热机的新发展—热声热机21世纪青年学者论坛热机的新发展一热声热机教授,博导李青,,(中国科学院理化技术研究所低孺雨,北京100080)THe5一''摘要:传统的热机按一定的热力学循环要求,用热机的机械结构和运动规律组织工作介质的状态变犯,实现熟能与机械能之间的转变.热声热机则是运用热声原理在一定的几何和热力环境条件下,利用系统与工质自身性质及各个部分之间进行的一种热力学自组织过程矣现热能与机械能之间的自主转化.实践中可以实现无运动部件的热机系统.翘,,一,引言尹嘻i一热和声作为自然界中的两种现象存在着一种内在的联系热与声联系的现象为人们所观察到已有两百多年的历史,但作为一种现象被研究则始于讪1a衄的工作….1850年鼬制作了一个如图l的玻璃器皿(后被人们命名为Soadhauss管),其一端是一个较大的玻璃球,通过连接的一个细长玻璃管开口对外界环境.实验的方法是用稳定的火焰加热玻璃球,在一定的加热强度下可以听到这个系统发出清晰的声音.并且声音的额率随球体积曲增加和管长的增长丽降低,声音的强度刖依据加热火焰的升高而加强.定性的分析显示:热量在封闭的玻璃球端加入系统,在这个简单系统中将部分热量转变声能,引起管内气体的自激振荡,未转换部分的热量由开口处排出到外界环境之中1859年,另一位科学家I【i建立的一个如图2所示的简单系统.在一根通管中的台适位置放置一小段加热丝网,在合适的条件下同样可以听到强烈的自激声振荡.这些实现现象的发现还只是人们对于自然界新现象的探索而1949年Taeerds在做低温实验的过程中发现了一种可能影响实验过程的Ta~os现象.即将一根一端封闭的管子的开口端接近液氮时管中扳易产生声振荡.其结果,轻则影响低温环境的建立和维持,重则可能对低温系统的安全构成威胁,因而迫使人们对这种现象作进一步的研究.随着对热声现象认识的加深,进而设想对于热声现象的利用.1974年瑞士的PMeddi利用开口管中振荡声波实现了制冷的工程.1976年美国的Ceperley也提出了共振型的行波型热声制冷机,同时分析指出系统传统的蜘di制冷机的工作实质是一个行波型热声制冷机.LosAlamas国家实验室80年代初在Whe~ley教授的顿导下对热声热机开始较为全面的研究工作,后来在G.w.Sw/fi的带领下取得了令人瞩车青【uQ.19一1.男,{昔彳目的成果"】,研制成功了与传统机性能可以比拟的热声热机.1999年5月他们在"Natme上发表了以Athe:IIBOSgXRl~CStlrIingheat∞.为题的文章【6】,报道了他们在热声热机领域所得理论和试验成果,热声热机研究已经进入实用化阶段.二,热声原理热声学研究的是热扩散和声渡动之闻的相互作用.热声热机研究中的热声则是限定在一个较为狭窄的范围,即热与声功的直接转换.这里对热声的描述是建立在此基点之上的.从前述的热声现象中可知,热声系统一般是由高温热源和低温热探以及两相工质组成的系统,其中一相工质为具有可压缩性的流体,另一相工质为固体当系统满足一定的几何和热力学边界条件时热声效应显现出来.热声效应是当具有压缩性的流体工质在该系统中进行声振荡时与固体工质之间进行热力相互作用而发生的时均能量转换效应,即消耗热能得到声功,或是消耗声功而产生定向热流.声波属于纵波,伴随着声波在流体中的传播,流体在声波的作用下基本处于等熵压缩(考虑到非理想流体也只会产生少量热耗散),这不会产生可以利用的热效应.从热声现象研究中逐渐发展起来的热声学揭示了热声效应的起源:声波在流体中纵向传播的同时伴随着振流体与固体之闻横向交变的动量和热量的交换.