（化工过程机械专业论文）微型热声热机加热器与换热器的优化设计.pdf

摘要 摘要 微型热声热机是一种稳定的耗散结构，加热器和换热器是其能量的 入口和出口。因为它们是热机起振和维持振动的必要条件。尽管热声热 机的研究很早就开始了，也有了很多学者的研究成果。但是却迟迟不能 市场化，其中一个关键环节就是微型化上的困难，或者说是体积功率比 提高方面的困难。本文研究了加热器和换热器的微型化优化设计和实现。 在国家自然科学基金“高频热声热机的频谱理论和实验研究”f 项目批准 号：5 0 6 7 6 0 6 8 ) 的资助下，本文首先给出了目前可用于热声装置的加热 方式，并分析了它们的优缺点，提出了新的设计方案，在理论上和数值 上进行了优化设计，并做了充分的验证，给出了制作方法。用同样的思 想给出了目前可用热声装置的换热器，并分析了他们的优缺点，在此基 础上，给出了新的设计方案，并用相关的理论进行了优化设计。 关键词：微型加热器，微型换热器，优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o t h e r m o a c o u s t i ci sas t a b i l i z a t i o nd i s s i p a t i o ns y s t e m t h eh e a t e ri s i t se n t r a n c eo fe n e g r y , a n dt h eh e a te x c h a n g e ri si t se x i to fe n e g r y t h e ya r e t h ek e yf a c t o r sf o rt h ee n g i n et ok e 印w o r k i n g a l t h r o u g ht h er e s e a r c hw a s b e g u nal o n gt i m ea g oa n dm a n ya e h i v e m e n t sh a v eb e e n ，g o t t e na tt h i s f i e l d ，t h ee n g i n ei ss t i l lf a rf r o mt h em a r k e t o n eo ft h em a i np r o b l e m si si t s m i n i m i z a t i o n ，o rt h ep o w e ri np e ru n i tv o l u m eo ft h ee n g i n e t h ew o r ko f t h et h e s i si st h eo p t i m a ld e s i g no fm i c r o h e a t e ra n dh e a te x c h a n g e r w i t ht h e s u p p o r to ft h en a t i o n a l n a t u r e s c i e n c e f r e q u e n c ys p e c t r u mt h e r o ya n d e x p e r m e n t a lr e s e a r c ho fh i g hf r e q u e n c yt h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ( s u b j e c tn o ： 5 0 6 7 6 0 6 8 ) ，t h e t h e s i sd e s c d b e st h em a i nm e t h o t i sf o rt h e r m o a c o u s t i c h e a t e r , t h e na n n a l y z e st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s an e wd e s i g np l a n i sp r o v i d e d ，t h eo p t i m a ld e s i g ni sp e r f o r m e dt h e o r e t i c a l l ya n d n u m e r i c a l l y , t h e c o m f i r m a t i o ni sg i v e n ，a n dt h em a n u f a c t u r em e t h o di sd e t e r m i n e d w i t ht h e s a m ew a y ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h em a i nm e t h o d sf o rt h e r m o a c o u s t i c t h e n a n a l y z e st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b a s eo ni t ，an e wd e s i g np l