斯特林熱聲發動機壓力特性的試驗研究

董世充，安連鎖，沈國清，徐漠北，張世平

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0 引言

熱聲發動機是一種可將熱能轉化為聲能的、具有應用前途的動力機械[1]，它通常由加熱器、水冷器、回熱器和一些空管道組成，整個系統中沒有機械運動部件。因此，它具有結構簡單、可靠性高的優點，不需要精密加工和昂貴的材料[2]。另外，熱聲發動機具有多種用途：由熱聲發動機驅動的脈管制冷機可用于工程應用，如天然氣或煤層氣液化等[3]；微型化熱聲系統可用于冷卻電子芯片[4]；熱聲發電系統還可以由工業余熱[5-6]以及太陽能熱量[7-8]所驅動。低品位熱源的利用，對提高能源的綜合效率具有重要意義。

Swift[9]的論文提及1992年建造的世界上第一臺大功率駐波熱聲發動機，以及在1999年建造的第一臺行波斯特林熱聲發動機[10]。與駐波熱聲發動機相比，由于行波熱聲發動機的氣體工質在熱聲轉換過程中歷經斯特林循環，因此效率更高。邱利民和孫大明[11]等人建立了一臺行波熱聲發動機，采用彈性膜片完全一致環路中的Gedeon直流現象，最大壓比可達1.302。Yu[12]等建立了聚能型斯特林熱聲發動機，最大壓比可達1.40。Tijani[13]設計、制造了一種高性能斯特林熱聲發動機，熱聲轉換效率達到了49%。陳茂[14]對自行研制的小型行波斯特林熱聲發動機的性能進行了初步研究。

熱聲發動機內的壓力波動特性是衡量熱聲發動機性能的重要標準，對其壓力特性的深入了解，一方面會進一步提高熱聲發動機的實用性，另一方面也會在一定程度上解決熱聲發動機與負載之間的匹配問題。因此，以自行搭建的斯特林熱聲發動機試驗臺為基礎，研究了不同工質、不同平均壓力等操作參數對斯特林熱聲發動機起振特性、壓力振蕩頻率和壓力振幅的影響，對熱聲系統中的能量轉換有重要指導意義。

1 試驗裝置

1.1 熱聲發動機主機系統

斯特林熱聲發動機試驗裝置如圖1所示。

圖1 斯特林熱聲發動機試驗裝置示意圖

斯特林熱聲發動機各部件尺寸如表1所示。

表1 斯特林熱聲發動機各部件尺寸

加熱器是由紫銅經過線切割而成的翅片式換熱器(翅片間距：1 mm)。采用電加熱棒作為加熱方式。為了減小加熱過程中的熱量損失，在加熱器外包了一層保溫棉。主水冷器和次水冷器是分別由159根和41根內徑3 mm和6 mm的不銹鋼薄壁管組成的管殼式換熱器。常溫的冷卻水通過流過該薄壁管來冷卻熱聲發動機內的氣體工質。回熱器采用堆疊在一起、形成一定高度的不銹鋼絲網作為填充材料。此外，由于環形管中的壓力振蕩會產生對熱聲發動機性能有害的Gedeon直流現象[11]，所以在主水冷器的上方安裝了硅膠彈性膜片，以抑制Gedeon直流。

1.2 溫度、壓力測量裝置

圖1同樣展示了熱聲發動機試驗裝置的測量系統。通過分別在加熱器和主水冷器放置K型熱電偶，可以獲得加熱溫度和冷卻水溫度。溫度數據通過NI-9213采集卡傳輸到計算機，并通過LabVIEW軟件進行提取和保存。

壓力測量采用北京傳感星空自控有限公司所提供的高精度平膜壓力傳感器(CGYL-206)，安裝在發動機管道上以獲得動態壓力信號。壓力信號通過采集卡(CGCY-800)傳入計算機中。該壓力傳感器可在充入氣體工質時顯示平均壓力，也可在熱聲發動機內氣體工質振蕩時獲取動態壓力波動。壓力傳感器與熱聲試驗臺的連接方式采用螺旋密封。由于該傳感器產品已存在M20×1.5的外螺紋口，因此在熱聲發動機的壓力測點處加工與之相匹配的內螺紋口，安裝時纏上生料帶即可保證傳感器的密封性。壓力傳感器安裝位置如圖1所示。P1位于彈性膜片上方，P2位于反饋管，P3和P4分別安裝在諧振管入口和中間位置。

2 試驗結果與討論

2.1 不同介質的平均壓力對起振溫度的影響

熱聲發動機起振瞬間壓力波形如圖2所示。

圖2 熱聲發動機起振瞬間壓力波形圖

圖2展示了當熱聲發動機充入1.3 MPa氦氣時起振瞬間的壓力信號。為了獲得熱聲發動機的起振特性，在試驗中首先對位于加熱器內的加熱棒進行通電，這時回熱器的熱端溫度會逐漸升高。當回熱器的熱端與冷端達到一定的溫差時，熱聲系統內部會自發形成周期性的振蕩，壓力信號會瞬間增大。這被視為熱聲發動機的起振現象，此時的溫度被記錄為起振溫度。熱聲發動機的結構參數對起振溫度有著至關重要的影響。而對于結構參數固定的熱聲發動機，工作介質和平均壓力也會顯著影響起振溫度。較低的起振溫度對于低品位熱源在熱聲發動機上的應用具有重要意義。因此，在試驗過程中加熱器溫度如超過500 ℃仍未觀察到起振現象，則停止加熱以保護加熱設備。起振溫度隨充氣壓力變化如圖3所示。

