CN218034630U - 一种基于热声效应的强化传热装置 - Google Patents

Abstract

一种基于热声效应的强化传热装置，包括热声发声单元、谐振系统和换热器：热声发声单元将热能转化为声能，产生声波；谐振系统用于传递和储存声能，并调制热声发声单元所处声场以实现热声转换；热声发声单元产生的声波作用于所述换热器中强化换热。该强化传热装置可利用尾气余热、电厂废热和地热等低品位热源驱动热声发声单元产生的声波，并作用于换热器强化换热。解决了声波及传统强化传热领域均需要消耗有限的高品质电能的问题，提高了能源的综合利用率。

Description

一种基于热声效应的强化传热装置

技术领域

本发明涉及一种强化传热装置，特别涉及一种利用热声效应进行强化传热的装置。

背景技术

强化传热技术通常分为有源强化、无源强化两类，声波作为一项新的有源强化传热技术近年来受到重视，在工业应用中展露出巨大潜力，并已列入国家重点基础发展规划。

声波称为“主动应用”，它是将声波作为一种能量形式应用于介质本身，可以是直接作用、影响或是改变。其中，空化作用是功率声波最基本的特征，空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波作用下，当声压达到一定时发生的生长和崩溃的动力学过程。由于空化现象极其复杂，至今人们只取得了一些定性的研究成果。目前，普遍认为声波在介质中传播时会存在正负相位的交变周期，在正相位时，声波对介质分子挤压，介质密度增大；而在负相位时使介质分子离散，介质密度减小。

当足够大振幅的声波作用于液体时，在负相位期介质分子间的平均距离会超过临界分子距离，液体便会发生断裂形成微泡，微泡长大后形成空化气泡，产生空化效应。空化气泡崩溃的瞬间会在其周围小空间内产生强烈的冲击波和微射流，速度可达100m/s。一方面声波空化引起的湍动效应和微扰效应使热边界层减薄，传热效率得到提高，另一方面在加热面(加热面位于介质内部)附近产生的空化气泡会带走部分热量。

声流是指声波在气体或液体介质中传播时，往往会引起一种非周期性的运动，这种现象称为声流，声流包括体声流和微声流，体声流通常被简称为声流，微声流是指介质中与微小空化气泡相联系的局部流动。声流作用在加热面时会增大加热面附近液体的扰动，增加气泡脱离表面的频率，从而提高传热系数，同时声流作用也会影响空化气泡的运动。

声波在介质中传播时具有很强的穿透能力且产生空化冲击波，这些固有特征使声波在介质中传播时可传递很强的能量，从而产生强烈的冲击，具有很高的效率。声波的机械作用是一种宏观作用效果，利用声波这种机械搅拌作用，可以作用在液体内部的加热面上，使温度相对较低的主流冷流体与加热表面处的热流体加速混合，一方面增大加热面处液体的扰动，强化对流传热；另一方面，这种机械作用可以增大加热面处气泡的脱离频率，并减小热阻。

1967年，K.W.Li等人研究了改变声波声压对铂丝(加热物体)与蒸馏水之间单相对流传热的影响。研究表明，在一定频率的声波作用下，实验段(作为实验对象的加热段)的传热系数得到了明显提高。提高声压可以强化传热，且存在一个临界声压，达到临界声压后，若继续提高声压，强化传热能力将下降。K.W.Li等人认为传热系数的提高主要是由于声波在水中传播时会对水产生搅拌作用，且声压越大搅动越剧烈；另一方面，声波会在液体中产生空化作用，当声压超过临界声压时空化作用会变得很强烈，实验段部分表面会被气膜覆盖，气膜会减弱搅拌作用，从而降低传热强化效果。2002年，周定伟等人就超声波对水池内水平圆管单相对流传热的影响进行了实验研究和理论分析。实验研究了声强、方向、声波换能器与实验段的距离、介质种类、介质温度等实验参数对传热强化效果的影响。实验结果表明，实验参数不同会影响单相对流传热效果，传热强化倍率最高可达3.9。周定伟等人认为声波在液体中会产生空化气泡雾束，这些空化气泡雾束会在传热表面附近产生强烈射流效应，而单个空化气泡会产生局部微冲流，两者均使壁面热边界层减薄，从而显著强化了对流传热。2004年，H.Y.Kim等人研究了频率为48kHz的声波分别在单相对流、过冷沸腾、饱和沸腾传热条件下，对外直径为0.2mm的铂丝(加热物体)与制冷剂FC-72间传热的影响，并提出了整体空化和局部空化的概念。认为整体空化出现在没有经煮沸除去不凝性气体的液体的全部局域，而局部空化仅发生在经过煮沸除去不凝性气体内部的加热物体表面。研究表明，在单相对流传热阶段传热效果得到了明显强化，H.Y.Kim等人认为空化气泡是增强换热的主要原因，由于空化气泡在加热段附近杂乱无章地运动，增强了冷热流体的混合，传热强化倍率主要与空化气泡密度和气泡的运动剧烈程度有关。2012年，M.Rah imi 等人研究了高频声波对铂丝(加热物体)与去离子水间单相对流传热的影响。实验中主要对声波换能器的位置及声波干涉现象进行了研究，声波频率为1.7 MHz，配置5个声波换能器，3个在底部，2个在相对称的两个侧面。与低频声波相比，高频声波在液体中传播时会产生更多更小的空化气泡，这些空化气泡的定向流动就会形成微声流现象，这也是能够强化传热最主要的原因。研究表明，启用单个侧面的声波换能器时传热强化效果最好，同时启用对称的两个侧面的声波换能器时，由于出现干涉会导致强化效果减弱。该实验为采用多个声波源时声波换能器的合理布置提供了借鉴。

