串列热驱热声制冷机的发展
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一、古代的制冷技术在古代,人们对于制冷技术的需求主要集中在食物保存和药品保鲜上。
古代人们使用各种方式来制冷,比如在阴凉的地方存放食物,利用雪和冰块来降低温度,或者使用风机和水泵来降低环境温度。
然而,这些方法都只是简单的制冷手段,无法达到持续、稳定的制冷效果。
二、机械式制冷技术的出现19世纪初,机械式制冷技术开始出现。
当时,发明家们开始尝试使用压缩蒸发循环的原理来制冷。
1824年,英国化学家迈克尔·法拉第发明了世界上第一台制冷机,这标志着机械式制冷技术正式进入实用化阶段。
随后,人们对于制冷技术的研究逐渐深入,制冷设备的性能和稳定性也不断得到提升。
三、电力驱动的制冷设备的发展20世纪初,电力作为新型能源逐渐得到广泛应用,这也推动了制冷技术的快速发展。
随着电力驱动的制冷设备的出现,人们可以更加便捷和灵活地进行制冷操作。
冰箱、冷柜和空调等设备开始进入家庭和工业生产领域,逐渐改变了人们的生活和工作方式。
四、制冷技术在工业领域的应用随着工业生产的不断发展,制冷技术也得到了广泛的应用。
在食品加工、医药生产、化工生产等领域,制冷设备可以帮助人们更好地保持原材料和成品的质量和安全性。
制冷技术还在航空航天、船舶和汽车等交通工具中发挥着重要作用,保障了人们在特殊条件下的生活和工作需求。
五、制冷设备制造行业的现状和未来发展目前,全球制冷设备制造行业已经成为一个庞大、复杂的产业体系。
从原材料的研发到设备的生产制造,再到售后服务和回收利用,整个行业链条都在不断地壮大和完善。
随着科技的不断进步,制冷设备制造行业也在朝着节能、环保、智能化方向发展,努力满足人们对于舒适、安全和便利生活的需求。
六、结语制冷设备制造行业的发展历程充分体现了人类对于科技和生活质量不断追求的过程。
从古代简单的制冷技术到今天复杂的、高效的制冷设备制造行业,每一个阶段都离不开人们的创新和努力。
相信在不久的将来,制冷设备制造行业将会迎来更大的发展机遇和挑战,为人类的生活和发展带来更多的惊喜和便利。
热声制冷技术中的物理知识探究热声制冷技术就是利用热声效应将高强度的声能向热能方向转变的一种技术。
热声制冷技术的起源要追溯到1777年Byron Higgins在实验中的一次意外发现:在做实验的时候,他一不小心让燃烧着的氢气接触到了两端开口的大管子,结果管子里发出像吹风琴一样的声音。
当时他把这种现象形象地称为“歌焰”。
后来,Sondhauss和Rijke分别对一段开口和两端都开口的管子做了热声效应的研究,形成了后来以Sondhauss管为雏形的驻波热声发动机和以Rijke管为雏形的行波热声发动机。
如今,热声技术已经成为一个热门话题,其具有环保、长寿命、高效节能、简单轻便等明显的优势,其在制冷领域有着巨大潜力,备受关注。
1 工作原理热声制冷机最主要的部件是热声堆,热声堆主要起热交换的作用。
一定频率下,空气分子在热声堆中沿着热声堆的纵向在各叠层之间做往复来回运动。
如图1所示:空气分子在状态2中升温放出热量,在状态5中降温,吸收热量。
设起初时气团处在状态1,温度为T。
当声压增加时,气团向上动并且被绝热压缩,温度上升为T++到达状态2。
此时气团的温度要高于其附近热声堆的温度,就会把热量输给热声堆,温度降为T+到达状态3。
在声压降低的状态下,处在状态3的气团向下振动并且发生绝热膨胀,温度降低为T-到达状态4。
随着声压继续降低,气团继续向下振动并且继续发生绝热膨胀,温度降低为T---到达状态5。
对于状态5来说,此时气团温度就比其附近的热声堆的温度低,热量就会被输送给气团,温度升高为T--到达状态6。
状态6声压增强,气团向上运动并且被绝热压缩,温度上升为T到达状态1,这就是气团的一个运动周期。
