热声致冷效应演示实验

鄢红春,常 江,陈 聪

(海军工程大学理学院应用物理系,湖北武汉430033)

1 引 言

热声致冷是20世纪80年代提出来的致冷方式.世界上第一台采用扬声器驱动的热声致冷机是1985年由美国海军研究生院的 Hofler研制成功的.虽然热声致冷机目前还处在试验样机和某些特殊场合应用的阶段(如冷却航天飞机上的红外传感器及海军舰船上的雷达电子系统等),但因其在稳定性、使用寿命、环保(使用无公害的流体为工作介质)及无运动部件等方面的优势以及在普冷和低温等领域潜在的应用前景,近二三十年来,热声致冷机迅速成为了致冷领域一个新的研究热点[1].

2004年,曹正东等[2]率先在国内将这一新的制冷技术引入到基础物理实验中来,研制了结构简单的热声制冷实验装置.作为热声致冷装置核心部件热声堆,他们是用直径为0.368 mm的钓鱼线和宽为35 mm的胶卷,每隔5 mm用502胶水粘在胶卷底片上制成的,但我们在重复该实验时发现,尽管有自制的简易盘线架的帮助,但是,制作起来还是十分困难,虽然有10℃左右的温跨(冷热端温差),但冷端降温还不太明显(＜5℃).为此,我们重新设计了热声堆,以空气作为工质,在无冷却措施的情况下,系统运行较短时间内,实现了十分明显的温降和较大的温跨,且热声堆制作也简单、方便且可靠.

2 热声致冷的基本原理

热声效应指由于处在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.按能量转换方向的不同,热声效应可分为2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.扬声器驱动的热声致冷机是按照第二类原理进行工作的.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.下面以驻波型热声致冷机为例简述热声致冷的基本原理[3-4].

设在传声介质中插入一固体平板,使板面平行于声介质振动方向.考虑1个气体微团在一定声频率下沿平板作往复运动的情况(如图1所示,圆的大小形象表示气体微团体积的大小).

设初始状态时气体和平板的温度均为 T,气团在声压作用下由位置1(X=0,状态1)运动到位置2(X=X+处,状态2),因为此过程中气团被绝热压缩,所以气团温度升为 T++,于是,将有热量Q1由气团流向平板;失去热量的气团体积变小,同时,温度降为 T+(状态3);随后,气团又在声压的往复振荡作用下向左回到位置1(状态4)状态,因为此过程中气团被绝热膨胀,所以气团温度降为温度 T-;声压继续向左振荡使气团绝热膨胀到位置 5(X=X-,状态 5),温度降为T---,此时气团的温度低于平板的温度,于是就有热量Q2由平板流向气团,吸热后的气团等压膨胀,同时温度升为 T--(状态6);此后声波向右振荡使气团绝热压缩,又回到位置1(状态1),完成1个热力循环.循环结果,热量从平板 X-处转移到了 X+处.这是单个气体微团的情况.事实上,平板附近有无数气团,它们的运动情况相同,所有这些与平板进行热交换的气团连成振荡链,就像接力赛一样将平板左端(冷端)的热量输送到右端(热端),实现泵热.

3 实验装置和方法

热声致冷实验装置由功率信号源、示波器、扬声器、谐振管、热声堆、铝塞、测温探头(温差电偶)、数字式温度计等组成,如图2所示.就致冷装置而言,扬声器、谐振管和热声堆是主要部件.

图2 热声致冷实验装置示意图

功率信号源(可用信号发生器及功率放大器代替)产生一定频率的声振动,推动扬声器.扬声器发出的声波(机械能)在谐振腔内成为致冷做功的动力.本实验采用的是1只40 W的普通扬声器,实践证明有较好的致冷效果.

谐振腔是内径为25 mm、长为L=38.5 cm的有机玻璃管,它通过1块中心有一圆孔,其半径与谐振管相等的薄树脂板盖在扬声器上(用垫圈),谐振管的长度决定了系统的谐振频率.根据声学理论[5],对于均匀有限长管的管内声场,只有当管长为声波波长的1/4时,才会产生谐振现象,此时振幅最大,致冷效果最为明显.设空气中的声速c=340 m/s,则谐振频率

考虑到温度对声速的影响以及管端口误差,实际频率略有偏差.为了准确选定工作频率,在铝塞内安放了微型话筒,并将话筒(可通过计算机)接在示波器上.系统工作时,先在示波器上寻找振幅最大的谐振峰,以此来确定实验中的谐振频率.本实验的实际工作频率为233 Hz,与理论值比较接近.

热声堆是该致冷装置的关键部分.有平板型、多孔材料型及针棒型等多种型式.制作热声堆主要考虑热渗透深度.另外,板叠中心位置和长度也是2个很重要的参数.目前,选板叠型式,优化参数主要由实验确定.实验所采用的热声堆是由1组短细管构成,其结构示意图如图3所示.热声堆在谐振腔内的位置可调.

图3 热声堆结构示意图

在热声堆上方有一铝塞,它将谐振管的上端口封住.铝塞上开一小细槽,将测温探头置于热声堆的上、下部腔内,由数字式温度计分别读出系统工作前后的空气的温度(图2中仅画出了测量热声堆下部腔内的温度计).

4 实验结果

接通信号源,调节其输出频率使示波器上话筒输出信号为最大,得到系统的谐振频率,每隔5 s同时记录2支温度计的示值.作出热声堆两端温度θ与时间t关系图,如图4所示.

由图4可见,系统运行200 s后,温度已降到稳定值12℃,热声堆上部温度达到37℃,本实验的环境温度为25℃.谐振腔内的温度已下降了Δθ=13℃.热声堆下部与热声堆上部的差值(温跨)为:Δθ=25℃.致冷效果十分明显.

图4 热声堆两端温度随时间变化

5 结束语

本实验以空气作工质,在无冷却措施的情况下,利用一些常见的材料和设备,搭建了一套热声致冷效应的实验验证装置.很容易在基础物理实验室实现.由于影响热声致冷效应的因素很多,有许多问题还处在探索之中.因此,该实验不仅可作为演示实验,而且还可作为设计性和研究性实验.

[1] 欧阳录春,蒋珍华,俞卫刚,等.扬声器驱动热声致冷机的研究进展[J].应用声学,2005,24(1):59-65.

[2] 曹正东,马彬,陈润,等.热声效应及其实验[J].物理实验,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] 杜功焕,朱哲民,龚秀芬.声学基础[M].南京:南京大学出版社,2001.