CN102042185B - 一种具有渐缩通道的板式热声核及其设计方法 - Google Patents

Abstract

具有渐缩通道的板式热声核及其设计方法，包括具有较宽间隙的热端换热器，具有渐缩截面的板叠安装壳体，倾斜安装而具有渐缩通道的板叠，具有较窄间隙的冷端换热器。本发明根据热声发动机的热端加热器和冷端加热器的温度，分别计算出热端和冷端气体的热渗透深度，再根据板叠间隙与热渗透深度之间的最佳比分别计算出热端换热器和冷端换热器的最佳间隙。该热声核的板叠的热端具有与热端换热器同样的间隙，板叠的冷端具有与冷端换热器同样的间隙，从热端到冷端板叠之间形成渐缩通道。为热声发动机内的工作气体提供更合理的流动通道，增强工作气体与板叠之间的热声效应，降低热声核内气体的流动阻力和粘性损失，提高热声发动机的输出功率和工作效率。

Description

一种具有渐缩通道的板式热声核及其设计方法

技术领域

本发明属于利用低品位热源产生声波的热声发动机技术领域，具体涉及一种能增强工作气体与板叠之间的热声转换效率，提高热声发动机的功率和效率的具有渐缩通道的板式热声核及其设计方法。

背景技术

热声核包括热端换热器，热声堆和冷端换热器，它是热声发动机的主体，也是输出声功的关键部位，因此热声核设计的好坏直接关系到热声发动机的整体性能。而在热声核中，热声堆的设计最为重要，它是驻波热声发动机的核心，因此以往的研究者对此进行了大量的实验和模拟研究。已经出现的热声堆形式包括平行板叠式、金属丝网、蜂窝陶瓷、泡沫金属、螺旋型和针束型。研究表明在金属丝网、蜂窝陶瓷和泡沫金属的热声堆中，工作气体流动阻力过大，而螺旋型和针束型热声堆结构复杂，要精确的制作是十分困难的。因此平行板叠式的热声堆由于其具有规则通道，流动阻力小，效率高，制作方便等优点而被广泛使用。

对于平行板叠式热声堆而言，板叠的间隙宽度对热声发动机的性能有着十分关键的影响。如果间隙太小，则热声核内气体流动阻力和粘性损耗增加，热声转换效率会降低；如果间隙过大，则热声效应仅发生在靠近板叠表面区域的气体中，而远离板叠表面的气体将无法与板叠进行热交换而产生热声效应，热声转换效率也会降低。研究表明，板叠间隙应取2-4倍的热渗透深度另有研究显示当板叠间隙取2.7-3.0倍的热渗透深度时，热声热机的性能最好。因此，板叠间隙与热渗透深度之比通常取3倍左右为最佳。但是气体工质的热渗透深度会随着温度而发生明显的变化，温度越高，热渗透深度越大。这就使得在热声发动机的热声核中，板叠热端温度较高，热渗透深度较大，而板叠冷端温度较低，热渗透深度较小；因此对于平行板叠式的热声堆而言，在冷端，板叠间隙与热渗透深度之比通常过大；而在热端，板叠间隙与热渗透深度之比又过小。这就导致了气体不可能在整个热声核内都能与板叠进行有效的热交换而产生热声效应，因此采用平行板叠式热声堆时，热声转换效率会因为热声核冷热端的热渗透深度不一致而受到影响。

另外，热端换热器和冷端换热器设计的好坏也对热声发动机的热声换热效率有着十分重要的影响。通常来说，热端换热器和冷端换热器的长度和间隙宽度的设计主要靠经验。如果设计的换热器长度过大，则换热器末段的气体将无法在换热器与板叠之间来回运动而进行热量传递，因此该段换热器对热声效应就没有贡献，同时还会增加热声核内气体的粘性损失；如果换热器长度过短，则会导致板叠热端与冷端之间无法建立起理想的温度梯度，而且将会有部分工作于板叠与换热器之间的气体，在运动过程中越过换热器，从而不能很好的在板叠与换热器之间传递热量，从而影响热声发动机的性能。另外换热器内平翅片的间隙宽度如果太大，则影响气体与换热器之间的换热效率；间隙太小，又会增加热声核内工作气体的流动阻力。因此，冷热端换热器的设计也需要进一步的完善。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种能够增强工作气体与板叠之间的热声效应，降低热声核内气体的流动阻力和粘性损失，提高热声发动机的输出功率和工作效率的具有渐缩通道的板式热声核及其设计方法。

