热声制冷的实验研究

    1引  言

    声波在流体中的传播不仅伴随着压力和位移振荡,而且还存在着温度振荡.尽管日常生活中的热声现象微弱到很难察觉,但在声场中的固体介质周围,温度振荡、压力振荡和位移振荡三者结合却可产生丰富的热声效应[1].

    简单地说,热声效应就是热与声之间相互转换的现象.从声学角度看,它是由于处于声场中的固体介质与振荡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.按能量转换方向不同,热声效应可分为两类:一是用热来产生声,即热驱动的声振 荡;二是用声来产生热,即声驱动的热量传输.只要具备一定的条件,热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生.依靠热声效应原理工作的热 机称为热声热机.根据热声效应产生的不同效果,热声机可分为热声压缩机和热声制冷机两类[1~2].

    下面以驻波型热声压缩机为例,来简单分析热声热机的工作原理.在一个周期内,热声压缩机板叠中的气体微团经历了两个可逆绝热过程(1~2绝热压缩、3~4 绝热膨胀)和两个不可逆定压过程(2~3定压吸热、4~1定压放热),相当于Brayton循环.在整个循环过程中,气团在高温区(2→3)吸热,在低温 区(4→1)放热,即在高压下膨胀,在低压下压缩,因而产生净功dW-dWc.于是在板叠中无数气体微团共同作用下,在高低温热源之间产生了功流.这一功 流可以被用来驱动诸如热声制冷机、脉管制冷机或斯特林制冷机等制冷机,从而获得制冷效应.由于脉管制冷机中不存在低温下的运动部件,因此,采用热声压缩机 驱动脉管制冷机,使彻底消除低温制冷机中的运动部件成为可能,并将在天然气液化等领域获得重要应用[3~4].

    在过去的几年中,我们开展了脉管制冷机和热声压缩机两方面的研究工作,取得了一些成果[5~7].本文着重介绍利用自行研制的电加热非对称型半波长热声压 缩机驱动单级脉管制冷机的初步实验结果.研究表明,以氮作工质,在平均工作压力为1.5MPa,室温16℃,加热温度400℃时,最低制冷温度达 234.5K;以氦作工质,在平均工作压力为2.0MPa,室温12℃,加热温度563℃时,最低制冷温度达179K;以氦和氩的混合物(氦占94%)作 工质,在平均工作压力为2.4MPa,室温14.8℃,加热温度635℃时,最低制冷温度达165K.

    2实验装置

    图2给出了自行研制的热声驱动脉管制冷机实验装置示意图.该装置主要由主机系统、脉管制冷机系统、测量及控制系统、真空系统等四部分组成.

    (1)主机系统.指自行研制的丝网板叠半波长热声压缩机.其主体部分由(1)高温消声器、(2)加热器、(3)热声板叠(丝网型)、(4)水冷却器和(5)共振管等五部分组成.各部分尺寸及填料可参见表1.