a ni s p r o v i d e d ，a n dc o r r e l a t i v et h e o r yi su s e dt oa n a l y z ea n do p t i m i z e k e y w o r d s ：m i n i t y p eh e a t e r , m i n i t y p eh e a te x c h a n g e r , o p t i m u md e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：嘞 洞年1 月- z h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ， 在一年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密0 ( 请在以f ：方框内打“”) 学位论文作者签名：爹磅衫 明年钼1 f 1 指导教师签名：将 卯年月铂 第1 章引言 1 1 课题研究背景 第1 章引言 随着电子技术和光电子技术的高速发展，电子元件的发热量日益升 高，散热成了提高元件性能与稳定性工作的重要课题。以i t 领域为例， 随着电脑技术的高速发展，c p u 的消耗功率大幅提高，在现有的与 p e n t i u m 同等级的个人电脑上，使用一组热沉( h e a ts i n k ) 和小型风扇 强制空气冷却的方式，最多只能处理约6 0 w 的废热。因此，现有以强制 空气冷却为主的散热技术已经是微处理器进一步发展的瓶颈，需依赖新 一代的效率极高的冷却技术来解决。另外电子和光电子器件在性能提高 的同时，其体积日益减小，故相应的散热制冷元件的尺寸也必须缩小， 而电子、机械与其他相关工业结合所发展出来的微加工( m e m s ) 技术， 已经可以制造出微米，甚至次微米级的零件和结构，它的发展正好为微 型制冷技术的进一步发展和实现提供了必要条件。 为了满足低温电子和高温超导技术不断进步的需要，在斯特林机发 展的基础上，一种在斯特林循环基础上发展起来的新型制冷技术热 声制冷技术发展起来了，而且它的理论水平迅速提高，指导了微型低温 制冷机向高频振荡领域发展的实践。 斯特林制冷机由于具有能工作于低温的特点，自廿世纪中叶以来， 首先在国防工业中获得优先发展。和传统的热机相比，它们具有结构简 单，可靠性高，寿命长，无( 或少有) 运动部件，无环境污染，工作温 度范围宽，能源要求品位低等诸多优点。另一方面，2 1 世纪人类面临严 峻的环境保护问题。温室效应和臭氧层的破坏也都迫切要求改变传统的 热能动力工艺。热声热机( 含热声发动机和热声制冷机) 于廿世纪8 0 年代中在美国首先开始研制。热声热机不但能够利用诸如太阳能、地热、 工厂废热等可再生和低品位能源，而且使用和环境友好的工作流体和材 武汉工程大学硕士学位论文 料。利用热声发动机驱动的热声热机，有望成为2 1 世纪的“绿色”制冷 机。因此，热声热机一直是制冷与低温领域的一个研究热点。 热声热机的微型化，必然要求其加热器和换热器的微型化。本课题 在国家自然科学基金项目“高频热声热机的频谱理论和实验研究” ( 5 0 6 7 6 0 6 8 ) 的资助下，针对微型热声热机的加热器和换热器进行优化 设计，为整机的微型化和高效运行提供必要的理论和实验根据。 1 2 热声效应机理 1 2 1 热声效应 热声效应：在一定条件下，热能与声能相互转换的现象叫热声效应。 它指的是可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的 时均能量效应。广义地说，热声效应是扩散过程与振荡过程的相互作用； 狭义地说，热声效应是热能与有序声能的直接转换。利用热声效应，可 开发各种热机与制冷机。热机：热能( 温度梯度) 转化成声能；制冷机： 声能转化成热能( 温度梯度) 。 热声原理：气体微团在声波的作用下，产生压缩膨胀与位移同时 进行的循环，在固体材料的参与下，发生声能与热能间的转换，即热声 效应，导致热能作定向的流动而制冷。 图1 1 显示了板叠附近一个小的气体微团在一个简化的热声热机循 环中，热声板叠附近的一个气体微团的拉格朗基观点的功热作用( 左边 是高温端，右边是低温端) 。一旦板叠两端所强加的温度梯度足够大，则 热机中的气体便开始了热机循环，这个循环可由四个的理想的热力学过 程和传热的相互作用来近似： i 当向速度节点运动时，气体微团从环境吸收声功被绝热压缩； i i h i 热量从板叠传给被压缩的气体微团，气体微团受热膨胀对环境 做功，通过在定压下对谐振管传输一小的行波相角的分量，气体微 团向外界传输声功： m i v 当向压力节点运动时，气体微团通过绝热膨胀对环境做功； 2 第1 章引言 i v - i 热量从膨胀的气体微团传给板叠，气体微团放热收缩，同时从 环境吸收声功。 