陳麗新，劉益才，陳思明，顏 鵬，李照龍，張 駿

（1.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083；2.長江勘測規(guī)劃設計研究院，湖北 武漢 430003）

1 引言

熱聲熱機是一種基于熱聲效應而發(fā)展的新型熱機，具有無運動部件、無污染、長壽命、可利用低品位廢熱等諸多優(yōu)點。雖然熱聲熱機已經實現有限應用，但熱聲熱機受效率低、成本高等因素困擾，至今仍然無法與傳統(tǒng)熱機媲美[1～3]?；責崞髯鳛闊崧暉釞C的核心部件，熱聲轉換就發(fā)生在回熱器中，回熱器的材料和結構直接影響整機性能?；責崞髦械闹饕獡p失并非是溫差情況下的傳熱損失，而是頻率或填料結構不合理造成的損失，所以通過頻率匹配可以提高回熱器的效率[4]。實際上，由于各種非線性因素如熱粘性、有限的回熱器結構頻率很難與系統(tǒng)固有頻率相匹配[5]等，所以在回熱器理論、結構和材料研究方面，提高回熱器內部熱流與聲功的轉化效率成為急需解決的關鍵問題。

2 回熱器結構的發(fā)展

無論是行波型或駐波型的熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機，回熱器無疑都是熱聲熱機的核心部件，熱聲轉換是通過氣體與填充物質的可逆熱交換而實現。當回熱器軸向存在一定的溫度梯度，由于回熱器的自組織作用，使得寬頻帶噪聲振蕩的流體工質中遠離系統(tǒng)本征頻率的振蕩分量被過濾，而在系統(tǒng)本征頻率附近的振蕩分量得到維持，形成了能量在系統(tǒng)本征頻率附近的集中；與此同時，由于振蕩流體與固體界面的熱接觸和粘性接觸使聲波也發(fā)生衰減，熱驅動熱聲系統(tǒng)自己振蕩形成演化的過程正是這種聲振蕩的不斷形成和衰減的動態(tài)變化的綜合結果。因此，熱聲系統(tǒng)的動態(tài)演化是在流體與固體的熱接觸、粘性接觸以及流體振動的共同作用下實現的。文獻[6]對這一自激演化現象作了詳盡的實驗和理論分析。

從最常見的金屬絲網回熱器、平板型回熱器開始，研究人員就進行了大量的理論研究和實驗，不斷優(yōu)化傳統(tǒng)回熱器的結構。另外，科研工作者對一些新型的回熱器展開研究，如華中科技大學的余文峰等[7]對吸附劑型回熱器進行了研究；華中科技大學的涂虬等[8]對針束型回熱器進行優(yōu)化并與電聲制冷機匹配。這些研究為回熱器多樣化研究開拓了新的思路，具有很大的指導意義。熱聲回熱器具有熱力學-動力學部件的特點，由于回熱器是由各種不同結構的填料填充而成，使得回熱器的流道幾何特征很復雜，無法用一個直觀的幾何特征去描述?；責崞髦刑畛湮镔|的幾何結構和熱物性對系統(tǒng)的性能有很大的影響，理想回熱器應具有以下特性[9]：

（1）回熱器中速度與壓力的相位必須是（或接近）行波相位關系；

（2）回熱器必須有足夠大的當地聲阻抗以有效抑制聲損失：

（3）回熱器中必須有足夠大的氣固換熱面積和高的氣固熱交換系數，同時具有低軸向熱傳導率和高的固體熱容；

（4）較小的回熱器壓降損失。

3 回熱器的理論和實驗研究進展

3.1 回熱器的理論研究

當前對回熱器理論方面的研究還處于不斷探索階段，許多理論不夠完善，有待科研工作者進一步研究。

3.1.1 熱聲定常流理論

該理論模型是以靜態(tài)為前提，在忽略了壓力波動的條件下提出來的，是用靜平衡的思想來解釋回熱器的特性[10]。主要代表有 Coppage，Kays，London，Walker，Vasishta，Miyabe。該理論認為流體工質在回熱器中的流動特性對流體工質與固體工質間的熱量交換是互不相關的，只是從工作的流體介質與貯熱材料的能量交換功能方面看問題。當熱流體流經回熱器時，流體對其填料放熱，填料吸收熱量并貯存起來；當冷流體從相反方向流經回熱器時，貯存在填料中的熱量釋放出來被流體吸收。這樣回熱器和流體中的能量在2種介質間實現能量的“吞”、“吐”，并以換熱效率作為評價回熱器的性能指標。顯然，這種觀點的實質就是把回熱器等同與換熱器，回熱器填料的作用只是為了增大換熱面積和增強換熱效果，這和一般的換熱器沒有任何實質的區(qū)別。

