行波型热声热机回热器中工质热力学特性模拟及分析

　　1 前言

　　随着我国经济发展，化石能源的消耗也急剧增加，但是化石燃料属于不可再生能源，根据已经探明的储量，我国的煤炭资源可用114年，天然气可用49年，石油可用20年^[1]。有限的化石能源已成为制约社会发展的重大因素。大量化石燃料的使用，也产生了诸如酸雨、气候变暖、生态恶化等一系列的环境问题。能源的潜在危机和生态环境的恶化使世界各国积极开发包括太阳能在内的新能源及可再生能源。我国也不能例外，大力发展新能源和可再生能源将是满足持续增长的能源需求的主要解决办法。热声热机可以利用太阳能等可再生能源或废热作为热源，其使用的工质一般为氦气等稀有气体，可以同时解决能源与环境问题，因此热声热机的研究越来越受人关注了。

　　热声热机具有三个突出的优点:

　　(1)系统完全无运动部件，从根本上消除了常规机械制冷机存在的磨损与振动;

　　(2)采用热能驱动，可用废热、太阳能和燃气等作为热源。为了实现热功转化这一功能我们用低品位的热能不仅有利于提高系统热力学效率，而且对于那些缺乏电能的场合具有实际意义;

　　(3)采用惰性气体作为工质，完全符合目前制冷技术中禁用CFCs和HCFCs的要求，有利于保护环境。

　　热声热机按声波在系统中的特性不同，可分为驻波型热声热机和行波型热声热机。目前研究比较多的是驻波型热声热机，驻波型热声热机中的压力波和速度波之间不同相，使得板叠中的气体经历着加热与压缩、冷却与膨胀同时发生的热力过程，这种循环根本无法实现热功转化，其经历的是不可逆热力循环^[2]。必须使用间距较大的板叠，使一部分加热发生在压缩过程之后，一部分冷却发生在膨胀过程之后，但这种方法具有较大的不可逆性，使整个装置的热力效率降低。而行波型热声热机^[3]不需要热滞后就能获得合适的相位，通过回热器的高效传热达到比驻波型热声热机更高的效率，而且这一过程在理论上是可逆的，因此得到研究者的广泛关注。正是在这样的背景下，本文通过数值计算软件Fluent来模拟在行波型热声热机回热器中工质的热力学特性。

　　2 回热器模型的建立

　　2.1 回热器几何模型

　　本文研究的是行波型热声热机回热器中工质的热力学特性，所以选取了行波型热声发动机作为研究的系统，如图2.1 所示。从图2.1可以看到，行波型热声热机系统由一个包含换热器和回热器等声学部件的环路结构和谐振管组成。换热器由紫铜块经线切割成片流道结构而成，冷端和次冷端换热器采用水冷换热，高温端换热器采用加热棒加热;回热内填充不锈钢丝网。