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热声机械的研究现状及展望点击：2064 日期：[ 2014-04-26 21:35:32 ] |
| bsp; 热声机械的研究现状及展望 赵忠明1,李 青2,胡忠军2 (1.华中科技大学,湖北武汉 430073;2.中国科学院,北京 100190) 摘 要：回顾了近几年国内外热声工作者在热声理论以及热声机械的研究进展,总结了近年来研究的热点方向,并对热声学研究今后的发展趋势进行了展望。 关键词：热声理论;热声机械;研究热点 中图分类号：TB61 文献标识码：A 文章编号：1005—0329(2009)04—0079—04 1 前言 采用传统制冷技术的制冷设备大都有运动部件,存在磨损、可靠性差、寿命低的缺点。热声技术正是适应这种挑战而发展起来的,逐渐引起广泛的关注。 热声制冷技术与传统制冷技术相比具有许多优点: (1)可实现完全无运动部件的方式工作,不存在运动磨损和润滑油的问题,这样就保证了热声热机的寿命长和可靠性高、制作成本低的优点;(2)可以采用热能驱动,利用低品味的能源,尤其是对于电能短缺而热能富集的场合例如工厂废热利用,荒漠和远海采油,更具有实际意义; (3)可实现高效率,在理论上热声技术可以实现斯特林循环,而斯特林循环是和卡诺循环的效率是一样高的; (4)良好的环保性。热声制冷技术不需要传统的制冷剂,它的制冷工质一般是惰性气体,不会破坏大气和臭氧层。 2 热声效应及热声理论 热声系统一般是由高温热源和低温热源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[1]。根据能量转换方式的不同,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。基于前者可以研制热声发动机,取代目前以Rankine循环和Brayton循环为主的动力系统;基于后者可以研制热声制冷机,取代目前以蒸汽压缩式为主的制冷系统。 热声现象早在230多年前就已经被发现,按照声场的不同,热机可分为行波热机和驻波热机。Sondhauss管和Rijke管分别是现代驻波型热声热机和行波热声热机的雏形[2],如图1所示。 1878年至2008年,研究者们从不同的模型出发,由定性到定量,相继提出了一些理论,来解释和分析热声现象。这期间,出现的理论有:定常流动理论、交变流动理论、Ceperley相移理论、Rot的线性热声理论、Swift的短板边界层近似理论、郭方中的热声网络理论等[3~5]。在指导开发和设计热声机械方面, Swift研究小组于2007年开发了DeltaEC(Design Environment forLow AmplitudeThermoacoustic EnergyConversion)。近年来,热声学的非线性研究成为一个热点。爱因霍芬科技大学的Peter和zeegers提出适用于多孔介质的弱非线性热声学[6]。华中科技大学的张晓青等人把格子气自动机模型引入到热声中,直接从Boltzmann碰撞模型出发,将声场存在的空间划分为离散网格,模拟分析热声效应[7、8]。相信在不久的将来,会出现完善的非线性热声学理论。 3 热声机械的发展 依照热声效应原理工作的热机,称为热声机械。根据热致声,和声致热的效应,可以将热声机械分为热声发动机和热声制冷机。其中热声发动机按照声场的不同可以分为驻波型发动机、行波发动机和混合型热声发动机。 3. 1 国外情况 1962年,美国新墨西哥大学Carter和他的学生Feldman在Sondhauss管中加入板叠研制出世界上第一台有显著声功输出的驻波型热声发动机,在600W的输入热量下获得27W的声功率。自此,热声系统的现代研究揭开了大幕。 LosAlamos热声研究小组Swift结合了驻波声场的高阻抗和行波声场的可逆热力循环的优势,设计并制作了世界上第一台混合型热声发动机“热声斯特林发动机”,将热效率提高到30%[9],两次荣获年美国“R&D100”奖。 美国LosAlamos国家实验室、国家标准技术研究所和Cryenco公司共同合作,研制成功的燃气驱动脉管制冷机液化天然气的装置,是目前热声发动机唯一工程化的项目[10]。2005年它的液化率500加仑/日。工程的目标是通过燃烧15%的天然气液化其余85%的天然气。 另一具有实用前景的是英国伦敦帝国理工大学的Keith Pullen教授和Ron Dennis负责的热声灶项目[11]。项目时间为2007年到2012年。传统木材炉灶燃烧能量利用效率只有7%,热声灶目标效率30%以上。该热声灶既节能又环保,可以加热和冷却食物,应用前景广阔,有望在亚洲和非洲的乡村得到实用化的发展。热声灶的结构如图2所示。 2007年法国里昂中央理工学校用PIV(粒子图像测速仪)观测大振幅下热声系统中的流体,发现在热声堆和换热器的间隙处有涡街现象,造成声周期的不连续[12],指出流动的非周期性导致换热器和热声堆传热的不稳定,进而系统的冷负荷也会发生波动。法国国家科研中心设计了一台谐振装置,可以适应不同驻波比,独立控制声压和质点速度,以寻求最优声场。实验结果显示最优声场并不是通常认为的半波长谐振管[13]。2008年西肯塔基大学Gordon P. Smith为了研究利用废热源驱动制冷机,搭建了一台用油加热的热声制冷机[14]。