3.1.2 熱聲交變流動理論

流體在回熱器中是交變流動的，壓力波和速度波同時存在，互相影響。在實驗中觀察到回熱器的波動特性：同一截面上的壓力波和質量流是非正弦的周期性變化，之間有明顯的相位差；不同截面上的壓力波、質量流的幅值和相位各不相同，相位差隨截面軸向位置的變化而變化。在理論上提出填料的分布毛細管模型，給出了壓力、流速的分布解析式，不僅可以反映它們軸向距離的分布，還反映出了這種波動的頻率特性，較接近回熱器的實際流動特性。近年來中科院理化所以羅二倉教授[11]為學科帶頭人的課題組對交變流動理論做了深入的研究。他們在介觀尺度上采用拉格朗日法分析了回熱器內部典型的熱力過程和熱聲功能，并指出：每一段微小的回熱器都具有獨立的發(fā)動機或者制冷機功能。羅二倉等還進一步研究了運動過程中穿過回熱器和換熱器交界面的微團的熱量搬運過程，導出了每個微團在換熱器內的比換熱量的表達式，并得出回熱器冷熱端微團位移之比等于冷熱端溫度之比。

3.1.3 線性熱聲理論

瑞利（Ryaelihg）最早對熱聲現象進行定性的理論分析，Ceperley是最早把熱聲效應的概念引入到回熱器中，但這些都難以對回熱器及發(fā)動機系統(tǒng)的應用起到指導作用?；責崞鞯臒崧暲碚撊〉猛黄七M展是從Zurich聯邦技術研究所的N．Rott開始的。1969～1980年，Zurich聯邦技術研究所的N．Rott首先對熱聲效應進行了定量的理論分析。Rott教授以現行的納維-斯托克斯方程（N．S方程）、連續(xù)性方程、能量方程為基礎[12]，結合回熱器邊壁上的邊界條件，首次建立了理想氣體的駐波聲場，從理論上描述了熱聲效應中存在熱和功的轉換關系，并發(fā)展成定量的線性熱聲模型，給出了熱聲效應的完全數值解。著名的Rott波動方程是

N．Rott的線性熱聲模型為熱聲的理論發(fā)展邁出了關鍵性的一步，他導出的理論框架是分析熱聲機械（包括熱聲壓縮機和熱聲制冷機）的理論基礎，是目前熱聲研究中公認的最有效、也是應用最廣泛的理論。Rott熱聲理論極大地推動了理論熱聲學和實驗熱聲學的發(fā)展，是熱聲理論發(fā)展的里程碑。他的理論得到了Yazaki等的實驗驗證。

3.1.4 熱聲結構聲理論

研究表明，回熱器的聲學特性與頻率存在一定關系，在某一頻率下，其聲學特性表現最佳，并且根據對回熱器各參數（如：填充材料的物性、結構、布置方式以及臨界溫度梯度、壓比等）對熱聲系統(tǒng)性能影響的研究發(fā)現，這些參數間都存在一個最優(yōu)的配合。實際上就是回熱器存在一個最優(yōu)的結構。因此有必要考慮回熱器結構本身所固有的聲學特性。研究證明回熱器本身與頻率存在匹配問題，而回熱器特征頻率是與系統(tǒng)振蕩頻率直接相關的，回熱器的特征頻率是一個綜合匹配的參數，要使熱聲系統(tǒng)的性能最優(yōu)，必須使熱聲系統(tǒng)工作時達到諧振。

中南大學的劉益才等[5]，通過實驗及理論研究得出：平均壓力對系統(tǒng)阻抗影響比較大，在一定范圍內較高壓力下的回熱器阻抗較低，系統(tǒng)阻力也就較低，比較容易起振。回熱器的總阻抗主要取決于阻抗的實部。壓力對回熱器總阻抗有較大的影響?；責崞鞯奶卣黝l率是回熱器與其他部件在與系統(tǒng)達到匹配的情況下，使系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)的頻率。通過具體實例對推導出的方程針對板疊回熱器運用Matlab程序進行了量化計算，可得到方程的結果，進而可得到實例中回熱器的特征頻率的存在。武漢工程大學的伍堃等[12]，研究了熱聲器件填料物性與熱聲器件諧振頻率之間的關系。實驗研究結果表明：在聲壓一定的情況下，熱聲器件諧振頻率分別隨著其填料橫截面積As，定壓比熱容Cs和氣體平均密度ρ的增大而增大；而且隨著聲壓的增大，諧振頻率分別相對As、Cs、ρ的增大而增大的更快。海軍工程大學研究生院的闞緒獻等[13，14]對平板型回熱器熱聲制冷機制冷量最大時對應的最優(yōu)頻率進行優(yōu)化。研究表明，最優(yōu)頻率隨著平板間距的增大而減小，隨著板疊溫度梯度的增大而增大，隨著壓力振蕩與速度振蕩之間的相位差的增大而增大，而與平板的厚度沒有關系，所得結論對于熱聲制冷機優(yōu)化設計有一定的理論指導意義。

