陶瓷板疊行波熱聲發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

陶瓷板疊行波熱聲發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

熱聲發(fā)動機(jī)的研究熱聲發(fā)動機(jī)是一種新型的綠色能源裝置，具有熱聲效應(yīng)。利用廢除的熱量、太陽能和煤氣作為光源，可以有效地解決能源的不足問題，對能源和熱量不足的情況具有積極意義。此外,由于該裝置除振蕩氣體外沒有其它運(yùn)動部件,具有結(jié)構(gòu)簡單、壽命長等優(yōu)點(diǎn),在航天技術(shù)、國防軍工等高新技術(shù)領(lǐng)域可以得到廣泛應(yīng)用,在天然氣液化、空調(diào)制冷和發(fā)電等方面也都有很大的潛力,因此近30年來熱聲機(jī)械熱機(jī)受到越來越多的關(guān)注。熱聲發(fā)動機(jī)可分為駐波型熱聲發(fā)動機(jī)和行波型熱聲發(fā)動機(jī),但是駐波型熱聲發(fā)動機(jī)是基于不可逆熱力循環(huán),其熱聲效率不是很高。Ceperley提出了行波型熱聲驅(qū)動器的概念,行波型熱聲驅(qū)動是利用行波和聲波來控制氣體的運(yùn)動和壓力波動,實(shí)現(xiàn)可逆的卡諾循環(huán),很大的提高了熱聲轉(zhuǎn)換效率,但是Ceperley并沒有通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)聲功放大的效果。Yazaki等人首先在回路結(jié)構(gòu)行波系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了熱聲激振,雖然系統(tǒng)效率比較低,但重要的是,他們的研究證實(shí)了行波方案的可行性。Backhaus和Swift在Nature上發(fā)表了一個新型行波熱聲熱機(jī)的方案,使得熱聲發(fā)動機(jī)的研究取得了突破性進(jìn)展.他們報道的系統(tǒng)效率高達(dá)0.30,該效率甚至可以與內(nèi)燃機(jī)相媲美,引起了人們對熱聲發(fā)動機(jī)極大的研究熱情。本文介紹了自行研制的行波型熱聲發(fā)動機(jī)裝置,進(jìn)行了純環(huán)路型和混合型行波熱聲發(fā)動機(jī)的對比實(shí)驗(yàn)研究,證明混合型行波熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度更低,并對起振和消振過程進(jìn)行了深入分析,實(shí)驗(yàn)中還對影響系統(tǒng)性能的參數(shù)進(jìn)行了研究,如加熱端溫度、冷卻端溫度和回?zé)崞?實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了“二次起振”現(xiàn)象。1仿真系統(tǒng)原理圖1為純環(huán)路型行波熱聲發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。主要由以下幾部分組成:加熱器、回?zé)崞?、冷卻器和行波導(dǎo)管等。其中最核心的部分是由加熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器組成,加熱器和冷卻器的作用是在回?zé)崞鲀啥水a(chǎn)生溫度梯度,而回?zé)崞魇菍?shí)現(xiàn)熱聲轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件,系統(tǒng)設(shè)定頻率為118Hz(f=c/l)?；旌闲托胁崧暟l(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的主體部分和純環(huán)路型的一樣,不同的是,在環(huán)路中引出了諧振支管。如果把行波環(huán)路看作是行波反饋回路,諧振管看做是駐波熱聲發(fā)動機(jī),我們在駐波熱聲發(fā)動機(jī)諧振管速度波節(jié)(壓力波腹)處通過T型三通管引入行波反饋,這樣既利用了行波的壓力、速度同相關(guān)系形成的具有高效率的斯特林循環(huán),同時又利用駐波增大了板疊處的聲阻抗值,從而提高整機(jī)熱效率.系統(tǒng)都是采用不銹鋼管,為模擬1/4波長系統(tǒng),該裝置在諧振管出口處設(shè)為開口,如圖2所示,聲音的分貝數(shù)正是在開口處測得。加熱器是整機(jī)的動力源,采用內(nèi)加熱方式,直接在管內(nèi)加熱。加熱器是由電爐絲纏繞在陶瓷環(huán)上手工制作而成。采用加熱功率為800W的電爐絲,導(dǎo)線通過功率表、變壓器接入到發(fā)動機(jī)內(nèi)部的加熱器上,通過變壓器調(diào)節(jié)供電電壓來改變加熱功率,通過功率表和熱電偶獲得高溫端的加熱功率和加熱溫度,實(shí)驗(yàn)過程中緩慢增大加熱功率使溫度緩慢上升,以確定在一定工況下的最低起振溫度和最小加熱功率,回?zé)崞鞑捎梅涓C狀的陶瓷,水冷卻器是一板殼式熱交換器,用低溫恒溫槽來控制冷卻端溫度。