为达到上述目的，本发明具有渐缩通道的板式热声核包括热端换热器、冷端换热器以及连接热端换热器与冷端换热器的板叠外壳和平板式板叠，所述的板叠外壳的截面为渐缩结构，且在板叠外壳内安装有倾斜的平板式板叠；所述的热端换热器的间隙大于冷端换热器的间隙，倾斜的平板式板叠的热端与热端换热器具有相同的间隙，倾斜的平板式板叠的冷端与冷端换热器具有相同的间隙，热端换热器、倾斜的平板式板叠以及冷端换热器三者具有相同的通道数。

本发明的设计方法如下：

1)首先，根据热声发动机的热端换热器的温度，计算出工作气体在热端的热渗透深度δ_kh：

其中下标h表示热端，k为气体的导热系数，f为谐振频率，ρ为气体的密度，c_P为气体的比热容，然后通过公式r_h≈3δ_kh计算出热端换热器的最佳间隙；

2)其次，根据热声发动机的冷端换热器的温度，计算出工作气体在冷端的热渗透深度δ_kc：

其中下标c表示冷端。然后通过公式r_c≈3δ_kc计算出冷端换热器的最佳间隙；

3)然后，根据与冷端换热器相连的谐振管的内径大小及冷端换热器的最佳间隙计算出冷端换热器的通道数，再根据热端换热器的最佳间隙和与冷端换热器相同的通道数算出热端换热器的管径；

4)倾斜的平板式板叠的热端具有与热端换热器同样的间隙，倾斜的平板式板叠的冷端具有与冷端换热器同样的间隙，从倾斜的平板式板叠的热端到冷端相邻两块板之间形成渐缩的通道；

5)设计冷热端换热器的长度：分别根据热端换热器和冷端换热器所在位置气体的最大速度算出热端换热器气体的振幅A_h及冷端换热器气体的振幅A_c：A_h＝u_h/πf，A_c＝u_c/πf，其中u_h为热端换热器所在位置气体的最大速度，u_c为冷端换热器所在位置气体的最大速度，冷热端换热器的长度取两倍的气体振幅，L_h≈2A_h＝2u_h/πf，L_c≈2A_c＝2u_c/πf。

本发明考虑到在板叠热端和冷端的温度梯度而导致的气体热渗透深度的差异。在板叠热端气体温度较高，热渗透深度较大，设计的板叠间隙也随之增加；而在冷端则刚好相反，板叠间隙随着热渗透深度的降低而逐渐减小，最终的目的是使得在整个板叠区域，板叠间隙与热渗透深度之比均能保持在最佳值范围内。该热声核的冷热端换热器的长度均取两倍的当地气体振幅，冷端换热器靠近驻波的波腹，气体振幅较大，因此较长；而热端换热器靠近驻波的波节，气体振幅较小，因此较短。

本发明具有以下优点：

1、本发明克服了平行板叠式热声核在热端和冷端，板叠间隙与热渗透深度之比不能一致的问题，通过建立渐缩通道实现了在整个板叠区域，板叠间隙与热渗透深度之比均能保持在最佳值范围内；

2、本发明可以使工作气体与板叠之间进行更加充分的热交换，增强热声核内的热声效应，提高热声发动机的热声转换效率和输出功率；

3、本发明设计的热端换热器和冷端换热器可以在保证气体充分换热的前提下，减小换热器材料的使用，减小气体与换热器之间的粘性损失，进一步提高热声转换效率；

4、本发明设计的热端换热器、板叠和冷端换热器具有相同的通道数，而且热端换热器与板叠热端具有相同的流通截面积，冷端换热器与板叠冷端具有相同的流通截面积，因此减小了气体的流动阻力和粘性损失；

5、本发明设计的具有渐缩截面的板叠外壳，避免了平行板式热声核从高温气库到谐振腔的截面突变带来粘性耗散等问题，可以抑制激波的产生，并能进一步的调节热声发动机的频率以及速度与压力之间的相位。

