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热声效应与热声制冷 张肇剡冯仰浦陈光明 浙江大学制冷与低温研究所 杭州玉泉玉古路 3 1 0 0 2 7 摘要热声效应是指声波中的压力波动和温度波动的相互作用 在一些特定结 构中引起的温度波动和压力波动的相互转化 表文从热力学角度简要介绍了热声制 冷的基本原理和研究方向 图5 关键调 热声效应热声制冷基本原理 近几十年来低温制冷机得到了很大的发 展 主要应用领域从国防 军事等向民用方向 渗透 低温制冷机越来越广泛的应用以及高 可靠性 小振动的要求 对其自身提出了严峻 的考验 目前广泛应用的斯特林制冷机和 g m 制冷机由于系统内存在着压缩机和排 出器等运动部件 使得其可靠性大受影响 热声制冷正好迎合了这一发展趋势 热 声制冷通过声波作用产生泵热作用 其制冷 循环中各个过程不是通过机械部件 而是通 过工作流体和平板之间的中等热接触来实现 切换 因此制冷机中就不需要运动部件了 提 高热声制冷机的工作频率还可以使制冷机小 型轻量化 同时它也是替代氟里昂制冷的思 路之一 一 热声效应的发展历史 我们知道 声波在空气中传播时会产生 压力及位移的波动 其实 声波的传播也会引 起温度的波动 当声波所引起的压力 位移及 温度的波动与一固体边界相作用时 就会发 生明显的声波能量与热能的转换 这就是热 声效应 利用热声效应来制冷的方法郎为热 声制冷 人们在很早以前就发现丁热声效应 1 7 7 7 年 h i g g i n s 在实验中发现 当把氢焰 放到一根两端开口大管子的适当位嚣时会在 管子中激起声波振动 由此演化而来的r i j k e 7 0 管 现在已经在大学课堂上广泛用作演示热 声效应的装置r 另一种较早的热声装置 s o n d h a u s s 管 3 也是在1 9 世纪就提出来了 它与r i j k e 管的不同之处 在于它是在一根 只有一端开口的管中利用热声效应来发出声 音 将热声效应用于制冷是近几十年才发展 起来的课题 8 0 年代初 g i f f o r d 和 l o n g s w o r t h 提出了表面泵热效应 接着 s w i f t 和w h e a t l e y 首先在l o sa l a m o s 国家 实验室开展了对热声制冷机的研制工作 二 热声制冷的基本原理 我们主要从热力学角度对热声效应进行 分析 r a y l e i g h 曾对热声效应的基本机理作 了如下的精彩评述 几乎在所有情况下 当对物体加热时总 会引起膨胀 并用于做功 只要参于过程的诸 力之间具有合适的相角 就可以维持一种振 荡 对进行声振动的介质 若在其最稠密 的时候向其提供热量 而在其最稀疏时从其 中吸取能量 声振动就会得到加强 热能转变 为声能 如图1 所示 反之 若在其最稠密的 时候从其中吸取能量 而在其最稀疏时向其 提供能量 声振动就会得到衰减 声能转变为 热能 如图2 所示 圉l 热声圉2 声热 为了更好地了解热声制冷的原理 我们 来看一种简单的热声制冷机 图3 该热声 制冷机由共振管 热端换热器 冷端换热器 板叠及声波发生器 输入功 组成 板叠由一 叠间隔很小的平板组成 我们从板叠取出一 气体微团 定性分析其运动和换热过程 如图 4 t x 1t l t 匿4 热声制冷机原理图 设微团在位置1 时温度为t x t 压 力为p p 1 从1 到2 的绝热压缩过程中 其 温度从t x a t 升高到t x t 2 t 1 压 力从p p 1 升高到p p l t 1 和p 1 分别为 微团在绝热压缩过程中的温升与压力变化 此时 如果微团温度高于平板温度t x a t 则微团放热给平板 过程2 3 温度变为 r x j t 接着 微i j 从3 绝热膨胀向4 运动 到达4 时温度变为t x t 2 t 1 如果此时 微团温度低于平扳温度t x t 则微l 珂从 平板吸热 过程4 1 温度变为t x r 从而完成r 一个热力循环 在这个循环中 微 团在高压时放热后膨胀 在低压时吸热后压 缩 从而吸收声波能量 将热量从低温端搬至 高温端 实现r 制冷的目的 从以上的定性分析可以看出 平饭沿声 波传播方向的温度梯度对热声制冷的实现起 着决定性的作用 当乎板的温度梯度大r 微 团的绝热温升梯度时 则该装置就成为r 原 动机 通过吸热而对外作功 从另 个角度 看 我们可以将微团的绝热温升梯度当作热 声机械的极限温度梯度 一旦平板上的温度 梯度与徽团的绝热温升梯度相同时 其吸收 的功 或对外做功 和搬运的热量就都勾零 了 系统也就停止丁运行 