行波熱聲熱機(jī)的理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

李銀賓，謝海波，牛 越，夏淯博，劉益才

(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083)

1 引言

熱聲效應(yīng)就是熱能與聲能之間能量的相互轉(zhuǎn)化，把基于熱聲原理的機(jī)械統(tǒng)稱為熱聲熱機(jī)。近幾十年來，人們對(duì)于能源短缺、環(huán)境污染等問題所帶來的危害，已經(jīng)深刻認(rèn)識(shí)到開發(fā)全新熱力循環(huán)熱機(jī)的重要性。與傳統(tǒng)的熱機(jī)相比，熱聲熱機(jī)具有一些不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。首先，熱聲熱機(jī)的工作介質(zhì)采用氦氣等惰性氣體，無污染。替代了傳統(tǒng)的蒸汽壓縮制冷機(jī)中對(duì)臭氧層有破壞的氟利昂類工作介質(zhì)。其次，可以利用太陽能、工業(yè)廢熱、汽車尾氣、生物質(zhì)能等低品位能源，在能源匱乏、太陽能充足地區(qū)有較大發(fā)展優(yōu)勢(shì)。最后，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件少甚至無運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)磨損較小，使用壽命長(zhǎng)，機(jī)械更加安全可靠。

根據(jù)聲波的定義，熱聲熱機(jī)可分為駐波熱聲熱機(jī)和行波熱聲熱機(jī)。理論上，駐波熱機(jī)無聲功的輸出，只可依靠回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)相，從而導(dǎo)致有限溫差的不可逆?zhèn)鳠徇^程，實(shí)現(xiàn)熱聲的轉(zhuǎn)換，限制了駐波熱聲熱機(jī)的效率［1］。而行波熱機(jī)的本征可逆使其理論上可以達(dá)到卡諾循環(huán)效率，所以行波熱機(jī)逐漸成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)。且在大振幅情況下運(yùn)行，有可能使熱機(jī)效率、輸出功率方面取得突破［2］。

最近幾十年來，熱聲熱機(jī)技術(shù)在理論，實(shí)驗(yàn)研究等多方面都取得了較大的研究進(jìn)展。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)效率已達(dá)到了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的水平。

2 理論研究進(jìn)展

1777年，Byron Higgius［3］發(fā)現(xiàn)在兩端開口管的適當(dāng)位置加熱，可以激發(fā)出聲音，這是人類歷史上首次發(fā)現(xiàn)熱聲現(xiàn)象。直到上世紀(jì)七十年代能源危機(jī)之后，人們?cè)趶睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)兩方面去研究熱聲效應(yīng)、熱聲起振及相互轉(zhuǎn)換的機(jī)理，目前主要的研究理論是線性熱聲理論和非線性熱聲理論。

2.1 線性熱聲熱機(jī)理論

熱聲熱機(jī)系統(tǒng)［4－6］中發(fā)生熱聲轉(zhuǎn)換效應(yīng)的主要部件為回?zé)崞鳌?969～1980年，Zurich聯(lián)邦技術(shù)研究所的N．Rott首先對(duì)熱聲效應(yīng)進(jìn)行了定量的理論分析，取得了突破性的研究進(jìn)展。Rott教授根據(jù)N－S方程、連續(xù)性方程、能量方程為基礎(chǔ)，依據(jù)熱聲熱機(jī)的邊界條件，建立了理想的駐波聲場(chǎng)，從理論上描述了熱聲效應(yīng)中存在熱和功的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并且發(fā)展成定量的線性熱聲模型，給出了熱聲效應(yīng)的數(shù)值解。

線性熱聲理論方程，是在小振幅下聯(lián)立氣體狀態(tài)方程，對(duì)流體的能量、質(zhì)量和動(dòng)量方程進(jìn)行線性簡(jiǎn)化。依據(jù)流體物性的周期性變化，將偏微分方程簡(jiǎn)化為常微分方程。華中科技大學(xué)的郭方中教授研究小組依據(jù)線性熱聲理論結(jié)合流體網(wǎng)絡(luò)、流感、流容、流阻。以及熱動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)分析方法，系統(tǒng)地提出熱聲網(wǎng)絡(luò)分析法。

