熱聲效應(yīng)和熱聲發(fā)動機(jī)

黃碧涵

(清華大學(xué)附屬中學(xué)永豐學(xué)校)

還記得《變形金剛》里機(jī)器人們所爭奪的“能量塊”嗎? 它體積雖小,但蘊含的能量卻不可估量.目前地球上已探明的能源中,最接近“能量塊”的能源毋庸置疑是核能.1kg鈾235核裂變釋放的熱能大約相當(dāng)于燃燒2700t標(biāo)準(zhǔn)煤或1700t原油產(chǎn)生的能量.但是如果人類想制造出能夠隨意往返于地球與任一星球的機(jī)器人的話,還需要利用發(fā)動機(jī)或發(fā)電機(jī)將核熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能,這樣才能提供給各種載荷直接使用.一提到發(fā)動機(jī),大家首先想到的可能是柴油機(jī)、汽油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī),這些發(fā)動機(jī)均具有很多精密的高溫機(jī)械運動部件,需要定期維護(hù)保養(yǎng).本文將為大家介紹一種機(jī)械運動部件很少,甚至沒有機(jī)械運動部件的發(fā)動機(jī)——熱聲發(fā)動機(jī).

1 什么是熱聲效應(yīng)?

在認(rèn)識熱聲發(fā)動機(jī)之前,我們先簡單了解一下什么是熱聲效應(yīng).早在18世紀(jì)初期,熱與聲之間的相互作用就引起了聲學(xué)家的興趣.在此之前,牛頓認(rèn)為聲波在空氣中的膨脹和壓縮不會影響溫度,計算得到空氣中聲速約為297m·s－1.直到18世紀(jì)初期,拉普拉斯考慮了聲音在空氣中傳播時空氣溫度的變化,從而修正了牛頓的預(yù)測值,才得到空氣中更為準(zhǔn)確的聲速.

圖1

熱與聲之間的相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象也不斷被人們發(fā)現(xiàn).早在1777年,ByronHiggins發(fā)現(xiàn)在將氫氣火焰放在一段兩端開口的空管子中的適當(dāng)位置時,管子中會激發(fā)出聲波,這就好像是管中的火焰在唱歌,因此人們形象地將這一現(xiàn)象稱為“歌焰”(SingingFlame)效應(yīng).1859 年,Rijke 發(fā)現(xiàn)用加熱過的金屬絲網(wǎng)代替Higgins管中可燃性氣體的火焰,獲得了比Higgins管更為顯著的聲振蕩現(xiàn)象.這種帶有加熱金屬絲網(wǎng)的管子被稱為Rijke管.只要在Rijke管中放置一片金屬絲網(wǎng),并在下方加熱,管子就會發(fā)出聲音.如今,Rijke管振蕩被廣泛地應(yīng)用于脈沖燃燒器以及熱聲效應(yīng)的演示實驗.

18世紀(jì)中期,歐洲的吹玻璃工人也發(fā)現(xiàn):當(dāng)他們將溫度較低的細(xì)玻璃管與熱玻璃泡連接時,細(xì)玻璃管的另一端(即開口端)有時會發(fā)出聲音.Sondhauss隨后對此進(jìn)行了深入研究,這種一端開口、另一端封閉的熱聲振蕩管就被人們命名為Sondhauss管.對于Sondhauss管,將高溫的玻璃球與其相連時,玻璃管頂端會有聲音發(fā)出.1949年,Taconis在實驗中偶然發(fā)現(xiàn)將一端封閉,另一端開口的管子的開口端伸入液氦中時,管中將可能發(fā)生聲波的振蕩,這就是低溫領(lǐng)域著名的Taconis振蕩.Taconis振蕩的原理與Sondhauss管類似,它可能發(fā)生在低溫與室溫之間的充滿氣體的管道中.這種振蕩會破壞管道內(nèi)的穩(wěn)定性,對低溫系統(tǒng)有著不利的影響.

以上這些熱與聲相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象我們都稱之為熱聲效應(yīng).那么為什么會產(chǎn)生熱聲效應(yīng)呢?1878年,Rayleigh(1842—1919,英國物理學(xué)家,因發(fā)現(xiàn)了惰性氣體“氬”以及在氣體密度精確測量方面所作出的貢獻(xiàn),獲得了1904年諾貝爾物理學(xué)獎)給出了定性解釋:如果在氣體最致密的時候向其提供熱量或在其最稀薄的時候從中吸取熱量,聲振動就會被加強(qiáng)(熱能變成聲能形式的機(jī)械能);反之,如果在氣體最致密的時候從中吸取熱量或在其最稀薄的時候向其提供熱量,聲振動就會衰減(聲能變?yōu)闊崮?.

