2016年第3期低溫工程No.32016總第211期CRYOGENICSSum No 211熱聲系統(tǒng)高溫段的漏熱分析與防護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計李娟·2周剛李青(中國科學院理化技術(shù)研究所航天低溫推進劑技術(shù)國家重點實驗室北京100190)(2中國科學院大學北京100049)摘要:對熱聲系統(tǒng)高溫段的漏熱進行理論分析,建立高溫段真空防護結(jié)構(gòu)的物理模型,并基于uent中S2S模型,對模型進行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,得到了輻射散熱量、導熱量、外表面的熱流量隨加熱溫度的變化,以及輻射和導熱占總漏熱量的比值;在此基礎(chǔ)上,對防護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,提出防護結(jié)構(gòu)2,對比分析了兩種熱防護結(jié)構(gòu)的防漏熱效果。結(jié)果表明,真空防護結(jié)構(gòu)會有效的減少系統(tǒng)的漏熱,增大系統(tǒng)的熱聲轉(zhuǎn)換效率,且優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)2較結(jié)構(gòu)1更能有效的減少系統(tǒng)漏熱。關(guān)鍵詞:熱聲高溫漏熱真空結(jié)構(gòu)設計中圖分類號:TB65文獻標識碼:A文章編號:100046516(2016)030030405Heat leakage analysis and optimum design of high temperaturesection of thermoacoustic systemLi juZhou gng( 'State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants, Technical Instituteof Physics and Chemistry Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)Abstract: Theoretical analysis of heat leakage has been made in the high temperature section of thethermoacoustic system. Physical model of the vacuum cavity structure is established, the steady-state numerical simulation is carried out basing on S2S model. The amount of radiation, heat conduction and heatflux of the external surface with the change of the heating temperature, and the ratio of radiation and heatconduction to the total leakage rate were obtained. On this basis, an optimized structure, structure 2 is pro-posed. And thermal protection effect is compared between two different structures. The results show that thevacuum protection structure can effectively reduce the heat leakage of the system, increase the efficiency ofhe system, and the optimized structure 2 is more effective than the 1Key words: thermoacoustic; high temperature; vacuum cavity; structure design1引言動部件、工作可靠性高、可使用低品位熱源和環(huán)保的工作介質(zhì)等優(yōu)點,因此應用前景十分廣闊。