熱聲致冷效應(yīng)演示實驗

鄢紅春,常 江,陳 聰

(海軍工程大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系,湖北武漢430033)

1 引 言

熱聲致冷是20世紀(jì)80年代提出來的致冷方式.世界上第一臺采用揚聲器驅(qū)動的熱聲致冷機(jī)是1985年由美國海軍研究生院的 Hofler研制成功的.雖然熱聲致冷機(jī)目前還處在試驗樣機(jī)和某些特殊場合應(yīng)用的階段(如冷卻航天飛機(jī)上的紅外傳感器及海軍艦船上的雷達(dá)電子系統(tǒng)等),但因其在穩(wěn)定性、使用壽命、環(huán)保(使用無公害的流體為工作介質(zhì))及無運動部件等方面的優(yōu)勢以及在普冷和低溫等領(lǐng)域潛在的應(yīng)用前景,近二三十年來,熱聲致冷機(jī)迅速成為了致冷領(lǐng)域一個新的研究熱點[1].

2004年,曹正東等[2]率先在國內(nèi)將這一新的制冷技術(shù)引入到基礎(chǔ)物理實驗中來,研制了結(jié)構(gòu)簡單的熱聲制冷實驗裝置.作為熱聲致冷裝置核心部件熱聲堆,他們是用直徑為0.368 mm的釣魚線和寬為35 mm的膠卷,每隔5 mm用502膠水粘在膠卷底片上制成的,但我們在重復(fù)該實驗時發(fā)現(xiàn),盡管有自制的簡易盤線架的幫助,但是,制作起來還是十分困難,雖然有10℃左右的溫跨(冷熱端溫差),但冷端降溫還不太明顯(＜5℃).為此,我們重新設(shè)計了熱聲堆,以空氣作為工質(zhì),在無冷卻措施的情況下,系統(tǒng)運行較短時間內(nèi),實現(xiàn)了十分明顯的溫降和較大的溫跨,且熱聲堆制作也簡單、方便且可靠.

2 熱聲致冷的基本原理

熱聲效應(yīng)指由于處在聲場中的固體介質(zhì)與振蕩流體之間的相互作用,使得距固體壁面一定范圍內(nèi)沿著(或逆著)聲傳播方向產(chǎn)生熱流,并在這個區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生(或者吸收)聲功的現(xiàn)象.按能量轉(zhuǎn)換方向的不同,熱聲效應(yīng)可分為2類:一是用熱來產(chǎn)生聲,即熱驅(qū)動的聲振蕩;二是用聲來產(chǎn)生熱,即聲驅(qū)動的熱量傳輸.揚聲器驅(qū)動的熱聲致冷機(jī)是按照第二類原理進(jìn)行工作的.只要具備一定的條件,熱聲效應(yīng)在行波聲場、駐波聲場以及兩者結(jié)合的聲場中都能發(fā)生.下面以駐波型熱聲致冷機(jī)為例簡述熱聲致冷的基本原理[3-4].

設(shè)在傳聲介質(zhì)中插入一固體平板,使板面平行于聲介質(zhì)振動方向.考慮1個氣體微團(tuán)在一定聲頻率下沿平板作往復(fù)運動的情況(如圖1所示,圓的大小形象表示氣體微團(tuán)體積的大小).

設(shè)初始狀態(tài)時氣體和平板的溫度均為 T,氣團(tuán)在聲壓作用下由位置1(X=0,狀態(tài)1)運動到位置2(X=X+處,狀態(tài)2),因為此過程中氣團(tuán)被絕熱壓縮,所以氣團(tuán)溫度升為 T++,于是,將有熱量Q1由氣團(tuán)流向平板;失去熱量的氣團(tuán)體積變小,同時,溫度降為 T+(狀態(tài)3);隨后,氣團(tuán)又在聲壓的往復(fù)振蕩作用下向左回到位置1(狀態(tài)4)狀態(tài),因為此過程中氣團(tuán)被絕熱膨脹,所以氣團(tuán)溫度降為溫度 T-;聲壓繼續(xù)向左振蕩使氣團(tuán)絕熱膨脹到位置 5(X=X-,狀態(tài) 5),溫度降為T---,此時氣團(tuán)的溫度低于平板的溫度,于是就有熱量Q2由平板流向氣團(tuán),吸熱后的氣團(tuán)等壓膨脹,同時溫度升為 T--(狀態(tài)6);此后聲波向右振蕩使氣團(tuán)絕熱壓縮,又回到位置1(狀態(tài)1),完成1個熱力循環(huán).循環(huán)結(jié)果,熱量從平板 X-處轉(zhuǎn)移到了 X+處.這是單個氣體微團(tuán)的情況.事實上,平板附近有無數(shù)氣團(tuán),它們的運動情況相同,所有這些與平板進(jìn)行熱交換的氣團(tuán)連成振蕩鏈,就像接力賽一樣將平板左端(冷端)的熱量輸送到右端(熱端),實現(xiàn)泵熱.