線性熱聲理論經(jīng)過幾十年的發(fā)展研究，進(jìn)展較大，但對(duì)于大振幅的熱機(jī)分析，理論與實(shí)驗(yàn)還有較大出入。對(duì)于自激振蕩的熱聲熱機(jī)，其振蕩頻率應(yīng)有無窮多個(gè)，但實(shí)際熱聲熱機(jī)的振蕩頻率卻主要取決于諧振管的長(zhǎng)度、回?zé)崞鞯牟牧?、結(jié)構(gòu)及兩端溫度梯度等參數(shù)。通常是熱聲熱機(jī)起振后，以起振頻率為基頻維持振蕩，改變條件后其振蕩頻率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，而線性熱聲理論就無法解釋以上現(xiàn)象。由于線性熱聲理論是基于頻域的，只能解釋熱聲熱機(jī)起振后的穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，不能很好的解釋系統(tǒng)達(dá)到某一溫度開始起振以及振動(dòng)幅值的波動(dòng)情況。鑒于這些問題，非線性熱聲效應(yīng)的研究引起了學(xué)者的關(guān)注。

2.2 非線性熱聲熱機(jī)理論

隨著對(duì)熱聲熱機(jī)的深入研究，經(jīng)典的線性熱聲理論對(duì)于熱機(jī)系統(tǒng)中的起振、聲流、諧波耗散已不能很好的解釋。在大振幅情況下，試驗(yàn)的驗(yàn)證與線性熱聲理論相差較大。因此在上世紀(jì)90年代初，非線性熱聲理論的引入，可解釋大振幅前提下的非線性熱聲系統(tǒng)［7－9］。國內(nèi)南京大學(xué)聲學(xué)研究所的韓飛等對(duì)Rijke管的非線性效應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)的研究，根據(jù)流體的三個(gè)基本方程得到了聲學(xué)之間的相關(guān)關(guān)系，通過非線性關(guān)系的計(jì)算得到了非線性相互作用和聲波管末端非線性輻射聲阻是引起非線性效應(yīng)的因素。非線性效應(yīng)阻礙了振幅的增長(zhǎng)，導(dǎo)致了二次高階諧波的產(chǎn)生。對(duì)于大部分熱聲熱機(jī)系統(tǒng)說，三階以上的物理量相對(duì)于二階的物理量要小很多。而二階物理量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有很重要的影響。

2.3 熱聲交變流理論

熱聲熱機(jī)系統(tǒng)內(nèi)回?zé)崞鞯臒崧曓D(zhuǎn)換，從傳統(tǒng)的換熱器熱量交換的角度出發(fā):氣體工質(zhì)在回?zé)崞髦惺墙蛔兞鲃?dòng)的，內(nèi)部有周期性的壓力波和速度波，還有時(shí)均的質(zhì)量流和熱流同時(shí)存在，互相影響，相互之間存在一定的相位差，周期性振蕩的工質(zhì)與回?zé)崞鬟M(jìn)行周期性的吸熱與放熱。在實(shí)驗(yàn)中觀察到熱機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的波動(dòng)特性，在回?zé)崞鲀?nèi)同一截面上的壓力波和質(zhì)量流量是非正弦周期性變化，相互之間有明顯相位差；不同截面的壓力波、質(zhì)量流的幅值和相位各不相同，相位差隨截面軸向位置的變化而變化。理論上提出了填料分布的毛細(xì)管模型，給出壓力，流速的分布解析式，不僅反應(yīng)它們軸向距離分布，還反映出波動(dòng)的頻率特性，比較接近工質(zhì)在回?zé)崞髦械膶?shí)際流動(dòng)特性。

中科院理化研究所開展了熱機(jī)的交變流理論及實(shí)驗(yàn)的研究［10－12］，提出了交變流動(dòng)熱機(jī)的介觀熱力循環(huán)理論系統(tǒng)的分析交變流動(dòng)熱機(jī)中關(guān)鍵部件的熱力過程:表明每一個(gè)氣體微團(tuán)都是一個(gè)具有完整功能的熱聲熱機(jī)?；?(1)與氣體介質(zhì)的熱容相比，回?zé)崞鞯墓腆w介質(zhì)具有無限大的熱容；(2)氣體微團(tuán)與固體介質(zhì)隨時(shí)保持熱平衡；(3)氣體是無粘性理想氣體；(4)與回?zé)崞飨嘟佑|的高溫端及低溫端是理想的等溫空間等假設(shè)，可以建立相應(yīng)的熱聲交變流數(shù)學(xué)模型。

