不同填料對絲網(wǎng)回?zé)崞餍阅艿挠绊?/h1>

2017-03-01 08:59:27伍堃吳鋒王仕仙趙振華舒安慶

武漢工程大學(xué)學(xué)報訂閱 2017年1期 收藏

關(guān)鍵詞：熱聲熱端熱機(jī)

伍堃，吳鋒，王仕仙，趙振華，舒安慶

1.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢 430205

不同填料對絲網(wǎng)回?zé)崞餍阅艿挠绊?/p>

伍堃1，吳鋒2*，王仕仙1，趙振華1，舒安慶2

1.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢 430205

用不同粒徑的銅絲網(wǎng)和不銹鋼絲網(wǎng)為填料，分別制作了6種不同的回?zé)崞鳎?biāo)號為R1-R6），通過實驗對它們的性能進(jìn)行了考察.研究結(jié)果表明：絲網(wǎng)的材料、粒徑和組合方式不同，對回?zé)崞餍阅艿挠绊懖槐M相同.通過比較不同回?zé)崞鞯幕責(zé)釗p失及綜合效率發(fā)現(xiàn)，單段式絲網(wǎng)回?zé)崞鱎1-R3的回?zé)釗p失和綜合效率各有優(yōu)缺點，而采用適當(dāng)組合后的多段式絲網(wǎng)回?zé)崞鱎6性能最優(yōu)；當(dāng)回?zé)崞鳠岫诉x擇粒徑較小的絲網(wǎng)及在冷端采用導(dǎo)熱率低的填料時，可大大提高回?zé)崞鞯膿Q熱效率.

熱聲發(fā)動機(jī)；熱效率；填料；絲網(wǎng)回?zé)崞?/p>

熱聲熱機(jī)是一種全新的熱機(jī)，它因具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、使用壽命長、無污染等優(yōu)點而備受能源動力行業(yè)的關(guān)注.經(jīng)歷了近30年的發(fā)展，熱聲領(lǐng)域已從理論研究走向了應(yīng)用研究，熱聲技術(shù)的實際應(yīng)用給人類的能源帶來了新的曙光和希望，在低溫電子以及航空航天事業(yè)方面做出了巨大貢獻(xiàn)［1-2］.熱聲器件（熱聲疊或熱聲回?zé)崞鳎┦菬崧暉釞C(jī)中實現(xiàn)熱聲效應(yīng)的核心部件，對熱聲器件的研究也隨著這一趨勢而變得炙手可熱，特別是對熱聲器件結(jié)構(gòu)及其填料的研究是關(guān)鍵，近來有很多學(xué)者在這方面有了新的研究進(jìn)展和突破，而回?zé)崞鞯男阅軆?yōu)化是熱聲系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵［3-4］，目前回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)以及填料對其性能影響已經(jīng)成為熱聲研究的熱點內(nèi)容.對于絲網(wǎng)回?zé)崞鳎涮盍系倪x擇和填充的方式是多樣化的，在優(yōu)化熱聲系統(tǒng)過程中，還需考慮回?zé)崞餍阅芘c熱聲系統(tǒng)的匹配［5-6］，本文通過實驗比較了不同材質(zhì)及粒徑的填料對回?zé)崞餍阅艿挠绊?，得到多段式絲網(wǎng)回?zé)崞魈盍系倪x擇及其填充方式對其影響規(guī)律.

1 實驗部分

1.1 實驗過程

本實驗裝置為自制的外激勵雙級行波熱聲熱機(jī)，包括主體設(shè)備及附帶數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng).數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要針對熱聲熱機(jī)上設(shè)定處的溫度、壓力進(jìn)行信號調(diào)理和處理.采用熱電偶測高溫端的溫度波動情況，以便對加熱器的加熱量進(jìn)行調(diào)節(jié).為了監(jiān)測相應(yīng)位置的溫度壓力變化情況，在裝置相應(yīng)位置處選取了溫度和壓力測量點進(jìn)行在線檢測，其溫度（T）和壓力（P）的測量點在裝置上相對位置如圖1所示.

圖1 熱聲熱機(jī)裝置上溫度壓力測定點分布圖Fig.1 Test-points distribution diagram of pressureand temperature on the thermo-acoustic engine

在圖1中，位于三通管上的P1和P6點主要用來測定外激勵驅(qū)動壓力；位于測壓連接管上P2和P9測工質(zhì)進(jìn)入主冷卻器的壓力；位于熱聲器件上P3和P7測冷端的壓力及壓力相位；真空夾套波紋管上P4和P8測高溫端壓力；諧振腔相連的三通管上P5和P10測諧振腔中壓力及其振蕩.

1.2 實驗步驟

1）系統(tǒng)的檢漏：試驗前檢測整個系統(tǒng)進(jìn)行密封性及耐壓性檢驗，尤其是法蘭及管口連接處、壓力傳感器和熱電偶安裝處等部位.

2）抽真空：對波紋管真空夾層進(jìn)行抽真處理并檢漏，以保持波紋管內(nèi)的真空度.

