帶阻性管的環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究

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1、帶阻性管的環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究摘要高效的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)要求回?zé)崞魈幵诮咏胁ê透呗曌杩沟穆晥?chǎng)。為此，本文擬采用阻性管進(jìn)行調(diào)相，設(shè)計(jì)了一臺(tái)單級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，分別以He，N2和CO2為工質(zhì)，對(duì)該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振特性和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，安裝阻性管后，單級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度可降低300℃以上，最低起振溫度僅為55°C(工質(zhì)為CO2，平均壓力為2.35MPa)。此外，系統(tǒng)可以在較低的加熱溫度下達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，并獲得比較可觀的壓比。可見，阻性管可以作為環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的一種有效調(diào)相方式，本文所提出的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有利用低品位熱源驅(qū)動(dòng)的潛力。關(guān)鍵詞阻性管

2、；熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)；起振溫度0前言熱聲熱機(jī)是一種無(wú)運(yùn)動(dòng)部件熱力機(jī)械，具有高可靠性和環(huán)境友好性的優(yōu)點(diǎn)，前者源于系統(tǒng)中沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，而后者則是因?yàn)槠涔ぷ鹘橘|(zhì)通常采用惰性氣體，無(wú)大氣臭氧層破壞等問(wèn)題[1]。在能源短缺和環(huán)境惡化的困境下，由低品位熱源（工業(yè)余熱，地?zé)岷吞?yáng)能等）驅(qū)動(dòng)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)成為了能源領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。早期的實(shí)用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，然而，因其熱力學(xué)循環(huán)的不可逆性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的熱效率[1]。Ceperley提出了基于可逆的熱力學(xué)循環(huán)的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)想[2]，Yazaki等人根據(jù)Ceperley的構(gòu)想，建成了一臺(tái)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，并成功觀察到熱聲振動(dòng)現(xiàn)象[3]。Backh

3、aus和Swift提出的熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)成功解決了Ceperley系統(tǒng)中回?zé)崞魈幝曌杩馆^低的問(wèn)題，將熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的效率提升至與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)?shù)乃絒4]。然而，由于熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了駐波諧振管，所需的驅(qū)動(dòng)熱源溫度較高，極大地限制了其應(yīng)用空間。deBlok[5]提出了多級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，在環(huán)路中設(shè)置了多個(gè)回?zé)崞鲉卧?，通過(guò)增加回?zé)崞鲉卧拿娣e來(lái)提高回?zé)崞魈幍穆曌杩梗捎行Ю脺囟鹊陀?00°C的熱源，這說(shuō)明環(huán)路行波熱聲系統(tǒng)有望成為一種利用低品位熱源驅(qū)動(dòng)的高效熱機(jī)。Blok提出的環(huán)路熱聲系統(tǒng)依賴于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性來(lái)建立合適的聲場(chǎng)，這限制了其結(jié)構(gòu)形式并增加了設(shè)計(jì)、加工和安裝工藝等方面的難度。

4、對(duì)于不具備對(duì)稱性的環(huán)路系統(tǒng)，需要額外的調(diào)相裝置來(lái)建立合適的聲場(chǎng)。Yu和Jaworski等人研制了一臺(tái)單級(jí)環(huán)路行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)通過(guò)在環(huán)路中插入一段長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的旁支管來(lái)調(diào)相，并且將電機(jī)串聯(lián)在諧振管中進(jìn)行發(fā)電，獲得了1.4%的最大熱電轉(zhuǎn)換效率?？祷鄯嫉热艘步⒘艘慌_(tái)雙級(jí)行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)[7]，利用旁支管和球閥調(diào)相，以1.8MPa的He為工質(zhì)，當(dāng)兩級(jí)的加熱溫度分別為512°C和452°C時(shí)，最大輸出電功可達(dá)204W。當(dāng)兩級(jí)的加熱溫度分別為512°C和452°C時(shí)，最大熱電轉(zhuǎn)換效率為3.43%。但是，目前這些調(diào)相方式都會(huì)造成較大的能量損失，導(dǎo)致采用這些調(diào)相方式的系統(tǒng)效率都較低，因此，探尋聲

5、功損耗更低的調(diào)相方式對(duì)于環(huán)路熱聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。本文首先分析了高效行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)聲場(chǎng)的要求。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)環(huán)路行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，并利用阻性管作為調(diào)相方式使系統(tǒng)建立起合適的聲場(chǎng)。然后，對(duì)該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振特性和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，探索利用阻性管進(jìn)行調(diào)相的機(jī)制以及利用低品位熱源驅(qū)動(dòng)環(huán)路熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性。1熱聲回?zé)崞鞯睦碚摲治龌責(zé)崞魇切胁崧暟l(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)熱聲轉(zhuǎn)換的場(chǎng)所，其性能直接決定著熱聲轉(zhuǎn)換效率的高低。因此，對(duì)回?zé)崞魈幝晥?chǎng)的合理設(shè)計(jì)是整個(gè)熱聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)熱聲學(xué)理論[8]，聲功沿回?zé)崞魑⒃芏蔚淖兓缦拢?1)式中，E2為流經(jīng)微元管段流道截面的聲功率流，dx為微

6、元管段的長(zhǎng)度。rν、rκ分別為微元管段的粘性流阻和熱弛豫阻。U1和p1分別代表體積流速振幅和壓力振幅。Re表示復(fù)數(shù)實(shí)部，g代表聲功源項(xiàng)。上式右側(cè)的第一項(xiàng)表示由流體粘性引起的聲功損耗，稱作粘性耗散；第二項(xiàng)表示由熱弛豫引起的聲功損耗，稱作熱弛豫耗散；第三項(xiàng)表示熱聲轉(zhuǎn)換帶來(lái)的聲功增益。對(duì)于回?zé)崞?，g近似等于dTm/Tm[8]，其中，Tm為回?zé)崞魑⒃钠骄鶞囟?，dTm為回?zé)崞魑⒃臏夭?。由于回?zé)崞髁鞯赖乃Π霃矫黠@小于工質(zhì)的熱滲透深度，氣體微團(tuán)與回?zé)崞鞅诿娴臒峤佑|良好，因此熱弛豫阻的影響可以忽略[8]。由此，式（1）可簡(jiǎn)化為(2)式中，φ為p1和U1之間的相位差。rν、U1的計(jì)算式分別為(3)(4)式

7、中，ω為角頻率，ρm為平均密度，A為圓管流道截面積，γ為比熱比，pm為平均壓力，v1為流速。fν和fκ為與管道幾何形狀有關(guān)的粘滯函數(shù)和熱函數(shù)。將式（3）、（4）代入式（2），可以得到(5)由上式右側(cè)的第一項(xiàng)可知，降低粘性損失的一個(gè)辦法是降低流速；由右側(cè)的第二項(xiàng)則可知，φ為0時(shí)最有利于聲功的產(chǎn)出。由此可得到行波熱聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原則：1)回?zé)崞魈幍牡土魉?。流速可用無(wú)量綱聲阻抗Zn表征，Zn=

8、p1/