圖2

2 什么是熱聲發(fā)動機(jī)?

按照能量轉(zhuǎn)換方向的不同,熱聲效應(yīng)可以分為兩類,一類是用溫度變化來產(chǎn)生聲音,即熱致聲效應(yīng);另一類是用聲音來產(chǎn)生溫度變化,即聲致冷(熱)效應(yīng).熱聲發(fā)動機(jī)是利用熱致聲效應(yīng),實現(xiàn)熱能到聲能形式機(jī)械能轉(zhuǎn)化的一類發(fā)動機(jī).當(dāng)然我們也可以利用聲致冷(熱)效應(yīng)構(gòu)成熱聲制冷機(jī)或熱聲熱泵.

典型的熱聲發(fā)動機(jī)通常包括一段耐壓的聲學(xué)管道以及位于管道內(nèi)的熱端交換器、回?zé)崞饕约袄涠私粨Q器.管道內(nèi)通常充注高壓惰性氣體,如氦氣、氮氣等.熱端交換器和冷端交換器分別與外界熱源和冷源進(jìn)行熱交換,從而在回?zé)崞鲀啥私⑵饻夭?回?zé)崞魇菬崧曅?yīng)的發(fā)生場所,一般為多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu).

需要說明的是,“熱聲發(fā)動機(jī)”一詞中的“聲”既具有通常意義上聲波的概念,即一定頻率的壓力波動,同時它的強(qiáng)度又遠(yuǎn)大于日常生活中常見的聲波.一般普通人說話的聲音在40dB到60dB之間,而熱聲發(fā)動機(jī)中的聲壓級在200dB左右.在實際的熱聲發(fā)動機(jī)中,聲波在耐壓管道內(nèi)的高壓氣體中傳播,其中發(fā)動機(jī)的振蕩頻率由聲學(xué)管道的長度和氣體聲速共同決定,典型的頻率為20～1000Hz.熱聲發(fā)動機(jī)中工作氣體典型的平均壓力為1～15 MPa,而典型局部壓力波動幅值可以達(dá)到平均壓力的10%,甚至更高.

3 熱聲發(fā)動機(jī)的工作原理

回?zé)崞魇菬崧曅?yīng)的發(fā)生場所,回?zé)崞鲀?nèi)的氣體微團(tuán)在駐波或者行波作用下左右往復(fù)運動,同時使氣體壓縮或膨脹,以圖3為例.當(dāng)氣體微團(tuán)運動到回?zé)崞鞯淖钭蠖藭r,氣體的溫度低于回?zé)崞鞅诿娴臏囟?因此熱量從回?zé)崞鞅诿鎮(zhèn)鹘o氣體微團(tuán).當(dāng)氣體微團(tuán)運動到回?zé)崞鞯淖钣叶藭r,氣體微團(tuán)的溫度高于回?zé)崞鞅诿娴臏囟?因此熱量從氣體微團(tuán)傳給回?zé)崞鞅诿?

圖3 熱聲發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)熱脹冷縮原理,氣體微團(tuán)在左端受熱膨脹,膨脹過程中也同時被推入溫度較低的區(qū)域而又會失熱收縮.與此同時,膨脹氣體微團(tuán)產(chǎn)生壓力波(即聲波)以聲速向外傳播,在一些機(jī)械結(jié)構(gòu)(如管或腔)中產(chǎn)生聲波反射,反射回波將前述受冷失熱的氣體微團(tuán)再次推回到加熱區(qū)域,進(jìn)而再次膨脹,以此循環(huán)往復(fù)使得氣體微團(tuán)對周圍環(huán)境做功,回?zé)崞髦兴袣怏w微團(tuán)所做的凈功就是發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功.

綜上所述,從熱聲效應(yīng)到熱聲發(fā)動機(jī)的工作原理可以看出,熱聲發(fā)動機(jī)是一種由外部供熱的發(fā)動機(jī),因此它可以利用太陽能、生物質(zhì)能或化石燃料燃燒熱、工業(yè)余熱、核熱等不同形式的熱源.此外,與傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)不同,熱聲發(fā)動機(jī)內(nèi)部沒有任何運動部件,因此它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用壽命長等突出優(yōu)點.

(完)