综合上述的研究结果，基本可以确定声波明显强化了对流传热区域的传热效果，且声波频率、强度和介质对强化效果影响较大。目前，声波强化传热传质领域，声波均是电驱动原理，需要消耗有限的高品质电能。

热声装置是利用热声效应直接实现热能与声能之间相互转换的新型热机。近三十年，热声热机的工程化取得了极大的进展。1992年，Swi ft等人搭建了一台驻波热声发动机，其直径为0.128m，总长达4.32m。以1.38MPa的氦气为工质，热声转换效率为9％，相对卡诺效率为13％，可获得630W的净输出声功。1999年，美国Backhaus和Swift提出并研制了一种斯特林热声发声器，相对卡诺循环效率为41％，完全可以和内燃机(25％-40％)和传统的活塞式斯特林发声器(20％-38％)相媲美，研究结果发表在“Nature”上，引起了各国学术界和工业界的重视。2000年，Swift等人以液化天然气为目标研究的大型热驱动制冷系统，最终能够在150K的制冷温度下产生3.8kW制冷量，可通过燃烧 35％的天然气液化其余65％的天然气，这是热驱动热声制冷机实用化的重要里程碑。

目前，热声效应主要应用在能源转换与利用领域。热声学的研究主要集中在提高热声转换效率，实现热声制冷或热泵、热声发电，提高低品位热能的利用方面。针对这种新型先进有效的热机形式，其研究的目的是解决节能、可再生能源利用和环境保护等问题。极少有将热声发动机作为一种稳定的声源。实际上，热声发动机作为一种将热能转换为声能的发声器，不论从发声频率和强度来看，都易于满足强化传热传质技术的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热声效应的强化传热装置，将热声技术应用于强化传热领域，利用热声发声单元产生声波，声波通过谐振系统导入换热器中强化传热，实现散热系统小型化。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于热声效应的强化传热装置，包括热声发声单元、谐振系统和换热器，其特征在于，所述热声发声单元将热能转化为声能，产生声波；所述谐振系统用于传递和储存声能，并调制热声发声单元所处声场以实现热声转换；所述热声发声单元产生的声波作用于所述换热器中强化换热。