對回熱器特征頻率與系統(tǒng)頻率匹配的研究是回熱器研究的新思路，這方面的研究還不充分，但這方面研究對整個系統(tǒng)的影響很重要，今后需要科研工作者做出一定努力。

此外還有美國LosAlamos實驗室熱聲研究小組的G W．Swift基于N．Rott線性模型提出的短板疊邊界層近似理論；中科院理化所的肖家華在N．Rott的線性熱聲模型基礎上提出的聲場熱聲學理論；華中科技大學的郭方中等[15～17]討論了熱聲轉換的本質，提出熱聲網絡模型理論等，這些都為熱聲理論提供了新的研究方式。

3.2 回熱器的實驗研究進展

目前常用回熱器有金屬絲網回熱器、平板型回熱器、蜂窩陶瓷回熱器、多孔纖維型回熱器、針束型回熱器以及吸附劑型回熱器等。

3.2.1 金屬絲回熱器

金屬絲網回熱器是由絲網片堆積而成，一般用模具沖壓或線切割直接成形，填裝方便，加工工藝成熟。金屬絲網橫向導熱效果較好，但由于加工和填裝過程的隨機性，金屬絲網金屬絲相互交錯，致使金屬絲網回熱器流動阻力大，在微型熱聲熱機中影響更大。因此，在低頻系統(tǒng)中通常采用絲網堆積的板疊，但在高頻系統(tǒng)中由于雜亂堆積的絲網會導致阻力較大，所以一般不考慮用金屬絲網回熱器。回熱器的換熱性能受絲網物性、回熱器中的流阻、換熱表面積和表面換熱系數等因素的影響較大，而上述各因素均與絲網的目數、絲徑和材料緊密相關。浙江大學的邱利民等[8]通過實驗研究得出：絲網板疊最佳填充率為1.15片/mm，該值是強化熱聲效應和減少沿板疊的軸向導熱與流阻損失之間的一個折中值。西安交通大學的高凡等[18～20]通過采用不同目數和絲徑，不同物性材料的金屬絲網回熱器為對象，通過可用比熱容、軸向導熱率、回熱效率和綜合性能參數等多個參數對回熱器的換熱性能進行優(yōu)化，得到如下結論：回熱器填料的比熱容和密度越大，可用比熱容越大，則制冷量越大；可用比熱容相同時，熱滲透深度大的制冷量反而??；可用比熱容也隨著徑向導熱率的增加而增大，但制冷量卻隨之減小。因此，回熱器填料應該選擇比熱容和密度較大、導熱率相對低的填充材料或通過改變絲網填充方式（如絲網片間采取隔熱措施）來降低回熱器軸徑向導熱比，可減小軸向漏熱量，并且冷端采用導熱率較低的不銹鋼絲網的多段式回熱器，其回熱效率和綜合性能參數均可提高，從而獲得更佳的換熱效率。

3.2.2 平板型回熱器

平板型回熱器可由金屬直接線切割形成，也可以利用金屬薄板與金屬絲手工電焊而成，是常用的一種形式。平板型回熱器橫向導熱效果不如金屬絲網回熱器，但其氣體通道規(guī)則，流動阻力較小。對于高頻熱聲熱機，平板型回熱器存在加工難度大的問題。在熱聲制冷機中，為便于制作和安裝，通常把平板板疊繞制成螺旋卷筒形。為了提高熱聲轉換效率，國內外學者對板疊回熱器形狀結構、填充率以及材料進行了研究。So等指出回熱器所固有的非線性致工質氣體處于不穩(wěn)定的流動狀態(tài)；劉益才等[21]對板疊回熱器填料對振蕩頻率的影響進行了研究；羅二倉等[11，22]從熱力學角度分析交流回熱器熱聲功能和回熱功能并進行實驗研究。此外，Biwa等利用能量守恒分析回熱器內部功流分布情況。研究結果表明：回熱器產生單一振動頻率的平面波與相應諧振管匹配，可以發(fā)揮諧振放大作用，提高熱聲熱機效率。通過理論分析及多次實驗得到：熱聲熱機熱聲轉換效率，對于高頻熱聲熱機，回熱器板疊橫向長度不得超過特征值。對于50 kHz熱聲熱機，板疊橫向長度不得超過3.43 mm。板疊回熱器中存在的所有高次波中，（0，1）次波衰減最慢。根據高次波衰減原理，得到頻率為20、30和40 kHz的聲源，其橫向長度為3.43 mm板疊回熱器的最佳縱向長度分別為5.9、6.0和6.4 mm。

