热声系统高温段的漏热分析与防护结构的优化设计

2016年第3期低温工程No.32016总第211期CRYOGENICSSum No 211热声系统高温段的漏热分析与防护结构的优化设计李娟·2周刚李青(中国科学院理化技术研究所航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100190)(2中国科学院大学北京100049)摘要:对热声系统高温段的漏热进行理论分析,建立高温段真空防护结构的物理模型,并基于uent中S2S模型,对模型进行了稳态数值模拟,得到了辐射散热量、导热量、外表面的热流量随加热温度的变化,以及辐射和导热占总漏热量的比值;在此基础上,对防护结构进行优化,提出防护结构2,对比分析了两种热防护结构的防漏热效果。结果表明,真空防护结构会有效的减少系统的漏热,增大系统的热声转换效率,且优化后的结构2较结构1更能有效的减少系统漏热。关键词:热声高温漏热真空结构设计中图分类号:TB65文献标识码:A文章编号: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引言动部件、工作可靠性高、可使用低品位热源和环保的工作介质等优点,因此应用前景十分广阔。根据系统热声发动机是一种利用热声效应将热能转化为中声场的特性可以将热声发动机分为驻波热声发动声能的新型热力机械,具有结构简单、无或极少有运机和行波热声发动机,行波热声发动机中,气体微粒中国煤化工收稿日期:201604-21;修订日期:20160601CNMHG作者简介:李娟,女,24岁,硕士研究生。第3期热声系统高温段的漏热分析与防护结构的优化设计31所经历的热力学循环为类似于理想的斯特林循环,因K,温度较高,对流和辐射漏热较大。在不采用减少此其效率高于驻波热声发动机。对于理想的热声发漏热措施的情况下,高温段的漏热,主要包括自然对动机,其热声转换效率E其中E为声功流,Q流换热E对和辐射漏热E额(包括对外界环境的辐射漏热和对冷端换热器的辐射漏热)。本次主要针为热流,对应可得热声转换效率,然而对于实际的热对高温段对外界环境的漏热进行研究,因此,计算中声发动机,由加热器加入到系统中的热量,不仅用于忽略对冷端换热器的辐射漏热,以下所指辐射散热即回热器的热声转换,导热、流动损失、回热器的非理为对外界环境的辐射散热,总漏热指对外界环境的辐想性均会对发动机的热声转换效率造成较大比例射散热与自然对流散热之和。按自然对流换热系数的影响其中高温段(包括加热器、回热器和热缓冲6W/m2K,高温段面积为9.24×103m2,温度为管)的漏热是热声系统热损失的主要来源之一,因650K对自然对流换热和辐射漏热量进行计算:此十分有必要对该高温段的漏热进行理论分析和E对流=hA△t=6×9.24×10模拟研究。(650-300)W=19.4W(1)关于热声系统漏热的研究很少,对于高温段的漏Eg=cA(r-Tn)=0.4×567×102x热研究,李山峰"通过实验的手段,测量得到在发动9.24×103×(6504-3004)=35.7W(2)机热端温度550℃以上时,通过保温层的漏热量达到式中:h为自然对流传热系数,W/m2K;A为高200W以上,从而提出,通过减小回热器以及热缓冲温段的表面面积,m2;b为不锈钢面的发射率;为管管壁的厚度降低导热损失减小热端换热器以及次黑体辐射常数其值为567×108W/(m2·K“)。水冷器表面的黑度来降低辐射换热损失,并改进保温措施以减少漏热。另外与一般的流动换热不同,热声容腔系统内是交变流动换热。在交变流动换热的研究中,主冷端换热器Dean, smith等2对管内交变流动传热进行实验研究,引入复努塞尔数,获得每一阶热流密度和温差以及两者间的相位角,进而求得每一阶的复换热系数以回热器及复努塞尔数。然而周期换热的情况未给出,使得其加热器研究结果无法推广应用于一般情况的交变流动传热计算。 Bouvier等3针对圆管内交变流动传热进行了热缓冲管实验研究,采用反传热的方法,通过测量壁面内的温副冷端换热器度或是流体的温度,推导得到交界面处的热流密度和温度以及无量纲换热系数,但是其测量方法比较困难,精度难以保证。本文主要对高温段的漏热进行理论分析,建立了高温段真空防护结构的模型,并通过图1热声发动机环形圈示意图静态模拟的方式对该模型的防漏热效果进行模拟研Fig. 1 Schematic diagram of annular ring究;在此基础上对热防护结构进行优化,对比分析了两种结构的防漏热效果。可以看出,当温度为650K,加热量为280W时,2理论分析高温段总热损失为55.1W,总漏热占系统总加热量的19.2%,对流换热和对环境辐射散热占加热量较回热器是热声系统的核心部件,其两端的温度差大的比值,严重影响热声转换效率。