进一步地，所述热声发声单元由依次连接的冷端换热器、回热器和高温端换热器组成。

进一步地，所述谐振系统形式为一端开口的线性管、两端开口的线性管、环形管或带旁支结构的环形管，为等直径管、变直径管或二者的组合。

进一步地，所述谐振系统还可以为一端为弹性膜，另一端开口或封闭的线性管、环形管或带旁支结构的环形管，为等直径管、变直径管或二者的组合。

进一步地，所述换热器可以为管壳式换热器、套管式换热器、板翅式换热器、螺旋板式换热器、板壳式换热器、翅片管换热器、热管换热器、相变储热换热装置。

进一步地，可以有多个所述的热声发声单元置于所述的谐振系统内部。

进一步地，所述高温端换热器的热源可以为发动机尾气余热、电加热、钢厂废热、电厂废热、太阳能、燃气能、地热能。

进一步地，所述的回热器为丝网型回热器、平板式回热器、蜂窝陶瓷回热器、螺旋型回热器、针列型回热器、填充随机丝绵型回热器。

进一步地，所述热声发声器单元的工作介质可以为空气，或水蒸汽、液体水、冷冻液、制冷剂、氦气、氩气、氖气、氪气、二氧化碳、氢气中的一种或者多种物质混合组成。

进一步地，所述的弹性膜为金属弹性膜或有机弹性膜；所述的有机弹性膜为橡胶、或聚酯塑料制作的弹性膜片；所述的金属弹性膜为弹簧钢、铍青铜或不锈钢制作的弹性膜片。

相比于传统的声波强化换热装置，本发明的基于热声效应的强化传热装置具备如下优点：

(1)热声发声单元以热能作为驱动源，当回热器两端温差达到临界温差时起振实现能量转换，且工作温区宽，可充分利用低品位热源，解决了已有研究中声波及强化传热领域均是电驱动原理，需要消耗有限的高品质电能的问题，提高了能源的综合利用率；(2)热声发声单元无机械运动部件，结构简单、运行和维修简单、长期运行可靠性高、寿命长；(3)可以通过调整系统频率和边界条件，灵活调整系统结构尺寸和功率密度，实现装置的小型化和轻量化；(4) 本发明利用低品位热源如尾气余热、电厂废热、钢厂废热和地热等，来驱动热声发声单元产生声波。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明图1所示A-A剖视图；

图3为本发明实施例2结构示意图；

图4为本发明实施例3结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进一步进行说明：

实施例1：

本实施例的结构如图1所示，它包括：热声发声单元、谐振系统、管壳式换热器，其中热声发声单元1包括：高温端换热器2、回热器3、冷端换热器4；谐振系统包括：变径管5、谐振管6、弹性膜7、铁箍8；管壳式换热器包括：换热器外壳9、换热管10、壳程进口管11、壳程出口管12、管程进口管13、管程出口管14、挡板15、隔板16、第一管板17、第二管板18。其中，热声发声单元1为水平放置的一端封闭的圆筒形壳体，另一端与谐振系统变径管5相连，通过谐振管6与换热器装置连接，谐振管6的右端用弹性膜7封闭，弹性膜7 用铁箍8固定。

换热器外壳9是一个水平放置的封闭圆筒形壳体，壳程进口管11位于换热器外壳9的左下方，壳程出口管12位于换热器外壳9的右上方，管程进口管13 位于换热器右端面的上方，管程出口管14位于换热器右端面的下方。第一管板 17和第二管板18为圆形，上面开有与换热管10外直径尺寸一致的圆孔。第一管板17位于换热器外壳9左端面和壳程进口管11之间，换热器外壳9左端面和第一管板17的中心位置分别开有一个圆孔，谐振管6分别与换热器外壳9左端面及第一管板17中心圆孔的周边无缝焊接。第二管板18位于换热器外壳9右端面与壳程出口管12之间。隔板16水平置于第二管板18与换热器外壳9右端面之间的中心处，将第二管板18与换热器外壳9右端面围成的这一空间分成同等大小的上下两部分，上部通道与管程进口管13相通，下部通道与管程出口管14相通。两块挡板15为半圆形，分别位于壳程进口管11的右侧和壳程出口管12的左侧，起到支撑换热管10的作用。

基于热声效应的强化传热系统，热流体通过热声发声单元高温端换热器2 对热声发声单元内的工作气体加热，冷气流在热声发声单元冷端换热器4对工作气体进行冷却，在热声发声单元回热器3两侧形成温差，直接实现热能向声能的转换，产生声波。声波经过变径管5、谐振管6，传递到换热器壳程。弹性膜7被铁箍8固定在谐振管6的末端，防止换热器壳程流体进入谐振系统。换热器工作时，一种流体从管程进口管13进入，依次经过换热器的上部空间换热管和下部空间换热管后，从管程出口管14流出；另一种流体从壳程进口管11 进入，经过换热器壳程空间后，从壳程出口管12流出。同时，热声发声器产生的声波进入换热器壳程，使换热器壳程中的液体剧烈振荡并产生空化气泡，从而增强了换热器的换热效果。

在本实施例中，所述热声发声单元高温端换热器2中热流体为尾气余热；所述热声发声单元回热器3填充材料为不锈钢丝网；所述热声发声单元冷端换热器4采用水冷；所述热声发声单元工作气体为氦气；所述弹性膜7为橡胶膜。

实施例2：

本实施例结构如图3所示，它包括：热声发声单元、谐振系统、板翅式换热器，其中热声发声单元包括：冷端换热器1、回热器2、高温端换热器3；谐振系统包括：谐振管4；板翅式换热器包括：板束体5、封条6、隔板7、翅片8。

热声发声单元放置在谐振系统环形管中，冷气流在热声发声单元冷端换热器1对工作气体进行冷却，热流体通过热声发声单元高温端换热器3对热声发声单元内的工作气体加热，在热声发声单元回热器2两侧形成温差，直接实现热能向声能的转换，产生声波，声波经过谐振管4向四周发射。