这两个方向波动扩散的相互作用使得热声的效应得以产生和维持两个方面缺一不可,否则只能是单一的热现象或是单一的声现象热声效应的另一个意义是热和声之问的转化并不是单一方向的,这个效应既有热向声的转换功能,又有声向热的转换功能,而后一个转换不是简单意义上的热耗散,而是由消耗声能实现热能品质的改变和热量的迁移.热声研究中将这两种热声效应分Ⅱ称为热产中心教授,博导.19$2年哈舟缓船盅旺程学院莸学士学位后去镇江船舶学院任教.19B6年华中理工主要完成丁黼r.微型斯特林制冷扎等项研口:作.1991—1995年稿国槲自由大学完成联台培养博士的学习井进行丁.垒低温氢能幕坑在汽车中的应用'的崭究.l∞5年评为副教授.哪年获博士学位I嘶年担妊系列主任.￡辨7一[999年在簿国进行音作氧能幕坑的研究工作.威果誊展大塑国际工业展和国际航空航玉段在国内主持多项省部级科研项目.1999年评为教授,博导.2ooo年应聘为中国科学院.百^计划'人选22卷4期21世纪青年学者论坛生声的热驱动声振荡.和声产生热流的声驱动热传递.基于这样两种热声效应,热声热机也象传统热机一样有发动机和制冷机之分.,赫圈1sa词删∞热声撮1葛焉《统氯藏管子加热熊码气疽十十t十t声螺+热螺热能圈2Rijke热声撮藩系统最早对热声现象进行比较深人研究的Bayle曲描述热能维持声振荡的定性机理为:对于振荡的气体周期性地加人热量和吸收热量,热量必须与振荡之问满足一定的相位关系.当以热功转换为目标时,台理的供热方式是在最太压缩时向气体加人热量,而在最太膨胀时由气体排出热量,这样的供热条件将强化声振荡,实现了热能向声能的转换.这段描述有两个要点,一是供热方式必须是周期性的变化,二是供热的周期变化与压力波动之间有合适的相位关系.该定性解释一直为人们所称道并加以引用,其实选与我们所熟悉的内燃机中采用工质完成热力学循环由热能得到机械能的方法一致,是热能向声能转换的实际方法.只是内燃机所产生的压力波动机械能通过活塞上所受压力的变化推动活塞运动输出机械能,而声能直接体现为压力波动的机械能.供热激起声振荡的必要条件是供热的波动方式,并且与声压波动之间具有旨适韵相位差,使工质能够完成热力学循环.而热能转化的机械能以热力学循环的节拍注人到声振荡系统之中来维持声能的连续输出.进一步的研究结果指出:供热热源的波动分量与压力波动分量之间必须蒲足一定的相位羌系当相位差lI<号时,声振幅以的趋势增加;当号ll<时,声振幅则以趋势衰减.在前述的热声系统中只有热端换热器,冷端换热器以及这两个换热器之间的具有温差区域.显然这个系统不具有波动的热源,似乎投有可能利用热能来激起声振荡.但是关键点是流体在纵向传播声波的商时还会与固体边界进行横向热交换和质交换.起到了调制热渡的作用.为了强化横向热交换效果,在温差段空间置人回热器将大大加强横向的热波调制作用.考虑一个热声系统达到稳定状态时,高低热源之间的回热器上建立了连续稳定的温度梯度.纵向声波在系统中传播时,每一个气体徽团会在其平衡位置附近来回振荡(图3),经历了温度的变化.这个变化一方面来自于流体本身压缩和膨胀效应,另一方面则是由于徽团振荡时位置变化处固体边壁的温度变化带来的热量交换.考虑非耗散的理想情况下可以得到流体徽团与固体壁面之间的温度差为恶;告警,式中的压力p和流速u均为波动量.此温差造成流体与固体壁之间热交换量是波动量.达到换热量调制作用,实现了波动供热的条件.圈3回热量中穗体徽团的撮藩r,f.一"I\MU.田4交变穗部近固体置面流体速度分布实际流体目有粘性,导热系数和热容有限,流体与固体壁之间的界面上形成了复杂的热量交换和动量传输.