热声效应和热声发动机

黄碧涵

(清华大学附属中学永丰学校)

还记得《变形金刚》里机器人们所争夺的“能量块”吗? 它体积虽小,但蕴含的能量却不可估量.目前地球上已探明的能源中,最接近“能量块”的能源毋庸置疑是核能.1kg铀235核裂变释放的热能大约相当于燃烧2700t标准煤或1700t原油产生的能量.但是如果人类想制造出能够随意往返于地球与任一星球的机器人的话,还需要利用发动机或发电机将核热能转化为机械能或电能,这样才能提供给各种载荷直接使用.一提到发动机,大家首先想到的可能是柴油机、汽油机或燃气轮机,这些发动机均具有很多精密的高温机械运动部件,需要定期维护保养.本文将为大家介绍一种机械运动部件很少,甚至没有机械运动部件的发动机——热声发动机.

1 什么是热声效应?

在认识热声发动机之前,我们先简单了解一下什么是热声效应.早在18世纪初期,热与声之间的相互作用就引起了声学家的兴趣.在此之前,牛顿认为声波在空气中的膨胀和压缩不会影响温度,计算得到空气中声速约为297m·s－1.直到18世纪初期,拉普拉斯考虑了声音在空气中传播时空气温度的变化,从而修正了牛顿的预测值,才得到空气中更为准确的声速.

图1

热与声之间的相互转化现象也不断被人们发现.早在1777年,ByronHiggins发现在将氢气火焰放在一段两端开口的空管子中的适当位置时,管子中会激发出声波,这就好像是管中的火焰在唱歌,因此人们形象地将这一现象称为“歌焰”(SingingFlame)效应.1859 年,Rijke 发现用加热过的金属丝网代替Higgins管中可燃性气体的火焰,获得了比Higgins管更为显著的声振荡现象.这种带有加热金属丝网的管子被称为Rijke管.只要在Rijke管中放置一片金属丝网,并在下方加热,管子就会发出声音.如今,Rijke管振荡被广泛地应用于脉冲燃烧器以及热声效应的演示实验.

18世纪中期,欧洲的吹玻璃工人也发现:当他们将温度较低的细玻璃管与热玻璃泡连接时,细玻璃管的另一端(即开口端)有时会发出声音.Sondhauss随后对此进行了深入研究,这种一端开口、另一端封闭的热声振荡管就被人们命名为Sondhauss管.对于Sondhauss管,将高温的玻璃球与其相连时,玻璃管顶端会有声音发出.1949年,Taconis在实验中偶然发现将一端封闭,另一端开口的管子的开口端伸入液氦中时,管中将可能发生声波的振荡,这就是低温领域著名的Taconis振荡.Taconis振荡的原理与Sondhauss管类似,它可能发生在低温与室温之间的充满气体的管道中.这种振荡会破坏管道内的稳定性,对低温系统有着不利的影响.

以上这些热与声相互转化的现象我们都称之为热声效应.那么为什么会产生热声效应呢?1878年,Rayleigh(1842—1919,英国物理学家,因发现了惰性气体“氩”以及在气体密度精确测量方面所作出的贡献,获得了1904年诺贝尔物理学奖)给出了定性解释:如果在气体最致密的时候向其提供热量或在其最稀薄的时候从中吸取热量,声振动就会被加强(热能变成声能形式的机械能);反之,如果在气体最致密的时候从中吸取热量或在其最稀薄的时候向其提供热量,声振动就会衰减(声能变为热能).

图2

2 什么是热声发动机?

按照能量转换方向的不同,热声效应可以分为两类,一类是用温度变化来产生声音,即热致声效应;另一类是用声音来产生温度变化,即声致冷(热)效应.热声发动机是利用热致声效应,实现热能到声能形式机械能转化的一类发动机.当然我们也可以利用声致冷(热)效应构成热声制冷机或热声热泵.

典型的热声发动机通常包括一段耐压的声学管道以及位于管道内的热端交换器、回热器以及冷端交换器.管道内通常充注高压惰性气体,如氦气、氮气等.热端交换器和冷端交换器分别与外界热源和冷源进行热交换,从而在回热器两端建立起温差.回热器是热声效应的发生场所,一般为多孔介质结构.

需要说明的是,“热声发动机”一词中的“声”既具有通常意义上声波的概念,即一定频率的压力波动,同时它的强度又远大于日常生活中常见的声波.一般普通人说话的声音在40dB到60dB之间,而热声发动机中的声压级在200dB左右.在实际的热声发动机中,声波在耐压管道内的高压气体中传播,其中发动机的振荡频率由声学管道的长度和气体声速共同决定,典型的频率为20～1000Hz.热声发动机中工作气体典型的平均压力为1～15 MPa,而典型局部压力波动幅值可以达到平均压力的10%,甚至更高.

3 热声发动机的工作原理

回热器是热声效应的发生场所,回热器内的气体微团在驻波或者行波作用下左右往复运动,同时使气体压缩或膨胀,以图3为例.当气体微团运动到回热器的最左端时,气体的温度低于回热器壁面的温度,因此热量从回热器壁面传给气体微团.当气体微团运动到回热器的最右端时,气体微团的温度高于回热器壁面的温度,因此热量从气体微团传给回热器壁面.

图3 热声发动机结构

根据热胀冷缩原理,气体微团在左端受热膨胀,膨胀过程中也同时被推入温度较低的区域而又会失热收缩.与此同时,膨胀气体微团产生压力波(即声波)以声速向外传播,在一些机械结构(如管或腔)中产生声波反射,反射回波将前述受冷失热的气体微团再次推回到加热区域,进而再次膨胀,以此循环往复使得气体微团对周围环境做功,回热器中所有气体微团所做的净功就是发动机产生的机械功.

综上所述,从热声效应到热声发动机的工作原理可以看出,热声发动机是一种由外部供热的发动机,因此它可以利用太阳能、生物质能或化石燃料燃烧热、工业余热、核热等不同形式的热源.此外,与传统的发动机不同,热声发动机内部没有任何运动部件,因此它具有结构简单、可靠性高、使用寿命长等突出优点.

(完)