根據(jù)系統(tǒng)熱聲發(fā)動機是一種利用熱聲效應將熱能轉(zhuǎn)化為中聲場的特性可以將熱聲發(fā)動機分為駐波熱聲發(fā)動聲能的新型熱力機械,具有結(jié)構(gòu)簡單、無或極少有運機和行波熱聲發(fā)動機,行波熱聲發(fā)動機中,氣體微粒中國煤化工收稿日期:201604-21;修訂日期:20160601CNMHG作者簡介:李娟,女,24歲,碩士研究生。第3期熱聲系統(tǒng)高溫段的漏熱分析與防護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計31所經(jīng)歷的熱力學循環(huán)為類似于理想的斯特林循環(huán),因K,溫度較高,對流和輻射漏熱較大。在不采用減少此其效率高于駐波熱聲發(fā)動機。對于理想的熱聲發(fā)漏熱措施的情況下,高溫段的漏熱,主要包括自然對動機,其熱聲轉(zhuǎn)換效率E其中E為聲功流,Q流換熱E對和輻射漏熱E額(包括對外界環(huán)境的輻射漏熱和對冷端換熱器的輻射漏熱)。本次主要針為熱流,對應可得熱聲轉(zhuǎn)換效率,然而對于實際的熱對高溫段對外界環(huán)境的漏熱進行研究,因此,計算中聲發(fā)動機,由加熱器加入到系統(tǒng)中的熱量,不僅用于忽略對冷端換熱器的輻射漏熱,以下所指輻射散熱即回熱器的熱聲轉(zhuǎn)換,導熱、流動損失、回熱器的非理為對外界環(huán)境的輻射散熱,總漏熱指對外界環(huán)境的輻想性均會對發(fā)動機的熱聲轉(zhuǎn)換效率造成較大比例射散熱與自然對流散熱之和。按自然對流換熱系數(shù)的影響其中高溫段(包括加熱器、回熱器和熱緩沖6W/m2K,高溫段面積為9.24×103m2,溫度為管)的漏熱是熱聲系統(tǒng)熱損失的主要來源之一,因650K對自然對流換熱和輻射漏熱量進行計算:此十分有必要對該高溫段的漏熱進行理論分析和E對流=hA△t=6×9.24×10模擬研究。(650-300)W=19.4W(1)關(guān)于熱聲系統(tǒng)漏熱的研究很少,對于高溫段的漏Eg=cA(r-Tn)=0.4×567×102x熱研究,李山峰"通過實驗的手段,測量得到在發(fā)動9.24×103×(6504-3004)=35.7W(2)機熱端溫度550℃以上時,通過保溫層的漏熱量達到式中:h為自然對流傳熱系數(shù),W/m2K;A為高200W以上,從而提出,通過減小回熱器以及熱緩沖溫段的表面面積,m2;b為不銹鋼面的發(fā)射率;為管管壁的厚度降低導熱損失減小熱端換熱器以及次黑體輻射常數(shù)其值為567×108W/(m2·K“)。水冷器表面的黑度來降低輻射換熱損失,并改進保溫措施以減少漏熱。另外與一般的流動換熱不同,熱聲容腔系統(tǒng)內(nèi)是交變流動換熱。在交變流動換熱的研究中,主冷端換熱器Dean, smith等2對管內(nèi)交變流動傳熱進行實驗研究,引入復努塞爾數(shù),獲得每一階熱流密度和溫差以及兩者間的相位角,進而求得每一階的復換熱系數(shù)以回熱器及復努塞爾數(shù)。然而周期換熱的情況未給出,使得其加熱器研究結(jié)果無法推廣應用于一般情況的交變流動傳熱計算。 Bouvier等3針對圓管內(nèi)交變流動傳熱進行了熱緩沖管實驗研究,采用反傳熱的方法,通過測量壁面內(nèi)的溫副冷端換熱器度或是流體的溫度,推導得到交界面處的熱流密度和溫度以及無量綱換熱系數(shù),但是其測量方法比較困難,精度難以保證。本文主要對高溫段的漏熱進行理論分析,建立了高溫段真空防護結(jié)構(gòu)的模型,并通過圖1熱聲發(fā)動機環(huán)形圈示意圖靜態(tài)模擬的方式對該模型的防漏熱效果進行模擬研Fig. 1 Schematic diagram of annular ring究;在此基礎(chǔ)上對熱防護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,對比分析了兩種結(jié)構(gòu)的防漏熱效果?？梢钥闯?當溫度為650K,加熱量為280W時,2理論分析高溫段總熱損失為55.1W,總漏熱占系統(tǒng)總加熱量的19.2%,對流換熱和對環(huán)境輻射散熱占加熱量較回熱器是熱聲系統(tǒng)的核心部件,其兩端的溫度差大的比值,嚴重影響熱聲轉(zhuǎn)換效率。另外,隨著陶瓷是熱聲轉(zhuǎn)換的必要條件。裝置中的回熱器和熱緩沖加熱器溫度的升高,根據(jù)上式中輻射力E和對流散管固定下來后,維持回熱器固定溫差值所需要的理想熱量與溫度T的關(guān)系,溫度升高時,外表面的輻射散加熱量是不變的。如圖1所示,行波熱聲發(fā)動機環(huán)形熱量和對流換熱量會進一步增大,高溫段的熱損失會圈中,通過加熱器對熱聲熱機進行加熱并保持回熱器進一步增大中國煤化工兩端有著合適的溫度差。