在每一个振动周期中,气团都会从热声堆的下端吸收热量,在热声堆上端释放热量,完成垒热过程,这就是我们在实验室中所观察到的热声效应的基本原理。
接下来,从理工科基础课程知识出发介绍其物理理论内涵。
2 Rayleigh准则关于热声效应的理论研究最早是从1868年开始的。
集中供热供冷技术发展研究1. 引言1.1 背景介绍集中供热供冷技术是指通过中央设备对建筑物进行供热和供冷的方法,是现代建筑节能环保的重要手段之一。
随着社会经济的不断发展和人们对室内舒适度的需求不断提高,集中供热供冷技术在城市建设中得到越来越广泛的应用。
背景介绍这一部分将主要从集中供热供冷技术的起源和发展背景、国内外发展现状以及存在的问题和挑战等方面进行论述。
集中供热供冷技术起源于欧洲,在20世纪初开始在一些发达国家开始得到应用。
随着我国城市化进程的加快,集中供热供冷技术也在我国得到了快速的发展。
目前,国内外不少大城市已经建立了完善的集中供热供冷系统,为城市居民提供了舒适的室内环境。
集中供热供冷技术在提高建筑能源利用效率,减少环境污染等方面具有重要意义。
目前我国集中供热供冷技术在运行管理、能源利用效率等方面还存在一些问题和挑战,亟需进一步研究和改进。
背景介绍部分旨在为后续的技术概述、技术发展历程、影响因素分析等内容奠定基础,为读者全面了解集中供热供冷技术提供必要的背景信息。
1.2 研究意义集中供热供冷技术是现代能源利用的重要方式之一,具有解决城市能源消耗和环境污染等问题的重要意义。
研究该技术的意义主要体现在以下几个方面:1. 节能减排:集中供热供冷技术可以有效减少建筑物的能耗,降低二氧化碳等温室气体的排放,有利于保护环境、减缓气候变暖。
2. 提高能源利用效率:通过集中供热供冷技术,可以将环境中的余热余冷充分利用,提高能源的利用效率,减少资源浪费。
3. 改善城市空气质量:传统的分散供暖方式往往会造成燃煤污染等问题,而集中供热供冷技术可以减少燃煤燃烧,改善城市空气质量,保障市民的健康。
4. 推动城市可持续发展:集中供热供冷技术是城市能源结构调整的重要途径,可以促进城市的可持续发展,提升城市的综合竞争力。
研究集中供热供冷技术的意义在于推动能源清洁利用、改善城市环境、提升城市发展水平,是当前能源领域的重要课题之一。
制冷技术的发展现状与未来发展趋势制冷技术是现代社会不可缺少的一项技术,它广泛应用于空调、冰箱、食品冷柜、医药存储等领域。
然而,人们并不是尽善尽美地掌握了制冷技术,仍然在不断改进。
本文将探讨制冷技术的现状和未来发展趋势。
一.制冷技术的现状目前,最常用的制冷技术是压缩式制冷。
这种制冷技术的核心是制冷剂和压缩机。
制冷剂流经四个部分:蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀。
首先,制冷剂在蒸发器中吸收外界热量,变成气态,并吸收热量,然后进入压缩机被压缩,此时温度和压力都会上升,然后被送入冷凝器,这时候因冷凝器中的散热器的冷却作用而冷凝变成液态,温度迅速降低,最后通过节流阀降压,回到蒸发器再一次循环。
这种制冷技术的优点是效率高、成本低,然而这种制冷技术也有它的弊端,如污染问题。
其中,全氟烷(R-12)和氢氟碳化物(R-22)是常用的制冷剂,但它们会破坏臭氧层。
因此,国际上已经禁用这些制冷剂,许多国家也在逐步转向使用更环保的制冷剂,如R410A、R290、R407C等制冷剂。
二.制冷技术的未来发展趋势1. 低温制冷技术随着科学技术的不断进步,制冷技术也不断发展,未来的发展趋势将是低温制冷技术。
低温制冷技术主要应用于特殊的领域,如产业制冷、航空航天等。
它是在相对低温下进行的制冷技术。
低温制冷技术的突破将给航天和石油领域带来重大的发展机遇。
2. 新的制冷剂在制冷剂的发展方面,未来的制冷剂将大规模采用天然制冷剂和低全球变暖潜势制冷剂。
