热机技术应用分析

热机技术应用分析

佟智伟

关键词：热机技术应用

0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。

1热声热机的组成

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。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)。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。

2热声热机的工作原理

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。

2.1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，因为驻波在相同的功率下可以形成较大的振幅。下面以驻波热机为例说明热致声的原理。为了深刻地理解热声谐振管中热能和声能之间的转换，将以回热器板叠中的流体微团为对象，研究它在一个声波周期内的状态变化。以1/2波长的热机为例，对于两端封闭的驻波管，驻波在两端的速度为零，而压力振幅最大，是驻波的两个波节。在驻波管的正中央，压力振幅为零，而速度振幅最大，是驻波的波峰或波谷。压力相位和速度相位相差90°，板叠则位于压力波节和速度波节之间。板叠内的流体微团在驻波作用下左右往复运动，同时使它压缩和膨胀。在正温度梯度下，流体微团的温度变化。在1、3两点，流体微团的温度和该点的板叠温度相等。因此，流体微团和板叠之间没有热交换。微团的四个状态变化过程如下：①当流体微团由1到2时，它在驻波作用下向左运动的同时被压缩，其温度低于板叠的温度，因此从板叠吸热，压力增大，微团对外做功。到达2点，流体的温度达到最高，压力最大，体积也达到最大压缩；②当微团由2到3时，流体在驻波作用下向右运动的同时微团体积膨胀，压力减小，温度降低。但流体的温度仍然低于板叠的温度，因此，微团从板叠吸热；③当微团由3到4时，在驻波作用下微团继续向右运动，同时体积膨胀对外做功，压力减少，温度降低，但由于板叠的温度梯度较大，这时微团的温度高于板叠温度，因此对板叠放热。在4点，微团的温度最低，压力最小，达到最大膨胀；当微团由4到1时，它在驻波作用下向左运动同时被压缩，压力增大，但流体微团温度仍高于板叠温度，因此对板叠放热。流体微团的上述四个过程往复循环，不断地将热能转化为声能，其体积、压力、温度都呈现周期性的变化。

2.2声致冷原理声致冷基本可以看成是热致声的逆过程，其结构与热致声相同。它的四个过程可简单的概括如下：①微团由1到2向左运动时，温度升高，压力增大，流体微团绝热压缩温度高于板叠温度，对板叠放热；②微团由2到3向右运动时，温度降低，压力减小，但温度仍然高于板叠温度，对板叠放热；③微团由3到4向右运动时，压力继续减小，温度继续降低，这时温度低于板叠温度，从板叠吸热；④微团由4到1向左运动时，温度升高，压力增大，温度低于板叠温度，从板叠吸热。这样大量微团协调的周期性的往复运动，不断地从右端吸热，到左端放热。相当于微团不断地把低温端的热量送到高温端。通常热端的热量直接排放到环境中，冷端的冷量作为冷源提供给负载，声波在泵热过程中是以消耗自身的声功为代价的。

3热声热机的应用

热声热机包括发动机和制冷机。热声发动机产生的直接能量是声波，声波既可以作为直接驱能源(如驱动脉管制冷机制冷)，也可以转化为其它形式的能量。用热声热机做成的压缩机，最大的优点是无运动部件，可以实现无油润滑。热声制冷是一个很有应用前景的制冷技术。由于它具有无运动部件、无污染、低噪声的优点，可以做成优良的环保冰箱和空调。热声制冷机按其结构分为两种：一种是电声驱动的热声制冷机，一种是热声驱动的热声制冷机。对于电声驱动制冷机，最有代表意义的是Hofler制作的驻波热声制冷机。它是一个1／4波长的制冷机。声源由电驱动的声发生器提供，其高温端温度为300K，低温端温度为210K，压比为0.03，功率为6W，效率为卡诺效率的35%。目前已在建造的热驱动的制冷机只有一台用于液化天然气，设备长12m，回热器直径0.5m，制冷温度可达120K。热声热机应用的发展受两大因素制约：①体积比功率较小，要求热源温差大。由于通常的热声热机的工质是气体，而气体工质的体积比热小，因此热声热机的尺寸非常大。为了提高工质的体积比热，使用超临界液体工质代替气体工质。②效率较低。提高热声热机的效率应从两个方面着手，一方面要优化热声热机的结构，提高热声的转换能力；另一方面提高声功的利用率，减少不可逆因素的耗能。