因此加熱器、回熱器以及緩可見CNMHG清況下,系統(tǒng)的沖管段的溫度較系統(tǒng)其它位置的溫度高約50-200自然對流換熱和輻射漏熱均較高,嚴重影響發(fā)動機系工程2016年統(tǒng)的熱聲轉(zhuǎn)換效率。因此,應該對系統(tǒng)的高溫段(包發(fā)進行求解,將立體角離散化,求解有限個立體角發(fā)括回熱器、加熱器以及熱緩沖管)進行絕熱保溫,以射出的輻射方程,通過求解各立體角內(nèi)的輻射運輸方減少向外界的漏熱損失。一般的熱聲系統(tǒng)中,高溫段程獲得輻射強度分布,積分獲得輻射熱源。外壁面采用真空夾層以減少對外界環(huán)境的漏熱,如圖S2S輻射模型非常適用于封閉空間中沒有介質(zhì)2所示;抽真空以后,真空度可以達到1×10Pa。一的輻射問題,通過設定和計算角系數(shù)文件來計算輻射方面,它可以緩解由于加熱器加熱引起的管體膨脹可量,從而可以不涉及到輻射介質(zhì),因此對于計算真空能導致的微小變形,另一方面,可以有效避免夾層內(nèi)輻射具有良好的精度。部空氣的傳導和對流所造成的熱損失。對比以上輻射模型的使用情況,本文主要是真空輻射,因此采用S2S輻射模型,邊界條件設為溫度邊界條件,模型兩端為冷端換熱器,因此溫度設置為加熱器300K,模型中加熱器的溫度,根據(jù)實驗獲得,如表1真空腔所示。表1加熱器的加熱溫度與加熱量對照表圖2真空腔結(jié)構(gòu)示意圖(結(jié)構(gòu)1)Table 1 Heating temperature and heatingFig 2 Schematic diagram of vacuum cavity(structure 1)quantity of heater試驗數(shù)據(jù)數(shù)值對圖2所示的真空腔熱防護結(jié)構(gòu)的散熱進行分加熱電壓/V加熱電流/A2.332.933.514.094.66析,上述結(jié)構(gòu)中,加熱器的熱量傳導至真空腔內(nèi)表面,加熱量/W146.5210.6286.3372.8真空腔內(nèi)表面的熱量一部分通過連接板徑向傳導至加熱器溫度/K565609655708真空腔外表面,一部分通過熱輻射進行傳熱,而系統(tǒng)外表面的散熱方式主要是輻射散熱和自然對流換熱。系統(tǒng)主要的氣體工質(zhì)為高壓氦氣,主要的固體通過數(shù)值模擬的方式對結(jié)構(gòu)1的散熱進行模擬研究工質(zhì)不銹鋼板和陶瓷加熱器,兩者的物性參數(shù)如表2所示。3數(shù)值模擬3.1模型選擇及邊界條件設置表2主要工質(zhì)材料的熱物性其物理模型如圖2所示,采用ICEM進行網(wǎng)格劃Table 2 Thermal properties of main working materials分,網(wǎng)格質(zhì)量為0.38;對于模型中的輻射漏熱, fluent工質(zhì)密度/(kg/m3)比熱容/(J/kg/K)導熱系數(shù)/(W(m·K)陶瓷中主要有5中輻射模型:DTRM模型、P模型、R0s不銹鋼板8030land模型、Do模型以及S2S模型。高壓氦氣4.67350.1557DTRM的主要思想是用單一的輻射射線代替從輻射表面沿某個立體角的所有輻射效應;模型的計算3.2模擬結(jié)果及分析精度主要由跟蹤射線的數(shù)目和計算網(wǎng)格的疏密程度決模擬可得上述模型中,真空腔內(nèi)的輻射散熱量定;對于大數(shù)目的射線問題,非常耗費CPU時間。不銹鋼支撐的導熱量以及系統(tǒng)外表面的溫度分布。PⅠ輻射模型是PN模型中最簡單的類型。P-1圖3為系統(tǒng)真空腔內(nèi)輻射散熱量和連接板的導模型的主要出發(fā)點是把輻射強度方程展開成為正交熱量隨加熱器溫度的變化,很顯然輻射量和導熱量均的球諧函數(shù),對于光學深度比較大(如燃燒應用中),隨著加熱器溫度的升高而升高,輻射散熱量由5.2W表現(xiàn)非常好。上升為16.9W,導熱量由8.7W上升為12.8W;這ROSSLAND模型不計算介質(zhì)輻射強度的輸運方是因為,隨著加熱器溫度的升高,真空腔內(nèi)表面和系程,而是在P1模型基礎(chǔ)上引入與溫度成3次方的傳統(tǒng)外表面的溫度均隨之升高,表面溫度的升高必然會熱系數(shù)來計算輻射傳熱量,相對于P1模型計算較快,導致散熱量凵中國煤化工和導熱量占總散推薦用于光學深度大于3的情況下。