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1、第29卷 第3期低 温 与 超 导Vol.29No.32001年8月CRYOGENICSANDSUPERCONDUCTIVITYAug.2001X关于热声压缩机原理的讨论石静蕾 陈国邦 邱利民(浙江大学制冷与低温工程研究所,杭州,310027)摘要:回顾了驻波、行波热声机械的发展历史,分析了行波与驻波热声压缩机的优缺点。介绍行波驻波混合型热声压缩机的工作原理及结构,指出了今后研究的重点和方向。关键词:热声 行波 驻波1 前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难以察觉,但在声场中的固体介质周围,温度振荡、压力振
2、荡和位移振荡三者结合却可产生丰富的热声效应。在过去20多年间,热声压缩机与热声制冷机的研[1]究及应用均取得了实质性进展。热声制冷装置已经成功地用于宇宙飞船、海军舰艇雷达冷却、天然气液化等。在这些“早期”装置中,工作流体(气体或液体)与被称作“板叠(Stack)”的固体介质进行热接触,板叠的空隙尺寸(～0.5mm)与工质在1ö4周期(通常约为1个毫秒)内的热渗透距离相当,这种具有温差的不理想热接触提供了热声循环所必须的压缩、膨胀(表现为压力波)与声波位移之间的相位。在周期性的压力波动过程中,只要通过板叠的流体在声循环的适当相位被加热,并在适当的相位被冷却,就能达到强化振动的目的
3、。在限定空间内,热声循环中的相位与驻波(例如,风琴管中的空气波动)基本相同,其压力波动超前或滞后于速度波动约1ö4周期,这样就产生了结构异常简单的热声压缩机和热[1-2]声制冷机。然而,由于工作流体与板叠之间不可逆换热所产生的熵增,以及由于压力波与速度波相位的不合理匹配,限制了驻波热声压缩机效率的提高。结果,实际热声转换效率仅在10%左右,远低于大型发电厂中朗肯循环的热转换效率(约30%～40%)。[3-4]七十年代末,PeterCeperley最早提出了行波热声压缩机的概念。他认识到Stirling循环热机回热器中的压力波与速度波相位关系与行波相同,即压力波与速度波同相,建议
4、用行波热声来控制气体的速度波和压力波间的相位,取取消热机中用以调相的运动部件。他还指出,采用空隙尺寸较小的固体介质,即用类似于Stirling循环的回热器代替板叠,可望获得更高的效率。虽然斯特林型行波热声压缩机的理想效率与卡诺循环效率相当,但是Ceperley提出的行波型热声压缩机存在的一些问题使之无法达到其潜在效率,例如:过小的空隙尺寸导致气体流过蓄热器时产生显著的摩擦损失;环形回路结构引起气体在冷、热端换热器之间随意流动,浪费了大量热能。根据Ceperley的设想,T.Yazaki等于1998年建立了一台新型热声压缩机,该装置由具有加热板叠的环形管路构成。他们在环路中观察到
5、了行波形式的自发气体振荡,该装置是一X国家自然科学基金资助课题。本文于2001年4月9日收到。[24] 低 温 与 超 导 2001年第3期行波压缩机。他们还从起振温度曲线图中的振荡区与非振荡区之间稳定性边界曲线及声功大小两个方面,对行波压缩机与驻波压缩机进行了比较,指出具有环路结构的行波板叠起行[5]波功率放大器的作用,其起振温度明显低于驻波热声压缩机。此外,2000年初,M.Masada建立了带支路的环状管型热声Stirling制冷机模拟实验台,在支路上采用线性马达驱动,着重研究了回热器在环状管上的位置对声流密度及制冷性能的
6、影响,得出了与其一维数值模[6]拟基本一致的结论。[7-10]1999年,Backhaus和Swift对行波热声压缩机进行了重要的改进,他们在LosAlamos国家实验室建成了一台热声Stirling压缩机,证明了Ceperley提出的行波压缩机理[7-8]论的正确性。他们把回热器放在一个靠近驻波谐振器封闭端的环路中,在谐振器的封闭端,气体运动速度很小,但压力波动可以非常大。在声循环的半个周期内,气体从谐振器的开口球体处冲向封闭端,导致压力增大。气体压力的增大减缓气体的流动。由于惯性,气体将超过其平衡位置,带动气体离开封闭端,产生压力最小值。在Backhaus-Swift压缩机
7、的封闭端,压力与体积流率之比(即声阻抗)比驻波压缩机大30倍,因此蓄热器中的摩擦损失大大降低。目前这一Stirling型热声压缩机效率(指所产生的净功与使用的燃料能量之比)可达30%,可以和汽车发动机的效率(25～40%)相媲美。2 行波与驻波压缩机的区别与联系热声压缩机一般可分为两大类,即以驻波分量为主的驻波型热声压缩机(简称驻波热声压缩机)和以行波分量为主的行波型热声压缩机(简称行波热声压缩机)。行波热声压缩机和驻波热声压缩机一样,都满足Rayleigh准则,即:对做声振动的介质,若在其