板翅式换热器的每一层都由封条6、隔板7、翅片8三部分组成，在相邻的两隔板7间放置翅片8，并在两侧用封条6密封，构成通道，冷热流体通道间隔布置、排列并钎焊成整体。利用热声发声单元产生的声波，在换热器换热流体中产生的空化效应、声流效应以及机械效应，从而达到强化换热的目的。

在本实施例中，所述热声发声单元冷端换热器1采用风冷；所述热声发声单元回热器2填充材料为随机丝绵；所述热声发声单元高温端换热器3中热流体为钢厂废热；所述热声发声单元工作气体为空气。

实施例3：

本实施例结构如图4所示，它包括：热声发声单元、谐振系统、管套式相变储热装置，其中热声发声单元包括：冷端换热器1、回热器2、高温端换热器 3；谐振系统包括：谐振管4；管套式相变储热装置包括：内管5、外管6、相变材料7。

两个热声发声单元分别放置在分支型谐振系统的两个分支管中，冷气流在热声发声单元冷端换热器1对工作气体进行冷却，热流体通过热声发声单元高温端换热器3对热声发声单元内的工作气体加热，在热声发声单元回热器2两侧形成温差，直接实现热能向声能的转换，产生声波，声波经过谐振管4向四周发射。

管套式相变储热装置中相变材料7均匀的填充在内管5与外管7之间。相变材料储热时，换热流体流入内管5并放出热量，换热通道将热量传递到相变材料7，靠近内管5的相变材料7吸收热量后融化，而远离内管5处的相变材料 7还处于固态；热声发声单元产生的声波在液体中产生的空化效应、声流效应以及机械效应，加强液态相变材料的对流，提高相变材料固液界面的对流换热系数，从而加强相变材料固液态间的换热，强化储热；相变材料放热时，换热流体流入内管5并吸收热量，相变材料7将热量传递给内管5，靠近内管5的相变材料7优先凝固，而远离内管5处的相变材料还处于液态；热声发声单元产生声波，声波通过谐振系统向四周发射，利用声波在液体中产生的空化效应、声流效应以及机械效应，加强液态相变材料的对流，提高相变材料固液界面的对流换热系数，从而加强相变材料固液态间的换热，强化放热。

在本实施例中，所述热声发声单元冷端换热器1采用乙二醇冷却液冷却；所述热声发声单元回热器2采用平行板式回热器；所述热声发声单元高温端换热器3中热流体采用太阳能加热；所述热声发声单元工作气体为空气。

Claims (9)

1.一种基于热声效应的强化传热装置，其特征在于，包括一个或多个热声发声单元、谐振系统和换热器，所述热声发声单元置于所述谐振系统中，所述热声发声单元产生的声波通过所述谐振系统传至所述换热器中。

2.如权利要求1所述的一种基于热声效应的强化传热装置，所述热声发声单元由依次连接的冷端换热器、回热器和高温端换热器组成。

3.如权利要求1所述的一种基于热声效应的强化传热装置，所述谐振系统形式为一端开口的线性管、两端开口的线性管、环形管或带旁支结构的环形管，为等直径管、变直径管或二者的组合。

4.如权利要求1所述的一种基于热声效应的强化传热装置，所述谐振系统还可以为一端为弹性膜，另一端开口或封闭的线性管、环形管或带旁支结构的环形管，为等直径管、变直径管或二者的组合。

5.如权利要求1所述的一种基于热声效应的强化传热装置，所述换热器可以为管壳式换热器、套管式换热器、板翅式换热器、螺旋板式换热器、板壳式换热器、翅片管换热器、热管换热器、相变储热换热装置其中一种。

6.如权利要求2所述的一种基于热声效应的强化传热装置，所述高温端换热器的热源可以为发动机尾气余热、电加热、钢厂废热、电厂废热、太阳能、燃气能、地热能。

7.如权利要求2所述的一种基于热声效应的强化传热装置，所述的回热器可以为丝网型回热器、平板式回热器、蜂窝陶瓷回热器、螺旋型回热器、针列型回热器、填充随机丝绵型回热器其中一种。

8.如权利要求2所述的一种基于热声效应的强化传热装置，所述热声发声单元的工作介质可以为空气，或水蒸气、液体水、冷冻液、制冷剂、氦气、氩气、氖气、氪气、二氧化碳、氢气。

9.如权利要求4所述的一种基于热声效应的强化传热装置，所述的弹性膜材料可以为橡胶、聚酯塑料、弹簧钢、铍青铜、不锈钢其中一种。

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