熱量的比值CNMH(可以看出,隨著DO模型是從有限個立體角發(fā)出的傳播方程出加熱器溫度的升高,導熱量的增長幅度較輻射量的增第3期熱聲系統(tǒng)高溫段的漏熱分析與防護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計長較為緩慢,這是因為輻射量與溫度成4次方的關(guān)708e402系,而導熱量是一次方的關(guān)系,因此輻射量隨溫度的660=+402變化較為明顯。圖5、6分別為加熱器溫度為708K6.44e+0218真空腔輻射量63e+026連接點導熱量5.47e+02系10圖6真空腔內(nèi)表面的溫度分布Fig6 Temperature distribution on inner surfaceof vacuum cavity500540560580600620640660680700720加熱器溫度/K時,真空腔外表面和內(nèi)表面的溫度分布,在真空腔外圖3輻射量和導熱量隨加熱器溫度的變化表面,溫度分布為兩端高,中間低,內(nèi)表面的溫度分布Fig 3 Radiation and heat conduction vs則相反,因此可以看出,連接板的熱傳導在熱量傳遞heating temperature中占很大比值。另外,溫度為650K時,系統(tǒng)總漏熱量為30W,與不加防護結(jié)構(gòu)的總漏熱量55.1W相輻射量比值比,可有效的減少漏熱83.67%。0.38導熱量比值3.3熱防護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計為了進一步減小輻射漏熱,可在真空腔中加一層輻射屏,在穩(wěn)定條件下0.320.30q1(E1-Es3)(En-En)式中:q13,q32分別為真空腔表面1對遮熱板和0.24遮熱板對表面2的輻射傳熱熱流密度,且兩個系統(tǒng)的520540560580600620640660680700720發(fā)射率相同,均為:加熱器溫度/K圖4輻射量和導熱量的比值隨加熱器溫度的變化,=11(5)Fig 4 Ratio of radiation and heat conduction vsheating temperature在熱穩(wěn)態(tài)條件下,q13=q32=q12。將式(3)和式(4)相加可得91(6)與未加輻射屏時的輻射傳熱相比,其輻射傳熱量75e+02減小了一半。另外為使削弱輻射傳熱的效果更為明顯,可采用發(fā)射率較低的金屬薄板作為遮熱板或多層445e+02遮熱板。4.40=+4根據(jù)以上分析,建立熱防護結(jié)構(gòu)優(yōu)化后(結(jié)構(gòu)2475e+04.230+02的模型,如圖7所示。結(jié)構(gòu)2在結(jié)構(gòu)1的基礎(chǔ)上,為圖5真空腔外表面的溫度分布圖了減少真空腔內(nèi)的輻射散熱,在真空腔內(nèi)部焊接遮熱Fig 5 Temperature distribution on outer surface板。此時真空Ⅵ中國煤化工鷹熱板,再經(jīng)遮of vacuum cavity熱板輻射至真CNMHG板的溫度高于連接板的溫度,因此遮熱板的熱量一部分還會通過軸34低溫工程2016年向?qū)醾髦吝B接板,并進一步由連接板傳導至真空腔→結(jié)構(gòu)外表面以及系統(tǒng)外表面。因此,結(jié)構(gòu)2系統(tǒng)的輻射散結(jié)構(gòu)2熱量是減小的,但導熱量在一定程度上是增加的,為了減少結(jié)構(gòu)2的軸向?qū)嵘崃?研究對遮熱板進行間斷處理。對結(jié)構(gòu)2的散熱進行數(shù)值模擬研究。間斷處理20540560580600620640660680700720加熱器加熱器溫度圖9兩種結(jié)構(gòu)下導熱量隨加熱溫度的變化Fig 9 Heat conduction vs heating temperature圖7優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)示意圖(結(jié)構(gòu)2)for two different structuresFig 7 Schematic diagram of optimizedtructure( structure 230→結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)2的數(shù)值模擬研究中,采用與結(jié)構(gòu)1中相同的邊界條件與輻射模型。其模擬結(jié)果如圖8-11所示,分別為兩種結(jié)構(gòu)下輻射量、導熱量、系統(tǒng)外表面熱流量以及外表面溫度隨加熱器溫度的變化。首先很顯然,在相同的加熱器溫度下,結(jié)構(gòu)1的輻射散熱量要高于結(jié)構(gòu)2,但其導熱量卻低于結(jié)構(gòu)2的導熱量,這些在上述的理論分析中都是可以直接得到的。