天然制冷剂具有绿色环保、零全球变暖等较好的特点,周围环境的污染很小,而且未来的制冷剂将会发展成多元复合的状态,以供应不同问题的解决方案。
3. 制冷技术的自动化随着智能化的发展和技术领域的提升,未来的制冷技术将逐渐实现自动化和信息化。
这将极大地提高制冷技术的生产效率和稳定性。
自动化制冷技术不仅可以减少人员的操作,也可以更加精确地控制温度和湿度等参数,以达到更好的使用效果。
总结:如今,随着人们生活水平的提高和环境保护意识的抬高,未来的制冷技术将会越来越智能化和环保。
学号:011020118姓名:欧阳维波2013年12月7日南京航空航天大学当前的制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域,并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。
可以说,现代技术进步离开了制冷技术发展是不可想象的。
除了在制冷剂方面的进展,在新的制冷理论及实践方面也有许多进展,如热声制冷技术的研究和运用。
热声现象早在200多年前就已经被发现,然而热声学研究的繁荣却只是最近50年的事。
N.R o t t首次对热声现象进行的定量分析是现代热声学研究中一大里程碑式的成就大大激起了人们从事热声研究的兴趣。
尤其在最近20年热声现象在制冷领域的应用成了一大热点这是由于热声制冷机和热声机驱动的脉管制冷机具有结构简单、振动部件少和运行寿命长等优点此外它们使用的无公害工质如惰性气体等也是同制冷技术中禁用CFCs和H C F C s的趋势相一致的;同时,热声机械采用热能(燃气、太阳能等)驱动。
它的应用将为合理利用低品位能源、提高系统的热力效率开辟新的途径,因而在空间技术、电子器件冷却,乃至家用领域存在巨大的应用潜力。
热声制冷作为21世纪以来发展的一种新的制冷技术,与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比,热声热机具有无可比拟的优势:无需使用污染环境的制冷剂,而是使用惰性气体或其混合物作为工质,因此不会导致使用的CFCS或HFCS臭氧层的破坏和温室效应而危害环境;其基本机构是非常简单和可靠,无需贵重材料,成本上具有很大的优势;它们无需振荡的活塞和油密封或润滑,无运动部件的特点使得其寿命大大延长。
热声制冷技术几乎克服了传统制冷系统的缺点,可成为下一代制冷新技术的发展方向。
所有的热声产品的工作原理都基于所谓的热声效应,热声效应机理可以简单的描述为在声波稠密时加入热量,在声波稀疏时排出热量,则声波得到加强;反之声波稠密时排出热量,在声波稀疏时吸入热量,则声波得到削弱。
当然,实际的热声理论远比这复杂的多。
当然,热声制冷的设计水平及制造工艺也在不断的提高。
热声制冷的基本原理热声制冷是一种基于热声效应实现的制冷技术。
它利用气体在周期性膨胀和压缩过程中吸收和释放热量的特性,在低频声场中实现制冷效果。
热声制冷具有无需运动部件、低噪音、高可靠性和较高制冷效率等特点,因此在一些特定领域得到广泛应用。
热声制冷的基本原理如下:1. 热声效应:当声波通过气体介质传播时,将产生周期性的压缩和膨胀效应,使气体分子发生往复运动。
根据热力学第一定律,气体分子在压缩过程中会吸收热量,而在膨胀过程中则会释放热量。
2. 声波泵浦:热声制冷中的关键设备是声波泵浦,它通过声波作用将气体从低温端推向高温端。
声波泵浦通常由压电陶瓷和金属薄膜等材料构成,通过施加交变电压使压电陶瓷产生往复振动,从而产生声波传播到气体介质中。
3. 声波层流组织:通过精心设计声波泵浦的结构和气体流道,可以使气体介质形成一种特殊的层流组织,即声波层流组织。
声波层流组织是气体分子在声波泵浦作用下形成的一种周期性波动分布,它具有具有周期性的气体密度波动和相位波动。
4. 声波热流:在声波层流组织中,气体分子受到声波周期性膨胀和压缩的作用,从而产生周期性的热流。
