热声热机及其应用阳春
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热声热机及其应用
热声热机及其应用 2011年12月09日 来源： 分类号：TB66 文献标识码：A文章编号：1001－2060（2000）02－0100-04Thermoacoustic Engines and Their ApplicationsDong Kaijun Luo Yunwen（Huazhong University of Science & Technology）Abstract：Due to their outstanding merits thermoacoustic engines have received a widespread attention from the general public. Described in this paper are the basic structure of the engine as well as the mechanism and conditions of a thermoacoustic conversion. In addition, a brief account is given of the present status of the thermoacoustic engine applications, its future development trends and further measures to be taken for its improvement.Key words：thermoacoustic engine, standing wave, resonance tube, refrigeration▲1 引言 热声热机包括热声发动机和热声制冷机，热声发动机是将热能转化为声能并储存于声场中，热声制冷机是利用声能泵热实现制冷。和传统的热机相比热声热机具有很多优点：(1)它减少了可动部件，结构非常简单。将热声发动机与热声致冷机组合可能制成热驱动的制冷机。它完全没有可动部件，具有高度的可靠性，特别适合于空间用低温电子学器件冷却的长寿命制冷器。(2)传统制冷机是以氟里昂作为工作介质，由于氟里昂对大气臭氧层的破坏，温室效应日益明显，人类赖以生存的环境遭到破坏，在世界范围内氟里昂开始被禁用。因此迫切要求寻找新的制冷技术。热声热机是一种新的、无污染低噪声的制冷技术，符合环保的要求。(3)热声热机可直接利用低品质的热能(如太阳能、地热等)。正是由于热声热机的诸多优点，90年代初，随着热声理论的渐渐成熟。热声热机的应用开发和研究进入了高潮。 2 热声热机的结构 热声热机按照其工作声场可分为两类：一类是驻波热机，一类是行波热机。其结构如图1所示。驻波热机声场的入射波和反射波叠加而形成驻波，其压力相位和速度相位相差为90°，如图1-c所示。行波热机内的声场是行波，声波的压力相位和速度相位同相，如图1-d所示。我们以驻波热机为例说明热声热机的结构。图1 热声热机及其压力和速度分布示意图 一个完整的热声热机应由两部分组成：一部分是热声转换装置，一部分是能量的输入和输出装置，即换能器。如图1所示，热声热机转换装置包含三个部分：一个高温热源Th，一个低温热源Tc和一个静止的回热器。三个部分被置于一个驻波管中构成所谓的热声谐振管。驻波管的作用是维持一个平面的驻波声场。高温热源和低温热源在加热器两端并有良好的热接触。这样回热器两端形成一个稳定的温度梯度。在温度梯度超过临界值时热声谐振管将产生自激振荡，回热器就可以将热能转化为声能。这时回热器就相当于一个声发生器。热端换热器从高温热源获得的热功率为Qh，冷端换热器向低温热源排出的热功率为Qc，由热力学第一定律，此热声热机的功率为W=Qh-Qc。根据热力学第二定律，其热效率为W／Qh。 热端换热器和冷端换热器结构一般采用平行板叠结构。如图1所示，一方面要求它对回热器能均匀地导热；另一方面要求其阻力尽量小。其材料一般选择导热较好的紫铜。回热器填料的尺寸尤其重要，要使其间距尽量小以保证气体与固体填料之间的良好换热，同时又不能太小以增加粘性阻力对声功的耗损。一般选尺寸为4 δk(δk为热渗透深度)较好。回热器的固相填料应选择体积热容较大的固体材料。 热机谐振管应充有传递声波的流体介质，适合于产生热声效应的工作介质应满足一定的要求：(1)流体是可压缩的。声速大的流体，在相同的体积和压力变化下，单位体积内的声能密度也大。(2)有较大的热膨胀系数。(3)对要求在较大温差下产生较小能流密度的热声效应场合，流体的体积比热要小；对要求在较小温差下产生较大能流密度的热声效应场合流体比热要大。(4)流体具有低Prandtl数。对气体介质而言，为了提高单位体积的声能密度，通常增大谐振管中充气压力。 热声热机的另一重要组成部分换能器是能量输入装置(对于制冷机)或输出装置(对于发动机)［1］。由于声功是一种应用不太方便的功，要求输入和输出对内部声场的稳定性影响较小，因此换能器的特性和声场特性应当匹配。3 热声热机的基本原理 热声热机的物理基础是热声效应。热声理论的最初发展也是来源于对工程实际中热声效应的理论解释。本世纪70年代由Rott及Merki和Thomann等人为热声效应奠定了理论基础［2～4］。3.1 热致声原理 前面已经提到，热声热机按照其声场的类型可以分为驻波热机和行波热机。实际中应用较多的是驻波热机，因为驻波在相同