为了得到一个比较请晰的物理图像.这里以半无限大平面交变流动时的情况为饲,其固体边壁附近的速度分布如图4,图中的屯:∞被称为粘性穿透濂度,固体边璧附近形成了交变的速度分布区域.当主流流体交变流动往复振荡时,同一个截面上流体速度相位不同.这种梧固体壁面垂直方向的速度变化可以视为牯性扩散渡,传播的速度为c成同样的分析方法对于温度渡动的流体在其导热系数有限时也有相似的结果,即在固体边壁附近的流场同一截面的温度值是不同的,而且不同位置温度变化的相位也是具有差异的.这个横向的温度波被视为一种热扩散波,其传播速度为.其中=./j7::称为热穿透深度.交变流动在固体壁面附近所造成这种速度场和温度场使得局部的热量传递和动量传递具有特殊性.热声热机回热器的结构正是处于8的尺度世界科技研究与发展2l世纪青年学者论坛范国内.以利用局部区域的热量传递和动量传递的特殊作用.正是这种横向的渡动现象产生了热声效应.这里讨论流体徽团在有温度梯度的回热器内热力学儆循环来说明纵向声渡与横向粘性渡以及横向温度渡的相互作用实现热声效应的过程.结台流体的能量守恒方程,流体的状态方程变形为: DPaD,ao,Ds\藩J热力学过程表示在P一图中,商表示流体微团的体积变化.当微圃经历等熵热力学循环时.方程右边的第二项为零,徽团的压力变化与密度变化同相.图5的过程显示微热力学循环所包围的面积为零,表示徽团在经历了一个循环后既未对外输出净功.也没有与外界有净热量的交换,这样的循环对于声场没有任何热功转换的功能.当流体礅团经历了非等熵的热力学循环时,流体徽团的状态关系必定偏离等熵线.当压力上升时有正熵流.压力的上升比等熵时快,于是压力下降时会有负熵流.就是加快了压力的下降速度. 这样形成了一个封闭的顺时针循环;反之.当压力上升时有负熵流,而当压力下降时有正熵流.就会形成一个逆时针循环.图6所示流体徽团循环构成了一个非零的面积,按刚才论述的条件既可以形成正循环也可以形成逆循环.实现了热功之间的相互转换..研究表明微团必须在一定的外界条件下才能够进行热功转换.关键参数是固体壁面沿纵向的温度梯度,必要的条件是:d,>可1TR对于驻渡声场:.=-p,(u^u),'0TR一-对于行渡声场:.=P,(u)圈5潼体傲团的等熵击!I力学循耳热声效应的稳定实现必须取决于整个热声热机的系统组成,除剐才讨论回热器内的流体微田振荡外,还有必要讨论回热器之外的流体徽团的循环位于冷热换热器内的流体徽团在声振荡过程中{胥遥固体壁面为等温,可以认为微团进行的是等温可逆过程,循环的结果没有产生声功.而处在换热器与回热器交界处位置的流体微团可以进入回热器和换热器(高温换热器相邻处的情况如图7).当回热器内的温度分布满足临界温度梯度时,徽团由位置O到位置1的运动过程中会从换热器中获得足够的热量使温度上升到Th,当它振荡重新进入回热器向2移动时,其温度高于回热器内的壁面温度,流体微团将向回热器的固体填料放热,徽团的一个循环把一部分净热量带入了回热器,这与回热器内的流体微团所经历的过程(图3)不同.进出回热器端部的这部分流体镦团打破了回热器同体填料与流体工质之间的热力学对稗.稗为热力学对称的破损.正是这个热力学对称的破损使得进出回热器的热量具有振荡分量,并且振荡分量的振荡频率与主流声振荡的频率相同.热声热机有三个功能部分组成,郎声发生器和声吸收器,提供热量的热源和实现热功转换舶回热器.在合适的几何条件和热力学边界条件下可以组成热声原动机和热声制冷机,也可以将这两者结台起来组成元运动部件的热声驱动的制冷机系统.