針束型回熱器

針束型回熱器是熱聲熱機關鍵部位回熱器的一種，因其製造工藝複雜，實際套用較少。

基本介紹

• 中文名：針束型回熱器
• 外文名：Needle beam regenerator
• 所屬學科：熱力學
• 所屬領域：熱聲熱機
• 器件優點：換熱效率高、工質損耗少
• 器件缺點：工藝複雜

背景簡介

熱聲制冷機是基於熱聲效應機理研製的一種新型制冷機，因其結構簡單、無運動部件、使用壽命長、無污染、可靠性高，而受到廣泛的關注。回熱器是熱聲熱機的關鍵部件，實際熱聲裝置中使用了多種結構形式的回熱器包括平行板結構、圓孔結構和鋼絲型結構等。Swift等引入了一種被稱為針束結構的新型回熱器：針束型結構，在回熱器軸向位置平行布置多根細針，單根針半徑為r_d，每根針處於一個正六邊形流道中心。理論與實驗均已證明針束型回熱器結構優於其它規則幾何結構的回熱器。

針束型回熱器截面圖

填料優勢

回熱器的好壞直接影響熱機性能，回熱器的設計是熱機系統設計中最重要的環節。目前回熱器採用的填料主要是平行板疊(parallelplate)、圓孔(circle)、絲網(mesh)等。Swift提出針束型回熱器(pin-array),並採用Deltae軟體計算表明:對用做液化天然氣驅動源的熱聲原動機、熱驅動的制冷機、電聲制冷機,採用針束型回熱器的熱功效率比平行板疊的分別提高15%,9%,2%。實驗也表明這種回熱器性能優於其它類型的回熱器。

參數確定

回熱器鋼針尺寸的確定

定義M₁=Im(1-f_k),M₂=Im(1-f_v)/|1-f_v|²,分別為冷量因子,耗散功因子。對熱聲制冷機,冷量因子M₁最大,回熱器性能最優。但僅按冷量因子最大為最佳化指標最佳化出的針間距過小,會造成粘性阻力過大而損耗能量,因此還要求耗散功因子M₂最小。

針束性回熱器鋼針針徑的確定

針束型回熱器熱聲原理圖

為加工製作方便,採用矩形鋼針,假定其斷面尺寸a×b。鋼針長度比斷面尺寸a×b大得多時,可以把矩形鋼針近似地看作為當量半徑為r_d=ab/π的圓型鋼針,針束型回熱器熱聲原理圖如圖所示。考慮到鋼針的強度和剛度,選取r_d/δ_v=5,在頻率取400Hz時,按粘性滲透定義式計算得δ_v=0.038mm,那么鋼針當量半逕取0.2mm。鋼針斷面取0.4mm厚,0.25mm寬。

鋼針針間距的確定

對熱聲制冷機,冷量因子M₁最大,回熱器性能達到最優。但僅按冷量因子最大為最佳化指標最佳化出的針間距過小,會造成粘性阻力過大而損耗能量,因此還要求耗散功因子M₂最小。可以取兩者的比值M=M₁/M₂最大,作為最佳化指標。計算結果如圖所示。從圖可以看出M=M₁/M₂因子曲線過於平坦,不便確定極值點,取冷量因子M₁和耗散功因子M₂的交點,保證滿足冷量因子最大,同時耗散功因子最小。針逕取0.2mm,按r_d/δ_v=5時最佳化出來的針間距如圖所示。那么針間距取r₀/r_d=2.5,鋼針邊緣間距為0.6mm。

針束型回熱器針間距的確定