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这种神奇的发动机,NASA要靠它重返月球?

撰文 | 朱顺敏(中国科学院理化技术研究所)
 
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。
来源:动画片《变形金刚》
 
在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。1公斤铀235核裂变释放的热能大约相当于燃烧2700吨标准煤或1700吨原油。但是,如果想让人类创造出的机器人随意进行星际穿越,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,使得机器人能有足够的能量运作。
 
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。
四缸柴油机丨来源:https://gfycat.com/
燃气轮机丨来源:https://gfycat.com/
 
今天,大院er将向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。
 
什么?管子会唱歌?
 
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。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。
 
不仅如此,热与声之间的相互转化现象也不断被人们发现。早在1777年,拜伦·希金斯(Byron Higgins)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” (Singing Flame) 效应。
“歌焰”效应 (Plavnik G. 2006)
 
1859 年,里克(Rijke)发现,用加热过的金属丝网代替希金斯(Higgins)管中可燃性气体的火焰,能获得比希金斯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里克管。如今,里克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。
里克管,只要在空管中放置一片金属丝网,并在下方加热,管子就会发出声音丨来源:维基百科
 
十八世纪中期,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。桑德豪斯(Sondhauss)随后对此进行了深入研究,后来这种一端开口、另一端封闭的热声振荡管就被人们命名为“桑德豪斯管”。
桑德豪斯管,将高温的玻璃球连接到一根细玻璃管上时,玻璃管顶端会有声音发出丨来源:作者提供
 
1949 年,Taconis(可音译为 塔克尼斯)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到液氦的液面时,管中将可能发生声波的振荡,这就是低温领域著名的的Taconis 振荡。Taconis振荡的原理与桑德豪斯管类似,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。
来源:作者提供
 
以上这些热与声相互转化的现象我们都称为热声效应(Thermoacoustic effect)。那么,为什么会产生热声效应呢?1878年,瑞利(Rayleigh)给出了定性解释:如果在气体最致密的时候加入热量或最稀薄的时候吸取热量,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吸取热量或最稀薄的时候加入热量,声振动就会被衰减(声能变为热流)。
瑞利爵士(Lord 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年度诺贝尔物理学奖丨来源:维基百科
 
热声效应也能制造发动机?
 
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声效应,实现热能到机械能(声能)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、位于管道内的热端换热器、回热器(在驻波热声发动机中,我们有时称其为板叠),以及冷端换热器。管道内通常充注高压惰性气体,如氦气、氮气等。热端换热器和冷端换热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。
热声发动机结构丨来源:中科力函
 
热声效应主要发生在回热器中,其结构一般为多孔介质结构。简单来说,我们可以将回热器看作一种带有孔隙的固体。
热声发动机中的回热器丨来源:Swift GW. 2017
 
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接触到的声波。一般普通人说话的声音在40分贝到60分贝之间,而热声发动机中的声压级在200分贝左右。在实际热声发动机中,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20~1000 Hz。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。
 
热声发动机是一种由外部供热(或燃烧)的发动机,因此它可以利用太阳能、生物质/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。
 
我们知道,声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。相应地,按照回热器中的典型声场特性,可将热声发动机分为驻波热声发动机和行波热声发动机。对于驻波热声发动机,其回热器内的压力和速度振荡的相位差接近90°。
驻波(上)和行波(下),背景色表示压力(红色为高值,蓝色为低值),其中的点表示气体分子运动丨来源:https://www.comsol.com/multiphysics/acoustics
驻波热声发动机丨来源:作者提供
 
而对于行波热声发动机,回热器处的压力波动和速度振荡近似同相,这与传统斯特林发动机回热器中的相位关系是一致的,因此行波热声发动机的热效率比驻波热声发动机更高(对斯特林发动机的介绍我们留在下一节进行)。目前,行波热声发动机在实验室获得的最高热效率达到了36%,这一热效率可以与内燃机的效率相媲美。
行波热声发动机丨来源:作者提供
 