2.4 熱聲網(wǎng)絡(luò)模型

在熱聲熱機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，各部件通過聲波來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與傳遞，及其部件間的相互作用，可類比于流體網(wǎng)絡(luò)中阻、感、容等［13］。華中科技大學(xué)的郭方中教授研究小組［14－15］提出回?zé)崞鞯木W(wǎng)絡(luò)模型。運(yùn)用流體網(wǎng)絡(luò)容、阻、感等概念以及熱動(dòng)力學(xué)理論和電網(wǎng)絡(luò)類比方法分析研究了回?zé)崞髦辛黧w的流動(dòng)特性。根據(jù)固體壁面與外熱源的熱接觸情況，中科院低溫中心的肖家華將熱聲效應(yīng)劃分為“等溫?zé)崧曅?yīng)”、“絕熱熱聲效應(yīng)”和一般熱聲效應(yīng)三種情況，提出了等溫?zé)崧曅?yīng)和絕熱熱聲效應(yīng)的物理模型，建立了對(duì)應(yīng)的波動(dòng)方程，構(gòu)建了回?zé)崾街评溲b置相關(guān)熱聲理論的定性框架。

3 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

1979年Ceperley提出了行波熱聲熱機(jī)的概念。從理論上，駐波熱機(jī)的不可逆過程限制了其熱機(jī)效率，而行波熱機(jī)的理論效率可接近于卡諾效率，所以國內(nèi)外對(duì)熱聲熱機(jī)的研究逐漸轉(zhuǎn)移到了行波熱機(jī)方面。

3.1 國外研究現(xiàn)狀

日本的 Yazaki［16］等人，根據(jù) Ceperley 的設(shè)想，首先完成了一臺(tái)環(huán)形管行波熱聲驅(qū)動(dòng)器，用于機(jī)理的研究。為了同駐波發(fā)動(dòng)機(jī)比較，他們用一塊剛性板將環(huán)路隔斷，原環(huán)路就成為一段兩端封閉的管，通過調(diào)整剛性板在環(huán)路中的位置使所形成駐波的頻率與行波相同，得到了板疊兩端的起振溫度比Tn/Tc與時(shí)間頻率ωτ之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖1，2所示。

圖1 Yazaki環(huán)形管行波熱聲驅(qū)動(dòng)器

1999年，Backhaus、Swift等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)行波熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了0．3，相對(duì)卡諾循環(huán)效率42%，相較基于駐波和不可逆熱機(jī)的效率要高出50%，可以與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)效率相比較。該發(fā)動(dòng)機(jī)主要由行波回路和諧振管組成，通過合理設(shè)計(jì)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)尺寸，使工作處于行波狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖3所示，相比較Ceperley行波循環(huán)和Yazaki成果，在三方面有突破性的改進(jìn):第一在環(huán)路中加入諧振管，引入了駐波回路，增大了回?zé)崞鞯淖杩?，減小了粘性耗散。第二引入噴射泵抑制環(huán)路產(chǎn)生的Gedeon直流；第三熱緩沖管采用錐形管，利用管道的橫截面的變化成功抑制了Rayleigh流。此發(fā)動(dòng)機(jī)效率可與傳統(tǒng)熱機(jī)相比，具有污染低，機(jī)械壽命長(zhǎng)等不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，充分體現(xiàn)了熱聲熱機(jī)的優(yōu)勢(shì)，引起了各國科學(xué)家對(duì)熱聲熱機(jī)的研究興趣。