当气体分子经历压缩过程时,吸收周围的热量;而在经历膨胀过程时,则释放热量。
这种热流的存在是热声制冷实现制冷效果的基础。
5. 声波声管:声波声管是热声制冷中用于传导声波的介质通道。
它通常由管道和薄膜等材料构成,通过精心设计的结构和材料选择,实现声波的最佳传播和吸收效果。
6. 制冷效果:当声波传播到声波声管中,声波层流组织会形成周期性的热流。
这种热流在声管两端的气体介质中产生周期性的热吸收和热释放。
通过适当设计的热交换器,将热力转移到外界,从而实现制冷效果。
热声制冷的制冷效果与声管结构、声波频率、工作气体等因素有关。
总之,热声制冷是利用声波作用使气体在周期性膨胀和压缩过程中吸收和释放热量的技术,通过适当的声波泵浦和声管设计,实现对制冷物体的制冷效果。
热声制冷具有无需运动部件、低噪音、高可靠性和较高制冷效率等特点,在一些领域有着广泛的应用前景。
“热声制冷”的原理是怎样的?此类空调能够顺利商业化吗?根据斯特林发动机的远离,荷兰Sound Energy 公司开发出了一套通过吸收工业废热或太阳能、将之转化为无需附加能源的强大冷却系统的解决方案——简称 THEAC 。
据悉,THEAC 系统无需机械运动部件、不使用制冷剂、不制造二氧化碳、不消耗昂贵的金属材料。
相反,它借助的是氩气——这种气体储量丰富、不会导致全球气温变暖、且完全可持续。
THEAC 系统完全依靠输入的热能来制冷,运行时的噪音和淋浴时差不多,并且采用了可扩展的设计。
该公司演示了一套25-kW 的升级装置,能够实现低至 -25°C(-13°F)的制冷效果。
这项技术借助了“热声效应”(Thermoacoustic Effects)——早在几个世纪前,就已经被玻璃吹制工人(Glass Blowers)所发现。
当在较冷的细管末端、向较热的那一端吹泡时,会产生响亮而单调的声音。
19 世纪 50年代的实验证明,该现象的关键部分,就是温差!声音的强度,会随着灯管的长度(以及灯泡的大小)而发生变化。
不过,声音只是人耳可以听到的气压振动(有峰值和谷值)。
在热量的影响下,气体会膨胀和收缩——这意味着温差可以产生气压差,也是斯特林发动机的运行原理——它是造成玻璃管‘声波振荡’的压力波源。
早在 1850 年代,物理学家 Pieter Rijke 就已经证明:在管子的四分之一处、装入一个加热的金属丝网,可有效地放大声音——因其能够在这个最大压力点,为管中的空气提供额外的能量。
进一步的实验表明,通过在最小压力点冷却空气,也能够带走能量、并对热声波产生类似的放大效应。
Sound Energy 的设备,即利用热差在无限环管中产生声波,并放大该波至高强度。
然后,就像热差被转换成压差一样,压差又可以反向转成热差。
虽然听起来感觉很诧异,但我们看到的,确实是一套固定的系统——没有冷热相关的可移动部件。
2024年热电冷却器(TEC)市场分析现状引言热电冷却器(Thermoelectric Cooler, TEC),也称为Peltier制冷器,是一种使用热电效应实现制冷和加热的电器装置。
TEC技术具有高效、无震动、静音、无污染、可靠性高等优点,在众多领域得到广泛应用,包括电子产品、半导体制冷、医疗设备、光学仪器等。
本文将对热电冷却器市场的现状进行分析。
市场规模根据市场研究公司统计数据,热电冷却器市场在过去几年里呈现稳步增长的趋势。
预计这一市场将在未来几年继续保持增长势头。
主要驱动力源于以下几个方面:1. 电子产品领域的应用增加随着消费电子产品市场的繁荣,如智能手机、平板电脑、电脑等,对热电冷却器的需求也在增加。
电子产品不断追求更高的性能和更小的尺寸,而热电冷却器作为一种紧凑高效的制冷方法,能够满足这些需求,因此在电子产品领域的应用将继续增加。
2. 半导体制冷应用的扩大半导体制冷作为热电冷却器的一大应用领域,正逐渐扩大规模。
