熱機技術(shù)應(yīng)用分析

佟智偉

摘要：熱聲熱機由于其獨特的優(yōu)點受到人們普遍關(guān)注。文章論述了熱聲熱機的基本結(jié)構(gòu)以及熱聲傳換的機理。并對熱聲熱機目前的應(yīng)用狀況作了簡單介紹，指出熱聲熱機的未來發(fā)展方向和改進措施。

關(guān)鍵詞：熱機 技術(shù) 應(yīng)用

0 引言

熱聲熱機包括熱聲發(fā)動機和熱聲制冷機，熱聲發(fā)動機是將熱能轉(zhuǎn)化為聲能并儲存于聲場中，熱聲制冷機是利用聲能泵熱實現(xiàn)制冷。和傳統(tǒng)的熱機相比熱聲熱機具有很多優(yōu)點：①它減少了可動部件，結(jié)構(gòu)非常簡單。將熱聲發(fā)動機與熱聲致冷機組合可能制成熱驅(qū)動的制冷機。它完全沒有可動部件，具有高度的可靠性，特別適合于空間用低溫電子學(xué)器件冷卻的長壽命制冷器。②傳統(tǒng)制冷機是以氟里昂作為工作介質(zhì)，由于氟里昂對大氣臭氧層的破壞，溫室效應(yīng)日益明顯，人類賴以生存的環(huán)境遭到破壞，在世界范圍內(nèi)氟里昂開始被禁用。因此迫切要求尋找新的制冷技術(shù)。熱聲熱機是一種新的、無污染低噪聲的制冷技術(shù)，符合環(huán)保的要求。③熱聲熱機可直接利用低品質(zhì)的熱能(如太陽能、地?zé)岬?。正是由于熱聲熱機的諸多優(yōu)點，90年代初，隨著熱聲理論的漸漸成熟。熱聲熱機的應(yīng)用開發(fā)和研究進入了高潮。

1 熱聲熱機的組成

一個完整的熱聲熱機應(yīng)由兩部分組成：一部分是熱聲轉(zhuǎn)換裝置，一部分是能量的輸入和輸出裝置，即換能器。熱聲熱機轉(zhuǎn)換裝置包含三個部分：一個高溫?zé)嵩碩h，一個低溫?zé)嵩碩c和一個靜止的回?zé)崞?。三個部分被置于一個駐波管中構(gòu)成所謂的熱聲諧振管。駐波管的作用是維持一個平面的駐波聲場。高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩丛诩訜崞鲀啥瞬⒂辛己玫臒峤佑|。這樣回?zé)崞鲀啥诵纬梢粋€穩(wěn)定的溫度梯度。在溫度梯度超過臨界值時熱聲諧振管將產(chǎn)生自激振蕩，回?zé)崞骶涂梢詫崮苻D(zhuǎn)化為聲能。這時回?zé)崞骶拖喈?dāng)于一個聲發(fā)生器。熱端換熱器從高溫?zé)嵩传@得的熱功率為Qh，冷端換熱器向低溫?zé)嵩磁懦龅臒峁β蕿镼c，由熱力學(xué)第一定律，此熱聲熱機的功率為W=Qh-Qc。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，其熱效率為W/Qh。熱機諧振管應(yīng)充有傳遞聲波的流體介質(zhì)，適合于產(chǎn)生熱聲效應(yīng)的工作介質(zhì)應(yīng)滿足一定的要求：①流體是可壓縮的。聲速大的流體，在相同的體積和壓力變化下，單位體積內(nèi)的聲能密度也大。②有較大的熱膨脹系數(shù)。③對要求在較大溫差下產(chǎn)生較小能流密度的熱聲效應(yīng)場合，流體的體積比熱要小；對要求在較小溫差下產(chǎn)生較大能流密度的熱聲效應(yīng)場合流體比熱要大。④流體具有低Prandtl數(shù)。對氣體介質(zhì)而言，為了提高單位體積的聲能密度，通常增大諧振管中充氣壓力。熱聲熱機的另一重要組成部分換能器是能量輸入裝置(對于制冷機)或輸出裝置(對于發(fā)動機)。由于聲功是一種應(yīng)用不太方便的功，要求輸入和輸出對內(nèi)部聲場的穩(wěn)定性影響較小，因此換能器的特性和聲場特性應(yīng)當(dāng)匹配。