在加熱器和冷卻器上分別設(shè)了3個K型熱電偶來測取溫度,然后由Aiglent34970數(shù)字萬用表進(jìn)行采集,并通過R232串行接口將數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)實(shí)時讀取數(shù)據(jù)和觀測溫度變化曲線。起振時的聲音大小用聲壓計測取,實(shí)驗(yàn)以空氣為工質(zhì),在一個大氣壓下進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸參數(shù)如表1所示。2結(jié)果與討論2.1系統(tǒng)起振與熱聲滯后回路的關(guān)系起振是熱聲現(xiàn)象發(fā)生的標(biāo)志,指系統(tǒng)由靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。起振溫度是評價熱聲發(fā)動機(jī)性能的重要參數(shù)之一,它是指熱聲自激震蕩發(fā)生時加熱端的溫度。在冷卻端溫度恒定的情況下,起振溫度越低表明系統(tǒng)越易起振,則有利于低溫廢熱的利用。實(shí)驗(yàn)用孔徑為0.8mm的陶瓷回?zé)崞?冷卻端溫度設(shè)定為276K。加熱功率為78W時純環(huán)路型行波熱聲發(fā)動機(jī)系統(tǒng)起振,起振時用手可以感覺到整個管路有振動。而混合型行波系統(tǒng)在加熱功率為56W時就可以起振。表2顯示純環(huán)路型和混合型行波系統(tǒng)起振前后加熱端和冷卻端溫度的變化,可以看出混合型行波系統(tǒng)在起振前后溫度變化比較明顯。圖3和圖4分別為純環(huán)路型和混和型行波系統(tǒng)起消振示意圖。從圖中可以看出,純環(huán)路型行波系統(tǒng)起振時,冷卻端溫度略有升高,而加熱端溫度只是隨加熱功率的增大而升高,受系統(tǒng)起振的影響很小,主要是因?yàn)闊崧曓D(zhuǎn)換的熱流不大,熱聲轉(zhuǎn)換效率比較低?；旌闲托胁ㄏ到y(tǒng)起振時,加熱端溫度是先升后降,在起振后有一個回落的過程。其實(shí)系統(tǒng)在加熱端溫度達(dá)到最大時已經(jīng)有微弱的振蕩,只有當(dāng)加熱端溫度達(dá)到一定溫度時系統(tǒng)才出現(xiàn)明顯的起振現(xiàn)象,說明系統(tǒng)需要積蓄更多能量才能越過一個起振的能壘進(jìn)而起振。起振后,由于氣體振動促進(jìn)一部分能量由熱能轉(zhuǎn)換為聲能,而另一部分傳到冷卻端,因而加熱端溫度出現(xiàn)下降過程。對比圖3和圖4可以看出,混合型行波系統(tǒng)要比純環(huán)路型行波系統(tǒng)有更明顯的熱聲轉(zhuǎn)換能力,說明熱聲轉(zhuǎn)換效率更高。系統(tǒng)起振時伴隨著聲壓的突變,混合型行波系統(tǒng)起振時能聽到聲音,用聲壓計可以測取起振時的分貝變化,進(jìn)而可以反映起振時的壓力變化。圖5為混合型行波系統(tǒng)起振時的分貝變化,起振是個突變的過程,聲壓先突增到比較高的值然后又回落的一個穩(wěn)定的值然后維持穩(wěn)定狀態(tài),這和溫度變化曲線相一致。系統(tǒng)消振是指系統(tǒng)振動的消失,消振也是個突變的過程。對于純環(huán)路型行波系統(tǒng),當(dāng)加熱功率從78W稍微降低到76W時,系統(tǒng)很快就消振,加熱端和冷卻端溫度都降低;而混合型行波系統(tǒng)在從56W降到52W時,系統(tǒng)才慢慢消振,冷卻端溫度降低而加熱端溫度上升,正好和起振時的現(xiàn)象相反,這是由于熱聲效應(yīng)的消失,沒有熱能與聲能的轉(zhuǎn)換。對比純環(huán)路型和混合型行波系統(tǒng)的消振過程,再一次說明混合型行波系統(tǒng)的熱聲轉(zhuǎn)換效率更高。消振溫度比起振溫度低的現(xiàn)象叫熱聲滯后回路,消振功率和起振功率也同樣存在著滯后回路,兩種行波系統(tǒng)都存在滯后回路,這為低溫余熱的利用提供了條件,而混合型的消振溫度比起振溫度低的多,更有利于低溫余熱的利用。圖6是混合型行波系統(tǒng)消振時的分貝變化,從圖中可以看到消振過程中分貝數(shù)迅速減小,聲壓在短時間內(nèi)突然變小直至消失。2.2熱端溫度與溫比的確定實(shí)驗(yàn)過程中通過不斷改變冷卻端溫度來觀察系統(tǒng)起振溫度及起振溫比的變化,如圖7所示。這里要引進(jìn)另一重要參數(shù)是起振溫比,它是指系統(tǒng)起振時,板疊加熱端與冷卻端溫度之比。在冷卻端溫度恒定時,起振溫比越低說明起振溫度越低。由圖可知,隨著冷卻端溫度的升高,無論是純環(huán)路型還是混合型行波系統(tǒng)的起振溫度和起振溫比都表現(xiàn)出相同的趨勢,起振溫度都會升高,但是起振溫度沒有冷卻端溫度增加的快,在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)要求有較低的起振溫度時,適當(dāng)降低冷卻端溫度是可行的。