse flow and boiling fluctuations in a microchannel evaporator of08%的納米制冷劑Al2O3-R141b壓降波動(dòng)較為平an air-conditioning system[ J]. 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