另外,随着陶瓷是热声转换的必要条件。装置中的回热器和热缓冲加热器温度的升高,根据上式中辐射力E和对流散管固定下来后,维持回热器固定温差值所需要的理想热量与温度T的关系,温度升高时,外表面的辐射散加热量是不变的。如图1所示,行波热声发动机环形热量和对流换热量会进一步增大,高温段的热损失会圈中,通过加热器对热声热机进行加热并保持回热器进一步增大中国煤化工两端有着合适的温度差。因此加热器、回热器以及缓可见CNMHG清况下,系统的冲管段的温度较系统其它位置的温度高约50-200自然对流换热和辐射漏热均较高,严重影响发动机系工程2016年统的热声转换效率。因此,应该对系统的高温段(包发进行求解,将立体角离散化,求解有限个立体角发括回热器、加热器以及热缓冲管)进行绝热保温,以射出的辐射方程,通过求解各立体角内的辐射运输方减少向外界的漏热损失。一般的热声系统中,高温段程获得辐射强度分布,积分获得辐射热源。外壁面采用真空夹层以减少对外界环境的漏热,如图S2S辐射模型非常适用于封闭空间中没有介质2所示;抽真空以后,真空度可以达到1×10Pa。一的辐射问题,通过设定和计算角系数文件来计算辐射方面,它可以缓解由于加热器加热引起的管体膨胀可量,从而可以不涉及到辐射介质,因此对于计算真空能导致的微小变形,另一方面,可以有效避免夹层内辐射具有良好的精度。部空气的传导和对流所造成的热损失。对比以上辐射模型的使用情况,本文主要是真空辐射,因此采用S2S辐射模型,边界条件设为温度边界条件,模型两端为冷端换热器,因此温度设置为加热器300K,模型中加热器的温度,根据实验获得,如表1真空腔所示。表1加热器的加热温度与加热量对照表图2真空腔结构示意图(结构1)Table 1 Heating temperature and heatingFig 2 Schematic diagram of vacuum cavity(structure 1)quantity of heater试验数据数值对图2所示的真空腔热防护结构的散热进行分加热电压/V加热电流/A2.332.933.514.094.66析,上述结构中,加热器的热量传导至真空腔内表面,加热量/W146.5210.6286.3372.8真空腔内表面的热量一部分通过连接板径向传导至加热器温度/K565609655708真空腔外表面,一部分通过热辐射进行传热,而系统外表面的散热方式主要是辐射散热和自然对流换热。系统主要的气体工质为高压氦气,主要的固体通过数值模拟的方式对结构1的散热进行模拟研究工质不锈钢板和陶瓷加热器,两者的物性参数如表2所示。3数值模拟3.1模型选择及边界条件设置表2主要工质材料的热物性其物理模型如图2所示,采用ICEM进行网格划Table 2 Thermal properties of main working materials分,网格质量为0.38;对于模型中的辐射漏热, fluent工质密度/(kg/m3)比热容/(J/kg/K)导热系数/(W(m·K)陶瓷中主要有5中辐射模型:DTRM模型、P模型、R0s不锈钢板8030land模型、Do模型以及S2S模型。高压氦气4.67350.1557DTRM的主要思想是用单一的辐射射线代替从辐射表面沿某个立体角的所有辐射效应;模型的计算3.2模拟结果及分析精度主要由跟踪射线的数目和计算网格的疏密程度决模拟可得上述模型中,真空腔内的辐射散热量定;对于大数目的射线问题,非常耗费CPU时间。不锈钢支撑的导热量以及系统外表面的温度分布。PⅠ辐射模型是PN模型中最简单的类型。P-1图3为系统真空腔内辐射散热量和连接板的导模型的主要出发点是把辐射强度方程展开成为正交热量随加热器温度的变化,很显然辐射量和导热量均的球谐函数,对于光学深度比较大(如燃烧应用中),随着加热器温度的升高而升高,辐射散热量由5.2W表现非常好。上升为16.9W,导热量由8.7W上升为12.8W;这ROSSLAND模型不计算介质辐射强度的输运方是因为,随着加热器温度的升高,真空腔内表面和系程,而是在P1模型基础上引入与温度成3次方的传统外表面的温度均随之升高,表面温度的升高必然会热系数来计算辐射传热量,相对于P1模型计算较快,导致散热量凵中国煤化工和导热量占总散推荐用于光学深度大于3的情况下。热量的比值CNMH(可以看出,随着DO模型是从有限个立体角发出的传播方程出加热器温度的升高,导热量的增长幅度较辐射量的增第3期热声系统高温段的漏热分析与防护结构的优化设计长较为缓慢,这是因为辐射量与温度成4次方的关708e402系,而导热量是一次方的关系,因此辐射量随温度的660=+402变化较为明显。