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還記得《變形金剛》里機器人們所爭奪的“能量塊”嗎？它體積雖小，但蘊含的能量卻不可估量。 
圖片來源：動畫片《變形金剛》 在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。1公斤鈾235核裂變釋放的熱能大約相當于燃燒2700噸標準煤或1700噸原油。但是，如果想讓人類創(chuàng)造出的機器人隨意進行星際穿越，還需要利用發(fā)動機或發(fā)電機將核熱能轉化為機械能或電能，使得機器人能有足夠的能量運作。 一提到發(fā)動機，大家首先想到的可能是柴油機、汽油機或燃氣輪機，這些發(fā)動機均具有很多精密的高溫機械運動部件，需要定期維護保養(yǎng)。 
燃氣輪機丨圖片來源：https:/// 今天，大院er將向大家介紹一種機械運動部件很少，甚至沒有機械運動部件的發(fā)動機—熱聲發(fā)動機。 在認識熱聲發(fā)動機之前，我們先簡單了解一下什么是熱聲效應。早在18世紀初期，熱與聲之間的相互作用就引起了聲學家的興趣。在此之前，牛頓認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。直到18世紀初期，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測值，才得到空氣中更為準確的聲速。不僅如此，熱與聲之間的相互轉化現(xiàn)象也不斷被人們發(fā)現(xiàn)。早在1777年，拜倫·希金斯（Byron Higgins）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” (Singing Flame) 效應。1859 年，里克（Rijke）發(fā)現(xiàn)，用加熱過的金屬絲網(wǎng)代替希金斯（Higgins）管中可燃性氣體的火焰，能獲得比希金斯管更為顯著的聲振蕩現(xiàn)象。這種帶有加熱金屬絲網(wǎng)的管子被稱為里克管。如今，里克管振蕩被廣泛地應用于脈沖燃燒器以及熱聲效應的演示實驗。里克管，只要在空管中放置一片金屬絲網(wǎng)，并在下方加熱，管子就會發(fā)出聲音丨圖片來源：維基百科十八世紀中期，歐洲的吹玻璃工人也發(fā)現(xiàn)：當他們將溫度較低的細玻璃管與熱玻璃泡連接時，細玻璃管的另一端（即開口端）有時會發(fā)出聲音。桑德豪斯（Sondhauss）隨后對此進行了深入研究，后來這種一端開口、另一端封閉的熱聲振蕩管就被人們命名為“桑德豪斯管”。桑德豪斯管，將高溫的玻璃球連接到一根細玻璃管上時，玻璃管頂端會有聲音發(fā)出丨圖片來源：作者提供 1949 年，Taconis（可音譯為 塔克尼斯）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到液氦的液面時，管中將可能發(fā)生聲波的振蕩，這就是低溫領域著名的的Taconis 振蕩。Taconis振蕩的原理與桑德豪斯管類似，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化的現(xiàn)象我們都稱為熱聲效應（Thermoacoustic effect）。那么，為什么會產(chǎn)生熱聲效應呢？1878年，瑞利（Rayleigh）給出了定性解釋：如果在氣體最致密的時候加入熱量或最稀薄的時候吸取熱量，聲振動就會被加強（熱能變成聲能形式的機械能）；反之，如果在氣體最致密的時候吸取熱量或最稀薄的時候加入熱量，聲振動就會被衰減（聲能變?yōu)闊崃鳎?/strong>。瑞利爵士（Lord Rayleigh），1842–1919，英國物理學家，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，獲得了1904年度諾貝爾物理學獎丨圖片來源：維基百科 按照能量轉換方向的不同，熱聲效應可以分為兩類：一類用溫度變化來產(chǎn)生聲音,即熱致聲效應；另一類是用聲音來產(chǎn)生溫度變化，即聲致冷（熱）效應。熱聲發(fā)動機是利用熱聲效應，實現(xiàn)熱能到機械能（聲能）轉化的一類發(fā)動機。當然我們也可以利用聲致冷（熱）效應構成熱聲制冷機或熱聲熱泵。典型的熱聲發(fā)動機通常包括一段耐壓的聲學管道、位于管道內(nèi)的熱端換熱器、回熱器（在駐波熱聲發(fā)動機中，我們有時稱其為板疊），以及冷端換熱器。管道內(nèi)通常充注高壓惰性氣體，如氦氣、氮氣等。熱端換熱器和冷端換熱器分別與外界熱源和冷源進行熱交換，從而在回熱器兩端建立起溫差。