附图说明

图1(a)为本发明的整体结构示意图；

图1(b)为图1的A-A剖视图；

图1(c)为图1的B-B剖视图；

图2(a)为冷端具有最佳板叠间隙的平行板式热声核的示意图。

图2(b)为热端具有最佳板叠间隙的平行板式热声核的示意图。

图2(c)为本发明的具有渐缩通道的板式热声核的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：

参照图1(a)、(b)和(c)所示，本发明包括热端换热器1、冷端换热器4以及连接热端换热器1与冷端换热器4的板叠外壳2，板叠外壳2的截面为渐缩结构，且在板叠外壳2内安装有倾斜的平板式板叠3；热端换热器1的间隙大于冷端换热器4的间隙，倾斜的平板式板叠3的热端与热端换热器1具有相同的间隙，倾斜的平板式板叠3的冷端与冷端换热器具有相同的间隙，热端换热器1、倾斜的平板式板叠3以及冷端换热器4三者具有相同的通道数。

热声发动机工作时，工作气体在热端换热器1内被加热后，由于温度较高，热渗透深度较大，因此热端换热器1和倾斜的平板式板叠3的热端间隙也相应的较宽，以保证气体与倾斜的平板式板叠3之间充分换热的同时尽量减小气体的流动阻力；从倾斜的平板式板叠3的热端到冷端，气体的温度逐渐降低，同时热渗透深度也随之减小，倾斜的平板式板叠3上的热量在横向上的扩散距离减小，为了保证气体与倾斜的平板式板叠3间的有效换热，必须相应的减小板叠间距，因此将倾斜的平板式板叠3从热端到冷端布置成渐缩通道；在倾斜的平板式板叠3的冷端和冷端换热器4内，气体的温度被冷却到最低值，热渗透深度也达到最小值，因此间隙也最窄。气体在倾斜的平板式板叠3内工作时，由于各个位置上板叠间隙与气体的热渗透深度之比均能保持在最佳值范围内，因此能够增强气体与倾斜的平板式板叠3之间的热声效应。同时在热端换热器1与倾斜的平板式板叠3热端相接的位置，以及冷端换热器4与倾斜的平板式板叠3冷端相接的位置上，由于具有相同的板间隙，因此气体在倾斜的平板式板叠3与换热器之间来回运动时，具有通畅的流道，流动阻力也会相应的减小，可以进一步提高热声转换效率。

以下对本发明的具有渐缩通道的板式热声核的设计方法进行说明：

1)首先，根据热声发动机的热端换热器(1)的温度，计算出工作气体的在热端的热渗透深度δ_kh：

其中k为气体的导热系数，f为谐振频率，ρ为气体的密度，c_P为气体的比热，然后通过公式r_h≈3δ_kh计算出热端换热器(1)的最佳间隙；

2)其次，根据热声发动机的冷端换热器(4)的温度，计算出工作气体的在冷端的热渗透深度δ_kc：

然后通过公式r_c≈3δ_kc计算出冷端换热器(4)的最佳间隙；

3)然后，根据与冷端换热器(4)相连的谐振管的内径大小及冷端换热器的最佳间隙计算出冷端换热器(4)的通道数，再根据热端换热器(1)的最佳间隙和与冷端换热器相同的通道数算出热端换热器的管径；

4)倾斜的平板式板叠(3)的热端具有与热端换热器(1)同样的间隙，倾斜的平板式板叠(3)的冷端具有与冷端换热器(4)同样的间隙，从倾斜的平板式板叠(3)的热端到冷端相邻两块板之间形成渐缩的通道；

5)设计冷热端换热器的长度：分别根据热端换热器(1)和冷端换热器(4)所在位置气体的最大速度算出热端换热器气体的振幅A_h及冷端换热器气体的振幅A_c：A_h＝u_h/πf，A_c＝u_c/πf，其中u_h为热端换热器所在位置气体的最大速度，u_c为冷端换热器所在位置气体的最大速度，冷热端换热器的长度取两倍的气体振幅，L_h≈2A_h＝2u_h/πf，L_c≈2A_c＝2u_c/πf。

因为如果换热器长度大于两倍的气体振幅，换热器末段的热量就无法通过气体的来回运动而传递到板叠上，这样多余的那部分换热器对热声效应就不起作用，同时还会增加气体的流动阻力；如果换热器的长度小于两倍的气体振幅，则将会有部分工作于板叠与换热器之间的气体，在运动过程中越过换热器，而不能很好的在板叠与换热器之间传递热量。因此冷热端换热器长度为：

