关于热声驱动器水冷却器传热和压降的讨论

    1 引 言

    在过去20年中,热声效应一直是声学,制冷以及能源动力领域研究的热点。利用热声效应进行工作的热声机包括热声制冷机,热声热泵和热声驱动器。由于热声机结构简单,性能可靠,寿命长,而且具有相当突出的环保方面的潜能,其研究已经越来越引起了人们的兴趣。但是在实用化的道路上,效率偏低始终是一个瓶颈问题。最近,越来越多的研究集中到了一些热声机核心部件的工作机理及型式的探索上来,其中一个就是位于板叠两端的换热器。虽然换热器作为重要的单元设备,其设计方法已经相当成熟,数据资料卷帙浩繁,但由于热声机中气体工质的流动为振荡流,传热和流动过程极为特殊,无论是在理论或实验上可供借鉴的研究结果都非常少见。因此这样一类换热器的设计与优化对致力于热声研究的人们来说是一大挑战。

    从已有大量实验研究中可以看出,与水进行传热是热声机换热器中最为常见的型式。本文针对热声驱动器中的水冷器进行研究和讨论。设计制造了夹套式和壳管式两种不同型式的水冷器,在自行设计搭建的热声驱动脉管制冷实验装置上进行对比实验。在此实验中,脉管制冷机的最低无负荷制冷温度可以作为热声驱动器输出的一个非常直观的指标,从而也可以看出不同水冷器对整机性能的影响。

    图1和图2示出采用的两种水冷器的结构简图。图1是一个两端具有法兰的夹套式填料换热器。冷却水在外侧螺旋片状水夹套内流动,内部填充2B1的6目B10目黄铜丝网。图2是一个不锈钢壳管式水冷却器,花板装在壳体的两端,55根内径为3 mm不锈钢管焊接在花板上,冷却水走壳程,工质气体走管程。为了方便与两侧的部件连接,两只水冷器的迎风面积相同,纵向长度一致。

    2 实验装置及方法

    如图3所示,整个实验装置由热声驱动器与脉管制冷机两部分组成。

    热声驱动器包括5个部件:高温气库、加热器、板叠、水冷器和谐振管。高温气库为椭圆球形,以减少损失。作为整机驱动源的加热器由电热棒,加热套和散热器组成。散热器为铜制翅片结构,中心插入两根功率为300 W的电热棒,散热器外部设置了400 W的外加热套。故在额定情况下,总的加热功率为2 000 W。热声板叠采用6目和10目的黄铜丝网,以1:2的比例相间填充。其特征尺寸即工质的热渗透深度δT=(k/PfQcp)^1/2=0.5 mm。高温部分管外用硅酸铝保温材料包裹,以减少热损。水冷器的结构前面已有介绍。谐振管为一不锈钢直管,由于其比水冷器的管内径小,两者之间采用锥形管连接,以保证平滑过渡减小局部损失。各部件的结构尺寸如表1所示。