本文，我们将介绍热声制冷原理、技术以及分类。 1. 热声效应 热声效应是指可压缩流体的声振荡与固体介质 之间由于热相互作用而产生的时均能量效应。 按照能量转换方向的不同,热声效应可分为两类:
热声效应是指可压缩流体的声振荡与固体介质 之间由于热相互作用而产生的时均能量效应。 按照能量转换方向的不同,热声效应可分为两类:
1)用热能来产生声波,即热致声效应,通常发生在热声发动机内部;
2) 用声能来产生制冷效应,即声致冷效应, 通常发生在热声制冷机内部。
在一定的条件下,热声发动机内具有温差的热源 会自发地产生声波而形成热致声动力循环( 正循 环),这是一种非线性的热声自激振荡过程,即热致声效应。
图 1 所示为热声发动机单元示意图,主要由室温换热器、回热器和热端换热器组成。图中左侧为回热器的室温端,右侧为回热器的高温端,即回热器沿轴向方向存在温度梯度,声功自左至右传播并放大。
如图 1 所示,
在热声发动机回热器内,每一气体微团进行压缩、放热、膨胀以及吸热等完整的热致声动力循环过程:
2)气体微团温度低于回热器温度进而 从回热器吸热,压力和温度均达到最大,体积达到最 大压缩;
3)气体微团向室温端运动,同时体积膨胀对外做功,压力减小;
4) 气体微团对回热器放热,压力和温度均达到最小,体积达到最大膨胀。
众
多气体微团彼此经过接力式的热量传输及协同作用,一步一步地将热端换热器输入的热量转换为声功,不能转换的热量则通过室温换热器排向环境热源。需要说明的是,热声热力循环中存在两个等温过程和两个等压过程,而特林循环存在两个等温过程和两个等容过程。因此,热致声效应是基于一种全新工作原理的热力循环,与斯特林循环存在本质区别。
热致声现象的最早发现可以追溯至 200 多年前。 1777 年,B. Higgins 发现在两端开口中空管子的某些 位置中放入可燃性气体的火焰,管中会激发出声音, 即 “歌焰现象” 。 这是热致声效应的首次发现,类 似的现象在高烟囱、炉膛中以及快速飞行的导弹中也可以观察到。
声波是一种压缩-膨胀波,可以与固体介质作用发生吸热和放热效应。 在一定的条件下,声波可以将低于环境温度的热量向环境泵热而形成声致冷循环 (逆循环),即声致冷效应。
图 2 所示为热声制冷机示意图,主要由室温换热器、回热器和冷端换热器组成。 图中声功自左至右传播并消耗,回热器中热量由 冷端换热器侧泵送到室温换热器侧,从而在冷端换热 器侧实现制冷。
如图 2 所示,在热声制冷机内,
每一气体微团经历压缩、放热、膨胀以及吸热等完整的声 致冷循环过程:
3) 气体微团向低温侧运动,温度降低, 压力减小;
通过声功的消耗,众多气体微团彼此经过接力式的热量传输,逐步将热量从回热器的低温端转移至高温端,从而实现制冷功能。同样地,制冷机回热器内气体微团将经历两个等温过程和两个等压过程, 与斯特林循环存在本质区别。
综上可知,热声发动机内气体产生自激的压力振 荡,热能被转换为声能形式的机械能,而热声制冷机 中,声功被消耗将热量从回热器低温端搬运至高温端。 热驱动热声制冷技术正是结合了这两种不同的热声效应:利用热声发动机中产生的声能(热致声效 应)驱动热声制冷机进行制冷(声致冷效应),从而实现热能-声能-冷能的能量转换(热致声致冷)。
图 3 所示为热驱动热声制冷系统示意图,它由热声发动机、热声制冷机及调相机构组成。该系统是一个自激振荡系统,热声制冷机不仅消耗发动机声功以产生制冷效应,而且还为热声发动机提供所需的体积流量和相位,因此热声发动机与热声制冷机间需要存在声阻 抗耦合匹配。不适合的声阻抗耦合会使制冷性能严重下降,甚至系统不工作。
因此,调相机构主要用于调节热声发动机和热声制冷机之间的声阻抗,使两者同时在各自合适的声场下工作,从而提升整机的制冷 效率。 常见的调相机构包括声容性的空腔、声感性的固体活塞、细长的管道以及液体活塞等。
回热器/ 板叠和谐振管是热声发动机系统最为核心的部件:前者是系统中最关键的热声转换部件;后者维持系统所需的振荡频率,并起到调节压力波动和体积流率相位关系和传递/ 储存声能的作用。
如图 4 所示,根据热声发动机回热器/ 板叠和谐振管中压力 波动与体积流率之间的相位关系,热驱动热声制冷机可以分为三类:
1) 双驻波型。
其中热声发动机板叠及谐振管均处于驻波占主的声场;
2)行驻波混合型。
其中热声发动机回热器处于行波占主的声场且谐振管处于驻波占主的声场;
3) 双行波型。
其中热声发动机回热器及谐振管均处于行波占主的声场。 双驻 波型热驱动热声制冷机基于内部不可逆的热力学循 环,气体工质和板叠之间的本征不可逆换热导致其热力学效率一般较低。
行驻波混合型热驱动热声制冷机将驻波谐振管支路引入行波反馈管中,有助于调节行波反馈管换热过程中不可避免的热滞后,实现驻波基于热滞后的热声转换,从而提高热声转换效率。 然而,行驻波混合型热驱动热声制冷机中较大尺寸的驻波谐振管显著降低了系统功率密度,进而限制了它们的实际应用。
双行波型热驱动热声制冷机中热声发动机回热器和谐振管均需要处于行波声场,在实现高效热声转换的同时实现高效的声功传输,具有潜在效率高、结构紧凑、功率密度大等优点,目前已逐渐成为研究的热点。
此外,热驱动热声制冷系统工作温跨大,可实现液氢至室温温区(20~ 300 K)广泛的工作温区,在低 温和普冷领域有着极大的应用潜力。
因此,除了上述 按相位关系进行的分类外,通常也根据工作制冷温区 将热驱动热声制冷机分为两类:
其工作制冷温区在室温温区附近(约 300 K),应用背景包括空调、冰箱、冷冻柜以及在卡车、冷链运输车、渔船等移动设备上的制冷。其中,如何有 效利用低品位能源和工业余热成为热驱动室温热声 制冷机值得关注的研究方向;
其工作制冷温区主要在低温温区（＜120K），应用背景包括天然气液化,高温超导和低温制冷。研究方向主要围绕如何提升大功率低温制冷和如何追 求最低制冷温度。