囝强旺田疆雹田雹雹叠雹墨宙固星瞳盈曩臣固固 吼 ；p 珈 图1 1 在一个简化的热声热机循环中的功热作用 图1 2 显示了板叠附近一个小的气体微团在一个简化的热声制冷循 环中，热声板叠附近的一个气体微团的拉格朗基观点的功热作用( 左边 是高温端，右边是低温端) ，这个循环可由四个的理想的热力学过程和传 热的相互作用来近似： i 当向速度节点运动时，气体微团吸收外界产生的声功被绝热压 缩； i i 气体微团吸收外界产生的声功，热量从被压缩的气体微团传给 板叠，气体微团放热收缩； m 当向压力节点运动时，气体微团绝热膨胀对环境做功； i v - i 热量从板叠传给气体微团，气体微团吸热膨胀对环境做功 1 1 。 武汉工程大学硕士学位论文 1 2 2 热声热机 图1 2 在一个简化的热声制冷循环中的功一热作用 热声装置使用具有高振幅声波的谐振管来产生大振幅的气体温度振 荡，声波可由热或机械来产生，当气体在固体表面附近振荡和与之交换 热量时，将发生热能与声能间的耦合，即产生热声效应，热声耦合现在 正应用于闭式的热动力学循环中，以产生功率或制冷，而装置却没有运动 部件或只有如振动膜片的运动部件乜】。在典型的热机和制冷机中，具有 曲轴耦合的活塞或旋转透平，而在热声热机和热声制冷机中晟多只有一 个柔性的运动件( 如在喇叭中的声膜片) ，没有滑动密封，在小功率、可 靠或低价格的因素较效率更重要的场合，现阶段的热声装置就已有竞争 力。 图1 3 描述了一个闭式循环的热声装置，此装置中的关键元件包括 一个充满气体的声谐振管，一个称作热声板叠的具有大面积的固体表面， 和位于板叠两侧的热交换器，此装置既可作为热机也可作为制冷机，取 决于板叠温度梯度的幅值，热声板叠和热交换器是由具有几个固体热渗 透深度厚的一系列平行板所组成，一个固体热渗透深度为： 4 第1 章引言 6 。以瓦7 历i ，板叠和热交换器的相邻板间间距几个气体热渗透深度， 一个气体热渗透深度为：6 、历巧石万，热渗透深度d ，表示在一个声 周期t v 厂的时间内热渗透的距离，它由热导率k 、气体的平均密度p 。和 单位质量的等压比热c 。以及声波的角频率m 来决定，其中珊2 万，厂是 声频。对于固体的热渗透深度，它由固体相应的参数来决定，表示在固 体介质中温度波的侵入距离。 在原理性的热声装置( 主要是驻波装置) 中的声场主要以驻波的形 式存在，一般在主要驻波成分上会叠加有一小的行波成分。最小波幅的 位置称为波节点，而在最大波幅的位置称为波的反节点，在声驻波的速 度节点附近，气体的位移是小的，气体的位移随离速度节点的距离而按 正弦函数增加，在纯的驻波声场中，速度相位与压力相位相差丌1 2 ，当 气体随声驻波轴向地向压力反节点方向移动时，声驻波的绝热压缩将使 气体的温度升高，而当气体轴向地远离压力反节点移动时，声驻波的绝 热膨胀会引起气体的温度降低，声波的压力振荡会伴随着气体的温度振 荡，这是热声装置得以工作的基础，正是压力、位移和温度振荡的结合 以及与固体边界的相互作用，产生了丰富类型的“热声效应”。 1 2 3 热声技术的特点【2 】 热声技术比起传统制冷技术有着一下的优点： ( 1 ) 无( 或最少的) 运动部件； ( 2 ) 结构简单； ( 3 ) 无噪声： ( 4 ) 可以做到无污染( 工质是与环境友好的气体) ： ( 5 ) 微型化，结构可以做到随芯片的形状而变。 武汉工程大学硕士学位论文 图1 3 a 原理性闭式循环热声发动机装置 徽匦体貌 图1 3 b 原理性闭式循环热声制冷机装置 6 第1 章引言 1 3 国内外研究概况及主要技术难点 1 3 1 国内外研究现状 目前，国外的大批研究机构已经广泛地开展了制冷机微型化方面的 研究工作。首先是美国国防部高级计划研究局主持的h e r e t i c 计划，从 9 9 年开始对能与电子芯片一体化封装的微型制冷器进行研究，该计划的 目的是发展与高密度、高性能的电子和光电子器件或芯片集成化的固态 和液态的制冷技术或设备。其核心技术是寻求新颖的散热或制冷技术以 便于电子和光电子器件和芯片能够正常且高效地工作，并为芯片的更高 集成化留下发展的空间。这样的器件和设备必须能够与电子和光电子等 器件集成化或封装在一起。尤其是具有异型结构的集成电子芯片以及可 控的散热器件更是该计划的重点发展对象，其它的一些相关设备也是其 发展方向之一，所有这些器件的发展目标都是要求达到芯片集成化的水 平。只有当芯片冷却功能集成化后，芯片本身的工作性能才可能在现有 的基础上得到更大的提高。热声制冷器在美国阿拉莫斯国家实验室( l o s a l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 、美国海军研究院( a m e r i c a nn a v y i n s t i t u t e ) 、诺克维尔研究中心( r o c k w e l ls c i e n c ec e n t e r ) 、犹他州 立大学( u n i v e r s i t yo fu t a h ) 等研究机构已取得了有实用价值的研究 成果。其中诺克维尔研究中心和犹他州立大学的初步样机尺寸为直径 3 2 m m ，长度5 5 m m 。除了美国的研究机构以外，俄罗斯的生物芯片中心， 日本的富士通公司开发的笔记本电脑微冷却器、欧洲的菲力浦实验室都 对微型流道热沉和微热管的制作工艺和流动特性进行了深入的研究，取 得了阶段性的成果。