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                                    公司新聞

                                    熱聲制冷技術:一種理想的制冷方案

                                    熱聲制冷技術:一種理想的制冷方案

                                    一、熱聲研究的目的和意義

                                    八十年代以來,脈管制冷機的研究獲得了突飛猛進的發展,兩級脈管制冷機達到了1.7K。但目前脈管制冷機離實用化、工程化還有一定的距離,其主要原因之一就是缺少與脈管制冷機相匹配的壓縮機。目前廣泛采用的機械壓縮機中仍然存在著運動部件,壓縮機的性能將對脈管制冷機的性能產生直接的影響。在這種情況下,采用熱壓縮機代替常規的機械壓縮機來驅動脈管制冷機是一種理想的方案。


                                    這種熱聲驅動脈管制冷機具有兩個突出的優點:


                                    • 其一是制冷系統除流動工質外沒有運動部件,從根本上消除了常規機械制冷機存在的磨損與振動;


                                    • 其二是采用熱能驅動,可用太陽能、燃氣等作為熱源。


                                    采用低品位的熱能不僅有利于提高系統的熱力學效率,而且對于那些缺乏電能的場合則更具有實際意義。此外,熱聲制冷機一般采用N2或He作工質,屬于綠色工質,對大氣臭氧層沒有破壞。可見,熱聲壓縮機是一種具有發展潛力的新型壓力波發生器,在空間及輸電困難但能提供熱能的地方(如遠海或荒漠中開采石油和天然氣)有著廣泛的應用前景。

                                    熱聲制冷技術:一種理想的制冷方案

                                    熱聲制冷機也可用揚聲器來驅動,雖然這種制冷機也存在著運動部件(揚聲器振動膜),但由于其不需要動密封,故無維修使用壽命比常規的制冷機要長,且與壓縮機的活塞相比振動膜的振動要小得多。若采用氣體工質,則在那些需要較大溫差、較小能流密度的場合有很大的應用前景;若采用近臨界液相工質(如乙烯),則單位體積制冷量可與目前的常規蒸汽壓縮制冷機相當,其清潔、可靠和低成本的特點使其在家用和工業制冷場合具有極大的競爭力。


                                    同時,研究熱聲壓縮機還可以進一步開拓視野,豐富和完善熱聲理論,推動和發展回熱式熱機,還能讓我們以一個全新角度去認識其它類型的熱機,從而推動它們的發展。以往的回熱式熱機循環理論基于理想的熱力學可逆過程,從能量守恒和動量守恒方程出發,忽略了流體工質的流動特性對流體與固相工質間熱交換的影響,與實際的工況相差甚遠,定量化程度不高,更不能為我們提供對其工作機理的了解。同時,數值模擬方法對每個具體的情況都需作較大調整,缺乏普遍指導意義。


                                    熱聲理論將熱機的工作機理歸結為普遍的熱聲效應,即可壓縮的工作流體的振蕩(即聲)與固體介質熱相互作用產生的時均能量效應。它能很好地解釋一些問題,如傳統的平衡觀點認為,回熱器是一個換熱器,為提高效率,應減少氣軸向溫度梯度,實際上根據熱聲理論,我們可以知道:回熱器的臨界溫度梯度是判斷熱功轉換方向的重要參數。回熱器不僅僅是一個換熱器,還是一個熱功轉換元件。


                                    二、熱聲學的發展歷史和研究現狀

                                    我們知道,聲波在空氣中傳播時會產生壓力及位移的波動。其實,聲波的傳播也會引起溫度的波動。當聲波所引起的壓力、位移及溫度的波動與一固體邊界相作用時,就會發生明顯的聲波能量與熱能的轉換,這就是熱聲效應。


                                    熱聲效應,即聲場中的時均熱力學效應。根據能量轉換觀點可將熱聲效應分為兩類:


                                    • 一是用熱來產生聲,即熱驅動的聲振蕩;


                                    • 二是用聲來產生熱流,即聲驅動的熱量傳輸。


                                    其相應的機械裝置分別為熱聲壓縮機和熱聲制冷機。熱聲壓縮機和熱聲制冷機在原理上是一致的,只是由于某些參數不同而導致了運行結果的迥異。


                                    人們在很早以前就發現了熱聲效應。1777年,Higgins在實驗中發現:當把氫焰放到一根兩端開口大管子的適當位置時,會在管子中激起聲波振動。由此演化而來的Rijke管現在已經在大學課堂上廣泛用作演示熱聲效應的裝置了;另一種較早的熱聲裝置Sondhauss管也是在十九世紀就提出來了,它與Rijke管的不同之處在于,它是在一根只有一端開口的管中利用熱聲效應來發出聲音的。


                                    1878年,Rayleigh首先給出了熱聲振蕩現象定性解釋,他指出:對作聲振動的介質,若在其*稠密的時候向其提供熱量,而在其*稀疏時從其中吸取能量,聲振動就會得到加強(熱能轉變為聲能)。反之,若在其*稠密的時候從其中吸取熱量,而在其*稀疏時向其提供能量,聲振動就會得到衰減(聲能轉變為熱能)。這就是所謂Rayleigh準則。