20540560580600620640660680700720經(jīng)過模擬分析,還可以看出,在相同的加熱器溫度下,加熱器溫度/K結(jié)構(gòu)1中系統(tǒng)外表面的熱流量和溫度均要高于結(jié)構(gòu)圖10兩種結(jié)構(gòu)下外表面熱流量隨加熱溫度的變化2,由此可見,雖然結(jié)構(gòu)2中遮熱板的存在增加了系統(tǒng)Fig 10 Heat flux vs heating temperature for的導熱散熱量,但是這部分的散熱量在整個系統(tǒng)散熱t(yī)wo different structure量中占很小的比例,例如,當加熱器溫度為609K時,結(jié)構(gòu)1的導熱量為10.4W,結(jié)構(gòu)2的導熱量為10.7一結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)2W,僅僅增加了0.4W,但其輻射散熱量卻由此平均減少了2.5W,且結(jié)構(gòu)2的外表面溫度明顯低于結(jié)構(gòu)410結(jié)構(gòu)25405605806006206406606807007208圖11兩種結(jié)構(gòu)下外表面平均溫度隨加熱溫度的變化Fig. 11 Average temperature vs heating temperature520540560580600620640660680700720for two different structures加熱器溫度圖8兩種結(jié)構(gòu)下輻射量隨加熱溫度的變化1,外表面中國煤化工小對流散熱;因此Fig 8 Radiation vs heating temperature for結(jié)構(gòu)2的HCNMH(熱,即結(jié)構(gòu)2要優(yōu)two different structures于結(jié)構(gòu)1。(下轉(zhuǎn)第56頁)56低溫工程016年(1)與純制冷劑141b為工質(zhì)相比,質(zhì)量分數(shù)為reverse flow and boiling fluctuations in a microchannel evaporator of08%的納米制冷劑Al2O3-R141b壓降波動較為平an air-conditioning system[ J]. International Journal of Heat and Mass緩,標準差最大降低了18%。Transfer,2014,71:639652,4 Bogojevic D, Sefiane K, Walton A J, et al. Two-phase now instabili(2)在質(zhì)量通量為185kg/(m2·s)、入口過冷度lies in a silicon microchannels heat sink [J]. International Journal of為8℃,條件下,微通道內(nèi)工質(zhì)在流動沸騰時,熱流密Heat and Fluid Flow, 2009. 30:854-861度為254kW/m2的壓降波動比18.2kW/m2的壓降5洪歡喜,武衛(wèi)東,盛偉,納米流體制備的研究進展[].化工波動更為劇烈。展,2008,27(12):1923-1928(3)實驗工況范圍內(nèi),較高質(zhì)量通量和較高入口Hong Huanxi, Wu Weidong, Sheng Wei. Research progress of prepa-ration of nanofluids[ J ]. Chemical Industry and Engn-eerin過冷度可以一定程度上使壓降波動更為平緩,但其影1ggres,2008,27(12):1923-1928響效果較小。6 Wang Yuan, Khellil Sefiane, Wan Zhenguo. Analysis of two-phasepressure drop參考文獻ernational Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 70: 353-3621劉一兵電子設備散熱技術(shù)研究[].電子工藝技術(shù),207,287 Wang Guodong, Cheng Ping, An experimental study of now boiling(5):286-289instability in a single microchannel[ J]. International CommunicationsLiu Yibing. Research on heat dissipation technique for electronic e-in Heat and Mass Transfer, 2008. 