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1、,o第1卷第期制冷与空调1N21EGEAOAA一Pr年月COOGAil2001热声效应在制冷上的应用与分析刘海波李国强徐洪涛李蒙沂袁秀玲(西安交通大学制冷与低温工程系),,摘要热声制冷做为一种新的制冷技术由于它优于传统制冷方法的内在特点成为一个大有前途的发,,,。展方向但由于技术上的难度和研究工作的不够它难以实现理论上应有的效率在这篇文章里我们分,析了热声效应在制冷上的应用及热声制冷技术的难点并系统地提出了性能优化方法关键词热声效应热声制冷泵热一,1前言(文献2」)产生的而共振腔里的温度分布如图lb,::近几年来环境问题已成为设计研制制冷系统所示热声的机理
2、可以用如下模型说明我们在热,。的一个重要考虑因素目前这方面的努力主要集声核心中的板叠里取出一块板来进行分析在流体,,中在两个方面即开发新的替换工质和研究新的制中取一个振动的气体微粒由于声波发生器和系统,。的冷技术应用热声效应原理的热声制冷作为一种固有频率相同它们共振产生的压力波使气体微,,粒受到周期性的压缩和膨胀(我们认为这种压缩和新的制冷技术和传统的蒸气压缩式制冷相比它,:膨胀是绝热的)从而气体微粒沿板来回振动而发的优点是很明显的①它所用的工质是对环境没。,,生位移其热力学过程可有危害作用的惰性气体如氦氮等这在环境问题以这样来描述(参照图:,、,,IcT
3、日益严重的今天显得尤为重要;②结构设计简单)第一步气体微粒的初温为这时它被绝热,,;;价格便宜寿命长③运动部件少不需要润滑油声波发生器~全比热声核心宁共振书,④没有压缩机能够实现噪音很小或无噪音:arnel1994(Gfik)2热声制冷的原理换热器,热声效应简单地说就是热与声之间相互转换速度二,的现象从声学角度来说它是由于处于声场中的,固体介质与振荡的流体之间相互作用使得距固体,壁面一定范围内在声传播方向产生一个时均热流并在这个区域内产生或者吸收声功的现象,根据热声效应制成的热声制冷机(如图la)它包括了4个基本部件①热声核心②共振腔③换:,热器④声波发生
4、器使用一个声波发生器如扬声,器(它的频率和系统固有频率相同)由于共振作用,在工质中产生驻波共振腔的长度设计得和这种驻`,,波的半波长凡理相同因此在共振腔里我们可:以得到如下图lb所示的压力和速度分布。P,X=PAeos2/几()(二)一5`·2/`二。(x)`二,朵xC在图示距声波发生器处设置待征长度为,,么二的板叠经实验证明会有一个么丁的温度梯.度在板叠上形成这个温度梯度便是由热声效应图l制冷与空调第卷,,,,压缩从而温度升高压力升高从图看是气体微粒之比即〕在声源驻波的作用下向左移向压力波腹(最大值)〔二迪些切旦(1),,TZ;处之后温度变为第二步此时气
5、体微粒的温裤,,再对热声制冷和传统制冷方法的效率作一比较我度高于板壁温从气体微粒向板有不可逆的传热发,,:生热量大小我们标为dQh传热发生后微粒温度们发现尽管热声制冷由于不依赖有害制冷剂而倍,,,,为T;3第三步在驻波作用下微粒向右运动在它受瞩目但目前它却不能和一般基于朗肯循环基础,,,回到初始位置的过程中又经历了绝热膨胀温度上的商用制冷机相竞争商用制冷机的COP是卡..,,,4;COP的0一05而热声制冷的COP与下降为T第四步由于它此时的温度比板低从诺循环3..,,板向气体微粒将有不可逆的传热发生图示为卡诺循环COP比是01一02和商用制冷机相比。,,
6、。dQ这样气体微粒便完成了一个热力和声学上还存在差距许多致力于提高热声制冷机效率的,,l的循环又回到了原位置和原温度T从而开始下研究者提供了一些导致热声制冷机性能不佳的原,。因主要有:一个循环这个循环的效果便是利用驻波产生的以下几个方面,,,c压能将热量dQ从冷源吸出并从板的一端传到(1)有害负荷它是一个主要因素例如通过,,,固体表面在换热器之间的导热从发生器的马达向另一端从这里也可以看出此传热的实现是不需。,,要通过机械压缩设备来完成的由于很多气体微各换热器的传热大气与系统之间的热交换声能,的损耗对冷热换热器形成的附加冷热负荷等;粒经历这种热力学过程整体
7、效果便等同于每个气,体微粒从右边温度较低的微粒接收热量再将它传(2)流动效应和非线性效应如工作流体中稳,,流的再循环效应紊流效应等;给左边温度较高的气体微粒因而从右向左流体温,。,,度越来越高这便是△T的形成原因在板叠两端(3)对一些部件的研究不够尤其是换热器,分别布置一个换热器右边的冷端换热器是用来吸未能达到最优状态;,收需要制冷的冷源的热量而左边的热端换热器就(4)为了便利和节省投资所做的一些和设计。。是将由气体传来的热量和声能排放给环境相违背的折衷等,,这种借助于板叠流体在冷热端换热器之间的通过前面对热声制冷原理的说明我们知道在-,Baryotn;热
8、力过程类似于链式的循环但在Bray热声制冷系统(以电声驱动为例)中