                                    熱聲制冷技術:一種理想的制冷方案

                                    現代實驗熱聲學*重要的發展之一是美國新墨西哥大學的Carter教授和他的研究生Feldman在1962年對Sondhauss管進行的改進。他們在Sondhauss管中采用適當結構來提高它的效率,大大加強了管內的熱聲效應,并以600W的熱傳輸功率獲得了27W的聲功率。在美國Los Alamos國家實驗室,Swift和Wheatley首先開展了對熱聲制冷機的研制工作。Wheatley教授認為聲諧振駐波和表面泵熱效應的組合可以形成一種完全新型的“自然發動機”。氣體熱聲效應、固體介質與氣流之間所需的時均相位差是通過自發不可逆過程,尤其是有限傳熱溫差得到的。原則上說,這是熱聲制冷機同其他制冷循環的根本區別。通常的制冷循環需要提供外在的機械部件來保證循環中各過程的切換,而熱聲制冷機能自發調節相位,從而自動在各循環過程中進行切換。因此,熱聲制冷機具有部件少、成本低、結構簡單、可靠性強等優點。


                                    1986年,Hofler在他的博士論文中設計并制作了一實驗熱聲制冷機。這是世界上第一臺有效的熱聲制冷機,它以揚聲器驅動發聲,在3W的熱負荷下,其制冷系數達到卡諾系數的12%,制冷溫度可達 -50℃。


                                    1990年,G.W.Swift、R.Radebaugh和R.A.Martin建議用熱聲驅動器 (TAD) 代替機械壓縮機來驅動小孔型脈管制冷機,如圖。當TAD密集的間隔片的溫度梯度超過其臨界值時,氦工質氣流將自發產生熱聲振蕩。因為在熱聲脈管中無運動部件,所以具有潛在的低成本和極高的可靠性。


                                    熱聲制冷技術:一種理想的制冷方案


                                    在駐波熱聲機械獲得極大發展的同時,行波熱聲機械也取得了很大的進展。美國George Mason大學Ceperley于1979年提出了一種共振型行波熱聲制冷機。行波熱聲制冷機的組成包括聲波發生器和以室溫放熱器、回熱器、低溫吸熱器以及行波聲導管部件。這些部件形成一個行波的回路,而回路的長度正好為一個聲波長。


                                    Ceperley的行波熱聲制冷機的工作原理為:聲波發生器提供動力產生聲振蕩,在聲回路中產生近共振的行波聲場,吸熱器利用等溫熱聲效應,從低溫熱源吸收熱量,這個熱量,由回熱器消耗聲功從低溫端泵向高溫端(回熱器的流道橫向尺度小于流體的熱滲透深度,聲場中行波分量起決定作用,熱流由低溫端流向高溫端);放熱器將由回熱器來的熱流釋放給環境。


                                    日本學者富永昭以熱力學方法分析熱聲現象,目的就是要得到回熱器中各種不可逆因素對泵熱量的影響,然后克服之以提高回熱器的效率。他的研究表明:回熱器中的主要損失并非是有溫差情況下的傳熱損失,而是頻率或填料結構不合理,通過頻率匹配可以提高回熱器的效率。在對小波幅下的熱聲效應有了較全面的了解后,眾多研究人員逐漸轉向了對大波幅下熱聲效應的研究。美國海軍研究生院的Atchley和Hofler等研究人員于1990年對實驗與理論的吻合情況進行了研究。實驗表明:在小波幅情況下,實驗數據與理論結果吻合很好;隨著波幅增大,實驗數據與理論結果之間逐漸出現偏差。實驗還發現:在速度節點處實驗與理論的偏差很小,并且與波幅無關。與此同時,Los Alamos國家實驗室的Swift也對大波幅下的熱聲現象進行了研究,并對大波幅小實驗與理論偏差的可能因素進行了分析研究,提出了一些合理的解釋。日本的Akira Kawamoto等在實驗中對板疊上的溫度分布進行了研究,他們發現實驗測量值與Swift的線性理論值有較大的出入。然后他們對線性模型進行了改進,將渦流與聲流效應加以考慮。改進后的結果與實驗值的吻合程度大大提高了。另一方面,Akhavan ,Kamm和Shapiro以及Merkli和Thomann對波動流中流態從層流向紊流的轉化進行了研究,這對研究熱聲效應中的流動以及與之相關的問題提供了很大的幫助。


                                    國內對熱聲理論的研究剛剛起步,中科院低溫中心的肖家華運用簡單的物理模型,從實際氣體和固體方程的基本方程出發,包括流體的連續性方程、動量方程、流體和固體的能量方程,狀態方程及普遍適用的熱力學關系式,經過合理的簡化,推導出使用與單純流體二維流道、平均化的多孔介質一維流道的一般聲場的熱聲學理論,建立了熱聲學的縱向波動方程和能量 - 溫度方程,并建立了回熱式制冷機的熱聲模型,較好地處理了回熱式熱機的內在不可逆性和了解了各種因素的影響。


                                    華中理工大學的鄧曉輝和郭方中運用理論和系統熱力學的方法,對回熱器的研究作了進一步的工作。首次從實驗中證實了Ceperley聲功率放大器提法的正確性,通過細致的熱力學分析,指出了熱聲轉換的本質過程,并在郭方中的網絡理論指導下建立了工程實用的回熱器有源熱聲網絡。


                                    上海同濟大學的韓鴻興和壽衛東等人進行了熱聲制冷機的實驗研究,并在未穩定的情況下獲得了10°C的溫差。


                                    浙江大學制冷與低溫研究所的白火亙、陳國邦等對熱聲壓縮機進行了實驗研究。在以氮氣和氦氣為工質時獲得的*大壓比分別為1.12和1.068,他們還將熱聲壓縮機用于驅動脈管制冷機并獲得了15℃的溫降,*近則獲得了100°C左右的溫降。

                                    熱聲制冷技術:一種理想的制冷方案


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