35: 1229-1234quipment[ J]. Electronics Process Technology, 2007, 28(5): 2868徐立,李玉秀,徐進良,微通道中納米流體流動沸騰換熱性能究[冂]高?；瘜W工程學報,2011,25(8):559-5642王清偉,劉斌,董小勇,等不同熱負荷下微通道冷凝器的運行Xu Li, Liu Yuxiu, Xu Jinliang. Flow boiling heat transfer perform特性[J]低溫工程,2014(5):58Wang Qinwei, Liu Bin, Dong Xiaoyong, et al. Performance character-neering of Chinese Universities, 2011, 25(8): 559-564istics of microchannel condenser under differeent hea-t loads[J]9 Basu N, Warrier G R, Dhir V K. Onset of nucleate boiling and active14(5):5862nucleation site density during subcooled flow boiling [J]. Journal of3 Hanfei Tuo, Pega Hrnjak. Visualization and measurement of periodicHeat Transfer. 2002. 124: 717-728中中中“+““十“““““““+““““““+“+“+m““mmm“+(上接第34頁)參考文獻結(jié)束語1李山峰.行波熱聲發(fā)動機、制冷機及其耦合規(guī)律研究[D].北京:對熱聲系統(tǒng)的高溫段的漏熱進行理論和數(shù)值模中國科學院理化技術(shù)研究所,2009擬研究,分析了兩種結(jié)構(gòu)的防漏熱效果。結(jié)果表明,Li Shanfeng. Research on traveling wave thermoacousticfrigerator and its coupling law D]. Beijing: Institute of由于漏熱的存在,導致系統(tǒng)漏熱約55W,占系統(tǒng)總加hemistry, Chinese Academy of Sciences, 2009熱量的19.2%以上,且加熱的溫度越高,漏熱越大;2 Dean CE. Establishing Baseline data for an Experimental Paratus that真空防護結(jié)構(gòu)會有效的減少系統(tǒng)的漏熱,增大系統(tǒng)的Measures Heat Transfer Under Conditions of Ocillating Pressure and熱聲轉(zhuǎn)換效率;優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)2較結(jié)構(gòu)1更能有效的Flow[D]. Massachusetts Institute of Techonology. 1993減少系統(tǒng)漏熱,這些都為高溫段真空防護結(jié)構(gòu)的設計3 Bouvier P, Stouffs P, Bardon J P. Experimental study of heat transfer inoscillating flow[ J]. International Journal of Heat Mass Transfer提供了指導方向;然而本文主要進行穩(wěn)態(tài)漏熱的模擬2005,48(12):2473-2482研究,且并未考慮回熱器絲網(wǎng)的導熱,因此存在一定4溫正,石良辰,任毅如等 FLUENT流體計算應用教程[M]北誤差。在下一步的工作中,會進一步進行交變流動漏京:清華大學出版社,2009熱的研究。Wen Zheng, Shi Liangchen, Ren Yiru FLUENT fluid computing appli-cations tutorial[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2009中國煤化工CNMHG