圖2 起振溫度比與頻率時(shí)間的關(guān)系

日本筑波大學(xué)的Biwa［17］等人利用透明的有機(jī)玻璃管，建立了一臺(tái)小型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，諧振管的長(zhǎng)度為1．04 m，如圖4所示。他們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在振動(dòng)頻率為100 Hz和273 Hz兩種振動(dòng)模態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，熱機(jī)隨著熱量的加入，系統(tǒng)能夠首先以駐波模態(tài)起振，然后出現(xiàn)行波模態(tài)的特殊現(xiàn)象；且高頻模態(tài)損失很大，造成波動(dòng)升壓值很小。表明發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)形圈和諧振管之間必然存在某種耦合關(guān)系?？紤]到環(huán)形圈與諧振管之間的耦合關(guān)系，為了抑制高頻模態(tài)的出現(xiàn)，Ueda［18］等人又研制了一臺(tái)圖5所示的小型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，與前一個(gè)系統(tǒng)相比，多一個(gè)諧振腔。通過調(diào)節(jié)諧振管的尺寸及諧振腔的大小來改變系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的能量及系統(tǒng)工作的頻率，工作時(shí)只有一種模態(tài)。通過對(duì)諧振管的長(zhǎng)度和環(huán)形圈的長(zhǎng)度優(yōu)化，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)諧振頻率為118 Hz，振蕩壓力的振幅達(dá)7．7 kPa。

圖3 G．w．Swift等研制的熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

2004年，Sugita［19］等人在熱機(jī)的回?zé)崞骼涠颂峁┝朔€(wěn)定的壓力波，熱端安裝聲功測(cè)量裝置，且利用固體排出器代替諧振器，使得熱機(jī)更為緊湊。當(dāng)回?zé)崞骼錈岫藴囟确謩e達(dá)到355 K和576 K時(shí)，輸入聲功和接收聲功分別為6．68 W和10．61 W，聲功放大率為1.6。

圖4 Bwia行波熱聲熱機(jī)裝置

圖5 Ued a斯特林熱聲熱機(jī)

荷蘭能源研究中心設(shè)計(jì)制作了一種同軸的熱聲斯特林制冷機(jī)［20］，采用聲能驅(qū)動(dòng)，在無負(fù)荷穩(wěn)定工作時(shí)，可達(dá)到－54℃低溫及獲得25 W的冷量，其效率最高可達(dá)到卡諾效率的25%。Backhaus［21］設(shè)計(jì)出一種新型換熱器，在環(huán)形圈中加入流體二極管，解決了大型熱聲斯特林熱機(jī)技術(shù)上障礙。Tijani［22］等在2008年也設(shè)計(jì)了一臺(tái)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，在諧振管中加入了漸擴(kuò)管、等直徑管等，在穩(wěn)定工作時(shí)，壓比為1.153，轉(zhuǎn)換效率22.5% ，相對(duì)卡諾效率36%，裝置輸出190 W的聲功。

2011年東京大學(xué)的M．M．Bassem［23］等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)由直線電機(jī)、諧振管、環(huán)形管、回?zé)崞鹘M成的行波熱聲制冷機(jī)。他們對(duì)回?zé)崞鞯奈恢眉敖Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在最優(yōu)性能的情況下可到達(dá)232 K的低溫，在265 K溫度下，其卡諾效率達(dá)到20%。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2007年華南理工大學(xué)與日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所設(shè)計(jì)了一臺(tái)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［24］。陶瓷回?zé)崞鏖L(zhǎng)度為20 mm，熱電偶測(cè)量精度為0．1℃，采用壓力傳感器測(cè)量諧振管閉口端的壓力、熱線風(fēng)速儀測(cè)其速度。通過自激振動(dòng)和強(qiáng)制振動(dòng)兩種方式對(duì)比:強(qiáng)制振動(dòng)比自激振動(dòng)有更低的起振溫度，回?zé)崞鞯拈L(zhǎng)度和材料對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能有較大影響，其中強(qiáng)制振動(dòng)可使熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度降低至60℃。

華中科技大學(xué)的周剛建立了一臺(tái)氦氣工質(zhì)的小型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［25］，重量小于5 kg，長(zhǎng)度不足1 m。其壓力測(cè)量采用CY－YD－203型壓電式壓力傳感器，分別在容腔管的出口、慣性管的入口和出口以及環(huán)形圈和諧振管的連接處安裝壓力傳感器，沿套筒內(nèi)壁均勻分布三個(gè)熱電偶測(cè)其溫度。當(dāng)工作壓力為2.5 MPa，加熱量為700 W時(shí)，系統(tǒng)起振頻率為282 Hz。可獲得2.71 bar的最大振幅，壓比達(dá)到了1.115。胡忠軍研制出圖6、7所示的國內(nèi)第一臺(tái)高頻級(jí)聯(lián)型的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［26］。