2.3加熱功率對聲流場的影響在純環(huán)路系統(tǒng)起振后繼續(xù)增大加熱功率,系統(tǒng)的加熱端和冷卻端溫度都會增加,并且管路的振動加強(qiáng),這是因?yàn)橄到y(tǒng)的驅(qū)動力變大,有更多的熱能轉(zhuǎn)換為聲能;對于混合型行波系統(tǒng)在56W起振后,繼續(xù)增大加熱功率,系統(tǒng)產(chǎn)生的聲音分貝數(shù)會繼續(xù)增大,如圖8所示,這點(diǎn)和純環(huán)路系統(tǒng)一致。但是當(dāng)把加熱功率增大到85W時,系統(tǒng)出現(xiàn)了“二次起振”現(xiàn)象,此時加熱端溫度急劇降低而冷卻端急劇升高,并且溫度出現(xiàn)了周期性的振蕩,聲壓也會出現(xiàn)間歇性的增大和減小,可以通過分貝數(shù)變化反映出來。此后繼續(xù)按10W增大加熱功率到135W都出現(xiàn)類似的情況并且振蕩頻率變大,到145W時溫度就不再出現(xiàn)波動,如圖9和圖10所示?！岸纹鹫瘛爆F(xiàn)象的出現(xiàn),表明聲功不是隨加熱功率線性增加的。由于本實(shí)驗(yàn)裝置沒有采取抑制聲直流的措施導(dǎo)致時均質(zhì)量流的存在,是該現(xiàn)象產(chǎn)生的部分原因;另外混合型行波熱聲發(fā)動機(jī)是由環(huán)形回路和諧振管耦合而成,同時具有行波和駐波的性能,兩者具有相互交錯又相互獨(dú)立的邊界條件,可能會出現(xiàn)以純環(huán)路的全波長模態(tài)起振或以諧振管的1/4波長模態(tài)起振,由于系統(tǒng)沒有對頻率進(jìn)行測量,所以沒辦法判斷系統(tǒng)起振的模態(tài),“二次起振”現(xiàn)象表明混合型行波熱聲發(fā)動機(jī)工作的多態(tài)性和不穩(wěn)定性,因此就對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了要求,即在設(shè)計時就要預(yù)測系統(tǒng)將以怎樣的模態(tài)起振。2.4孔徑和起振溫度的影響熱聲效應(yīng)只發(fā)生在距平板大約一個熱滲透深度δk以內(nèi),δk=2k/ω????√,kδk=2k/ω,k和ω分別為熱導(dǎo)率和角頻率?；?zé)崞鞯牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)尺寸對系統(tǒng)性能影響也較大,本實(shí)驗(yàn)選用蜂窩狀陶瓷材料為回?zé)崞?主要研究了蜂窩孔徑對系統(tǒng)性能的影響?？讖教?氣體粘性耗散較大,孔徑太大,氣體和板疊間的換熱不充分,都影響熱聲轉(zhuǎn)換效果。目前對回?zé)崞鞯目讖竭x擇還沒有形成定論,基本由經(jīng)驗(yàn)確定,本實(shí)驗(yàn)中δk為0.24mm,回?zé)崞鞑捎每讖讲煌?、長度均為40mm的3個陶瓷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,孔徑分別為0.8、1.0和1.2mm,為3~5倍的熱滲透深度。圖11為不同蜂窩孔徑對系統(tǒng)起振溫度的影響,從圖中可以看出,隨著蜂窩孔徑的增大,起振溫度不斷增大,表明回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)尺寸對系統(tǒng)的起振溫度有較大的影響;還可以看到,在同樣的孔徑下,混合型行波熱聲發(fā)動機(jī)的起振溫度要比純環(huán)路型行波熱聲發(fā)動機(jī)的小很多。此裝置中蜂窩孔徑為0.8mm時,系統(tǒng)的起振溫度最低,因此為了使系統(tǒng)有較低的起振溫度,要選擇適當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸的回?zé)崞鳌?加熱功率的影響對純環(huán)路型與混合型熱聲發(fā)動機(jī)對比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,混合型比純環(huán)路型有更低的起振溫度,更高的效率。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了熱聲發(fā)動機(jī)的起振-消振滯后回路,說明熱聲滯后現(xiàn)象的普遍性及其在低溫余熱利用的可行性.得到以下結(jié)論:(1)增大加熱功率是提高聲功的方法之一,無論是純環(huán)路型還是混合型行波熱聲發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的聲功都會隨加熱功率的增大而增大。但是對于混合型行波熱發(fā)動機(jī)起振以后繼續(xù)增大加熱功率,系統(tǒng)出現(xiàn)了“二次起振”現(xiàn)象,并且溫度和壓力都出現(xiàn)了周期性的振蕩,