L_h≈2A_h＝2u_h/πf，L_c≈2A_c＝2u_c/πf

下面结合附图以及具体实例进一步描述本发明：

假设热声发动机热端加热器温度为700K，冷端换热器温度为300K，充气压力为0.1MPa，声波波长为1.7m，工作气体为85％He+15％Xe。通过计算可得气体在热端换热器内的热渗透深度δ_kh为0.66mm，在冷端换热器内的热渗透深度δ_kc为0.38mm。如果采用传统的平行板叠式热声核，要使在热声核的冷端，板叠间隙与气体的热渗透深度满足最佳比：r/δ_kc≈3，则板叠间隙应约取1mm，如图2(a)所示。这样在板叠的热端，板叠间隙与气体的热渗透深度之比只有1.5左右，显然热端的板叠间隙过小，靠近板叠热端的气体均无法工作在最佳状态，因此热声转换效率必然会受影响。如果在热声核的热端，使得板叠间隙与气体的热渗透深度满足最佳比：r/δ_kh≈3，则板叠间隙应约取2mm，如图2(b)所示。这样在板叠的冷端，板叠间隙与气体的热渗透深度之比约为5.3，远远超过了最佳比，这会导致靠近冷端的部分气体由于离板叠的横向距离太远，而无法与板叠之间进行有效的热交换，因此热声转换效率也会低下。

根据以上分析可知，在板叠热端，温度较高，气体的热渗透深度较大，为了保持板叠间隙与热渗透深度的最佳比，必须相应的增加板叠在热端的间隙；而在板叠冷端，气体的热渗透深度较小，板叠间隙也应该相应的减小。因此从板叠的热端到冷端形成渐缩通道，可以使得板叠间距与热渗透深度之比始终保持在最佳值左右，如图2(c)所示。

Claims (2)

1.一种具有渐缩通道的板式热声核，包括热端换热器(1)、冷端换热器(4)以及连接热端换热器(1)与冷端换热器(4)的板叠外壳(2)和平板式板叠(3)，其特征在于：所述的板叠外壳(2)的截面为渐缩结构，且在板叠外壳(2)内安装有倾斜的平板式板叠(3)；所述的热端换热器(1)的间隙大于冷端换热器(4)的间隙，倾斜的平板式板叠(3)的热端与热端换热器(1)具有相同的间隙，倾斜的平板式板叠(3)的冷端与冷端换热器(4)具有相同的间隙，热端换热器(1)、倾斜的平板式板叠(3)以及冷端换热器(4)三者具有相同的通道数。

2.一种具有渐缩通道的板式热声核的设计方法，其特征在于：

1)首先，根据热声发动机的热端换热器(1)的温度，计算出工作气体在热端的热渗透深度δkh：

其中下标h表示热端，k为气体的导热系数，f为谐振频率，ρ为气体的密度，c_P为气体的比热容，然后通过公式r_h≈3δ_kh计算出热端换热器(1)的最佳间隙；

2)其次，根据热声发动机的冷端换热器(4)的温度，计算出工作气体在冷端的热渗透深度δ_kc：

其中下标c表示冷端，然后通过公式r_c≈3δ_kc计算出冷端换热器(4)的最佳间隙；

3)然后，根据与冷端换热器(4)相连的谐振管的内径大小及冷端换热器的最佳间隙计算出冷端换热器(4)的通道数，再根据热端换热器(1)的最佳间隙和与冷端换热器相同的通道数算出热端换热器的管径；

4)倾斜的平板式板叠(3)的热端具有与热端换热器(1)同样的间隙，倾斜的平板式板叠(3)的冷端具有与冷端换热器(4)同样的间隙，从倾斜的平板式板叠(3)的热端到冷端相邻两块板之间形成渐缩的通道；

5)设计冷热端换热器的长度：分别根据热端换热器(1)和冷端换热器(4)所在位置气体的最大速度算出热端换热器气体的振幅Ah及冷端换热器气体的振幅A_c：A_h＝u_h/πf，A_c＝u_c/πf，其中u_h为热端换热器所在位置气体的最大速度，u_c为冷端换热器所在位置气体的最大速度，冷热端换热器的长度取两倍的气体振幅，L_h≈2A_h＝2u_h/πf，L_c≈2A_c＝2u_c/πf。

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