圖6 高頻級(jí)聯(lián)型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置主要有帶啞鈴型對(duì)稱布置兩個(gè)諧振腔的諧振管、駐波級(jí)熱聲核、行波級(jí)熱聲核等組成，其中兩級(jí)熱聲核段長(zhǎng)0．3 m，占裝置總長(zhǎng)的25%。駐波級(jí)熱聲堆及行波級(jí)熱聲堆回?zé)崞骶捎媒z網(wǎng)式回?zé)崞?，回?zé)崞鞣謩e采用30目、45目、60目、200目和300目等不同目數(shù)的不銹鋼材料的絲網(wǎng)進(jìn)行填充，兩臺(tái)WDK－07型直流電源供電加熱。5個(gè)壓力傳感器所測(cè)位置如圖6中的各P點(diǎn)，8個(gè)熱電偶如圖6中的T表示。本實(shí)驗(yàn)采用的示波器為OS－5020型雙通雙蹤模擬示波器，它具有20 MHz帶寬；靈敏度為1 mV/div。以氦氣為工質(zhì)時(shí)的運(yùn)行頻率460 Hz，在輸入功率500 W時(shí)獲得了210 kPa的聲壓峰值，實(shí)驗(yàn)過程中觀測(cè)到了雙閥起振現(xiàn)象，得出雙閥起振的關(guān)鍵因素是無量綱超閥換熱量。根據(jù)系統(tǒng)控制論的基本理論和熱聲網(wǎng)絡(luò)分析建立了級(jí)聯(lián)型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同級(jí)聯(lián)溫度組合，相對(duì)誤差為5%左右。

圖7 高頻級(jí)聯(lián)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

2008年，李青［27］等人建立一個(gè)微型熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)0．65 m，高0．22 m。在工作壓力2 MPa，加熱功率637W時(shí)，最大峰值達(dá)2.2 bar，壓比達(dá)到1.16。

中科院理化所羅二倉等人，研制出國內(nèi)第一臺(tái)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［28］，在500 W加熱的情況下，有60 W左右的聲功輸出。之后又研制出國內(nèi)首臺(tái)聚能型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)［29］，其諧振器是錐形管，利用了變徑管的“共振強(qiáng)聲”如圖8所示。這種形狀的管可以抑制高次諧波的產(chǎn)生和熱粘性耗散，使絕大部分聲波能量集中在基頻模態(tài)上，同時(shí)減少聲功粘性耗散，提高基頻的壓力振幅。又在聚能型行波熱機(jī)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了諧振管，增加了諧振管的長(zhǎng)度，加大了錐度，優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的耦合。當(dāng)工作介質(zhì)為氦氣時(shí)，穩(wěn)定工作的壓比更是達(dá)到了1.4，熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)32%。當(dāng)工作壓力2．0 MPa，以氦氣為工質(zhì)，在470 Hz的工作頻率，200 W加熱功率下，獲得了0．024 MPa的波動(dòng)壓力幅值。2009年余國瑤、羅二倉［30］等研制出了高頻熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)如圖9所示，與圖8所示的系統(tǒng)相比，為盡量抑制環(huán)路結(jié)構(gòu)所引起的Gedeon直流，在聲容腔中部置入一個(gè)彈性膜片，且聲容腔直徑從29 mm擴(kuò)大到80 mm，減小了中部氣體位移，增加了彈性膜片的壽命。由于在高頻模式下，慣性管的長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大，考慮到熱緩沖管在系統(tǒng)中起到氣體活塞的作用，其長(zhǎng)度對(duì)性能的影響較小，所以將緩沖管加工成U型結(jié)構(gòu)構(gòu)成行波環(huán)路。諧振管的直管部分調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率，且采用錐形管和氣庫結(jié)構(gòu)以抑制高次諧波和減小突變截面的損失。系統(tǒng)長(zhǎng)度950 mm諧振管由以直管、錐管、球形庫組成。環(huán)路直徑29 mm，周長(zhǎng)約為470 mm。熱聲熱機(jī)的核心——回?zé)崞鞑捎?70#，絲徑為31 μm不銹鋼絲網(wǎng)。壓力測(cè)量點(diǎn)主要測(cè)出壓力振幅波動(dòng)及自己振蕩頻率，位置位于距聲容腔10 mm的慣性管內(nèi)。用三個(gè)K型鎧裝熱電偶測(cè)量高溫端換熱器固體溫度、主室溫端及次室溫端工質(zhì)氣體溫度。其中系統(tǒng)壓力控制在4.5 MPa，換熱器最高溫度控制在660℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)布置方位對(duì)起振溫度的影響較大，對(duì)穩(wěn)定振蕩的波動(dòng)壓力振幅和加熱溫度較小。采用氦氣、氮?dú)?、氬氣和二氧化碳作為工質(zhì)，工作頻率分別為 314 Hz、108 Hz、98 Hz和 76 Hz時(shí)，其壓比分別達(dá)到了 1.17、1.23、1.22 和 1.24。