3.2.3 蜂窩陶瓷回熱器

蜂窩陶瓷回熱器是直接利用整塊蜂窩陶瓷作為回熱器，不需要加工，可以直接根據需求在廠家定做。蜂窩陶瓷的優(yōu)點很明顯，成熟的定形技術保證氣體通道光滑，流動阻力較小，但是陶瓷材料的熱導性決定蜂窩陶瓷回熱器的橫向換熱能力較差。選用蜂窩狀陶瓷材料作為回熱器，孔徑對系統(tǒng)的性能影響也很大?？讖教?，氣體黏性耗散較大，孔徑太大，氣體和板疊間換熱不充分，都會影響熱聲的轉換效果。目前對蜂窩陶瓷回熱器孔徑的選擇還沒形成定論，基本由經驗確定。華南理工大學的王紅麗等[23]做了蜂窩陶瓷回熱器孔徑對系統(tǒng)性能的影響的實驗和理論研究，得出：在一定條件下，隨著蜂窩孔徑的增大，起振溫度也不斷增大，而且回熱器的結構尺寸對系統(tǒng)的起振溫度有較大影響。在同樣孔徑下，混合波型行波熱聲發(fā)動機的起振溫度要比純環(huán)路行波熱聲發(fā)動機的小得多，因此，為了使系統(tǒng)有較低的起振溫度，一定要選擇適當結構尺寸的回熱器。而且蜂窩陶瓷具有蓄熱和吸聲能力，這一特性對于熱聲系統(tǒng)性能的影響還需要更加深入的研究。

3.2.4 其他回熱器

多孔纖維型回熱器是用玻璃纖維、棉纖維、氣凝膠、網狀玻璃碳纖維等截面積隨軸線變化的隨機多孔材料制成。在這種多孔結構中，頻率低的時候，細管中的流動為泊肅葉（Poiseuille）流，而隨著頻率的增高，必須考察除了粘滯以外由慣性帶來的影響，且會隨頻率而增大。過去的制冷機是用壓縮泵、曲軸等驅動，一般工作頻率較低。但是隨著熱聲熱機的出現，工作的頻率已由幾百赫到數千赫。在駐波管式的熱聲熱機中，頻率低，駐波管長，安裝調試等都不方便[24]。

吸附劑型回熱器填充物為吸附劑，其最突出特點是：比表面積大，具有吸附能力，當回熱器低溫區(qū)局部壓力升高時，吸附劑會吸附氣體工質，固體吸附劑顆粒吸收吸附熱；當局部壓力降低時，氣相工質自吸附劑內解吸出來，高溫區(qū)吸附劑顆粒釋放熱量，提供解吸熱，這種效應會減少床層內溫度波動；吸附劑導熱性比金屬網格或金屬片差，這會減少由回熱器兩端溫度差所導致的導熱量；由于吸附劑為帶電晶體的聚合體，吸附劑顆粒外表面具有極性，利用這一性質，通過種種外界作用力如電磁等可強化橫向質量傳遞，進一步加強回熱器的性能。在吸附劑型回熱器方面，華中理工大學的余文峰等做了一些研究，詳見文獻[7]。

針束型回熱器，其加工工藝復雜，因此很少用到。但華中科技大學的涂虬等[25]利用電聲制冷機優(yōu)化設計，提出對針束型回熱器結構進行改進，采用片狀的鋼針代替圓形鋼針，加工相對簡單可行，可以方便地制作。這種方法為熱聲制冷機的優(yōu)化設計和應用提供了很好的思路。

4 結束語

回熱器作為發(fā)生熱聲轉換的關鍵部件，研究者尚需進行大量的理論和實驗工作。根據回熱器發(fā)展現狀，需在以下3個方面開展深入研究：

（1）目前，大多數熱聲熱機分析軟件對不同回熱器填料以及填料形狀結構影響分析不足。隨著對熱聲理論研究的逐步深入，需開發(fā)更加完善的熱聲熱機數值分析軟件。對不同填料回熱器熱聲功能進行深入研究，建立更加完善的分析模型，對熱聲熱機設計有重要指導意義。

（2）在原有的回熱器結合實驗的基礎上，進行更加深入的熱力學及聲學理論研究。流體在回熱器中交變流動會引起填料振動，回熱器填料表面的振動將推動周圍流體運動，輻射聲波。這些結構聲波如果和回熱器產生聲波耦合，可以大幅度提高熱聲熱機工作效率。此外對原有回熱器的填料填充率、尺寸等關鍵結構進行優(yōu)化，可以進一步提高熱聲轉換效率。

（3）在原有回熱器基礎上研發(fā)新結構的回熱器。選用不同填料的回熱器進行進一步理論實驗研究，尋求新型回熱器填料，或開發(fā)回熱器新的結構形式，實現回熱器轉換效率的提高。

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