半导体制冷可以在微小空间内提供高效的制冷效果,因此在航空航天、汽车、军事等领域得到广泛应用。
随着相关技术的不断进步和成本的逐渐降低,半导体制冷市场将持续增长,推动热电冷却器市场的扩大。
3. 医疗设备领域的发展医疗设备对高精密度制冷技术的需求不断增加。
热电冷却器能够提供精确的温度控制,因此在医疗设备中得到广泛应用,如激光治疗、核磁共振成像等。
随着医疗行业的不断发展和技术的进步,热电冷却器市场将迎来更多机会。
市场竞争热电冷却器市场竞争激烈,主要的竞争者包括国内外的制造商和供应商。
市场上已经形成了一些领先的公司,如TE Technology、Laird Thermal Systems、II-VI Marlow等。
竞争者之间的差异化策略主要体现在以下几个方面:1. 技术创新与研发能力技术创新是热电冷却器市场竞争的核心。
公司通过不断进行研发和创新,提高产品品质和性能,以满足市场需求。
在研发能力方面,一些领先的公司投入大量资源用于技术研究和新产品开发,以保持竞争优势。
串列热驱热声制冷机的发展胡忠军,李正宇,李青,周刚,李强(中国科学院理化技术研究所,北京,100190)摘要:分析了串列热驱热声制冷机的工作机理,包括全波长二阶谐振机理及其控制措施、驻波级和行波级高效热声转换的工作机理以及驻波级热声制冷单元回收行波级膨胀功方式和特点。
关键词:热声制冷机; 谐振频率; 驻波; 行波Development of the tandem thermoacoustic refrigeratorZhong Jun Hu,Zheng Yu Li,Qing Li,Gang Zhou,Qiang Li(Technical Institute of Physics and Chemistry, CA S, Beijing, 100190) Abstract :The working mechanism of the tandem thermoacoustic refrigerator driven by heat was analyzed. The full-wavelength resonance would be excited in tandem thermoacoustic refrigerators. How to control this second-order resonant mode was discussed. The thermoacoustic conversion in standing-wave and traveling-wave thermoacoustic units would be much more effective than that in conventional standing-wave thermoacoustic engines. The recovery of the expansion power by a standing-wave thermoacoustic unit was studied.Keywords: Thermoacoustic refrigerator, Resonant frequency, Standing-wave, Traveling-wave1引言热声制冷机简单、环保和节能的特性符合可持续发展的需要,是当前制冷技术领域的研究前沿和热点之一。
早期电声驱动的驻波型热声制冷机,依赖于气固二元工质间的不可逆传热过程工作,其热效率的提高受到限制,-20℃下的制冷系数(COP)通常仅为0.6左右,是传统蒸汽压缩式制冷的20%~30%。
随着对太阳能和各种低品位热能的开发利用,热源驱动的热声制冷机近年来得到了迅速发展。
这种热驱热声制冷机,先通过热声发动机实现热能向声能的转换,在热声制冷单元进一步利用声能实现热量由低温向室温的泵送。