圖8 聚能型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)

隨后，采用聚能型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)［31］，成功研制出百瓦級(jí)的行波熱聲發(fā)電機(jī)原理樣機(jī)。熱聲轉(zhuǎn)換單元為一行波回路，發(fā)電部分是一臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)。熱聲轉(zhuǎn)換部分主要包括高溫加熱器、回?zé)崞饕约坝糜谛纬陕晥?chǎng)的聲學(xué)慣性管、聲容腔等，工作壓力為1.5～3．0 Mpa，管道直徑為80 mm左右，工作介質(zhì)為氮?dú)饣蚝?。熱源加熱溫度?00℃左右時(shí)，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部就產(chǎn)生壓力波動(dòng)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)已開始工作。當(dāng)加熱溫度達(dá)到650℃左右時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得1.3以上的壓比，產(chǎn)生接近1 kW 級(jí)的聲功輸出，而其熱聲轉(zhuǎn)換效率則可達(dá)到30% 以上?？奢敵?00 W左右電工率。隨后，他們又研制出了1 kw太陽能行波熱聲供電系統(tǒng)［32］(TWTAHE)，如圖10所示，在初步測(cè)試的時(shí)候，采用電動(dòng)墨盒加熱器模擬太陽能，在3.5 Mpa的工作壓力，及74 Hz的工作頻率，輸出了481 w電力，最大熱電效率到達(dá)15．0%。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了太陽能供電的行波熱聲發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括太陽能收集器，熱接收器，最終實(shí)驗(yàn)時(shí)可獲得200 w的電力輸出。

浙江大學(xué)制冷與低溫研究所［33］研制出以CO2作為工質(zhì)的熱聲熱機(jī)。其整個(gè)熱機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，壓力系統(tǒng)包括壓力傳感器、放大電路、采集卡、計(jì)算機(jī)和基于Labview軟件的程序。壓力傳感器器是德國產(chǎn)型號(hào)為KPR—46R的線性硅壓電傳感器。溫度采集系統(tǒng)由經(jīng)標(biāo)定的K型熱電偶、Keithley 2700數(shù)字萬用表、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和基于Labview軟件的程序等組成。加熱裝置采用加熱管，通過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓，改變加熱功率。經(jīng)過試驗(yàn)得出，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力速速分布相位圖與理論模擬較為接近，有相同的變化趨勢(shì)。相同壓力下，以二氧化碳作為工質(zhì)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力振幅大于以氮?dú)庾鳛楣べ|(zhì)的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的振幅。最后測(cè)試充氣壓1.6 Mpa時(shí)，可達(dá)壓力振幅0．2218 Mpa，壓比為1.299。由于頻率為17．7 Hz左右，工作頻率較低，容易引起發(fā)動(dòng)機(jī)及其的共振，易導(dǎo)致硬件的破壞。

圖9 高頻熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

圖10 TWTAHE循環(huán)圖

1997年，美國Cryengo公司與Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室成功研制出一臺(tái)駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)小孔型脈管制冷機(jī)，以燃燒60%的天然氣液化其余天然氣，2000年，他們研制出一臺(tái)斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三臺(tái)脈管制冷機(jī)，通過燃燒30%的天然氣液化70%的天然氣，這是熱聲熱機(jī)的實(shí)用化的成功應(yīng)用，同時(shí)證明了行波熱機(jī)比駐波熱機(jī)具有更高的效率。

4 研究展望

行波熱聲熱機(jī)其效率可以接近卡諾循環(huán)效率，并有望優(yōu)于傳統(tǒng)的熱機(jī)，引起了研究者的廣泛興趣。目前熱機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究已有很大的進(jìn)展，但輸出壓比較小、功率較低仍然是制約實(shí)用化的主要原因，因此還需要在以下幾方面做更多的努力。