总之，国外已广泛开展了热声制冷机的微型化研究 3 】 o 我国的热声研究开始于8 0 年代末。华中科技大学的热声课题组在郭 方中老师的指导下运用网络理论和系统动力学的方法对回热器作了深入 细致的研究工作，首次揭示了回热器的波动本质，提出了热声热机回热 器的网络模型，并且实现了国内第一台热声谐振管，现在已开始了热声 7 武汉工程大学硕士学位论文 空调及微型热声斯特林系统的研制工作。中科院声学研究所戴根华和南 京大学声学所王本仁、缪国庆对热声制冷的理论和机理进行了介绍和分 析。中科院的罗二仓等研究了双行波模式下的热声发动机驱动的制冷机。 同济大学寿卫东和韩鸿兴等对热声制冷进行了实验探索。浙江大学制冷 与低温工程研究所也对热声进行实验研究，并于1 9 9 6 年研制成一台采用 丝网板叠的半波长热声压缩机。香港理工大学的热声课题组也正在进行 微型化的声驱动的热声制冷机的研究。总之，国内现在的热声制冷器研 究也已经开始向与芯片结合的应用型过渡。 以上论述说明，热声斯特林系统微型化的研究具有极其广阔的发展 前景，且已经具备了深厚的理论基础和技术实现条件。 1 3 2 热声热机走上大规模工程应用的主要技术难点啪 ( 1 ) 功率体积比太低，使其尺寸太大，很难用于要求紧凑的场合， 现在它的单机功率仅为k w 级r 尺寸大于2 x2 ，, , ) p a - f 。 ( 2 ) 热声转换效率较低，使装置的相对效率( c o p c o p c 锄o t ) 仅 5 。另一方面，低温电子系统器件的微型集成化要求低温制冷机进一步 轻量化和更高的可靠性。 热声制冷机一般可分为两类：一种是声驱动的热声热机，即利用压 电膜或电动膜等各种声波发生器来驱动热声制冷机；另一种是热驱动的 热声制冷机，即利用热源直接产生声波来驱动热声制冷机，该系统完全 没有运动部件，而且可以利用太阳能和废热等1 5 】。 这些问题的解决都取决于热声热机系统的高频化研究。根据谐振频 率和热机尺寸的关系，可以说明热声热机的微型化的前提是高频化。 在众多的热声类别中热驱动热声热机有其独到的优势，因为它的前 景是对太阳能和低品位热能的再利用。在这样的前提下，本课题针对热 发动机的热端换热器的微型化设计作一次探索。 8 第1 章引言 1 4 本课题研究的主要问题 本课题是微型热声热机加热器和换热器的优化设计，是华中科技大 学和武汉工程大学热声制冷课题组的一个子课题，该课题的父课题是搭 建一个微型热声热机试验台，该装置是利用热声发动机和热声制冷机的 耦合，实现高效率的热驱动制冷，在热声理论的指导下，通过脉管一斯 特林级联和热声一斯特林级联中的参数匹配，使这种无运动部件的制冷 器达到最好的效果，这是非常吸引人的前景 3 1 。该工作现正处于开始阶 段。 既然采用热驱动，那么对热源的性能效率和体积比就有一定的要求。 实验室里面我们是用电加热提供热源( 可以是太阳能，废热等低品位的 热能) ，根据已有的研究基础及现有的工艺条件可知：较大的外部加热的 加热器比较好实现，但是外部加热缺点是：热损失到环境的多；外部加 热对内部工质的动态反应慢，详细论述在第二章。作者设计的是一种新 型内加热器，详细设计过程见第三章。加热器优化设计的内容有： ( 1 ) 微型、高效加热器方案的确定，结构、材料的设计计算； ( 2 ) 加热器输入电压和温度的动态关系，加热器恒温控制的方案； ( 3 ) 封闭系统振荡流中的换热过程的理论推导，和d e l t a e 软件数 值计算来优化气体流道的结构尺寸1 6 】； ( 4 ) 加热器换热面的校核，以及与其他学者的结论的对比分析； ( 5 ) 加热器在热声装置中的装配。 微型热声热机同样需要体积功率比比较大的换热器，回热器要产生 声功，就必须有加热器和换热器在回热器两端对称的交换热量来形成一 个起振的温度梯度。该换热器的设计是在声环境中，即可压缩流体中， 所以不能用传统的换热器方法，也没有非常成熟的经验可取。本文的换 热器优化设计的内容有： ( 1 ) 微型换热器的方案确定，结构、材料的设计计算； ( 2 ) 封闭系统振荡流中的换热过程的理论推导，数值计算来优化气 体流道的结构尺寸。 9 武汉工程大学硕士学位论文 第2 章可用于热声发动机的加热方式 热声热机不需要外部的机械手段就可使振荡流体的速度和压力之间 建立起合适的相位关系，系统中除振荡气体外，没有运动部件，特别是 消除了滑动密封部件，因此结构简单且运行寿命长。热声发动机利用热 声效应把热能转换为声功，输入的热量由加热器来提供。随着热声理论 和实验的进一步延伸，热声热机朝着大功率、高效率目标发展，如何提 高加热器的效应，加热功率已经成为热声发动机开发急需解决的问题之 一。 加热装置在热声发动机中起着举足轻重的作用。是耗散系统h 1 维持 稳定的一个必要条件，它是热声装置的“能量入口”。本文首先介绍了 目前在热声发动机已经采用过的几种加热方式并给出其应用范例，同时 还对其它可行的加热方式及其工作原理作了简要介绍，小型热声装置中 加热器有如下特点： ( 1 ) 加热功率一般在几十瓦到几千瓦之间； ( 2 ) 加热器的整体体积较小，因此要求热流密度较大； ( 3 ) 工作流体压力较高，一般高于1 m p a 。 