与其他制冷循环不同的是 这个热力循 环中各个过程的切换不是通过机械部件来实 现的 在热声制冷中 工作流体与平板之间存 在着中等热接触 这样 即避免了因良好热接 触而使工作流体在压缩的同时就与平板进行 换热 又避免了因较差的热接触而使工作流 体无法与平板进行换热 在这样的一个自然 控制循环中 运动部件自然就没必要了 另 点需要指出的是 热声效应只发生 在距离平板一个热渗透深度乱的范围以内 而且在距离平板一个热渗透深度的地方传热 和功最大 这就是热声效应中的边界层理论 因此为了保证平板与工作流体之闭的中等热 接触 平板间的距离最好保持在2 乱左右 三 热声制冷机中的熵流 我们也可以将热声制冷效应解释 勾画声 波压力及速度激发起的从平板一端流向另一 端的熵流 我们分别从平板的两端和中间各取出 7 1 个微团加以分析 如图5 所示 图中的虚线匡 表示距离平板赴的范国 圈5 平板中的加流 图中a 和a 就是我们在前一部分分析 过的情况 微团从a 处吸热 在a 处放热 从 而日i 起了从a 到a 的一股熵流 沿着平板的 许多个流体微团排列在一串 进行接力传热 从而引起了从乎板冷端到热端的熵流 对于b 和c 情况就有所不同了 从b 到 b 流体微团膨胀降温 但由于在b 处微团与 平板一端脱离了热接触而无法吸热 微团仍 旧保持低温 这使得平板的左端的流体温度 总要比平板左端温度低 虽然b 和b 的温差 仅为绝热温升t i 但两者之同的距离只有 因此在平板左端温降很快 c 处的情况刚 好与b 相反 微团在c 处无法向平板放热 从而使得平板的右端的流体温度总要比平板 右端的温度低 而且在平板右端温降很快 这一现象已经在实验中得到了验证 从平板这一边来看 由于流体微团在b 处无法向平板放热 无法弥补由与a 类似的 微团从b 处抽走的热量 同样 流体微团在c 处无法向平板吸热 无法取出由与a 类似的 微团向c 处放出的热量 这样 总的来看 熵 流从平板冷端发敬出来进入流体 并随着流 体在距离平板 的边界层中运动 最终回到 平板热端 当然 由于平板的导热作用 在平板内部 也存在着一股从热端到冷端的熵流 它与以 上谈到的熵流构成了一个回路 四 熟声制冷的应用前景与研究方向 热声制冷由于具有简单 可靠和无污染 等优点 引起了人们的很大兴趣 目前 对小 波幅下热声效应的机理已经有了较完善的理 论 并且已投入了 些实际应用 如南非用于 食品冷冻的热声制冷机 美国 发现号 航天 飞机中的空间热声制冷机 以及美国海军 研究生院研制的热声制冷冰箱等 但是 仍有很多研究和工程问题需要解 决 如寻找合适的工质 对板叠与共振管的结 构尺寸进行优化设计 尤其是为了提高制冷 量和进一步实用 进行大波幅下的理论与实 验研究等等 总之 要使热声制冷真正达到实 用 还番要进行大量的工作 参考文献 1g w s w i f t t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e s j a c o u s t s o c a m 1 9 8 8 8 4 1 1 4 5 2s t e v e n1 g a r r e t t j a ya a d e f f t h o m a s j h o l l e r t h e r m o a c o u s t i cr e f r i g e r a t o rf o rs p a c ea p p l i c a t i o n s j o ft h e r m o p h y s i c sa n dh e a tt r a n s f e r 1 9 9 3 v 7 n o 4 o c t d e c 5 9 5 3g w s w i f t t h e r m o a e o u s t i ce n g i n e sa n d r e f r i g e r a t o r s p h y s i c st o d a y j u l y1 9 9 5 2 2 4 j c w h e a t l e y t h o l l e r gw s w i f t a m i g l i o r i a ni n t r i n s i c a l l yi r r e v e r s i b l et h e r m o a c o u s t i ch e a te n g i n e s j a c o u s t s o c a m 7 4 1 9 8 3 1 5 3 1 9 9 8 年2 月2 0 日收稿 中国航空6 0 9 所深冷胶粉装置试产成功 据1 9 9 8 年1 月2 2 日 中国化工