这是热机系统发展的一个新阶段.声振荡的存在形式分为驻波和行渡,相应的热声热机也分为驻渡型和行波型.根据需要可以组成以热向功转换的热声原动机和以声功驱动热流的制冷机.下面介绍这些形式的热声热机.驻波型热声制冷机驻波型热声{目I冷机较早在美国I埔^工删鹕国家实验室由Wheatley小组开始研{}I,他们在Rott完善起来的驻波声场热声理论"指导下由IⅫ为主研制完成驻波型热声崩冷机利用系统内的近共振的驻波声场产生的热声效应进行{目I 冷循环,其系统如图8所示.包括的部件有:声波发生器,室温挟热器板叠式回热器,低温换热器和共振腔.声波发生器提供声振荡的动力,在系统及共振腔的几何条件下形成一个接近共振的驻波声场,低温换热器位于1N-波长处,热声效应的结果是吸收热量,通过回热器的热声效应消耗声功将这个热量由低温端泵送到高温换热器,最后由高温换热器排放22卷4期61I21世纪青年学者论坛到大气环境之中.实现了声制冷的功能.在这个系统中只有唯一的运动部件声波发生器.行波型热声制冷机Cepedey首先提出了利用声波的行波形式来实现热声效应.据此提出了图9的行渡型热声制冷机.该系统由声波发生器,室温换热器,回热器,低温换热器及行波导管组成了一个行渡回路.回路的长度为波长.声波发生器提供驱动的声功.在行渡回路中形成接近共振的行渡声场,从低温换热器中吸取热量,在回热器中通过消耗声功将热量泵送到室温换热器,实现了声波制冷的功能.置图8驻波型热声制冷机圈9行渡型热胄制冷机驻波型热声愿动机图10是公司参与研制的一种驻波型热声原动机.这是一个双驱动的驻波原动机.两端较大的外壳是绝热系统以防止加热器的热量损失,同时维持回热器的绝热边界条件.右手边向上的一个分叉支管用于输出原动机的声功.两端部的加热器提供热能,并与各自相对的低温换热器在回热器上建立温度梯度.热声原动机内部总存在一定的噪音.在合适的温度梯度条件下.系统内部的噪音在换热器和回器中得以放大,协调,同步,形成同颓,同相的声振荡,将热能转变成了声功.该热机工作压力为3MPa,频率350I-Iz,可以输出5OOW声功,达到23%的卡诺效率.田l0驻谴型热声发动机行波型热声原动机G.w.Swift继硎岫之后主持LosAlamos热声研翩组的工作.他们研{Bj了一种如图1l所示的行渡型热声原动机. 整个环行回路是行波型热声原动机,右下角的支管是声功的输出接I=l该系统的充气压力为3MPa.工作频率为80,为了提高效率阻止热声原动机内一些不必要的有害流体流动. 在这个系统中加人了单向喷射段和气体导流段.他们在Na'a'ae上发表的文章所报道的试验结果取自于这种类型的热声原动机.田l1行渡型热声发动机圈l2无热声原动机驱的脉管制冷机cr)公司与LosAlsmce热声组合作开发了热声原动机驱动的脉冲管{Bj冷机用于天然气的液化器.他们建立了如图12所示的样机.试验结果选到了燃烧30%一40%的天然气来液化剩余的∞%一70%的天然气.该项研究对于天然气的开发具有十分重要的意义,同时也展示了热声热机技世界科技研究与发展2l世纪青年学者论坛术在大型工业应甩中所具有的潜在能力.热声热机瞄准的下一个目标是高频的微型热声驱动的翩冷机,以适应低温电子学的发展低温电子学的器件包括当今最为先进的电子器件,如红外探测器,高温超导器件等等.没有低温环境这些器件将无法工作.除了低温环境外它们在所装配的系统中也有一定的要求,可以归结如下:工作温度:摄氏零下50—00度;冷量:几十毫瓦到几瓦;允许机械振动小(适应检测微弱信号);体积小(满足高度集成化);寿命长.