2 1 气体燃料燃烧加热 气体燃料的燃烧一般是将燃料通过燃烧器( 或称喷射器、烧嘴等) 喷 向大气中进行。根据燃料燃烧过程中与空气混合情况可分为预混燃烧和 扩散燃烧。预混燃烧就是在燃料燃烧前将它与空气( 或富氧空气) 预先混 合，然后通过燃烧器燃烧。预混燃烧的燃烧速度取决于氧化反应的进行 速度。扩散燃烧是在燃烧时将燃料和空气分别从相邻的喷嘴喷出在两 者交界面上边混合边燃烧，其燃烧速度取决于燃料和空气两者的扩散和 混合速度。由于边混合边燃烧，燃烧速度比预混燃烧慢，而且燃烧温度 低，但燃烧稳定，不回火，燃烧装置简单。所以，如果不需要过高的加 热温度，或实验条件受到制约，推荐使用扩散燃烧。 l o 第2 章可用于热声发动机的加热方式 1 气体燃料2 空气 图2 1 套管式扩散燃烧器 图2 1 给出了套管式扩散燃烧器的示意图，一些简单的扩散燃烧装置 可以在相关手册上查到。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室( l a n l ) 设计并制 造了一套天然气液化装置，用热声斯特林发动机驱动小孔型脉管制冷 机产生的冷量液化天然气，计划每天生产5 0 0 力1 仑液化天燃气，由于动力 装置采用效率较高的斯特林型热声发动机，所以燃烧其中3 0 天然气产生 的热量可以作为热源液化另外的7 0 。该斯特林型热声发动机以天然气燃 烧产生的热量作为热源，设计输出声功率为4 0 k w 、制冷功率为8 k w 。基于 热声装置在天然气液化中的应用前景，开发紧凑式的天然气燃烧装置显 得势在必行，这对于热声装置的实用化和天然气开采业具有重要意义。 2 2 电热管加热 管状电加热器利用电流通过电阻产生的热量进行加热。它是在一个 金属管内沿轴向放入螺旋形加热丝，空隙部分紧密地填满具有一定导热 性和良好绝缘性的材料( 如氧化镁) 制成管状电加热器，已经系列生产， 而且应用广泛。目前大多数进行热声发动机研究的实验室都采用这种加 热方式。管状电加热器存在着许多优点，如成本低、加热量易于控制等， 但也存在不少问题。首先，受结构的限制，很难获得较高的加热温度和 大的加热功率；其次，加热管对环境的要求较高，工作环境应无腐蚀性 气体，湿度应小于9 5 ；再者由于处于高温状态，在电热管和换热器焊 接处常发生脱焊问题。浙江大学制冷与低温工程研究所的孙大明等人” 1 1 武汉工程大学硕士学位论文 成功设计了大型热声发动机所用的热声加热器( 专利号0 2 16 0 19 5 x ，见 图2 2 a 、b ) 。其所用电热管为驻波型热声发动机提供热量，在发动机每 侧装设两根加热管和一个外加热套，加热管插进铜换热器上预先打好的 孔中，通过两根不锈钢套管引出腔外。铜换热器与不锈钢套管之间采用 银焊连接，一旦加热温度超过5 0 0 0 c ，连接强度难以保证，容易发生泄漏。 因此，换热器与加热器之问异种材料的焊接就成了解决问题的关键。 图2 2 a 加热器及回热器的整体结构 3 1 、第一排加热器插片2 、第二捧加热器插片3 、第一排气体通道4 、第二捧气体通 道 图2 2 b 加热器气体通道截面图( 图2 2 a a a 方向) 第2 章可用于热声发动机的加热方式 2 3 电热带加热 g s w i f t 在研究中采用镍铬带加热驱动行波驻波混合型热声发动机。 它们把镍铬带缠绕在锯齿形三角架上，然后把三角架放置在一个矾土制 成的支撑装置上，工作流体直接与灼热的加热带表面接触进行加热。如 果单位长度的镍铅带能够提供足够大的加热功率并能承受足够高的温 度，那么就可以实现加热器的紧凑化。加热部位长度缩短可以使管道的 绝对膨胀长度变小，从而使行波驻波混合型热声驱动器中的行波反馈环 路更安全；其次，缩短加热器管道长度减少了声波在传播过程中由于粘 性摩擦造成的不可逆损失s w i f t 就是用镍铬带在很短加热长度上实现了 混合型热声发动机的运行，达到目前为止热声发动机的最高热效率 3 0 n 们。受加热功率的限制，这种加热方式往往仅适用于实验室使用。 2 4 太阳能加热 太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，尽管太阳辐射到地球大气 层的能量仅为其辐射量的2 2 亿分之一，但仍高达1 7 3 1 0 ”w 。利用太阳 能加热有许多优点：太阳能既是一次能源，又是可再生能源；它资源丰 富，既免费使用，又无需运输；对环境无任何污染。但太阳能也有两个 主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素( 季节、地点、气候 等) 的影响，不能维持常量。太阳能加热的原理是利用一个面积较大的太 阳能集热器收集太阳光，把能量积累或集中到一定的强度后加以利用按 照集热器是否聚光这一特征可以分为非聚光和聚光两大类。平板集热器 直接采集自然阳光，集热面积等于散热面积，理论上不能获得较高的运 行温度，通常只能满足日常生活需要。聚光集热器把太阳能聚集在较小 的集热面上，有效地提高了入射阳光的能量，并减少散热损失，可以获 得较高的运行温度，因此完全可以为热声驱动器提供能量。 如果对太阳能的强度要求太高，就会提高对集热器的要求，热声滞 后回路的发现为我们在热声驱动器中利用太阳能带来了希望。