热声制冷技术文献综述

热声制冷技术文献综述

摘要：随着化石能源的枯竭和人类对全球性环境问题的关注，人们对节能技术越来越重视，制冷行业也不例外。而热声制冷以其环保、可靠等优点已成为当前研究的热门。本文将向大家介绍热声制冷原理及其发展趋势。

Pick to：As the fossil energy depletion and human attention to global environmental problems, people pay more and more attention to energy saving technology, refrigeration industry is no exception. The thermoacoustic refrigeration with its advantages of environmental protection, reliable has become a current research hot. This article will introduce the principle of thermoacoustic refrigeration and its development trend.

关键字：热声制冷原理热声制冷机发展现状及趋势

1.前言

空气调节是指用人工手段，对建筑/构筑物内环境空气的温度、湿度、洁净度、速度等参数进行调节和控制的过程。特别的，工程技术上的人工制冷空调，就是指利用一定的装置，消耗一定的能源，强制地使某一对象的温度低于周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程。传统空调制冷是当空调器通电后，制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的空气送向室内。这样室内空气不断循环流动，达到降低温度的目的。但传统空调制冷时使用的制冷剂却容易对环境产生污染，如臭名昭著的臭氧层破坏元凶--氟利昂。而热声制冷是一种利用热声效应的新型制冷技术，具有许多传统制冷方法无法比拟的优势，表现在：采用氦气、氮气或者空气等惰性气体作为工作介质，是真正意义上的环保制冷技术；热驱动的热声制冷机基本没有机械运动部件，具有高度的可靠性；热声制冷几乎可以覆盖现有制冷方式的所有制冷温区，从冰箱、空调普冷直到液氦温区的制冷均可能采用同一种制冷方式来完成，这是其它传统制冷技术所不能完成的；新型热声制冷还具有实现高效率的潜力，近期研究表明行波热声制冷所进行的声学斯特林循环具有与卡诺循环相同效率的潜力。由于热声技术具有以上环保、可靠和适应性广的突出优势以及可实现高效率的潜力，因此，其研究受到了国内外相关行业的高度重视，已成为业内的研究热点和竞争焦点。

2.热声制冷原理

热声效应其实就是热与声之间相互转换的现象。从声学角度来看，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。它可以简单描述成声波稠密时引进热量，当声波稀疏时放出热量，声波得以加强，而反之则声波减弱。从热学的角度来看，由于热声系统中总存在高温端和低温端，这样声场流体中将存在一个纵向温度梯度，因此，热声系统中除了声压引起的气体温度变化外，还存在温度梯度引起的沿程温度变化。正是由于这个纵向温度梯度的存在，使得声功可能产生也可能被消耗用于泵热。在高温度梯度区(实际温度梯度大于声功产生临界温度梯度)，工作介质吸收由高温端传来的纵向热流的一部分，将其转化为声功，用于克服声介质的不可逆功耗散，同时也使纵向声功流增强；在低温度梯度区(实际温度梯度小于泵热临界温度梯度)，工作介质除了

由于不可逆性耗散一部分声功外，还消耗一部分声功使热流由低温端泵向高温端；在介于这两个温度梯度区之间的中间温度梯度区，工作介质消耗声功产生热流，热流由高温端流向低温端。因此，制冷机应工作在低温度梯度区。

3.热声制冷机

热声制冷机是在斯特林循环基础上发展起来的新型制冷机，它集结构简单、可靠性高、工作寿命长、无（或少）运动部件、无环境污染、工作温度范围宽、能源要求品位低等诸多优点于一身，因此具有极大的潜力，正日益受到人们的重视。

热声制冷机的基本结构如图1所示，主要由扬声器、板叠、热端换热器、冷端换热器、共振管等组成。板叠是工作介质发生热力过程的场所，板叠通道问充满气体工作介质。在热声制冷机中，多采用氮气、氦气或其他惰性气体作为工作介质。制冷效应的产生还要依靠声波的存在，声波的存在会使气体工作介质发生压缩与膨胀等一系列热力过程。产生声波的方法很多，图1中采用了电磁驱动(扬声器)形式。此外还有其他方式，例如热驱动和太阳能驱动等。