美国海军研究生院的Holfler 等1996年研制的普冷温区驻波型热驱热声制冷机该机获得了0.56的COP[1]。
1999年由美国Los Alamos国家实验室建立的一种新型的可实现声功回收的脉管型制冷机属于行波型热声制冷机的范畴,在0o C时获得了1左右的COP[2]。
2002 年,日本T.Yazaki 等人报道了所谓的“无活塞型斯特林制冷机”,该热声驱动的热声制冷机利用了环行闭合收稿日期:2009-08-20作者简介:胡忠军(1977-),男,助理研究员,研究方向为热声技术、低温工程。
本项目获国家自然科学基金(10804114)资助回路获得了-27o C最低温度[3]。
2006年中科院理化所罗二仓等研制的双环形圈型行波热声制冷机,单纯行波制冷机的COP在-22℃达到了1.8,整机COP达到0.11[4]。
回顾高效行波热驱热声制冷的发展,早期研究集中在以热声发动机代替脉冲管制冷机的压缩机。
由于脉冲管制冷的理论制冷系数是冷端温度与环境温度绝对温度之比,在低温工况下接近卡诺制冷系数,但在普冷制冷范围内远低于卡诺制冷系数,制冷功率密度也不大。
后来逐渐发展起来的环形行波型热声制冷机总是难以克服声直流损失的问题,热声发动机和行波制冷机之间的匹配也影响系统效率的提高,有时存在严重的大马拉小车现象,制约了其在工程的广泛应用。
为提高实际功率密度和制冷系数,在研究级联型热声热机的基础上[5],新近发展了一种新串列热驱热声制冷机[6,7]。
2工作机理热驱热声制冷机一个突出的问题就是热声发动机单元与热声制冷机单元之间衔接方式及其阻抗匹配的问题。
串列热声制冷系统就是通过构造出全波长谐振系统实现声功在发动机和制冷机之间的有效传输。
串列热声制冷系统可看作级联型热声发动机和级联型热声制冷机前后串列协同工作的系统,即在一个全波长谐振器内依次布置级联型热声发动机单元(热声源)和热声制冷机单元(热声负载)。
热声源和热声负载之间互为调相机构,代替了部分为维持声场特征而必须附加的高耗功谐振结构,可解决热声发动机与热声制冷机之间的阻抗匹配失调问题。
计算表明,理论上串列式热声制冷可达到传统蒸汽压缩式制冷的效率。
2.1 谐振器全波长谐振机理和二阶谐振模态的实现条件从高效率的热声转换来看,热声发动机和热声制冷机回热器都要求放置在高阻抗的行波位置上。
由于这个有效的行波区通常只占波长不到5%的长度,在百赫兹以上振荡下行波区的绝对长度通常只有数厘米。
热声发动机和热声制冷机之间的热绝缘又需要1%波长以上的缓冲距离,使得在一个行波区上同时布置热声发动机和热声制冷机基本不可能,因此需要设计出两个行波占优的位置,满足回热器达到合适的阻抗匹配和能量匹配。
系统以倍频振荡运行能够满足这一条件,但是维持和控制一个谐振系统以倍频振荡而非基频振荡,需要根据声场阻抗的分布特征对各回热器位置进行设计。
为避免声直流损失,串列热声系统的声学谐振器由一段谐振管及其两端的谐振腔组成,类似于一个颈部被拉长的双氦姆霍兹谐振器,声学特征更接近于Rijke型谐振器。
由于谐振管两端近似开口的边界条件,两端气体微团的振荡速度总是沿相反的方向,同时由于声场沿程的连续性,在谐振管内部存在振荡速度接近0的区域,即速度波波节。
在速度波节附近,速度振荡方向(相位)发生翻转,而压力波并无方向性(相位基本不变),因此波节附近存在从-90o驻波相位过渡到+90o驻波相位的一段压力波和速度波接近同相的行波区域。
并由于速度波节附近为声压的波腹,即该区域的声阻抗较高。
串列热声制冷机就是要创造出能够提供两个以上的这种高阻抗行波区的自激振荡模态,即二阶以上的谐振模态。
在各高阻抗局部行波区布置回热器可实现行波型热声转换,同时由于高阻抗带来的低速度大大降低了回热器内的粘性损耗和热穿梭损失。
对于串列热驱热声制冷机最重要的就是如何实现并控制系统的谐振模态。
以二阶谐振为例,由于基频是声学系统最容易激发的振荡模态,因此怎样避免系统基频谐振的出现是最重要的技术问题。