(1)在單相對(duì)流換熱中，強(qiáng)化換熱，不僅與熱邊界層，流體擾動(dòng)，壁面速度梯度有關(guān)，還與速度矢量及溫度梯度之間的夾角有關(guān)系。減小速度矢量與溫度梯度之間的夾角是強(qiáng)化換熱的有效措施。目前，對(duì)這方面的研究少之又少。當(dāng)然在熱聲熱機(jī)中影響其效率的還有重力場(chǎng)，密度場(chǎng)等，所以應(yīng)開展熱聲熱機(jī)系統(tǒng)內(nèi)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、重力場(chǎng)等場(chǎng)之間的協(xié)同理論研究，對(duì)于增大熱聲轉(zhuǎn)換效率及熱聲輸出功有很大意義。

(2)影響熱聲熱機(jī)實(shí)用化的一個(gè)重要因素是輸出壓比太小，完全達(dá)不到某些機(jī)械的動(dòng)力需求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，當(dāng)熱聲熱機(jī)系統(tǒng)壓比過大，大振幅下維持振蕩，系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)了非線性現(xiàn)象。目前線性理論已比較完善，非線性機(jī)理還在初步的研究，應(yīng)深入完善大振幅下非線性熱聲理論。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求主要是驅(qū)動(dòng)負(fù)載，只有認(rèn)識(shí)到對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)振動(dòng)理論的本質(zhì)才能更好的指導(dǎo)熱聲機(jī)械的改進(jìn)及實(shí)用化。

(3)純行波有較大的Gedeon直流，而通過機(jī)械方面抑制Gedeon直流和Rayleigh聲流，減小了熱聲轉(zhuǎn)換效率。而在適當(dāng)位置引入駐波回路，可提高熱聲效率及輸出功，且駐波熱機(jī)與負(fù)載的匹配有一定的基礎(chǔ)，對(duì)行波與駐波混合熱機(jī)的理論及實(shí)驗(yàn)研究有助于提高其的效率，以及與負(fù)載的匹配。

(4)熱聲熱機(jī)最終目的是應(yīng)用實(shí)際工業(yè)中，必須充分利用熱聲熱機(jī)的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)，斯特林制冷機(jī)，發(fā)電機(jī)等的匹配研究。

5 結(jié)論

1777年，人們第一次發(fā)現(xiàn)熱聲現(xiàn)象，吸引了人們對(duì)熱聲的本質(zhì)探討。隨著能源危機(jī)、環(huán)境污染的加劇，能源匱乏地區(qū)對(duì)動(dòng)力機(jī)械的新需求，加劇了研究的步伐。而熱聲熱機(jī)在實(shí)用化方面的成功應(yīng)用，充分證明人類對(duì)熱聲機(jī)理的認(rèn)知已有一定的高度，以及熱聲熱機(jī)實(shí)用化的前景。

［1］Ceperley P H Apistonless Stirling engine － the traveling wave heat engine［J］．Acoust．Soc．Am，1979，66(5):1508 ～1513．

［2］涂虬，陳正軍，張曉青，等．熱聲理論的研究進(jìn)展及其應(yīng)用［J］．真空與低溫，2004，10(3):125～131．

［3］Putnam A A，Dennis W:Surveyoforgan － pipe oscillations incombustion systems［J］．Acoust．Soc．Am，1956，28(2):246 ～259．

［4］余國瑤．熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)自激振蕩過程及熱聲轉(zhuǎn)換特性研究［D］．北京:中國科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文，2008．

［5］SWIFT G W．Thermoacoustic engines and refrigerators［J］．Physics Today，1995，48(7):22 ～28．

［6］孫大明．行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的脈管制冷機(jī)［D］．杭州，浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2005．

［7］胡劍英，羅二倉．非線性熱聲理論的研究進(jìn)展［J］．低溫與超導(dǎo)，2005，33(3):11～16．

［8］羅二倉，劉浩，吳劍鋒．回?zé)崞鞣蔷€性熱動(dòng)力學(xué)模型研究［J］．低溫工程，2001，5:1～8．

［9］羅二倉．回?zé)崞鞯臒崧曋绷髂Ｐ图捌湫?yīng)研究［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2002，23(4):429～423．

