热声热机中回热器的数值计算与分析

第29卷第3期华中科技大学学报2001年3月J Huazhong Univ. of Sci.& Tech200l热声热机中回热器的数值计算与分析张晓青郭方中华中科技大学动力工程系)摘要:针对热声热机系统回热器(或板叠)的数值计算讨论了简单实用的简谐分析方法并对热声制冷机中的热声板叠进行了数值计算与分析计算结果为回热器(或板叠)的设计与优化奠定基础从而保证系统设计的可靠性关键词:热声热机回热器板叠漖值计算中图分类号:TK11文献标识码:A文章编号:10008616(2001)3-0087-03从能量转换的观点来看,回热器(或板叠是热声热机中的有源元件即在其中有声功的转换dUn=t1+(y-1))l1+热能转换成声能(如热声发动机)或声能转换成f-f、)d7n热能泵热(如热声制冷机)固体介质中振荡流的(1-f夏1-a)dU1;(2)流体力学和热力学是研究斯特林机的学者们最关d Tm/dx= tH2-(1/2 Rep,[1心的只有具备最仔细制作的回热器的系统才能TnKf-f、)(1+a夏1-f、)y获得最高的效率对斯特林低温制冷机尤为如此Omcp I u122o4(1-a2)11-f12因为即使回热器的微小失效也将会引起净制冷功ln(f+f、)-(A1K+AK)}率的大大降低因此回热器(或板叠)的计算与式中,为回热器(或板叠)中平均的焓流对横设计直接影响着系统性能的好坏,回热器(或板向绝热良好的回热器(或板叠)它是常数;U1为叠)计算方法的研究与探讨对回热式热声热机的流体的体积流率;A1和A分别为流体和回热器数值模拟与设计有着重要的意义或板叠〕固体材料的横截面积和∫分别为截简谐分析计算方法面平均的粘性和导热分布函数;K和K分别为流体和固体的热导率n和pn分别为流体的平均密回热器的计算方法可以归为三类时间分步度和平均压力;y为绝热指数汨为普朗特数;cp回热器或板叠)计算采用扰动法中的简谐分的角频等压比热羽为热膨胀系数冫为声波为单位质法、全局隐含法和扰动法.通过比较分析可知对析方法1较为简单、快速和实用对于平行板叠、圆形和矩形通道等简单几何般把声压灬空间上平均声速(m1)和平均的回热器(或板叠)与粘性和传热损失相关的函温度T看作相关参数由于简谐法将振荡变量数与/已由文献[3]推导出了较为成熟的计看作基频的简谐量因此可采用振荡量的复数幅算公式,因而回热器或板叠)的数值可按式值来表示微分方程若回热器一端的值是已知的,(1)-(3)进行计算对于丝网状和其他复杂形状则利用复数幅值表示的微分方程组可计算整个的回热器的计算却没有较成熟的公式可用可按回热器上的p(x)ku(x)和T(x)等简谐分析方法根据稳定流关系的数据来确定幅对简单几何的回热器或板叠射计算可按如值相关的摩擦系数和传热系数进而可确定相应下微分方程进行计算2的中国煤化工函数∫和若缺乏apI稳CNMHG获得摩擦系数和传热dx AK1-f)(1)系数.对具有不同稳定流数据的其他复杂形状的收稿日期:2000-10-19作者简介:张晓氜1964)女讲师武汉华中科技大学动力工程系(430074).基金项藜自然科学基金资助项目(59m0华中科技大学学报2001年回热器的计算只是摩擦系数和传热系数曲线拟的关系从图3可看出对每一温差存在一最佳间合形式的不同均可按简谐分析方法计算隙使系统制冷量最大2热声制冷机板叠的计算与分析热声制冷机系统结构如图1所示其已知条002040.6081.01.214s/ mm图1热声制冷机系统结构l—声源ρ—热端换热器3-冷端换热器;图3s与Q和C/C的关系谐振腔S一谐振管—板叠件如下.工况平均压力3×105Pa,谐振管的平均1一△T=0K:2-△T=10K;3-△T=15K;4-△T=20K温度300K热端换热器温度295K;谐振管:内径图4显示了制冷量Q。