采用LDV(激光多普勒风速仪)来观测谐振腔中换热器和板叠处流体的流动,分析了热声装置的雕落模式和不规则声流。2007年华南理工大学汪双凤和日本东京大学研究者设计制作了一台热声发动机的实验样机[15],使得系统的最低起振动温度约为60℃,这对热声学低温余热有效利用和节能很有意义。 2007年犹他大学的科学家研制出的热声发电机,每台只有1. 8mm长,如果把多台热机集成在一起,每立方厘米能产生1瓦特的电[16]。这种装置将可望首先安装在以天然气或煤为燃料的发电厂里。2008年荷兰能源研究中心搭建了一台同轴的热声斯特林制冷机,由直线电机产生的声能驱动,通过回热器把热量从低温端泵给环境,得到了25W的制冷量和-54℃的无负荷温度,测量的COP相当于卡诺效率的25%,期望经过优化和改进后效率可以达到35%[17]。 2008年Backhaus针对大型热声斯特林机技术上障碍,突破常规换热器的限制,设计了新型换热器,在环形圈中加入流体二极管,系统由热机自身振荡所产生的压力驱动[18]。2007年普渡大学研究者对驻波热声制冷的适用温降范围进行了研究,发现驻波系统的热力完善度随温降范围增大而增大,当热端和冷端温差为80℃时达到最大值。对实验结果和能耗分析显示,系统的效率对于制冷机较好,但不适用于空调系统和低温制冷系统[19]。南伊利诺伊大学对热声系统中换热器中传热机理进行了深入的研究,指出热声制冷系统在相应的频率下运行,较高的平均压力会得到更大的传热系数,但是不能无限制加大平均压力,考虑到热声堆的结构,需要有一个综合权衡[20]。 3. 2 国内情况 2003年邱利民等人研制了一台大型斯特林型热声发动机,该发动机长4. 5m,高1. 25m。在平均压力为2MPa(氦气),谐振频率为45Hz,加热功率4kW的情况下,获得1. 19的压比[21]。罗二仓等人提出了聚能型斯特林型热声发动机的概念,研究低频运行下的热声系统。2006年,戴巍、罗二仓等人使用一台两级脉冲管制冷机获得了18. 7 K的无负荷温度,使热驱动的热声制冷机突破了液氢温度[22],是目前报道利用热声驱动脉管制冷机所得到的最低制冷温度。2007年,罗二仓等人采用行波热声发动机驱动直线发电机,当热声发动机工作压力为2. 5MPa、谐振频率为64Hz,压力振幅为0. 2MPa时,该直线发电机可输出100W以上的电能[23]。另外在室温热声制冷方面也做了一定有意义的工作。 中国科学院理化技术研究所的李青研究组在热声制冷技术研究高频和微型化领域开展了一系列卓有成效的研究工作,并取得了多项进展。 2007年,周刚博士搭建了一台小型的热声发动机[2]。这是目前所见的首台总尺度小于1m,并且可以实用的热声发动机。同年在胡忠军博士论文中研制出国内第一台高频级联型的热声发动机,以氦气为工质时的运行频率460Hz,在输入功率500W时获得了210kPa的声压峰峰值,并在实验中观测到双阈起振现象,通过实验辨识出了系统的无量纲超阈换热量是造成双阈起振现象的关键因素[24]。这是继法国曼恩大学G Penelet在环形圈热声发动机中观察到双阈起振现象以来的又一重大发现。 3. 3 热声技术在其它方向的研究 以上介绍的热声技术在热声热机(热声发动机和热声制冷机)方面的理论和实验研究进展,这都属于传统热声机械的范畴。也有一些研究者正在尝试着开辟利用热声技术的新的研究领域,如医学、材料学和气体混合物分离等[25~27]。其中,特别值得一提的是在生物医学中开发微波热声成像技术。它是一种利用脉冲调制的电磁波照射生物组织来激发热声信号的断层成像技术。热声成像基本原理是人体组织接收到脉冲照射后,会产生热量,引起声波的传导。超声传感器对这些携带组织电磁波吸收信息和声学特性的热声信号进行记录,重建出电磁波吸收或热声压力的分布,以此诊断癌症或病灶所在的位置。2007年物理学权威期刊《Applied Physics Letters》报道了一种热声成像的实验研究[28]。由于传统的CT和MRT都笨重且昂贵,因此热声断层成像技术的可靠性以及价格低廉,迅速而准确的优点,有望让这种技术替代传统的医学成像技术。 4 研究热点 热声理论及热声机械的发展遇到了的技术成熟的传统热机的竞争,必然需要更多的科研工作者为此付出努力。把热声作为新兴技术的兴趣在增加,如生物医学和替代的制冷系统。热声理论和实验研究进展使得热声技术具有广阔的前景发展为商业的制冷技术。热声技术无论在理论还是在实验方面,这几十年取得了很大的进步。归纳了几点当前以及今后一段时间的研究热点方向: (1)小振幅的线性热声理论已经趋于完备,对于非线性情况的建模和理论研究还有很多的空白有待填补,包括热声自激振荡过程、热声声流、非线性声波传输等。期待不久的将来出现完善的非线性热声学理论; (2)对于热声核心段换热器和板叠的传热机理有待更深入的研究。可以结合先进的热物理测试技术(热线风速仪、激光多谱勒测速仪以及粒子成像测速仪等); (3)热声热机同时向高频和低频两个方向发展,体积在大型化和微型化发面都有发展,更趋于微型化的研究。大型化的用于实用化的工程,微型化的用于红外器件冷却、电子器件冷却等; (4)对新型热声热机样机以及新型的换热器的设计和开发; (5)拓宽热声技术的应用领域,如低温废热源利用、太空探测以及热声医学成像和热声通讯等。 参考文献：略 |
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