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摘要：热机作为一种以现代科技为基础构建出的新型技术，其自出现以来，便以自己的独特优势受到人民群众的广泛关注。对此，本文以热机技术为立足点，通过对该项技术的简单分析，从而就该项技术在实际生产生活中的具体应用展开研究。
关键词：热机技术；实际应用；分析
所谓的热机，指的就是可以利用内能来做功的机械设备。即将各类燃料在燃烧过程中产生的化学能以一定的方式转变成内能，而后再变成机械能释放出来，为机械设备提供动能的设备。因为热机本身的应用范围相对较为广泛，所以，其受到的关注度也比较多。基于此，研究热机设备基本结构和热机技术工作原理，不仅可以帮助人们更好的了解热机，还能够进一步明确热机技术在未来一段时间内的发展方向。
一．热机技术基本概况
（一）热机技术的优势
现阶段，热机主要可以被分为发动机和制冷剂这两大类别，其中，前者是将热能变为声能存储在声场中的设备；后者则是借助声能泵热的方式完成制冷目标。同传统的热机设备相比，热声热机主要具有以下几大优势：第一，可动部件数量少，结构简单。热声热机通过将热声发动机和制冷剂相组合的方式制作成了热驱动热机，这种热机不仅内部不需要可动部件做支撑，运行期间的可靠性较高，还能够在处于低温电子学零件冷却空间中的长寿命制冷器上使用。第二，热声热机无污染，符合环境保护政策的相关要求。同传统热声制冷机相比，热声热机在运行时不需要氟利昂为运行媒介，极大的降低了对臭氧层的损害程度，缓解了温室效应对生态环境的不利影响，能够充分满足低碳经济理念的相关要求。第三，热声热机可直接使用太阳能、地热能等低品质能源。正是因为热声热机技术本身具有如此优势，使其在上世纪九十年代初开始迈入到了开发研究和应用的“高潮”。
（二）热机的组成
正常情况下，一个完整的热机主要有热声转换装置和能量输送装置。其中，热声转换专职包括低温热源、高温热源、静止回热器三部分，三者共同被防治在一个驻波管之中，构成热机设备的热声谐振管。在热机设备中，驻波管的主要作用就是确保某个平面驻波声场可以维持在一个相对稳定的状态，低温和高温两大热源能够处在加热器的两段，并具有较为良好的热接触。这样一来，回热器两段就可以构成一个相对稳定的温度，当该温度的梯度超过了预先设定好的临界值时，热声谐振管就会自动出现自激振荡运动，此时，回热器就便成为了声发生器，将热能转化成声能。就热机本身来看，其内部的谐振管中不仅应当有可以达到传递声波目的的流体介质，其本身因为热声效应产生的工作介质还需要满足一下工作要求：一是谐振管中的流体介质本身具有可压缩性，声速相对较大的流体在同等压力和体积变化的状态下，单位内体积声能密度会随之增加；二是流体热膨胀系数相对较大，对于那些被要求需要在温度差较大的环境下才能够出现小能流密度的场合，体积比热较小，对要求在温度差较小的状态下可以产生大能流密度的效应场合，比热较大；三是流体本身有低Prandtl数。从热机技术本身来看，气体介质要想提高单位体积内的声能密度，就必须要适当的增加谐振管内部的充气压力。但因为换能器这个热机设备的重要组成是一个不便使用声功的设备，其无论是在能量输入还是输出时，对内部声场稳定的影响较小，所以，在使用气体介质时，相关人员可以选择本身特性与声场特性匹配度较高的换能器作为能量转换装置，以此来提高热机的使用效率。
二、热机技术工作原理