和板叠的性能系数随436mm管总长2m谐振腔内径中m20板叠长度Ln的变化关系板叠的长度对制冷量和m声源振荡容积幅值24cm板叠130m,其性能系数有较大的影响从图4知在一定条隙0.7m板厚0.2m板叠热端离声源的距件下要使系统处于制冷模式板叠长度存在一范离28m材料为Mr换热器(板叠结构)间围对图中的每一条件也存在一最优板叠长度隙0.8mm板厚0.2mm热端换热器长30mm冷端换热器长20mm,材料为铜片浦谐振频率为640.16Hz工质为氮气对驻波系统,由于板叠间距s板叠长度及板叠在驻波中所处的声场位置X对系统有较大影响因而对此三个参数进行了计算计算过程如图2所示.图3~图5是对图1所示声驱动的驻输入系统已知参数,赋混度一个线性初值L,/m计算工作介质的热物性参数图4L1与Q和C/C的关系计算各元件的单位传递矩阵及系统总传递矩阵l一△T=30K:2-—△T=20K;3-△T=10K匚计算边界上的参数:P2U从图5的计算结果知在其他条件一定的情计算各戴面上的参数:PU.了计算各截面上的平均热流声功率,焓流,及回热器中否算沮度梯(10输出结果图2计算程序框图图5X与Q和C甲/C的关系N为循环数,』为迭代精度波热声制冷机中的板叠利用式(1)~(3)算的中国煤化工△7=10K结果图中,Cm是板叠的性能系数定义为板叠况CNMHGAT=30 K佚式板叠的位置X存冷端的制冷量Q与板叠消耗的声功之比;是在一范围对图中的每一条件板叠也存在一最优相应温区的卡诺性能系数汹T是板叠两端的温位置使制冷量和性能系数达最大值以提高制冷机在△T=20℃温差下的制冷量图3显亲叠性能参数与板叠间隙、之间第3期张晓青等:热声热机中回热器的数值计算与分析为优化目标并适当考虑性能系数,作者从热声制冷机板叠的计算结果,优化了原有板叠参数,优化前后结果比较如下优化前:X=320mm,L=120mm,s=0.8mmQ=15.74W,Cm=0.23;实验结果:Q。=14.41W,C=0.2115=0.1 mm优化后:X=160mm,L=150mm,s=0.7mQ。=23.58W,Ccmp=0.21;实验结果:Q21.45W,Ccop=0.193从计算结果知,优化后制冷量提高了图6Q与声源的驱动频率f的关系49.81%以适当牺牲性能系数为代价性能系数l—制冷量中的对流分量Q2-导热分量Q-降低了8.7%实验值为制冷量提高了48.853—行波分量Qmx—驻波分量Qu性能系数降低了8.5%此结果是比较满意的.间隙为2δ~4δ,以提供合适的驻波相位.回热器基于对板叠的计算数据对此驻波热声制冷(或板叠)间隙或水力半径是影响热声热机系统机中的能量分量进行了计算结果示于图6中正常运行的重要因素.总之,回热器(或板叠)的图6显示了在不同板叠间隙s时板叠冷端计算与设计对热声热机系统的正常运行是至关重处总热流即制冷量和其分量与频率的关系(计算要的条件m=0.3MPa;X1=0.31m△T=10K)由图参考文献6可觅板叠冷端的总热流即制冷量在大间隙时s=0.7mm)驻波分量占优势在小间隙时(s[1 ]Swift G W, Ward W C. Simple Harmonic Analysis of Re-generators. Thermophysics and Heat Transfer, 1996, 100.1mm)行波分量占优势,计算结果说明了小间(4):652~662隙有利于行波成分的增加因而要求在行波热机[2] Swift G W. hermoacoustic Engi.Acs,.sc.Am如斯特林中的板叠间隙或回热器的水力半径远小1988,84:1145~11于一个流体渗透深度δ以提供热机正常工作的[3] Arnott W p,BsHE, Raspet R. General Formulation of合适的行波相位;而要求在驻波热机中板叠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中国煤化工CNMHG