此外,通过将多个相同的热声发动机核心单元通过声学管道首尾相连,形成环路结构,还可以构成双作用型行波热声发动机,这样的结构有助于提升热声发动机的输出功率和功率密度。
双作用型行波热声发动机丨来源:作者提供
 
热声发动机产生的高强度压力波动可用于驱动多种负载,如脉冲管制冷机、热声制冷机或发电机等。
美国Las Alamos国家实验室与Praxair公司联合研制的行波热声发动机驱动脉冲管制冷机用于天然气液化,可实现燃烧 30%的天然气,从而液化其余 70 %的天然气丨来源:Wollan JJ, et al.2002
荷兰Sound Energy公司研制的热声空调,其原理是利用热声发动机产生高强度压力波动,再利用该压力波动驱动热声制冷机。当使用100-200°C的工业废热或太阳能为热源时,可以提供25kW的冷量丨来源:Sound Energy
 
什么是热声发电技术?
 
说完了热声发动机,我们来聊聊热声发电技术,它是将热声发动机与发电机(声电转换装置)结合,通过发电机将热声发动机产生的声功转换为电功输出的一类技术。
 
传统热声发电系统主要采用直线发电机作为声电转换装置,下图为这类发电系统的典型结构示意图。当对发动机热端换热器提供一定热量,并冷却发动机冷端换热器,使回热器两端达到一定温差后,系统便会产生自激振荡(即不外加信号系统内部产生的恒稳和持续的振荡),热能也会因此转换为声能,并推动直线发电机的活塞和动磁体往复运动,使得发电机定子线圈中的磁通量发生变化,从而感应出电动势对外输出电能。
行波热声发电系统,行波热声发动机驱动两台对置布置的直线发电机丨来源:https://advanceseng.com/
 
我们也可以利用双作用型行波热声发动机来驱动直线发电机进行发电,目前这样的发电系统在实验室已经获得了最高9 kW的发电功率,热电转换效率高达23%。
双作用行波热声发电机,包含4个首尾相连的热声发电单元,每个单元包含1台行波热声发动机和两台对置布置的直线发电机丨来源:作者提供
 
1861年,英国牧师罗伯特·斯特林(Robert Stirling)发明了斯特林发动机。斯特林发动机是一种基于封闭的回热式热力循环运行的热力机械,它通过工作气体 (如空气、氢气、氦气、氮气等) 在高低温的循环膨胀和压缩,实现热能向机械能的转换。这里的封闭循环是指工作气体被永久约束在发动机系统内,而回热是指使用了一种特殊类型的用于瞬态蓄热的内部热交换器,称为回热器,其结构也为多孔介质结构。
罗伯特·斯特林(Robert Stirling),1790–1878,苏格兰牧师,工程师。他发明了斯特林发动机并于2014年入选Scottish Engineering Hall of Fame丨来源:维基百科
曲柄连杆型斯特林发动机丨来源:https://www.appropedia.org/Stirling_motor
 
典型的斯特林发动机主要由排出器活塞,动力活塞和三个热交换器组成:热端换热器,回热器和冷端换热器。动力活塞将动态气压转换为机械动力,而排出器活塞则用于在室温端换热器和高温端换热器之间移动工作气体。
斯特林发动机结构简图丨来源:作者提供
 
早期的斯特林发动机中,排出器活塞和动力活塞通过曲柄和连杆等机械结构连接在一起,工作中需要油润滑,相应带来工作气体污染和泄露等问题。1961年,美国俄亥俄大学威廉· 比尔(William Beale)进一步发明了自由活塞斯特林发动机,取消了原有斯特林发动机中的曲柄连杆机构,提高了斯特林发动机的可靠性和使用寿命。
自由活塞斯特林发电机,由右端的自由活塞斯特林发动机和左端的直线发电机耦合而成。丨来源:https://www.pinterest.co.kr/
 