圖3 起振溫度隨充氣壓力變化圖

圖3顯示了當氦氣、氮氣和氬氣作為工作氣體時，熱聲發動機起振溫度的變化趨勢。對于氦氣，在壓力測試范圍內，隨著平均壓力逐漸增大，發動機的起振溫度呈現先增大后減小的趨勢。這表明，采用一個最佳的平均壓力即可獲得最低的起振溫度。在0.7～1 MPa的壓力范圍內，該熱聲發動機的起振溫度可以穩定地維持在較低的范圍內。然而對于氮氣和氬氣，可以觀察到一個截然不同的變化趨勢：起振溫度隨著平均壓力的增加而增加。此外，氬氣的起振溫度高于氮氣的起振溫度。對于該熱聲發動機而言，當使用氮氣和氬氣作為工作介質時，可工作的平均壓力范圍僅能低于1.2 MPa和0.8 MPa。因此，在選擇工作氣體時，氦氣的可工作壓力范圍要有明顯優勢。

2.2 熱聲振蕩頻率特性

頻率是熱聲發動機壓力特性的一個重要特征。工質種類會對頻率產生很大影響。試驗結果表明，當以氦氣、氮氣和氬氣分別作為工質時，熱聲發動機系統的壓力振蕩頻率分別為63 Hz、22 Hz和20 Hz。熱聲發動機壓力頻譜如圖4所示。

圖4 熱聲發動機壓力頻譜圖

除了氣體工質的種類會對頻率產生影響外，其他操作參數也會影響熱聲發動機的振蕩頻率，如平均壓力、加熱溫度等。頻率隨平均壓力變化如圖5所示。

圖5 頻率隨平均壓力變化圖

圖5展示了熱聲發動機的工作頻率與平均壓力的關系。隨著平均壓力的升高，氦氣的工作頻率的增加值不到2 Hz，同時氮氣和氦氣沒有明顯的增加。結果表明熱聲發動機的平均壓力對其工作頻率的影響較小。熱聲發動機的振蕩頻率可以通過配比不同體積分數的氦氣、氮氣和氬氣等混合氣體來調節。頻率隨加熱溫度變化如圖6所示。

圖6 頻率隨加熱溫度變化圖

圖6展示了諧振管入口的壓力監測點P3的氣體振蕩頻率與加熱溫度之間的關系。沒有觀察到明顯的增大趨勢，增加值不到0.2 Hz。熱聲發動機頻率特性的穩定，便于與脈管制冷機、發電機等聲學負載進行匹配。

2.3 平均壓力對振幅和壓比的影響

壓力振幅和壓比(壓力波中最大壓力與最小壓力的比值)是反映熱聲發動機性能和能量轉換強度的重要參數。P1位置壓力振幅隨平均壓力變化如圖7所示。

圖7 P1位置壓力振幅隨平均壓力變化圖

圖7展示了當熱聲發動機的加熱溫度在500 ℃時，主水冷器上方P1壓力監測點的壓力振幅。從結果可知，對于這三種工作氣體，壓力振幅隨著平均壓力的增加而增大。在相同的平均壓力條件下，采用氮氣和氬氣作為工作氣體，熱聲發動機可獲得更高的壓力振幅。這是由于當熱聲發動機在充入氮氣和氬氣時，其工作頻率要低的多。因此可知，降低熱聲發動機的工作頻率有助于提高壓力振幅。

P1位置壓比隨平均壓力變化如圖8所示。

圖8顯示了當采用三種氣體工質時，P1位置的壓比隨著平均壓力的變化趨勢。對于氦氣，壓比相對于平均壓力具有兩個變化分支。這表明存在一個最佳的平均壓力可獲得最高的壓比。當平均壓力在0.8～1.2 MPa時，可以獲得相對較高的壓比。氮氣和氬氣有相同的趨勢：高壓比只能在低平均壓力范圍內達到，并且壓比隨平均壓力的升高呈現下降的趨勢。在一定的工作條件下，壓力振幅的增加與平均壓力的增加的比值最終決定了壓比的變化趨勢。壓比隨加熱溫度變化如圖9所示。

圖8 P1位置壓比隨平均壓力變化圖

圖9 壓比隨加熱溫度變化圖

圖9展示了熱聲發動機的不同壓力監測位置處在幾種不同的平均工作壓力下壓比的試驗結果。從圖9可見，在恒定的平均壓力下，無論采用哪種工作氣體，壓比都會隨著加熱溫度的升高而增加。這是由于回熱器的熱端溫度始終在增加而冷端的溫度始終與環境溫度接近，導致回熱器的軸向溫度梯度增大，熱聲轉換的驅動力增強，最終熱聲發動機的壓力振幅增大。此外，熱聲發動機不同位置的壓比也有所不同：不管采用哪種氣體工質，最大的壓力波動出現在主水冷器上方，壓力波的波環接近P1，壓力波的波腹在接近P1位置處。相比之下，諧振管的P4壓力監測點始終獲得最小的壓力波動。

3 結束語

熱聲發動機內的壓力波動特性是衡量熱聲發動機性能的重要標準。采用試驗方式，研究了不同工質、不同平均壓力等操作參數對斯特林熱聲發動機的壓力特性的影響。試驗結果表明：當熱聲發動機以氦氣為工質時，存在一個最佳的平均壓力，可使發動機在最低的溫度下起振，并且可工作的平均壓力范圍更大。與氮氣和氬氣相比，氦氣的工作頻率更高，但是在相同的平均壓力下壓力振幅更小。隨著平均壓力的增大，氮氣和氬氣的壓比隨之減小，而氦氣卻存在最大值。