热声制冷

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。

基于热声制冷原理的环保型冷风扇设计及制冷效果分析目录1．引言 (3)1.1关于热声现象 (3)1.2热声制冷原理 (4)2．实验方案设计 (6)2.1.1电源部分 (6)2.1.2单片机模块 (6)2.1.3信号发生模块 (7)2.1.4低通滤波电路LPF (7)2.2板叠材料及热声制冷模型 (8)2.3风扇模型设计 (90)3.风扇制冷效果分析 (12)3.1风扇制冷效果计算 (12)3.2 制冷效果图表分析 (16)4．关于装置的优化 (167)5.创新点思考 (178)6.参考文献 (189)摘要：本文目的在于设计一种基于热声制冷原理的冷风扇，适用于炎热环境中的使用。

首先介绍热声效应以及利用热声效应制冷等相关原理，然后给出所处设计的冷风扇的装置结构模型并进行一定的传热理论分析。

关键词：热声效应，制冷，驻波共振，热声堆，传热1．引言1.1关于热声现象热声现象最早可追溯至两百多年前.早在1777年，ByronHiggins就在试验中发现，在一个中空、两端开口的管子的下部适当位置，引入火焰，管中便会激发出声音，如图1(a)所示。

关于热声效应还有两个著名的例子，Rijke管和Sondhauss 管，分别如图1(b)、图1(c)所示。

（a）（b）（c）图1热声现象示意图热声效应简言之是热与声之间相互转换的现象。

从声学角度来说，它是由于声场中的固体介质与振荡的流体之间的相互作用，使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生一个时均热流，并在这个区域内产生或者吸收声功的现象。

按能量转换方向的不同，热声效应可分两类：一类是用热来产生声，即热驱动声振荡；另一类是声驱动热量传输，或称热声制冷(泵热)效应。

热声制冷的概念是在20世纪80年代初提出的，是一种新型的制冷方式。

与传统的制冷机相比，基于热声制冷原理的制冷机运动部件少，结构简单，运行可靠，不产生污染，对环境十分友好，符合目前社会的发展要求。

世界上第一台电声驱动的热声制冷样机由美国的Holfer研制成功，在环境温度为20。

基于热声制冷原理的环保型冷风扇设计及制冷效果分析目录1．引言 (3)1.1关于热声现象 (3)1.2热声制冷原理 (4)2．实验方案设计 (6)2.1.1电源部分 (6)2.1.2单片机模块 (6)2.1.3信号发生模块 (7)2.1.4低通滤波电路LPF (7)2.2板叠材料及热声制冷模型 (8)2.3风扇模型设计 (100)3.风扇制冷效果分析 (12)3.1风扇制冷效果计算 (12)3.2 制冷效果图表分析 (16)4．关于装置的优化 (177)5.创新点思考 (188)6.参考文献 (199)摘要：本文目的在于设计一种基于热声制冷原理的冷风扇，适用于炎热环境中的使用。

首先介绍热声效应以及利用热声效应制冷等相关原理，然后给出所处设计的冷风扇的装置结构模型并进行一定的传热理论分析。

关键词：热声效应，制冷，驻波共振，热声堆，传热1．引言1.1关于热声现象热声现象最早可追溯至两百多年前.早在1777年，ByronHiggins就在试验中发现，在一个中空、两端开口的管子的下部适当位置，引入火焰，管中便会激发出声音，如图1(a)所示。

关于热声效应还有两个著名的例子，Rijke管和Sondhauss 管，分别如图1(b)、图1(c)所示。

（a）（b）（c）图1热声现象示意图热声效应简言之是热与声之间相互转换的现象。

从声学角度来说，它是由于声场中的固体介质与振荡的流体之间的相互作用，使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生一个时均热流，并在这个区域内产生或者吸收声功的现象。

按能量转换方向的不同，热声效应可分两类：一类是用热来产生声，即热驱动声振荡；另一类是声驱动热量传输，或称热声制冷(泵热)效应。

热声制冷的概念是在20世纪80年代初提出的，是一种新型的制冷方式。

与传统的制冷机相比，基于热声制冷原理的制冷机运动部件少，结构简单，运行可靠，不产生污染，对环境十分友好，符合目前社会的发展要求。

世界上第一台电声驱动的热声制冷样机由美国的Holfer研制成功，在环境温度为20。

声制冷技术声制冷技术声制冷技术是一种涉及声学和热力学两大学科的边缘技术。

本文介绍了声制冷技术的发展史和几种声制冷机的基本原理，并论述了它的应用前景，特别是在家电制冷系统中用于降低噪声、提高效率的可行性。

关键词：家用电器热声效应声制冷Acoustic reftaiyanggeration technology is a boundary science which is between acoustics and thermodynamies.In this paper,the history of acoustic reftaiyanggeration technology and basal theotaiyanges of some kinds of acoustic reftaiyanggerators are introduced.Then its applied prospect is discussed,especially the possibility that it is used to reduce noises and increase the efficiency in family electtaiyangcal appliance.Keywords:family electtaiyangcal appliance thermoacoustic effect acoustic reftaiyanggeration目前的电冰箱及空调器所使用的制冷技术多为通过压缩机由制冷剂制冷。