图2为板叠通道间气体微团热力过程。TH和TC分别表示微团位移极限处的温度，可以看作是微型化了的板叠的热端温度和冷端温度，箭头表示热量传输的方向。热声制冷机开始工作时板叠温度均匀分布，气体微团在声波产生的压力波的作用下，在板叠间的通道中往复运动。当微团向右运动时，由于制冷机中振荡压力处于优势地位，热收缩力不足以克服由于压力降低造成的微团体积膨胀趋势，所以微团体积增大，温度降低，从固体壁面吸收热量；反之，当微团向左运动时，微团体积缩小，同时对固体壁面放热。微团的工作效果是从右端(冷端)吸收热量，把热量运到左端(热端)。在热声制冷机中，有无数个这样的微团，把沿板叠长度方向上的气体看作一个传递热量的气体微团链，因此可以进行热量传递过程，达到制冷效果，整体换热是通过热端换热器和冷端换热器完成。热声制冷

机热端换热器的温度通常为室温，其冷端温度则取决于制冷过程能够获得的最低温度。此外，热声效应产生的结果还与声场的性质有关。声场有行波声场和驻波声场之分，声场性质不同，实现热声制冷的原理、系统参数及热声制冷机结构均有所不同。

4.热声制冷技术发展现状及趋势

目前小振幅的线性热声理论已趋于完备，但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。非线性热声学理论还需进一步完善。随着对声学特性的深入认识，一些新的热声系统结构相继被提出，如无气库惯性管、聚能型谐振管以及声压放大器等；热声制冷的设计工艺水平和制造工艺也在不断提高。但由于对相关理论研究不够透彻，使得现有设计水平远没有达到最优化的程度，加上现有制造水平还不尽如人意，材料的选择及制造技术都有待完善，使得现在热声制冷单件的成本高于普通传统制冷装置。但毫无疑问的是，随着材料的选择和制造工艺的日趋成熟，热声制冷将会具有极大的成本优势。因此，热声技术是—项成本高昂、高效率、低污染、可靠性高的高新技术，是目前行业研究热点和竞争焦点；同时，如何进一步提高热声技术的效率降低成本也是各国研究者的重要任务和主要挑战。此外，采用太阳能、废热、燃气等驱动热声制冷机的技术也值得我们研究，因为这将为合理利用低品位能源、提高系统的热效率开辟新的途径，在节能环保方面具有重要意义。值得一提的是，随着计算机硬件和计算流体动力学(CFD)软件的迅速发展,近年来采用CFD方法对热声系统进行数值模拟逐步得到发展,有望成为深入研究热声系统内部物理过程和指导优化设计的有力工具。

5.结论

热声技术的简单、环保、节能高效的特性符合当今时代的需要，它将会给包括制冷工业在内的整个能源工业带来巨大的影响。尽管，当前热声技术还不完善，成本也比传统空调制冷高，但瑕不掩瑜，热声制冷技术还是具有非常大的应用价值。由于热声制冷机没有任何运动部件，不需要采用动密封。所以热声制冷机结构简单，可靠性高，成本低。由于声音被限制在一个密封的空腔内，因而设备的运行噪声也很小。热声制冷机可以采用太阳能、废热、燃气等驱动，它的应用将为合理利用低品位能源、提高系统的热效率开辟新的途径。因此，我国应加大这方面的研究，提高我国空调制造业的技术含量。此外，我国的环境污染在世界上较严重，每年消耗的能量也很多。因此，国家必须改善能源结构，提倡使用清洁优质高效能源，大力推广节能环保新技术。对于制冷与空调行业，应从环保化、节能化、智能化三方面着手，注重热声技术等新技术的研发和应用，进一步降低能耗，并不断提高我国的技术含量，努力掌握核心技术。热声技术等新技术就是一个好的突破点，只要我们掌握并利用了先进的生产力，就有可能实现跨越式发展。

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