图5、6分别为加热器温度为708K6.44e+0218真空腔辐射量63e+026连接点导热量5.47e+02系10图6真空腔内表面的温度分布Fig6 Temperature distribution on inner surfaceof vacuum cavity500540560580600620640660680700720加热器温度/K时,真空腔外表面和内表面的温度分布,在真空腔外图3辐射量和导热量随加热器温度的变化表面,温度分布为两端高,中间低,内表面的温度分布Fig 3 Radiation and heat conduction vs则相反,因此可以看出,连接板的热传导在热量传递heating temperature中占很大比值。另外,温度为650K时,系统总漏热量为30W,与不加防护结构的总漏热量55.1W相辐射量比值比,可有效的减少漏热83.67%。0.38导热量比值3.3热防护结构的优化设计为了进一步减小辐射漏热,可在真空腔中加一层辐射屏,在稳定条件下0.320.30q1(E1-Es3)(En-En)式中:q13,q32分别为真空腔表面1对遮热板和0.24遮热板对表面2的辐射传热热流密度,且两个系统的520540560580600620640660680700720发射率相同,均为:加热器温度/K图4辐射量和导热量的比值随加热器温度的变化,=11(5)Fig 4 Ratio of radiation and heat conduction vsheating temperature在热稳态条件下,q13=q32=q12。将式(3)和式(4)相加可得91(6)与未加辐射屏时的辐射传热相比,其辐射传热量75e+02减小了一半。另外为使削弱辐射传热的效果更为明显,可采用发射率较低的金属薄板作为遮热板或多层445e+02遮热板。4.40=+4根据以上分析,建立热防护结构优化后(结构2475e+04.230+02的模型,如图7所示。结构2在结构1的基础上,为图5真空腔外表面的温度分布图了减少真空腔内的辐射散热,在真空腔内部焊接遮热Fig 5 Temperature distribution on outer surface板。此时真空Ⅵ中国煤化工鹰热板,再经遮of vacuum cavity热板辐射至真CNMHG板的温度高于连接板的温度,因此遮热板的热量一部分还会通过轴34低温工程2016年向导热传至连接板,并进一步由连接板传导至真空腔→结构外表面以及系统外表面。因此,结构2系统的辐射散结构2热量是减小的,但导热量在一定程度上是增加的,为了减少结构2的轴向导热散热量,研究对遮热板进行间断处理。对结构2的散热进行数值模拟研究。间断处理20540560580600620640660680700720加热器加热器温度图9两种结构下导热量随加热温度的变化Fig 9 Heat conduction vs heating temperature图7优化后的结构示意图(结构2)for two different structuresFig 7 Schematic diagram of optimizedtructure( structure 230→结构1结构对结构2的数值模拟研究中,采用与结构1中相同的边界条件与辐射模型。其模拟结果如图8-11所示,分别为两种结构下辐射量、导热量、系统外表面热流量以及外表面温度随加热器温度的变化。首先很显然,在相同的加热器温度下,结构1的辐射散热量要高于结构2,但其导热量却低于结构2的导热量,这些在上述的理论分析中都是可以直接得到的。20540560580600620640660680700720经过模拟分析,还可以看出,在相同的加热器温度下,加热器温度/K结构1中系统外表面的热流量和温度均要高于结构图10两种结构下外表面热流量随加热温度的变化2,由此可见,虽然结构2中遮热板的存在增加了系统Fig 10 Heat flux vs heating temperature for的导热散热量,但是这部分的散热量在整个系统散热two different structure量中占很小的比例,例如,当加热器温度为609K时,结构1的导热量为10.4W,结构2的导热量为10.7一结构1结构2W,仅仅增加了0.4W,但其辐射散热量却由此平均减少了2.5W,且结构2的外表面温度明显低于结构410结构25405605806006206406606807007208图11两种结构下外表面平均温度随加热温度的变化Fig. 11 Average temperature vs heating temperature520540560580600620640660680700720for two different structures加热器温度图8两种结构下辐射量随加热温度的变化1,外表面中国煤化工小对流散热;因此Fig 8 Radiation vs heating temperature for结构2的HCNMH(热,即结构2要优two different structures于结构1。