熱聲效應主要發(fā)生在回熱器中，其結構一般為多孔介質結構。簡單來說，我們可以將回熱器看作一種帶有孔隙的固體。熱聲發(fā)動機中的回熱器丨圖片來源：Swift GW. 2017需要說明的是，“熱聲發(fā)動機”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，同時它的強度又遠大于日常生活中接觸到的聲波。一般普通人說話的聲音在40分貝到60分貝之間，而熱聲發(fā)動機中的聲壓級在200分貝左右。在實際熱聲發(fā)動機中，聲波在耐壓管道內(nèi)的高壓氣體中傳播。其中發(fā)動機的振蕩頻率由聲學管道的長度和氣體聲速共同決定，典型的頻率為20～1000 Hz。熱聲發(fā)動機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到平均壓力的10％甚至更高。熱聲發(fā)動機是一種由外部供熱（或燃燒）的發(fā)動機，因此它可以利用太陽能、生物質/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)動機不同，熱聲發(fā)動機內(nèi)部沒有任何運動部件，因此它具有結構簡單、可靠性高、使用壽命長等突出優(yōu)點。我們知道，聲波在介質中傳播分為行波和駐波兩種形式。相應地，按照回熱器中的典型聲場特性，可將熱聲發(fā)動機分為駐波熱聲發(fā)動機和行波熱聲發(fā)動機。對于駐波熱聲發(fā)動機，其回熱器內(nèi)的壓力和速度振蕩的相位差接近90°。駐波（上）和行波（下），背景色表示壓力（紅色為高值，藍色為低值），其中的點表示氣體分子運動丨圖片來源：https://www./multiphysics/acoustics 而對于行波熱聲發(fā)動機，回熱器處的壓力波動和速度振蕩近似同相，這與傳統(tǒng)斯特林發(fā)動機回熱器中的相位關系是一致的，因此行波熱聲發(fā)動機的熱效率比駐波熱聲發(fā)動機更高（對斯特林發(fā)動機的介紹我們留在下一節(jié)進行）。目前，行波熱聲發(fā)動機在實驗室獲得的最高熱效率達到了36%，這一熱效率可以與內(nèi)燃機的效率相媲美。此外，通過將多個相同的熱聲發(fā)動機核心單元通過聲學管道首尾相連，形成環(huán)路結構，還可以構成雙作用型行波熱聲發(fā)動機，這樣的結構有助于提升熱聲發(fā)動機的輸出功率和功率密度。雙作用型行波熱聲發(fā)動機丨圖片來源：作者提供熱聲發(fā)動機產(chǎn)生的高強度壓力波動可用于驅動多種負載，如脈沖管制冷機、熱聲制冷機或發(fā)電機等。美國Las Alamos國家實驗室與Praxair公司聯(lián)合研制的行波熱聲發(fā)動機驅動脈沖管制冷機用于天然氣液化，可實現(xiàn)燃燒 30%的天然氣，從而液化其余 70 %的天然氣丨圖片來源：Wollan JJ, et al.2002 荷蘭Sound Energy公司研制的熱聲空調(diào)，其原理是利用熱聲發(fā)動機產(chǎn)生高強度壓力波動，再利用該壓力波動驅動熱聲制冷機。當使用100-200°C的工業(yè)廢熱或太陽能為熱源時，可以提供25kW的冷量丨圖片來源：Sound Energy 說完了熱聲發(fā)動機，我們來聊聊熱聲發(fā)電技術，它是將熱聲發(fā)動機與發(fā)電機（聲電轉換裝置）結合，通過發(fā)電機將熱聲發(fā)動機產(chǎn)生的聲功轉換為電功輸出的一類技術。傳統(tǒng)熱聲發(fā)電系統(tǒng)主要采用直線發(fā)電機作為聲電轉換裝置，下圖為這類發(fā)電系統(tǒng)的典型結構示意圖。當對發(fā)動機熱端換熱器提供一定熱量，并冷卻發(fā)動機冷端換熱器，使回熱器兩端達到一定溫差后，系統(tǒng)便會產(chǎn)生自激振蕩（即不外加信號系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩），熱能也會因此轉換為聲能，并推動直線發(fā)電機的活塞和動磁體往復運動，使得發(fā)電機定子線圈中的磁通量發(fā)生變化，從而感應出電動勢對外輸出電能。行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)，行波熱聲發(fā)動機驅動兩臺對置布置的直線發(fā)電機丨圖片來源：https:/// 我們也可以利用雙作用型行波熱聲發(fā)動機來驅動直線發(fā)電機進行發(fā)電，目前這樣的發(fā)電系統(tǒng)在實驗室已經(jīng)獲得了最高9 kW的發(fā)電功率，熱電轉換效率高達23%。