热声制冷技术：一种理想的制冷方案

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　　一、热声研究的目的和意义

　　八十年代以来，脉管制冷机的研究获得了突飞猛进的发展，两级脉管制冷机达到了1.7K。但目前脉管制冷机离实用化、工程化还有一定的距离，其主要原因之一就是缺少与脉管制冷机相匹配的压缩机。目前广泛采用的机械压缩机中仍然存在着运动部件，压缩机的性能将对脉管制冷机的性能产生直接的影响。在这种情况下，采用热压缩机代替常规的机械压缩机来驱动脉管制冷机是一种理想的方案。

　　这种热声驱动脉管制冷机具有两个突出的优点：

　　  · 其一是制冷系统除流动工质外没有运动部件，从根本上消除了常规机械制冷机存在的磨损与振动;

　　  · 其二是采用热能驱动，可用太阳能、燃气等作为热源。

　　采用低品位的热能不仅有利于提高系统的热力学效率，而且对于那些缺乏电能的场合则更具有实际意义。此外，热声制冷机一般采用N2或He作工质，属于绿色工质，对大气臭氧层没有破坏。可见，热声压缩机是一种具有发展潜力的新型压力波发生器，在空间及输电困难但能提供热能的地方(如远海或荒漠中开采石油和天然气)有着广泛的应用前景。

　　热声制冷机也可用扬声器来驱动，虽然这种制冷机也存在着运动部件(扬声器振动膜)，但由于其不需要动密封，故无维修使用寿命比常规的制冷机要长，且与压缩机的活塞相比振动膜的振动要小得多。若采用气体工质，则在那些需要较大温差、较小能流密度的场合有很大的应用前景;若采用近临界液相工质(如乙烯)，则单位体积制冷量可与目前的常规蒸汽压缩制冷机相当，其清洁、可靠和低成本的特点使其在家用和工业制冷场合具有极大的竞争力。

　　同时，研究热声压缩机还可以进一步开拓视野，丰富和完善热声理论，推动和发展回热式热机，还能让我们以一个全新角度去认识其它类型的热机，从而推动它们的发展。以往的回热式热机循环理论基于理想的热力学可逆过程，从能量守恒和动量守恒方程出发，忽略了流体工质的流动特性对流体与固相工质间热交换的影响，与实际的工况相差甚远，定量化程度不高，更不能为我们提供对其工作机理的了解。同时，数值模拟方法对每个具体的情况都需作较大调整，缺乏普遍指导意义。

　　热声理论将热机的工作机理归结为普遍的热声效应，即可压缩的工作流体的振荡(即声)与固体介质热相互作用产生的时均能量效应。它能很好地解释一些问题，如传统的平衡观点认为，回热器是一个换热器，为提高效率，应减少气轴向温度梯度，实际上根据热声理论，我们可以知道：回热器的临界温度梯度是判断热功转换方向的重要参数。回热器不仅仅是一个换热器，还是一个热功转换元件。

　　二、热声学的发展历史和研究现状

　　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。

　　热声效应，即声场中的时均热力学效应。根据能量转换观点可将热声效应分为两类：

　　  · 一是用热来产生声，即热驱动的声振荡;


　　  · 二是用声来产生热流，即声驱动的热量传输。

　　其相应的机械装置分别为热声压缩机和热声制冷机。热声压缩机和热声制冷机在原理上是一致的，只是由于某些参数不同而导致了运行结果的迥异。

　　人们在很早以前就发现了热声效应。1777年，Higgins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置时，会在管子中激起声波振动。由此演化而来的Rijke管现在已经在大学课堂上广泛用作演示热声效应的装置了;另一种较早的热声装置Sondhauss管也是在十九世纪就提出来了，它与Rijke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的。

　　1878年，Rayleigh首先给出了热声振荡现象定性解释，他指出：对作声振动的介质，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)。反之，若在其最稠密的时候从其中吸取热量，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)。这就是所谓Rayleigh准则。

　　现代实验热声学最重要的发展之一是美国新墨西哥大学的Carter教授和他的研究生Feldman在1962年对Sondhauss管进行的改进。他们在Sondhauss管中采用适当结构来提高它的效率，大大加强了管内的热声效应，并以600W的热传输功率获得了27W的声功率。在美国Los Alamos国家实验室，Swift和Wheatley首先开展了对热声制冷机的研制工作。Wheatley教授认为声谐振驻波和表面泵热效应的组合可以形成一种完全新型的“自然发动机”。气体热声效应、固体介质与气流之间所需的时均相位差是通过自发不可逆过程，尤其是有限传热温差得到的。原则上说，这是热声制冷机同其他制冷循环的根本区别。通常的制冷循环需要提供外在的机械部件来保证循环中各过程的切换，而热声制冷机能自发调节相位，从而自动在各循环过程中进行切换。因此，热声制冷机具有部件少、成本低、结构简单、可靠性强等优点。