3）充壓：重復(fù)步驟2）2～3次后，充入工質(zhì)氣體到實驗所需的壓力.

4）開啟信號采集系統(tǒng)：打開信號采集及測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集軟件等，準(zhǔn)備實時記錄.

5）開啟加熱器：檢查設(shè)備狀態(tài)良好后，打開冷卻水接通加熱電源，調(diào)控設(shè)備溫度.

6）開關(guān)激振器：待溫度上升至預(yù)設(shè)溫度后打開激振器，待設(shè)備起振后關(guān)閉激振器并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)采集.

7）關(guān)閉實驗設(shè)備：數(shù)據(jù)采集完畢后緩慢降低加熱量直至關(guān)閉加熱器的電源，關(guān)閉測量和采集儀器電源，待加熱器溫度降至室溫以后關(guān)閉冷卻水，結(jié)束實驗.

1.3 實驗所用不同材料和粒徑的絲網(wǎng)的物性參數(shù)

不同材料及粒徑的絲網(wǎng)對熱聲器件的阻力特性及綜合性能影響不同，實驗中選擇兩種不同粒徑及兩種不同材料的絲網(wǎng)進(jìn)行組合，形成3個不同的多段重疊式回?zé)崞?，?為兩種不同粒徑的絲網(wǎng)的規(guī)格參數(shù)，表2列出了不同材料的主要物性參數(shù)，表3為6種不同的回?zé)崞鳎≧1-R6）參數(shù).

表1 不同金屬絲網(wǎng)幾何尺寸結(jié)構(gòu)Tab.1 Geometrical structure of the differentwiremesh

表2 絲網(wǎng)回?zé)崞魈盍系奈镄詤?shù)Tab.2 Physicalpropertiesof the fillers

表3 六種回?zé)崞鲄?shù)Tab.3 Parametersof the six kindsof regenerators

1.4 熱聲熱機(jī)回?zé)嵝始熬C合性能評價

1）回?zé)嵝剩簾崧暺骷幕責(zé)嵝食Ｓ忙潜硎?，其回?zé)釗p失率λ與η的關(guān)系為：η=1-λ，在交變流動下的回?zé)釗p失率為［7］：

式中的下標(biāo)c、h分別表示熱聲器件的冷端和熱端，H1是一個周期內(nèi)熱聲器件冷端的凈焓；H2和H3分別從熱聲器件熱端和冷端流入的焓.

2）綜合性能：熱聲器件的換熱性能與多方面的參數(shù)有關(guān)，穩(wěn)態(tài)流動下與流阻有關(guān)的熱聲器件性能參數(shù)為［8］：

式中hsf與氣體的物性以及流動狀態(tài)有關(guān)，與固體的結(jié)構(gòu)也有關(guān)系，并且正比于ε1.79而反比于dp［9］，由此得到簡化的綜合性能參數(shù)：R′=AsfLrφ1.79/dpXp，其中Xp為進(jìn)出回?zé)崞鞯膲翰钫穹?，Asf為絲網(wǎng)回?zé)崞魈盍系谋缺砻娣e；Lr為回?zé)崞鏖L度，φ為回?zé)崞鹘z網(wǎng)的孔隙率.

2 結(jié)果與討論

2.1 外激勵對熱聲設(shè)備溫度和壓力的影響

圖2為以粒徑為0.058mm的不銹鋼絲網(wǎng)（具體參數(shù)物性見表3中R3）為填料的回?zé)崞髦懈邷囟说臏囟萒1隨時間變化結(jié)果，從圖2中可知，當(dāng)回?zé)崞鲀啥藴囟炔畹竭_(dá)一定值時，系統(tǒng)即形成可持續(xù)的周期性振蕩（即起振）.實驗中，當(dāng)加熱器的溫度T2增加到573 K時，打開外激勵聲波激振器，繼續(xù)加熱；當(dāng)加熱器的溫度T2增加到756 K時，系統(tǒng)起振，此時溫度發(fā)生跳躍：在幾秒時間內(nèi)溫度增至793 K；達(dá)到最高溫度后開始急劇下降，隨著回?zé)崞鞲邷囟耍岫耍囟鹊慕档?，回?zé)崞骼錈岫酥g的溫度梯度不斷降低，直至通道內(nèi)氣體工質(zhì)壓力振蕩產(chǎn)生的換熱和高溫端輸入的熱量達(dá)到平衡，振蕩趨于穩(wěn)定，此時系統(tǒng)溫度為733 K.

圖3為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的回?zé)崞鞲邷囟薖4點處的波動壓力幅值隨時間變化結(jié)果，從圖2中可知系統(tǒng)在起振時壓力幅值突然躍遷至0.09 MPa，隨后壓力幅值開始下降并最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的壓力幅值為0.07MPa左右.

2.2 不同材料和粒徑的絲網(wǎng)對回?zé)崞骶C合性能的影響

不同材料和粒徑的絲網(wǎng)回?zé)崞骰責(zé)釗p失率及綜合性能參數(shù)比較如圖4所示.