(下转第56页)56低温工程016年(1)与纯制冷剂141b为工质相比,质量分数为reverse flow and boiling fluctuations in a microchannel evaporator of08%的纳米制冷剂Al2O3-R141b压降波动较为平an air-conditioning system[ J]. International Journal of Heat and Mass缓,标准差最大降低了18%。Transfer,2014,71:639652,4 Bogojevic D, Sefiane K, Walton A J, et al. Two-phase now instabili(2)在质量通量为185kg/(m2·s)、入口过冷度lies in a silicon microchannels heat sink [J]. International Journal of为8℃,条件下,微通道内工质在流动沸腾时,热流密Heat and Fluid Flow, 2009. 30:854-861度为254kW/m2的压降波动比18.2kW/m2的压降5洪欢喜,武卫东,盛伟,纳米流体制备的研究进展[].化工波动更为剧烈。展,2008,27(12):1923-1928(3)实验工况范围内,较高质量通量和较高入口Hong Huanxi, Wu Weidong, Sheng Wei. Research progress of prepa-ration of nanofluids[ J ]. Chemical Industry and Engn-eerin过冷度可以一定程度上使压降波动更为平缓,但其影1ggres,2008,27(12):1923-1928响效果较小。6 Wang Yuan, Khellil Sefiane, Wan Zhenguo. Analysis of two-phasepressure drop参考文献ernational Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 70: 353-3621刘一兵电子设备散热技术研究[].电子工艺技术,207,287 Wang Guodong, Cheng Ping, An experimental study of now boiling(5):286-289instability in a single microchannel[ J]. International CommunicationsLiu Yibing. 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Beijing: Institute of由于漏热的存在,导致系统漏热约55W,占系统总加hemistry, Chinese Academy of Sciences, 2009热量的19.2%以上,且加热的温度越高,漏热越大;2 Dean CE. Establishing Baseline data for an Experimental Paratus that真空防护结构会有效的减少系统的漏热,增大系统的Measures Heat Transfer Under Conditions of Ocillating Pressure and热声转换效率;优化后的结构2较结构1更能有效的Flow[D]. Massachusetts Institute of Techonology. 1993减少系统漏热,这些都为高温段真空防护结构的设计3 Bouvier P, Stouffs P, Bardon J P. Experimental study of heat transfer inoscillating flow[ J]. International Journal of Heat Mass Transfer提供了指导方向;然而本文主要进行稳态漏热的模拟2005,48(12):2473-2482研究,且并未考虑回热器丝网的导热,因此存在一定4温正,石良辰,任毅如等 FLUENT流体计算应用教程[M]北误差。在下一步的工作中,会进一步进行交变流动漏京:清华大学出版社,2009热的研究。Wen Zheng, Shi Liangchen, Ren Yiru FLUENT fluid computing appli-cations tutorial[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2009中国煤化工CNMHG