雙作用行波熱聲發(fā)電機，包含4個首尾相連的熱聲發(fā)電單元，每個單元包含1臺行波熱聲發(fā)動機和兩臺對置布置的直線發(fā)電機丨圖片來源：作者提供 1861年，英國牧師羅伯特·斯特林（Robert Stirling）發(fā)明了斯特林發(fā)動機。斯特林發(fā)動機是一種基于封閉的回熱式熱力循環(huán)運行的熱力機械，它通過工作氣體 (如空氣、氫氣、氦氣、氮氣等) 在高低溫的循環(huán)膨脹和壓縮，實現(xiàn)熱能向機械能的轉換。這里的封閉循環(huán)是指工作氣體被永久約束在發(fā)動機系統(tǒng)內(nèi)，而回熱是指使用了一種特殊類型的用于瞬態(tài)蓄熱的內(nèi)部熱交換器，稱為回熱器，其結構也為多孔介質結構。羅伯特·斯特林（Robert Stirling），1790–1878，蘇格蘭牧師，工程師。他發(fā)明了斯特林發(fā)動機并于2014年入選Scottish Engineering Hall of Fame丨圖片來源：維基百科 曲柄連桿型斯特林發(fā)動機丨圖片來源：https://www./Stirling_motor典型的斯特林發(fā)動機主要由排出器活塞，動力活塞和三個熱交換器組成：熱端換熱器，回熱器和冷端換熱器。動力活塞將動態(tài)氣壓轉換為機械動力，而排出器活塞則用于在室溫端換熱器和高溫端換熱器之間移動工作氣體。早期的斯特林發(fā)動機中，排出器活塞和動力活塞通過曲柄和連桿等機械結構連接在一起，工作中需要油潤滑，相應帶來工作氣體污染和泄露等問題。1961年，美國俄亥俄大學威廉· 比爾（William Beale）進一步發(fā)明了自由活塞斯特林發(fā)動機，取消了原有斯特林發(fā)動機中的曲柄連桿機構，提高了斯特林發(fā)動機的可靠性和使用壽命。自由活塞斯特林發(fā)電機，由右端的自由活塞斯特林發(fā)動機和左端的直線發(fā)電機耦合而成。丨圖片來源：https://www./ 隨著熱聲學研究的不斷發(fā)展，研究人員對斯特林發(fā)動機又有了新的認識。從熱聲學觀點來看，斯特林發(fā)動機與熱聲發(fā)動機原理完全相同，可以看做是一種廣義的熱聲發(fā)動機。斯特林發(fā)動機和熱聲發(fā)動機中，工作氣體所經(jīng)歷的熱力循環(huán)均為熱聲循環(huán)，斯特林發(fā)動機利用排出器活塞來保證回熱器處的壓力波動和速度振蕩近似同相，熱聲發(fā)動機則利用聲學管道來保證回熱器處的壓力波動和速度振蕩近似同相。因此，就自由活塞斯特林發(fā)電機和傳統(tǒng)行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)這兩種系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)熱聲發(fā)電系統(tǒng)相當于利用聲學管道消除了自由活塞斯特林發(fā)電機中發(fā)動機側的運動部件—排出器活塞。自由活塞斯特林發(fā)電機（左）和行波熱聲發(fā)電機（右）丨圖片來源：NASA此外，熱聲發(fā)電系統(tǒng)還可以采用液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機、壓電陶瓷、雙向透平等作為聲電轉換裝置，不過，這些熱聲發(fā)電系統(tǒng)大多還處在早期研發(fā)階段。歐洲航空局提出的熱聲驅動液態(tài)金屬磁流體發(fā)電系統(tǒng)丨圖片來源：https://cordis./project/id/313096/reporting/es作為一種新型的熱發(fā)電技術，熱聲發(fā)電技術以其運動部件少、可靠性高、使用壽命長、熱電轉換效率高等優(yōu)點，在空間電源、太陽能熱發(fā)電、分布式能源系統(tǒng)等領域具有發(fā)展?jié)摿椭匾獞们熬?/strong>。美國擬在2025年前后重返月球，將空間核反應堆電源送上月球為人類基地供電。該空間核反應堆電源采用自由活塞斯特林發(fā)電機技術作為熱電轉換方案，目前已完成帶核樣機地面測試。美國Kilopower空間核反應堆電源的整體概念和帶核樣機地面測試系統(tǒng)結構（圖片來源：NASA） NASA要研制的太空核反應堆丨視頻來源：https://v.qq.com/x/page/n060769dfz2.html此外，熱聲發(fā)電技術還可以應用于太陽能熱發(fā)電、家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、汽車尾氣余熱回收等領域。