具体实现 方法是，先用太阳能把系统加热到一定的温度，然后用其它加热方式( 如 武汉工程大学硕士学位论文 电加热) 补充使系统达到起振温度，当系统启动后切换到太阳能加热我 国的西北地区电能缺乏，但日照充足，有利于太阳能的利用。 美国宾夕法尼亚大学制成的太阳能热能驱动热声发动机，能够以 太阳能驱动和电能驱动两种模式运行1 。当处于太阳能驱动模式时，用 一个直径为3 英尺的丙烯酸f r e s n e l 透镜把太阳光集中到陶瓷板叠热端直 接加热电加热器是为了给热声发动机的室内测量提供可靠热源。如果日 照良好，距离谐振管( 1 4 波长) 开口端1 米处可以产生1 2 0 分贝声压。美 国海军研究院物理部设计并制作了一台以太阳能为热源驱动的热声制冷 机。热声发动机利用一个直径0 4 5 7 米的f r e s n e l 透镜把太阳光集中到板 叠热端( 板叠直径为0 0 2 5 4 米) ，把板叠热端直接( 无换热器) 加热到4 7 5 ，然后用热声发动机产生的声功驱动热声制冷机，在5 c 时可以提供 2 5 w 制冷量( 环境温度为2 3 ) 。 2 5 蒸汽加热 水蒸气加热通常用0 2 o 5 m p a 的饱和蒸汽，通过改变饱和蒸汽压力 来调节加热温度。其优点是： ( 1 ) 对流换热系数高； ( 2 ) 单位蒸汽冷凝时放出的热量多； ( 3 ) 由于水蒸气冷凝时温度不变，可以实现均匀加热； ( 4 ) 加热过程容易控制； ( 5 ) 蒸汽的来源广泛，可以实现低品位能源的利用。 但是，蒸汽加热也存在问题。在0 2 - - 0 5 m p a 的饱和蒸汽温度只有 1 2 0 1 5 0 “”。目前，要使热声驱动器起振通常要把回热器热端加热到 3 0 0 ( 2 以上，所以要利用蒸汽加热必须提高饱和蒸汽压力或采用过热蒸汽 加热，但过热蒸汽放出的热量与饱和蒸汽冷凝放出的冷凝热相比太小， 所以很少采用。类似于太阳能的利用方式，我们可以先用水蒸汽把热声 发动机热端加热到一定温度，然后用其它加热方式( 如电加热) 补充使系 统达到起振温度，当系统启动后再切换到水蒸汽加热。这样做只需适量 提高饱和蒸汽压力即可。利用蒸汽加热有着特殊意义。目前，许多厂矿 1 4 第2 章可用于热声发动机的加热方式 企业都把大量具有较高温度的蒸汽直接排放，不仅浪费能源，而且会造 成环境的热污染，所以把废蒸汽作为热声驱动器热源具有双重意义。 2 6 - 感应加热 感应加热的方法基于电磁感应现象。当一个空气芯线圈两端加上频 率为，的交流电压时，将有交变电流通过线圈，于是在线圈的周围将有 磁通链绕，且各处存在不同的磁场强度和磁感应强度。线圈内部的磁感 应强度b 与磁场强度h 存在如下关系“3 1 ： b 一讲( 2 1 ) 其中：是导磁材料的磁导率，其值由公式，一一心决定。式中以一 导磁材料的相对磁导率，儿一真空磁导率。 由公式可以看出，当空气( 以一1 ) 芯线圈内部放入相对磁导率大于1 的钢件或其它材料时，内部的磁感应强度将增大。由于钢件处于交变磁 场中，将会在与磁通量由正交的截面上产生感应电动热e ，因为金属工 件自成回路，在横截面上产生感应电流，此电流称为涡流。涡流可以达 到很高的数值，因而可以使加热工件在短时间内达到较高的温度。由铁 制成的工件还存在磁滞效应，但这部分热量与涡流产生的热量相比要小 得多。 蜗工 图2 3 感应加热器 图2 3 给出了感应加热器的示意图。按照使用电源的频率，可以分为 工频、中频和高频感应加热器。工频加热器可以直接使用电网电源，较 适合一般的实验室条件。中频、高频加热器都需要外加电源设备，所以 成本较高。在感应加热过程中产生涡流的部位是要被加热的部件，所以 通过涡流使要加热的部件自身发热，不需要间接传热，这对于热绝缘和 武汉工程大学硕士学位论文 电绝缘都有利。另外单位长度的感应加热量( 加热功率) 比较大。虽然成 本较高，但感应加热仍是一种值得尝试的加热方式。适合于实验室中使 用，例如武汉工程大学等离子体实验室就配置了一台百万赫兹的高频电 磁感应加热器，加热工件能够瞬间被加热到1 0 0 0 c 以上。 2 7 硅碳管加热 硅碳管加热装置外观类似于感应加热器，但它与感应加热器在原理 上有本质不同。感应加热器在加热过程中发热的是工件( 即要加热的部 件) 而用硅碳管加热的过程中是硅碳管自身发热然后把热量传递给工 件。 硅碳管加热有着自身的优点：首先，国内硅碳管的生产工艺已经比 较成熟，产品系列完整，如中国电热陶瓷之都一江苏宜兴就有很多厂家拥 有硅碳管加热器的制作工艺1 ；其次，价格比较便宜；第三，硅碳管可 以提供较高的加热温度( 1 3 0 0 以上) ，加热功率也基本满足需要。但是， 利用硅碳管加热在高压下会引起密封问题、电绝缘问题、热绝缘问题等。 因此如何将其应用到热声装置中还有待进一步的研究。 2 8 多层电阻丝外加热 该方案为本文作者早期设计的热声加热器方案之一，设计步骤如下。 ( 1 ) 选材：常用电加热材料中，分丝材、带材和棒材。本设计采用 丝材，主要有：镍铬合金、铁铬铝合金、钼和钨等纯金属。然而，铁铬 铝的高温强度低，加工性差；钨丝和钼丝极易氧化、电阻率低、材料价 高。