列管式换热器
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热声热机蓄热型换热器实验研究情况点击：1809 日期：[ 2014-04-26 21:54:07 ] |
| 热声热机蓄热型换热器实验研究情况 张明研，刘益才，黄谦，辛天龙 （中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙410083） 摘要：热声热机具有可靠、环保及可利用低品位能源等优点，在余热利用方面有着广阔的发展前景。分析了传统换热器应用于余热利用热声热机中的不足，提出用蜂窝陶瓷材料的蓄热型换热器。建立了简易的实验台，对蜂窝陶瓷导热性能及蓄热性能进行实验，发现当蜂窝陶瓷热端温度由409℃降至377℃，冷端可以在120 s内保持温度恒定，证明其具有良好的蓄热能力。 关键词：热声热机；余热利用；换热器；蜂窝陶瓷 中图分类号：TB651文献标识码：A文章编号：1006-7086（2008）04-0212-03 1·引言 随着国民经济的发展，能源需求矛盾日益突出，工业领域的余热和废热也大规模增加，因此如何有效地对这部分余热进行利用就成为目前需要重视和解决的关键问题，这为热驱动热声热机发展提供了契机[1]。热端换热器作为外界与回热器之间热量传输的纽带，研究表明换热器形状和尺寸是影响热声热机效率的重要因素，设计合理的换热器可以提高与回热器的热传递，从而提高整机效率[2]。工业余热与废热温度的不稳定，对余热利用热声热机的工作状况产生较大影响，因此如何设计与热源以及热声热机相匹配的热端换热器成为余热利用热声热机研究的重要课题之一。 2·蓄热型热端换热器 随着对热声热机研究的不断深入，热端换热器的设计日趋合理。目前国内外对热端换热器的研究大部分集中在实验室阶段，多采用铜或不锈钢作为热声热机换热器的材料。铜或不锈钢等材料具有良好的导热性，对热源温度变化反应灵敏。设热端换热器接近热源处温度为TH，接近回热器处温度为TC，根据传热学热扩散基本理论[3] （1） 二者之间的温差ΔT=TH－TC，当热源处温度TH提高时，由式（1）可以推导出TC提高；同理当热源处温度TH降低时，TC也会随之降低。 文献[4]中曾指出热驱动热声热机可以利用铝电解槽槽壳侧部余热，目前180~320 kA的铝电解槽侧部槽壳温度常在270~300℃左右，但温度并不恒定。可以看出，余热利用热声热机热端。若采用常规换热器，其回热器热端温度会随热源温度变化而变化，这与热声热机稳定工作所需条件即回热器两端需形成一个稳定的温度梯度相矛盾。为使余热利用热声热机正常工作，必须寻找一种新型换热器。新型换热器所采用的材料必须具备蓄热的特性，以维持回热器热端温度恒定。蜂窝陶瓷作为一种功能性多孔材料[5]可满足蓄热要求。蜂窝陶瓷具有高的比表面积和良好的物理化学稳定性，另外还具有低密度、高渗透率、良好的能量吸收性能以及耐高温、耐腐蚀、化学稳定性和尺寸稳定性高、易于再生等诸多特点。近年来，随着制备技术的发展，其应用范围不断扩大，应用水平也不断提高。文献[6]介绍了蜂窝陶瓷作为蓄热材料的应用现状。采用蜂窝陶瓷作为热端换热器可以通过其蓄热性有效减少温度波动对热声热机工作状况的影响，提高余热利用热声热机工作效率。 3·实验装置及实验步骤 图1所示为实验用测量蜂窝陶瓷，蜂窝陶瓷长度为60 mm，直径为35 mm，目数为100。实验采用简易实验台架（如图2所示），载体长为100 mm，直径为45 mm的不锈钢管。实验中模拟热声热机换热器的蜂窝陶瓷放置在不锈钢管右侧，左侧放置外置型加热器，以模拟余热利用热声热机热源。蜂窝陶瓷左右两侧用来模拟热声热机换热器与热源以及回热器高温端的连接处，4和5分别为放置在蜂窝陶瓷两侧的K分度热电偶。该实验装置仅为探讨蜂窝陶瓷温度变化规律，未安装保温装置。实验通过对蜂窝陶瓷蓄热性能测试来模拟，以此验证热声热机换热器的效果。 