中科院理化所研制的太陽能驅動行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)丨圖片來源：作者提供新型熱聲發(fā)電技術： 熱聲驅動摩擦納米發(fā)電機是什么？ 通過前面的介紹我們知道，在現(xiàn)有的熱聲發(fā)電系統(tǒng)中，雖然熱聲發(fā)動機側沒有運動部件，但是在發(fā)電機側，大多具有固體運動部件。這就在一定程度上降低了熱聲發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，增加了研發(fā)難度。因此，我們能否研制一種完全沒有固體運動部件的熱聲發(fā)電系統(tǒng)呢？這顯然是可行的，比如將熱聲發(fā)動機與摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）結合。通過摩擦起電和靜電感應，摩擦納米發(fā)電機可將多種形式的機械能有效轉化為電能輸出，其潛在應用領域包括微納能源、自驅動傳感、藍色能源和高壓電源等。近期，中科院理化所的研究人員提出將液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機（LM-TENG）耦合在駐波型熱聲發(fā)動機的諧振管中，從而構建出一種完全無固體運動部件的、高可靠的熱聲發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)的工作原理為，熱聲發(fā)動機利用熱致聲效應將外部熱源的熱能轉化為工作氣體往復振蕩的聲能，氣體的往復振蕩驅動U形諧振管中的液態(tài)金屬液面做升降往復運動，使得摩擦納米發(fā)電機中兩種摩擦電性質不同的材料[液態(tài)金屬和Kapton（聚酰亞胺）]表面周期性接觸和分離，利用兩種材料之間摩擦/接觸起電產(chǎn)生的電荷分離和感應電荷產(chǎn)生的電勢差驅動外接電路中自由電子流動，進而將驅動兩種材料接觸分離的聲能收集起來并轉化成電能輸出，最終實現(xiàn)從熱能到電能的持續(xù)、穩(wěn)定轉換。熱聲驅動液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機工作原理丨圖片來源：作者提供實驗中，熱聲驅動液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機獲得了最高15 V的開路電壓輸出，驗證了這一新型熱聲發(fā)電技術的原理可行性。實踐出真知。在了解關于熱聲發(fā)動機和熱聲發(fā)電技術的知識后，大院er猜你一定想動手自制一個熱聲發(fā)動機了吧。最后，就讓我們來學習如何自制一個熱聲發(fā)動機，體驗將熱能轉化為機械能的樂趣~如何自制一個熱聲發(fā)動機丨視頻來源：www.youtube.com[1] 周遠,羅二倉.熱聲熱機技術的研究進展[J].機械工程學報,2009,45(03):14-26.[2] Garrett SL, Backhaus S. The Power of Sound: Sound waves in' thermoacoustic' engines and refrigerators can replace the pistons and cranks that are typically built into such machinery. American scientist. 2000;88(6):516-25.[3] Swift GW. Thermoacoustics: A unifying perspective for some engines and refrigerators [M].2017.[4] 羅二倉,戴巍,吳張華,吳劍峰.交變流動熱機的介觀熱力循環(huán)理論 第二部分 發(fā)動機回熱器的介觀熱力循環(huán)模型及分析[J].低溫工程,2004(02):1-10.[5] Zhu S, Yu G, Tang W, Hu J, Luo E. Thermoacoustically driven liquid-metal-based triboelectric nanogenerator: A thermal power generator without solid moving parts [J]. Applied Physics Letters. 2021;118(11):113902.本文經(jīng)授權轉載自微信公眾號“科學大院”，原標題為《靠TA，NASA將重返月球，聲音的力量不簡單》。 |