加热丝选用镍铬合金，其优点有： a 电阻率较高； b 加工性好，可拉成细丝； c 高温强度较好，用后不变脆，适用于移动式设备上； d 具有奥氏体，基本无磁性。 ( 2 ) 设计计算： 第2 章可用于热声发动机的加热方式 设计要求： 功率p = 5 0 w ，元件端电压u = 2 2 0 v ，加热温度5 0 0 0 c ，选用c r 加n i 8 0 查表得【9 l ： 2 0 0 c 时，电阻率p - 1 0 9 f t , r i m 2 m 5 0 0 0 c 时，电阻修正系数：c 1 0 3 5 则，5 0 0 0 c 时电阻电阻率：n - 1 1 2 8 q 删n 2 m 查表得： 5 0 0 0 c 时，单位表面积上热负荷：。3 帖c m 2 查表得加热丝直径公式l 蚓： d 叫捂- ”轭豪警- o 0 9 m m ， ( 取直径为妒o 咖) 截面积： s 苎x 0 1 2 0 0 0 7 8 5 m m 2 ( 2 - 3 ) 4 总电阻： 尼生9 6 8 0( 2 - 4 ) 。5 0 总长： l s s , 0 0 0 7 8 5 。9 6 8 6 7 3 6 m ( 2 - 5 ) n 1 1 2 8 铜管的外表面周长为：c 。2 x 1 0 + 2 x 3 1 4 x 5 5 1 4 需要绕的圈数为：一l c - 6 7 3 6 x 1 0 0 0 5 1 4 1 3 1 ( 取1 3 2 ) 分4 层绕，每层圈数为：一一1 3 2 4 - 3 3 每圈间隔：h 22 d ，取h - 2 d 一0 2 m m 每层宽度为：b - 2 d n - 0 2 x 3 3 6 6 m m ( 3 ) 制作方法： a 在铜管上先包一层白云母； b 再缠绕一圈镍铬丝； c 中间用氧化镁粉( 具有良好的绝缘性和导热性) 紧紧地把电热 1 7 武汉工程大学硕士学位论文 丝烧结在一起而固定下来，使电热丝与空气隔绝，不易氧化，不怕震 动，故寿命长； d 然后在丝层上再包一层白云母； e 再在第二层云母上绕丝，填充氧化镁。依次下去，直到丝绕完 为止； 在最内层和最外层丝层中分别插入一根麻花状的0 5 r a m 的镍 铬丝分别作为正负级导线引线； g 最后，在最外层云母上用普通不锈钢钢丝紧紧捆绑起来，制成 加热器。 图2 4 电热丝外加热加热器实物圈 ( 4 ) 安装工艺： 引出线和电源导线之间不能焊接，所以用陶瓷夹子夹起来。铜管外 表面还可以涂覆一层远红外涂料( 金属氧化物) ：红外线与微波等，都是 一种电磁波，其区别在于波长的不同，远红外的波长一般集中在 2 6 a n 间，是以辐射形式向外传播。加热后产生不同波长的红外波，与 被加热物体吸收波长相匹配，达到最佳效果，当其辐射到被加热物体时， 一部分则被物体吸收进入被加热体内部转化为热能以达到加速加热和干 燥的目的。 2 9 本章小结 1 8 第2 章可用于热声发动机的加热方式 本章列举了几种可以应用于热声驱动器上的加热方式，现小结如下： ( 1 ) 目前在热声发动机中使用最多的仍是电加热管，由于它自身条件 限制，有必要探寻其它的加热方式。 ( 2 ) 利用气体燃料燃烧产生的高温烟气加热和利用蒸汽加热有着特 殊的意义。 ( 3 ) 对实验室应用来说，感应加热的动态温度响应的时间是最短的， 但与其相辅助的电、磁设备很昂贵，投资较大。 ( 4 ) 太阳能加热在理论上是最有前途的加热方式，特别是对于一些电 能缺乏的地区。 ( 5 ) 采用新的加热方式往往要求与新型热交换器匹配。 ( 6 ) 外加热方式，安装制作容易，加热功率大，安全可靠，但热损失 也大。 1 9 武汉工程大学硕士学位论文 第3 章微型热驱动热声热机加热器的优化设计 第2 章中介绍了目前可用的热声装置加热方式或加热器。但它们并 不适合微型热声热机，作者在前面对它们的缺点做了论述，特别是以下 的缺陷：( 1 ) 几何尺寸大；( 2 ) 能流密度小；( 3 ) 热损失大。使得它们 不适合用于微型热声发动机中。本文作者设计了一种可运用于热声热机 的微小型热声电加热器。 3 1 微型热声加热器设计 3 1 1 加热器芯的轴向长度的确犁哪 标准的定向稳流加热器设计方法在这里已经不实用了，因为现在是 处在热声环境中，即振荡流下设计，因此理解板叠末端的复杂流型就显 得非常重要。加热器应该和板叠( 回热器) 热端( 驻波热机) 有良好的 热接触，电加热器在这里为它提供外热源。该处的热量主要不是靠板叠 本身的导热来传递的，而是靠板叠之间的流道中的气体微团的来回振荡 来传递一部分热流的，另外一部分热量当然在膨胀压缩的热力学循环中 转换成了声功。因此加热器的长度由气体微团振荡的距离决定，即加热 器必须和回热器耦合。荷兰物理学家t i j a l i t l 7 l 证实最优的长度要符合气体 在板叠热端振荡的峰峰值。气体振荡位移幅值为： ”i l - f 彘s 呐) ( 3 1 ) 工回热器离开谐振管端盖的距离( 见图3 8 ) ，流速幅值，p 。压力 幅值，p 。平均密度，珊角度频率，4 氮气中的声速，a 波长，k 2 , r x 。 将系统的几何尺寸和物性参数( 见实用热物性手册) 带入该式，得毛 - - - - - 1 2 5 m m 因此得到最优的加热器芯轴向长度( 厚度) b = = 2 5 m m ， 加热器芯的结构和布置见3 5 节。 