由于行波热声单元回热器的流道尺度大大低于气体工质的渗透层,如果在回热器附近出现很高的振荡速度必然带来巨大的粘性损失。
通过对回热器位置在沿程的合理设计,使得回热器基本处于速度波节的位置,两个行波回热器之间的距离约为半波长,系统就可优先激发二阶谐振模态,这在初步实验中得到了验证。
2.2热声单元高效工作机理两端附加温度梯度的行波级回热器具有自调相功能,同时还能够调节驻波级热声堆的声阻抗,这就是级联型热声热机和串列热声制冷机高效工作的机理所在。
工程实践所开发的高效行波热声热机的回热器,实际处于驻波相位和行波相位之间(±50︒以内),同时回热器当地声阻抗率是气体工质特征阻抗率的20倍以上。
声阻抗的幅值提高可以通过调整回热器的横截面面积实现。
由于回热器的水力半径大大低于粘性渗透层,造成自激振荡的速度波波节总是处于回热器内部,速度波节处恰恰是最佳听音点(压力波和速度波同相)。
速度波节附近是声容抗占支配地位的区域,加上温度梯度下的热声效应,对于回热器内任一长度为dx的微元段,总会引起式(1)所描述的速度波体积流率的变化,其中gdxU1代表着流增益项(温度梯度>0);式中第二项括弧内分别表示声容项和热弛豫损耗项,由于二者前面均乘以了-i,即相位上减小90︒,同时体积流率又得到了放大,所以回热器将引起U1和p1之间相位差趋于降低,表现为回热器当地接近行波相位区的有效长度得到延长(相对于无回热器单元的情况)。
()[]()[]111{11Re1Im}fmk kA dxdU gdxU ipf f pωγγγ=-+-+--(1)增益:()()111Prk v mv mf f dTgf T dx-=--(2)式中γ为工质比热比;f 为热声函数,脚标ν和k 分别代表粘性和热弛豫;ω为角频率;A f 为流道横截面积;p m 工质平均密度。
图1为某种典型工况下,谐振管内加入回热器单元引起当地声阻抗和行波相位的变化。
由于回热器的加入,气流通道横截面A f 减小,加上回热器流源放大作用,最佳听音点位置滞后30mm ,局部行波区由原来空管的10.8mm 延长至42mm ,可见回热器自调相作用在级联型热声热机和串列热声系统中的重要性。
P h a s i n gOX m图1回热器加入前后相角的分布Fig. 1 The phasing distribution character whenthe regenerator unit was inserted单独利用驻波级热声堆也可以达到和串列热声系统同等声功率密度的压力波。
但是由于行波级回热器具有声功放大作用,理论功率(体积流率)放大倍数约为T H /T A (一般热源情况下为2~3)。
因此串列热声系统由于回热器的加入,高声强振荡下的声压可以得到降低2~3倍(因为E 2=| p 1U 1cos φ| /2)。
如果达到和串列系统同等声强振荡时还达到同等的声压级(用于热声制冷的需要),同理分析可知热声堆当地体积流率将比单独驻波级降低2~3倍。
对实际串列热声系统的模拟计算也表明回热器单元的加入可以热声堆处声阻抗升高了1/3,进一步降低了当地振动速度从而降低了热声堆粘性损耗和热弛豫损耗(二者均与振荡速度的平方成正比)。
对制冷机驻波级和行波级的可同理分析。
典型工况对比计算表明,同等声功功率密度和同等声压振荡下,串列制冷机热声堆COP 比单纯驻波制冷机可提高40%,串列发动机热声堆热效率比单独驻波热声发动机机提高30%,串列热声制冷机整机COP 比单独驻波热声系统提高1.37倍。
2.3声功回收方式和特点 对于运行在普冷温区的行波型热声制冷机,理论上最大制冷量Q 0等于回热器冷端流出的声功(膨胀功)E 2C 。
同时行波回热器的热声转换表明流出回热器冷端的声功E 2C 与流入回热器室温端声功E 2A 之比近似等于T C /T A ,普冷温区,特别是标准冷冻工况以内的温区内T C /T A >0.8。