传统的低温制冷系统很难满足上述要求,而热声热机给我们带来了希望.～是运行频率提高在保持同样效率的情况下势必可以减小体积,二是实现了无运动部件的制冷机可以实现长寿命同时也容易做到低振动.当然现有的热机理论,结构形式,材料和各种工艺已经不能满足这些新型热声热机的需要,而正在兴起的非线性热力学,微机械系统和纳米材料的研究将为这项研究提供强大的支持.有望热声热机在低温电子学领域有大的发展.热声热声热机不仅适应高,精,尖的应用钡域,在民用领域也是大有可为的,如在冰箱和空调方面替代氟利昂.问题是现有热声热机的流体工质为气体,其能流密度低,约为氟利昂的I/10,制约了它的发展.如采用液相流体作为工质将大大提高能流密度,但是液体的热膨胀系数小不利于热向声功的转换而近临界区液体既保持了较高的能流密度,同时也具有较大热搿胀系数,是解决这个问题的好方案现在该项研究工作正在进行之中.现在热声热机还处于开始发展的阶段,在拓展应甩领域,深人研究等方面还有许多工作等待我们去开发去探索,成功的工作将造福整个人类.参考文献[dc.hn鹄.ub盯dsI,j】一g1妇h盘indci脚一ink咖vigilw.Ann.脚.1850,79,1[21K.W.n.衄i丑.M髑靴删beoaeendng,za~-liquid.diIlll】0fu.∞0fHe3in眦below219K,Pll口,1949,15(8—9):733[3]J.W|lI,A.Cox,Nalme1日n,帅T~lay,August,1985,pp.51[4]GW.sm.ThEmea~c自∞】.^m.A|I】.,1988.(4):1145[5]G.w.s珊.1l哪m删ti髓:A,】一ig-'商HhB.Bten鹧and:E1.I~-UR孵-螂,Aug.1999[6Js.kh∞,G.w.s珊.Amw_cSarli~heBI∞ne.Na—ture,1989,339,335[7]P~yIei,Loud.The唧l|tim0fmIⅡw.,ous6celⅫl嘎-len|.Na-Ixu,e,1878,18,319Isis.Te~kin,Elmem~0f耻删B妇,Johned唧&s0tlB,k,1981[9]肖家华.热声鼓应与回热式低温制狰机(热机)的热声理论.中国科学院.博士学位论文,199261o]邓晓辉热机的设计理论.华中理工大学,博士学位论文,14[11]N.R毗.Danthey出mc0ed呦inrⅫ幽,z...Ph:,s.1969.20,瑚DevelopmentofThermalMachinery--ThermoacousticMachinery ProfossorⅡQing(CryogenicLab.,TedmlcalInstituteofPhysicsandaleI岫,CAS,BeUmg100080)Abstract:0∞rd妇to妇m函仇础,cor~entional庙,rnackinery∞cora>ersions如衄糙R帆fandmectmnir~energy,池mcontro~,drr~nica!旷~ennalmachinery.Hou~er,垤mtt~r- moaco~tie,thermoaeoustictfmochinery∞唧如删舢m哪∞删棚automati? tallyunder∞胁.喇sizesand妇merwiroranents,赫s砷删硼m如systemto埘蛳the呻础ofseI.forgard~ion.蝴船棚/s妇m6emade∞m∽mmot/rigp.Keywords:e卅∞铡,Bm肌gi,蚴酣斑删越Dn(责任编辑:房俊民)笠卷4期。