圖2 回?zé)崞鞲邷囟藴囟萒1隨時間變化曲線Fig.2 Variation curve of temperature T1at the high tem perature end with time

圖3 回?zé)崞鞲邷囟薖4處壓力幅值隨時間變化曲線Fig.3 Variation curve of pressure amplitude P4athigh pressure end with time

從圖4中可知單段式回?zé)崞鱎1-R3，R1的回?zé)釗p失最大，R3最?。籖2的綜合性能參數(shù)最大，R1其次，R3最??；R2和R3均為不銹鋼材質(zhì)，由表3知R3的比表面積較R2更大，故R3與流體之間的換熱更充分［10-12］，從而回?zé)釗p失較小，但是R3的孔隙率較小，回?zé)崞鞯膲航荡蠓忍岣撸?3］，而綜合效率不是最高，可見單段式回?zé)崞鞲饔袃?yōu)缺點，可考慮將這3種回?zé)崞鬟m當(dāng)組合，以減小回?zé)釗p失和提高綜合效率.

由于高溫（600 K）下氣體介質(zhì)的運動黏度要比低溫（300 K）下高［14-15］，因此對于單段式回?zé)崞饕自斐蔁岫损ば院纳?，在制作多段式回?zé)崞鲿r宜將孔隙率大的絲網(wǎng)置于熱端，孔隙率小的絲網(wǎng)則應(yīng)置于冷端，如多段式回?zé)崞鱎4-R6.由圖4可知R4和R6的綜合性能指標(biāo)高于R3，且其回?zé)釗p失約為R3的一半以下.但R5的回?zé)釗p失相對R4和R6要高很多，這主要是因為R5的冷端采用熱導(dǎo)率較高的銅絲網(wǎng)，導(dǎo)致冷端的熱漏損失較大.因此綜合回?zé)釗p失率及效率考慮，多端式回?zé)崞鱎6相比R4和R5性能更優(yōu).因此通過控制不同粒徑絲網(wǎng)的填充比例（熱端75%粒徑為0.075mm和冷端25%粒徑為0.058mm）以及冷端采用導(dǎo)熱率低的不銹鋼絲網(wǎng)，可大大提高回?zé)崞鲹Q熱效率.

圖4 不同材料和粒徑的絲網(wǎng)回?zé)崞骶C合性能（a）回?zé)釗p失；（b）綜合效率Fig.4 Comprehensiveperformance ofwiremesh regenerators with different fillersand particle sizes（a）Heat loss；（b）Comprehensive performance

3 結(jié)語

以上采用實驗的方法比較了不同填料的熱聲器件對熱聲熱機(jī)性能的換熱效率影響，結(jié)果表明：由于填料的比表面積和熱導(dǎo)率對回?zé)崞鳠釗p失和綜合效率影響不同，多段式絲網(wǎng)回?zé)崞鞯男阅芟啾葐味问交責(zé)崞骶哂懈叩木C合效率，同時當(dāng)熱聲器件熱端選擇粒徑較低的絲網(wǎng)及在冷端采用導(dǎo)熱率低的填料可大大提高回?zé)崞鲹Q熱效率.

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本文編輯：陳小平

In fluence of Different Fillers on Heat Transfer Efficiency of Wire Mesh Regenerator

WU Kun1，WU Feng2*，WANG Shixian1，ZHAO Zhenhua1，SHU Anqing2
1.College of Postand Telecommunications，W uhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2.Schoolof Science，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

The six regenerators（Reference as R1 to R6）were respectively produced using copper or stainless steelmesh as the filler.Then the fluencies of different fillers on heat transfer efficiency of the regeneratorwere investigated.The results show that the materials，particle sizes and the combination of differentwiremesh have different effects on the heat transfer efficiency of regenerator.It was found that the regenerators R1-R3 with single-stage wiremesh have advantages and disadvantages in heat loss and comprehensive efficiency，and the multi-stagewiremesh regenerator R6 has the best performance via a proper combination.The thermal efficiency of the regenerator is greatly improved when the regenerator adopts the w ire mesh with smaller particle sizes at the hotend and the fillerswith low thermal conductivity at the cold end.

thermo-acoustic engine；thermalefficiency；filler；screen-packed regenerator

O302；TK11

：Adoi：10.3969/j.issn.1674?2869.2017.01.013

1674-2869（2017）01-0074-04

2016-07-21

國家自然科學(xué)基金項目（No.51176143）

伍堃，碩士，助教.E-mail：171703869@qq.com

*通訊作者：吳鋒，博士，教授.E-mail：wufeng@wit.edu.cn

伍堃，吳鋒，王仕仙，等.不同填料對絲網(wǎng)回?zé)崞餍阅艿挠绊懀跩］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2017，39（1）：74-77. WU K，WU F，WANG SX，et al.Influence of different fillers on heat transfer efficiency ofwiremesh regenerator［J］.JournalofWuhan Institute of Technology，2017，39（1）：74-77.

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