2 熱聲熱機的工作原理

熱聲熱機的物理基礎(chǔ)是熱聲效應(yīng)。熱聲理論的最初發(fā)展也是來源于對工程實際中熱聲效應(yīng)的理論解釋。

2.1 熱致聲原理 前面已經(jīng)提到，熱聲熱機按照其聲場的類型可以分為駐波熱機和行波熱機。實際中應(yīng)用較多的是駐波熱機，因為駐波在相同的功率下可以形成較大的振幅。下面以駐波熱機為例說明熱致聲的原理。為了深刻地理解熱聲諧振管中熱能和聲能之間的轉(zhuǎn)換，將以回?zé)崞靼瀵B中的流體微團為對象，研究它在一個聲波周期內(nèi)的狀態(tài)變化。以1/2波長的熱機為例，對于兩端封閉的駐波管，駐波在兩端的速度為零，而壓力振幅最大，是駐波的兩個波節(jié)。在駐波管的正中央，壓力振幅為零，而速度振幅最大，是駐波的波峰或波谷。壓力相位和速度相位相差90°，板疊則位于壓力波節(jié)和速度波節(jié)之間。板疊內(nèi)的流體微團在駐波作用下左右往復(fù)運動，同時使它壓縮和膨脹。在正溫度梯度下，流體微團的溫度變化。在1、3兩點，流體微團的溫度和該點的板疊溫度相等。因此，流體微團和板疊之間沒有熱交換。微團的四個狀態(tài)變化過程如下：①當(dāng)流體微團由1到2時，它在駐波作用下向左運動的同時被壓縮，其溫度低于板疊的溫度，因此從板疊吸熱，壓力增大，微團對外做功。到達(dá)2點，流體的溫度達(dá)到最高，壓力最大，體積也達(dá)到最大壓縮；②當(dāng)微團由2到3時，流體在駐波作用下向右運動的同時微團體積膨脹，壓力減小，溫度降低。但流體的溫度仍然低于板疊的溫度，因此，微團從板疊吸熱；③當(dāng)微團由3到4時，在駐波作用下微團繼續(xù)向右運動，同時體積膨脹對外做功，壓力減少，溫度降低，但由于板疊的溫度梯度較大，這時微團的溫度高于板疊溫度，因此對板疊放熱。在4點，微團的溫度最低，壓力最小，達(dá)到最大膨脹；當(dāng)微團由4到1時，它在駐波作用下向左運動同時被壓縮，壓力增大，但流體微團溫度仍高于板疊溫度，因此對板疊放熱。流體微團的上述四個過程往復(fù)循環(huán)，不斷地將熱能轉(zhuǎn)化為聲能，其體積、壓力、溫度都呈現(xiàn)周期性的變化。

2.2 聲致冷原理 聲致冷基本可以看成是熱致聲的逆過程，其結(jié)構(gòu)與熱致聲相同。它的四個過程可簡單的概括如下：①微團由1到2向左運動時，溫度升高，壓力增大，流體微團絕熱壓縮溫度高于板疊溫度，對板疊放熱；②微團由2到3向右運動時，溫度降低，壓力減小，但溫度仍然高于板疊溫度，對板疊放熱；③微團由3到4向右運動時，壓力繼續(xù)減小，溫度繼續(xù)降低，這時溫度低于板疊溫度，從板疊吸熱；④微團由4到1向左運動時，溫度升高，壓力增大，溫度低于板疊溫度，從板疊吸熱。這樣大量微團協(xié)調(diào)的周期性的往復(fù)運動，不斷地從右端吸熱，到左端放熱。相當(dāng)于微團不斷地把低溫端的熱量送到高溫端。通常熱端的熱量直接排放到環(huán)境中，冷端的冷量作為冷源提供給負(fù)載，聲波在泵熱過程中是以消耗自身的聲功為代價的。

3 熱聲熱機的應(yīng)用

熱聲熱機包括發(fā)動機和制冷機。熱聲發(fā)動機產(chǎn)生的直接能量是聲波，聲波既可以作為直接驅(qū)能源(如驅(qū)動脈管制冷機制冷)，也可以轉(zhuǎn)化為其它形式的能量。用熱聲熱機做成的壓縮機，最大的優(yōu)點是無運動部件，可以實現(xiàn)無油潤滑。熱聲制冷是一個很有應(yīng)用前景的制冷技術(shù)。由于它具有無運動部件、無污染、低噪聲的優(yōu)點，可以做成優(yōu)良的環(huán)保冰箱和空調(diào)。熱聲制冷機按其結(jié)構(gòu)分為兩種：一種是電聲驅(qū)動的熱聲制冷機，一種是熱聲驅(qū)動的熱聲制冷機。對于電聲驅(qū)動制冷機，最有代表意義的是Hofler制作的駐波熱聲制冷機。它是一個1／4波長的制冷機。聲源由電驅(qū)動的聲發(fā)生器提供，其高溫端溫度為300K，低溫端溫度為210K，壓比為0.03，功率為6W，效率為卡諾效率的35%。目前已在建造的熱驅(qū)動的制冷機只有一臺用于液化天然氣，設(shè)備長12m，回?zé)崞髦睆?.5m，制冷溫度可達(dá)120K。熱聲熱機應(yīng)用的發(fā)展受兩大因素制約：①體積比功率較小，要求熱源溫差大。由于通常的熱聲熱機的工質(zhì)是氣體，而氣體工質(zhì)的體積比熱小，因此熱聲熱機的尺寸非常大。為了提高工質(zhì)的體積比熱，使用超臨界液體工質(zhì)代替氣體工質(zhì)。②效率較低。提高熱聲熱機的效率應(yīng)從兩個方面著手，一方面要優(yōu)化熱聲熱機的結(jié)構(gòu)，提高熱聲的轉(zhuǎn)換能力；另一方面提高聲功的利用率，減少不可逆因素的耗能。