2 0 第3 章微型热驱动热声热机加热器的优化设计 3 1 2 加热器周向尺寸的确定 本加热器专为整机实验台架所设计，在试验台架上限定了它的外围 尺寸，即加热器外部抗压的不锈钢套管公称直径为中5 0 ，在加热器和不 锈钢套管之间还有一个非标件的耐高温的石英装配管，内径为4 2 r a m ， 加热器与石英管之间要保留0 5 m m 的余隙，为装配、布线和热胀冷缩所 留空间，所以加热器的外径为4 1 n 竹m 。装配图见3 5 节。 3 1 3 加热器芯结构设计 ( 1 ) 设计要求 为使热机起振，加热器产生的高温必须超过热机的阈值“盯。 ，j p l l p c ， 1 一。面 ( 3 2 ) 将系统的物性参数代入，得到加热器的最低加热温度4 0 0 。c 另外 该微型机的预期驱动热量为l o o w ，预期制冷量为1 w 。 ( 2 ) 电路结构设计 本设计的加热器选用镍铬合金板材o c r 2 7 a i l 7 m 0 2 ，经线切割技术切 割成带材，o c r 2 7 a 1 1 7 m 0 2 的优点和物性参数见文献n ”。 上面得到了加热器芯的轴向长度为b 一2 5 m m ，对于带材的电加热材 料，由于韧性、加工性能等方面的要求【1 5 】，宽厚比要求取七。础，通常i i 取8 1 0 ，则f 取0 2 5 0 3 1 2 5 m m 。本文取f 0 3 0 r a m ，即加热片的厚度 为0 3 0 m m 。 图3 1 中，电加热层( 黑色) 厚t - - o 3 0 r a m ，为镍铬合金o c r 2 7 a 1 1 7 m 0 2 ， 一共4 5 条。加热片间隙( 白色) 宽0 3 5 r a m ，一共4 6 个间隙( 流道) ， 以上的尺寸是由3 2 节的优化计算得到的。 ( 3 ) 加热器电工计算 近似按照等差数列来计算电阻片总长度： s = l o m m ，s 1 8 - s 1 9 - - - 4 1 r a m ， 。竺 2 1 5 ，取n = 2 2 ，d = l m m 武汉工程大学硕士学位论文 总长度l - 砌墨+ 掣d ) + 4 1 - 9 4 3 m m 截面积a - b t - 2 5 n u n x 0 3 m m 0 7 5 n u n 2 电阻率= 1 5q m m 2 m 总电阻月p 墨。1 , 5 x 9 4 3 x 1 0 4 1 8 8 q 。a 0 7 5 用电表测量两片加热片的实际阻值分别是墨一2 6 0 ，r 2 3 0 0 。 要 莹3 图3 1 加热器电加热部件图 计算电阻小于测量电阻的原因： a ) 加工的加热片中的每片的厚度并不是都是 t - 0 3 m m ( t ；o 3 o 1 m m ) b ) 计算是的等差数列的等差并不都是d 1 m m ( d 。1 0 1 r a m ) c ) 加热带中有异形结构，即并不是处处等截面。 加热功率要求1 0 0 w 。布置2 个加热器。考虑热损失，每个提供的功 率为6 0 w , 平均电阻为2 8 。u 雨= 垢丽= 1 3 v 所以，电压取1 5 v 实 际总电功率己= 譬+ 譬= 等+ 等= 8 6 5 4 + 7 5 w 第3 章微型热驱动热声热机加热嚣的优化设计 ，l i 芸s 7 8 , 4，2 - 盖d 0 a 总电流：，一+ ，：- 1 0 7 8 , 4 3 1 4 恒温控制计算 设4 - t l 为单个加热器横截面积，a 4 l y 为单个加热片所占的氮气 流通截面积，正为加热片表面温度，t 为氮气平均温度，n 为电热片密 度，该工况下氮气密度为p ，加热片比热为c 氮气比热为c ，对流换 热系数为口，加热片单位表面的换热量为q ，氮气流速的幅值为p ，单个 加热片表面的发热电功率为尸。为建立电压u 到氮气温度r 的传递函数， 先作如下假设： ( 1 ) 加热片外部套管与气流的换热可忽略； ( 2 ) 加热片的内部热阻很小，可采用集总参数法处理； ( 3 ) 加热片和外壳之间的辐射换热可以忽略。 通过以上假设可以得到图3 2 所示氮气加热模型。 3 2 加热器的理想模型图 系统的能量方程可以写为啪1 ： 加热片能量守恒： o t , ( ，p b - q ) 出p a c , , 氮气的能量守恒： 望+ y 塑j l 却 缸卢d c 加热片与氮气之间的热传输： q - 2 己a 佤一n 2 3 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 上口 武汉工程大学硕士学位论文 边界条件：r ( f ，工h ，。- 瓦，邢，j ) | ，。一瓦其中五是环境温度，为简 单起见，令瓦0 。 联立( 3 3 ) 、( 3 4 ) 、( 3 5 ) 式，消去中间变量q 和五，可得： 知嚣c 老+ 匆等老k 芸i p 丽1 万1 ( 3 6 ) 对上式进行拉普拉斯变换胁】，可得： o ) ! ! ! ：! 垒生+ b ( ，) r o ，力c p ( 3 7 ) 上式的通解为： r o ，工) d o 弘- - 一x ( 3 8 ) 其中( s ) -