长期以来得到广泛应用的制冷剂是氟利昂，它被称为电冰箱和空调器中不可缺少的“血液”，但近年来人们发现由于全世界大量使用氟利昂已使地球臭氧层变得稀薄，温室效应太阳益明显，人类赖以生存的生态环境受到严重的危害。

国际上已制定了控制氟利昂使用的“蒙特利尔议定书”。

一些国家相继宣布，到本世纪末，将全部停止氟利昂的使用。

华中科技大学硕士学位论文扬声器驱动热声制冷机的研制姓名：刘昌健申请学位级别：硕士专业：制冷及低温工程指导教师：李青20100526华中科技大学硕士学位论文摘要热声制冷机具有结构简单，运行可靠，采用无污染工质等特点，给制冷低温领域提供了一种全新的技术解决方案。

扬声器具有成本低，应用广泛，容易获得等优点，因此用扬声器作为动力装置来驱动热声制冷机成为一个研究热点。

本文首先回顾了热声热机和热声理论的发展历史及研究背景，重点介绍了关于扬声器驱动热声制冷机的研究。

接着对声驱动器的设计进行了重点研究。

通过理论分析，调节扬声器出口阻抗的大小和相位，可以提高扬声器的电声转换效率。

理论上,扬声器的出口阻抗越接近行波相位，阻抗幅值越大，扬声器的电声转换效率越高。

通常，仅仅扬声器正面辐射的声功被利用，而实际上，扬声器正反两面都辐射出声功。

为了利用扬声器正反两面辐射的声功，利用声学网络模型，分析设计了倒相式声驱动器结构，使得扬声器正反两面辐射的声功经过叠加后起到相互增强的效果，进而提高扬声器驱动热身声制冷机的电声转换效率。

采用DeltaE一维热声数值模拟软件建立了四分之一波长声驱动热声制冷机的仿真模型。

对热声制冷机的运行参数和结构参数进行了详细的优化，其中回热器的布置应该靠近压力腹点，且室温端应指向压力腹点。

在一维数值模拟的基础上，对已经建立的热声制冷机模型进行了二维CFD模拟，采用的是商业化CFD 模拟软件Fluent，成功模拟了制冷机中出现的非线性现象，以指导我们完善制冷机的设计。

最后，研制了一台扬声器驱动的热声制冷机，并建立了实验平台，进行了初步的实验研究。

关键词：热声制冷机，扬声器驱动，倒相，CFD模拟华中科技大学硕士学位论文AbstractDue to the advantages of simple structure, reliable operation, the use of non-polluting refrigerant，thermoacoustic refrigerator supplies a new solution to the refrigeration and cryogenics field. The loudspeaker has the advantages of low cost, widely used and easy availability, so loudspeaker -driven thermoacoustic refrigerator has become a research hotspot.The development of thermoacoustic engine and thermoacoustic theory is reviewed firstly, also with the research background.Then the design of the sound compressor is analyzed. By adjusting the loudspeaker’s export impedance and phase properly, the electro-acoustic conversion efficiency can be improved. In theory, the impedance the more close to traveling-wave impedance, and with greater amplitude, the loudspeaker gains higher electro-acoustic conversion efficiency. Generally, only the acoustic power from the positive side is used, however, both positive and negative sides export acoustic power. For taking advantage of both side’s acoustic power, employing the acoustic network model, an inverted-phase sound compressor is designed. It makes the superposition of the two acoustic power is positive, so the electro-acoustic conversion efficiency is improved.A quarter wavelength of loudspeaker-driven thermoacoustic refrigerator of numerical simulation model is established by the one-dimensional simulation software DeltaE. The operating and structure parameters of the refrigerator are optimized in detail. The regenerator should be arranged near the pressure antinode, and the heat exchanger of room temperature should be arranged pointing to the pressure antinode.Two-dimensional CFD simulation has been progressed based on the model established by DeltaE, using the commercial CFD simulation software Fluent. It has simulated the non-linear phenomena in the refrigerator successfully. It can guide the design of refrigerator. Finally, a loudspeaker-driven thermoacoustic refrigerator has been designed, and a preliminary experimental study has been done on the established experiment platform.Keywords：Thermoacoustic Refrigerator，Loudspeaker-Driven，Inverted-phase，CFD simulation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。