［10］羅二倉，戴巍，吳張華，等．交變流動(dòng)熱機(jī)的介觀熱力循環(huán)理論——第一部分制冷機(jī)回?zé)崞鞯慕橛^熱力循環(huán)模型及分析［J］．低溫工程，2004，1:1 ～11．

［11］羅二倉，戴巍，吳張華，等．交變流動(dòng)熱機(jī)的介觀熱力循環(huán)理論——第二部分發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鞯慕橛^熱力循環(huán)模型及分析［J］．低溫工程，2004，2:1 ～10．

［12］羅二倉，戴巍，吳張華，等．交變流動(dòng)熱機(jī)的介觀熱力循環(huán)理論—— 第三部分:回?zé)崞髋c換熱器的熱交換［J］．低溫工程．2007，6:1 ～7．

［13］安利．熱聲壓縮機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型［J］．2007．NO．07．

［14］GUO Fang Zhong，Chouym，Lee S Z．Flow character－ istics of a cyclic flow regenerator［J］．Cryogenics，1987(27):152．

［15］陳國邦．最新低溫制冷技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994．

［16］YAZAKI T，IWATA A，MAEKAWAT，et a1．Traveling wave thermoacoustic engine in a looped tube［J］．Physics Review Letters，1998，81(15):3128 ～3 131．

［17］Biwa T，Ueda Y，Yazaki T，Mizutani U．Thermodynamical mode selection rule observed in thermoacoustic oscillations［J］．Europhys Lett 2002，60(3):363 ～368．

［18］Ueda Y，Biwa T，Mizutani U，Yazaki T．Experimental studies of thermoacoustic Stirling prime mover and its application to a cooler．J Acoust Soc Am．2004，115(3):1134 ～1141．

［19］Sugita H，Matsubara Y，Kushino A，etal．Experimental study on thermally actuated pressure wave generator for space cryocooler［J］．Cryogenics，2004，44:431 ～437．

［20］Tijan．Study of a coaxial thermoacoustic － Stirling cooler［J］．Cryogenics，2008，48:77 －82．

［21］Backhaus S，Swift G W，Reid R S．High － temperature self－ circulating thermoacoustic heat exchanger［J］．APPLIEDPHYSICSLETTERS，2005．

［22］Tijani H，Spoelstra S，Poignand G．Study of a thermoacoustic － stiriling engine［J］．J．Acou － st．Soc．Am，2008，123:3541．

［23］M．M．Bassem，Y．Ueda，A．Akisawa．Design and construction of a traveling wave thermoacoustic refrigerator［J］．International journal of refrigeration 2011，34:1125 ～1131．

［24］汪雙鳳，西尾茂文，曾朝霞．熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫余熱利用方面的研究［J］．化工進(jìn)展，2007，26(3):448～451．

［25］周剛．小型行波熱聲熱機(jī)系統(tǒng)的研究［D］．武漢，華中科技大學(xué)博士論文，2007．

［26］胡忠軍．高頻級(jí)聯(lián)型熱聲系統(tǒng)研究［D］．北京，中國科學(xué)院博士論文，2007．

［27］Gang Zhou，Qing Li，Zheng Yu Li，Qiang Li．Aminiature thermoacoustic stirling engin［J］．Energy Conversion and Management，2008，49(6):1785 ～1792．

［28］孫力勇，羅二倉，梁驚濤，等．改進(jìn)的行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的初步實(shí)驗(yàn)研究［J］．真空與低溫，2001，7(2)，97～101．

［29］YU G Y，LUO EC，DAI W，eta1．An energy－focused thermoacoustic－Stifling heat engine reaching a high pressure ratio above 1.40［J］．Cryogenics，2007，47(2):132 ～134．

［30］余國瑤，羅二倉，張曉東，等．高頻熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究［N］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(1)，17～20．

［31］羅二倉，吳張華，戴巍，等．百瓦級(jí)行波熱聲發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研究［N］．科學(xué)通報(bào)，2007，52(23):2818～2820．

［32］Zhanghua Wu，Wei Dai，Man Man，Ercang Luo．A solar－ powered traveling － wave thermoacoustic electricity generator［J］．Sciverse scienceDirect．2012，5:1 ～7．

［33］王波，邱利民，孫大明，等．以CO2為工質(zhì)的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)研究［N］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(9):1463～1466．