按声场类型，热机可以被分为行波热机与驻波热机两种，同前者相比，功率相同的状态下，后者产生的振幅更大，所以，后者在实际生活中的应用更加普遍。基于此，笔者主要以驻波热机为例，对热机技术的热制声原理展开分析。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆以二分之一波长的热机为例，如果热机两段驻波管处于封闭状态，那么这两段驻波管的运行速度就是零，而驻波两个波节产生的压力振幅就会处于最大化的状态[1]。但在驻波管中部，压力振幅则为零，速度振幅最大，属于驻波的波谷或者是波峰。如果驻波的速度相位与压力相位差为九十度，板叠就会处于速度和压力波节中间的位置，且板叠内部流体微团会因为受到驻波的作用力，出现左右反复运动的工作状态，并不断的膨胀和压缩。热机的声制冷工作原理可以被看成是一个逆过程的热致声，所以，其基本结构同热致声几乎没有差别。
三、热机技术的具体应用
（一）热机技术应用现状
热声热机是目前在各行业产业中应用较为普遍的一种设备，其主要包含了制冷机和发动机两类。就发动机设备来讲，其在运行期间直接产生的能量就是声波，这种能量不仅可以被直接当做驱能源使用，也能够被转化为其他形态的能量，所以，以发动机为主要形态的热机技术可以用来制作压缩机，从而使机械设备中即使没有运动部件和润滑油，也可以处于持续工作的状态。同发动机相比，制冷机在现代社会中的应用前景更为广泛。因为制冷机在运行过程中具有噪声低、污染小、无需运动部件做支撑等优势，使得其受到空调和环保冰箱生产商的广泛欢迎。从结构上来看，热机制冷机可以又可以被分为以电声为主要驱动的制冷机和以热声驱动的制冷机两种。其中，前者制作出的最具有代表性的就是Hofler驱波制冷机。该制冷机是一种四分之一波长的制冷机设备，声源是由电声驱动的发生器供给，高端温度可以达到300K，低端温度也在210K以上，压比大约为0.03，功率则有6W，而工作效率则可以达到卡诺效率的三分之一。现阶段，已经被生产制作完成的热驱动制冷机中，只有一台制冷机被应用在液化天然气这一领域中。这一制冷机的设备全场在十二米左右，设备中回热器的直径有半米，制冷温度能够达到120K[2]。
（二）热机使用期间的注意事项
同传统热机不同，热声热机在使用的过程中会受到两大因素的限制：一是因为自身的体积比功率相对较小，对热源温差的要求相对较大，但热声热机通常都是在气体工质中运行，而气体工质本身的体积比热相对较小，这就使得热声热机设备的体积一般都比较大，使用范围因此就会受到一定的限制。为了解决这一问题，相关领域负责人一般会利用超临界的液体工质替代气体工质，以此来达到提高工质体积比热的目的[3]。二是热声制热机工作效率相对较低，要想提高其工作效率，不仅需要先优化设备本身的结构，从根本上提高设备的热声转换能力，还需要不断提高设备对声功的利用效率，减少因为不可逆因素产生的能源损耗。
结语
科学技术的迅猛发展和水平的提升，虽然在一定程度上为社会的发展和进步提供了巨大的支撑力，但因为人们在大力发展社会经济的过程中未合理利用科技，不注重可持续发展，未贯彻落实科学发展观，从而导致社会和生态环境遭受了极大的破坏。热机技术作为在各行业产业中得到了广泛应用的现代科技，了解热声热机设备的基本结构与热机技术的工作原理，对于帮助相关产业合理利用该项技术，改进热机技术在使用期间的各类弊端，明确该项技术的具体应用方法和领域，促进社会健康可持续发展可以起到积极的促进作用。
参考文献：
[1]张晓青,常进展.多级环形热声热机的起振条件及特性[J].华中科技大学学报(自然科学版),2015(8):127-132.
[2]孙兰飞,陈燕燕,罗二仓,等.热声热机换热器的基本换热特性研究[J].工程热物理学报,2017(5):925-929.
[3]常进展.低起振温差的热声热机特性研究[D].华中科技大学,2015.
论文作者:白瑾
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/15
标签：热机论文; 驻波论文; 制冷机论文; 技术论文; 设备论文; 工质论文; 体积论文; 《电力设备》2017年第21期论文;