　　1986年，Hofler在他的博士论文中设计并制作了一实验热声制冷机。这是世界上第一台有效的热声制冷机，它以扬声器驱动发声，在3W的热负荷下，其制冷系数达到卡诺系数的12%，制冷温度可达 -50℃。

　　1990年，G.W.Swift、R.Radebaugh和R.A.Martin建议用热声驱动器 (TAD) 代替机械压缩机来驱动小孔型脉管制冷机，如图。当TAD密集的间隔片的温度梯度超过其临界值时，氦工质气流将自发产生热声振荡。因为在热声脉管中无运动部件，所以具有潜在的低成本和极高的可靠性。

　　热声驱动器(TAD)与小孔型脉管制冷机(OPTR)

　　在驻波热声机械获得极大发展的同时，行波热声机械也取得了很大的进展。美国George Mason大学Ceperley于1979年提出了一种共振型行波热声制冷机。行波热声制冷机的组成包括声波发生器和以室温放热器、回热器、低温吸热器以及行波声导管部件。这些部件形成一个行波的回路，而回路的长度正好为一个声波长。

　　Ceperley的行波热声制冷机的工作原理为：声波发生器提供动力产生声振荡，在声回路中产生近共振的行波声场，吸热器利用等温热声效应，从低温热源吸收热量，这个热量，由回热器消耗声功从低温端泵向高温端(回热器的流道横向尺度小于流体的热渗透深度，声场中行波分量起决定作用，热流由低温端流向高温端);放热器将由回热器来的热流释放给环境。

　　日本学者富永昭以热力学方法分析热声现象，目的就是要得到回热器中各种不可逆因素对泵热量的影响，然后克服之以提高回热器的效率。他的研究表明：回热器中的主要损失并非是有温差情况下的传热损失，而是频率或填料结构不合理，通过频率匹配可以提高回热器的效率。在对小波幅下的热声效应有了较全面的了解后，众多研究人员逐渐转向了对大波幅下热声效应的研究。美国海军研究生院的Atchley和Hofler等研究人员于1990年对实验与理论的吻合情况进行了研究。实验表明：在小波幅情况下，实验数据与理论结果吻合很好;随着波幅增大，实验数据与理论结果之间逐渐出现偏差。实验还发现：在速度节点处实验与理论的偏差很小，并且与波幅无关。与此同时，Los Alamos国家实验室的Swift也对大波幅下的热声现象进行了研究，并对大波幅小实验与理论偏差的可能因素进行了分析研究，提出了一些合理的解释。日本的Akira Kawamoto等在实验中对板叠上的温度分布进行了研究，他们发现实验测量值与Swift的线性理论值有较大的出入。然后他们对线性模型进行了改进，将涡流与声流效应加以考虑。改进后的结果与实验值的吻合程度大大提高了。另一方面，Akhavan ，Kamm和Shapiro以及Merkli和Thomann对波动流中流态从层流向紊流的转化进行了研究，这对研究热声效应中的流动以及与之相关的问题提供了很大的帮助。

　　国内对热声理论的研究刚刚起步，中科院低温中心的肖家华运用简单的物理模型，从实际气体和固体方程的基本方程出发，包括流体的连续性方程、动量方程、流体和固体的能量方程，状态方程及普遍适用的热力学关系式，经过合理的简化，推导出使用与单纯流体二维流道、平均化的多孔介质一维流道的一般声场的热声学理论，建立了热声学的纵向波动方程和能量 - 温度方程，并建立了回热式制冷机的热声模型，较好地处理了回热式热机的内在不可逆性和了解了各种因素的影响。

　　华中理工大学的邓晓辉和郭方中运用理论和系统热力学的方法，对回热器的研究作了进一步的工作。首次从实验中证实了Ceperley声功率放大器提法的正确性，通过细致的热力学分析，指出了热声转换的本质过程，并在郭方中的网络理论指导下建立了工程实用的回热器有源热声网络。

　　上海同济大学的韩鸿兴和寿卫东等人进行了热声制冷机的实验研究，并在未稳定的情况下获得了10°C的温差。

　　浙江大学制冷与低温研究所的白火亘、陈国邦等对热声压缩机进行了实验研究。在以氮气和氦气为工质时获得的最大压比分别为1.12和1.068，他们还将热声压缩机用于驱动脉管制冷机并获得了15℃的温降，最近则获得了100°C左右的温降。

　　原文链接：
　　http://jpkc.zju.edu.cn/k/406/courseware/course/engin/three2.htm

　　来源：成剑林科学网博客