实验分为4个部分：前期准备工作，测量为加热前蜂窝陶瓷两端温度；第二部分为加热过程，测量蜂窝陶瓷温度变化以分析导热性能；第三部分为停止加热降温过程，测量蜂窝陶瓷两侧温度变化来分析蓄热能力；最后为数据分析部分。 4·出气特性模型 实验开始时接通电源，用加热器对装置进行加热，利用分布在蜂窝陶瓷两端的热电偶进行温度测量。加热过程中蜂窝陶瓷两侧温度变化情况如图3所示。在开始加热前蜂窝陶瓷两侧温度与室温相同为30℃；在加热初始阶段由于两端温差较小，热量自左向右传递较少，蜂窝陶瓷左侧温度TH增加速率远高于右侧温度变化速率；以下阶段中由于温度变化速率不同两端产生较大温差，右侧温度TC增加速率大幅提高；随着两端温度的增加，由于系统未安装保温设施，向外界散热量大幅增加，两端温度增加速率减缓；最后一阶段两侧形成稳定温差，要达到散热量与加热量平衡，蜂窝陶瓷左右两侧需要有一定温差，最终蜂窝陶瓷左右两端温度分别稳定在409℃和270℃，两端温差为139℃。通过对蜂窝陶瓷加热过程的温度测量发现，蜂窝陶瓷的导热性能不如黄铜等金属材料，最终达到稳定温度需要较长时间。 图4为停止加热后降温过程中蜂窝陶瓷左右两侧温度变化情况。在两侧达到最高温、稳定一段时间后停止加热，由于向外界散热，蜂窝陶瓷右侧温度TH开始快速下降。在0~120 s之间蜂窝陶瓷左侧温度TC保持在270℃，这是由于蜂窝陶瓷具有一定的蓄热能力，在停止加热后，依靠陶瓷左侧传递的热量和自身的蓄热与向外界散热达到平衡，从而使温度TC保持不变。随着停止加热时间增加，左右温差逐渐减小，传递蜂窝陶瓷左侧的热量以及自身蓄热能力低于向外散热，右侧温度开始降低，但温度降低速率远低于左侧温度变化速率。在实验过程中可以发现，在停止加热后0~120 s之间，蜂窝陶瓷左侧温度TH从409℃下降到377℃，而蜂窝陶瓷右侧温度TC一直维持在279℃不变。 通过对加热过程以及降温过程蜂窝陶瓷两侧温度变化的测量发现，蜂窝陶瓷在加热过程中由于自身导热性能较差，两侧达到平衡温度较慢；而在降温过程中蜂窝陶瓷体现了良好的蓄热能力，在一定的时间、温度波动范围内低温端在高温端温度降低的情况下可以保持温度恒定。当利用蜂窝陶瓷作为热声热机换热器时，导热性能不如金属换热器，但应用于余热利用热声热机可以保持回热器热端温度恒定，有效降低热源温度波动对热声热机工作状况影响。 5·结论 作者通过对长度为60 mm、直径为35 mm、100目的蜂窝陶瓷蓄热性进行实验研究，发现在一定的时间范围以及加热温度波动的影响下，蜂窝陶瓷低温端温度可以保持在207℃恒定不变。提出利用蜂窝陶瓷作为热声热机热端换热器来抑制热源温度波动对其工作状态的影响，为传统换热器应用于余热利用热声热机的不足提供一个有效的解决方法。 参考文献： [1]刘益才.热声热机系统声场研究[J].真空与低温，2005，11（4）：210~215. [2]MASOUD AKHAVANBAZAZ,M.H.KAMRAN SIDDIQUI,RAMA B BHAT.The impact of gas blockage on the performance of athermoacoustic refrigerator [J].Experimental Thermal and Fluid Science 32，2007：231~239. [3]杨世铭，陶文铨.传热学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1998. [4]黄谦，刘益才，张明研，等.热声热机在铝电解槽余热利用中的应用研究[C].中国工程热物理学会：工程热力学与能源利用学术会议论文集，绍兴，2007，620~624. [5]宋婧，曾令可，刘艳春，等.陶瓷蓄热体的研究现状及应用[J].中国陶瓷，2007，43（6）：18~23. [6]候来广,刘艳春，曾令可.蜂窝陶瓷的制备与应用[J].佛山陶瓷，2007，128（7）：9~12. |
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