3 實驗裝置和方法

熱聲致冷實驗裝置由功率信號源、示波器、揚聲器、諧振管、熱聲堆、鋁塞、測溫探頭(溫差電偶)、數(shù)字式溫度計等組成,如圖2所示.就致冷裝置而言,揚聲器、諧振管和熱聲堆是主要部件.

圖2 熱聲致冷實驗裝置示意圖

功率信號源(可用信號發(fā)生器及功率放大器代替)產(chǎn)生一定頻率的聲振動,推動揚聲器.揚聲器發(fā)出的聲波(機(jī)械能)在諧振腔內(nèi)成為致冷做功的動力.本實驗采用的是1只40 W的普通揚聲器,實踐證明有較好的致冷效果.

諧振腔是內(nèi)徑為25 mm、長為L=38.5 cm的有機(jī)玻璃管,它通過1塊中心有一圓孔,其半徑與諧振管相等的薄樹脂板蓋在揚聲器上(用墊圈),諧振管的長度決定了系統(tǒng)的諧振頻率.根據(jù)聲學(xué)理論[5],對于均勻有限長管的管內(nèi)聲場,只有當(dāng)管長為聲波波長的1/4時,才會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象,此時振幅最大,致冷效果最為明顯.設(shè)空氣中的聲速c=340 m/s,則諧振頻率

考慮到溫度對聲速的影響以及管端口誤差,實際頻率略有偏差.為了準(zhǔn)確選定工作頻率,在鋁塞內(nèi)安放了微型話筒,并將話筒(可通過計算機(jī))接在示波器上.系統(tǒng)工作時,先在示波器上尋找振幅最大的諧振峰,以此來確定實驗中的諧振頻率.本實驗的實際工作頻率為233 Hz,與理論值比較接近.

熱聲堆是該致冷裝置的關(guān)鍵部分.有平板型、多孔材料型及針棒型等多種型式.制作熱聲堆主要考慮熱滲透深度.另外,板疊中心位置和長度也是2個很重要的參數(shù).目前,選板疊型式,優(yōu)化參數(shù)主要由實驗確定.實驗所采用的熱聲堆是由1組短細(xì)管構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.熱聲堆在諧振腔內(nèi)的位置可調(diào).

圖3 熱聲堆結(jié)構(gòu)示意圖

在熱聲堆上方有一鋁塞,它將諧振管的上端口封住.鋁塞上開一小細(xì)槽,將測溫探頭置于熱聲堆的上、下部腔內(nèi),由數(shù)字式溫度計分別讀出系統(tǒng)工作前后的空氣的溫度(圖2中僅畫出了測量熱聲堆下部腔內(nèi)的溫度計).

4 實驗結(jié)果

接通信號源,調(diào)節(jié)其輸出頻率使示波器上話筒輸出信號為最大,得到系統(tǒng)的諧振頻率,每隔5 s同時記錄2支溫度計的示值.作出熱聲堆兩端溫度θ與時間t關(guān)系圖,如圖4所示.

由圖4可見,系統(tǒng)運行200 s后,溫度已降到穩(wěn)定值12℃,熱聲堆上部溫度達(dá)到37℃,本實驗的環(huán)境溫度為25℃.諧振腔內(nèi)的溫度已下降了Δθ=13℃.熱聲堆下部與熱聲堆上部的差值(溫跨)為:Δθ=25℃.致冷效果十分明顯.

圖4 熱聲堆兩端溫度隨時間變化

5 結(jié)束語

本實驗以空氣作工質(zhì),在無冷卻措施的情況下,利用一些常見的材料和設(shè)備,搭建了一套熱聲致冷效應(yīng)的實驗驗證裝置.很容易在基礎(chǔ)物理實驗室實現(xiàn).由于影響熱聲致冷效應(yīng)的因素很多,有許多問題還處在探索之中.因此,該實驗不僅可作為演示實驗,而且還可作為設(shè)計性和研究性實驗.

[1] 歐陽錄春,蔣珍華,俞衛(wèi)剛,等.揚聲器驅(qū)動熱聲致冷機(jī)的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用聲學(xué),2005,24(1):59-65.

[2] 曹正東,馬彬,陳潤,等.熱聲效應(yīng)及其實驗[J].物理實驗,2004,24(12):7-9.

[3] Swift GW.Thermoacoustic engines[J].J.Acoust.Soc.Am.,1988,84(4):1145-1180.

[4] Garrett SL,Hofler T J.Thermoacoustic refrigeration[J].ASHRAE Journal,1992,34(12):28-36.

[5] 杜功煥,朱哲民,龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京:南京大學(xué)出版社,2001.