热声热机实验研究进展

　　1 引 言

　　热声热机是近几十年来新兴的一种能源转换机械,其最突出的优点是系统内部可以实现完全无运动部件,从而避免了机械摩擦损耗,极大地提高了安全性与可靠性,整机寿命也相应延长;另外,热声热机工质采用空气或惰性气体,对环境无污染,无损害,而且热声热机可利用低品位热源,可实现废热再利用,因此在节能环保方面也表现出相当大的优势,应用前景十分广阔。热声热机技术在最近几十年得到了飞速的发展,作为发动机,其效率已经可以与内燃机相媲美;作为制冷机,它的制冷温度范围也从室温突破到了液氢温度以下。作者主要从实验方面介绍热声热机的研究进展。

　　2 热声热机的实验研究进展

　　2. 1 热声发动机

　　热声热机按其声场特点可以分为驻波热声热机和行波热声热机。驻波是指压力与速度相位相差90b,理论上驻波热声发动机只能依靠不可逆的传热过程来实现热声功的转换,因而其效率有所限制。而行波发动机中压力与速度相位一致,其换热过程是可逆的,所以在理论上行波热声发动机的效率可以达到卡诺循环的效率。

　　2. 1. 1 驻波热声发动机

　　热声效应现象早在18世纪中期就被发现,但是热声热机的首次实验研究是1962年美国新墨西哥大学的Carter和他的研究生Feldman[1],他们创造性的在Sondhauss管中加入板叠,增强了管内的热声效应,以600W的热功率获得27W的声功率,这是热声效应实验研究的一个重大突破。

　　从20世纪80年代开始,美国LosAlamos国家实验室Wheatley领导其热声研究小组开始对实用热声热机进行研究。1992年, Swift等[2]成功研制出第一台驻波型热声发动机,如图1所示。该发动机直径128mm,总长4 230 mm,采用He为工质,工作压力1. 38MPa,获得了630W的声功,热效率为9%,最大声压幅值可达到平均压力的16%。在实验中他们对加热功率,板叠热端和冷端温度以及系统中所产生的压力波进行了测量与分析,验证了线性热声理论对热声发动机小振幅工况的良好适用性。

　　日本大学的Matsubra等[3]也开展了驻波型热声发动机的研究工作。他们将两组相同的热声板叠以及热端和冷端换热器布置在谐振管的两端,建立起双边驱动的驻波型热声发动机,采用铜丝网代替卷板型热声回热器,虽然流动阻力有所增加,但由于丝网之间存在接触热阻,可以有效减少板叠轴向导热所造成的热损失。该发动机在加热功率为833W时,得到26W的声功输出。

　　1998年,美国Pennsylvania州立大学的Chen等[4]研制了世界上第一台太阳能驱动的驻波型热声发动机,他们以一根40 cm长的一端开口的管作为谐振管,用一个大的凹面镜将阳光聚焦到陶瓷热声板叠的一端进行加热,最终得到420Hz, 120 dB的声波。该实验装置的研制成功为太阳能利用提供了一个新的方向。