随着热声学研究的不断发展,研究人员对斯特林发动机又有了新的认识。从热声学观点来看,斯特林发动机与热声发动机原理完全相同,可以看做是一种广义的热声发动机。斯特林发动机和热声发动机中,工作气体所经历的热力循环均为热声循环,斯特林发动机利用排出器活塞来保证回热器处的压力波动和速度振荡近似同相,热声发动机则利用声学管道来保证回热器处的压力波动和速度振荡近似同相。因此,就自由活塞斯特林发电机和传统行波热声发电系统这两种系统而言,传统热声发电系统相当于利用声学管道消除了自由活塞斯特林发电机中发动机侧的运动部件—排出器活塞。
自由活塞斯特林发电机(左)和行波热声发电机(右)丨来源:NASA
 
此外,热声发电系统还可以采用液态金属磁流体发电机、压电陶瓷、双向透平等作为声电转换装置,不过,这些热声发电系统大多还处在早期研发阶段。
欧洲航空局提出的热声驱动液态金属磁流体发电系统丨来源:https://cordis.europa.eu/project/id/313096/reporting/es
 
热声发电机的应用
 
作为一种新型的热发电技术,热声发电技术以其运动部件少、可靠性高、使用寿命长、热电转换效率高等优点,在空间电源、太阳能热发电、分布式能源系统等领域具有发展潜力和重要应用前景。
 
美国拟在2025年前后重返月球,将空间核反应堆电源送上月球为人类基地供电。该空间核反应堆电源采用自由活塞斯特林发电机技术作为热电转换方案,目前已完成带核样机地面测试。
美国Kilopower空间核反应堆电源的整体概念和带核样机地面测试系统结构(来源:NASA)
 
此外,热声发电技术还可以应用于太阳能热发电、家用热电联产装置、汽车尾气余热回收等领域。
中科院理化所研制的太阳能驱动行波热声发电系统丨来源:作者提供
 
新型热声发电技术:
 
热声驱动摩擦纳米发电机是什么?
 
通过前面的介绍我们知道,在现有的热声发电系统中,虽然热声发动机侧没有运动部件,但是在发电机侧,大多具有固体运动部件。这就在一定程度上降低了热声发电系统的可靠性,增加了研发难度。因此,我们能否研制一种完全没有固体运动部件的热声发电系统呢?
 
这显然是可行的,比如将热声发动机与摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)结合。通过摩擦起电和静电感应,摩擦纳米发电机可将多种形式的机械能有效转化为电能输出,其潜在应用领域包括微纳能源、自驱动传感、蓝色能源和高压电源等。
 
近期,中科院理化所的研究人员提出将液态金属基摩擦纳米发电机(LM-TENG)耦合在驻波型热声发动机的谐振管中,从而构建出一种完全无固体运动部件的、高可靠的热声发电系统。
 
该发电系统的工作原理为,热声发动机利用热致声效应将外部热源的热能转化为工作气体往复振荡的声能,气体的往复振荡驱动U形谐振管中的液态金属液面做升降往复运动,使得摩擦纳米发电机中两种摩擦电性质不同的材料[液态金属和Kapton(聚酰亚胺)]表面周期性接触和分离,利用两种材料之间摩擦/接触起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子流动,进而将驱动两种材料接触分离的声能收集起来并转化成电能输出,最终实现从热能到电能的持续、稳定转换。
热声驱动液态金属基摩擦纳米发电机工作原理丨来源:作者提供
 
实验中,热声驱动液态金属基摩擦纳米发电机获得了最高15 V的开路电压输出,验证了这一新型热声发电技术的原理可行性。
 
如何自制一个热声发动机?
 
实践出真知。在了解关于热声发动机和热声发电技术的知识后,大院er猜你一定想动手自制一个热声发动机了吧。最后,就让我们来学习如何自制一个热声发动机,体验将热能转化为机械能的乐趣~
 
参考文献
 
[1] 周远,罗二仓.热声热机技术的研究进展[J].机械工程学报,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] 罗二仓,戴巍,吴张华,吴剑峰.交变流动热机的介观热力循环理论 第二部分 发动机回热器的介观热力循环模型及分析[J].低温工程,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.
 
本文经授权转载自微信公众号“科学大院”,原标题为《靠TA,NASA将重返月球,声音的力量不简单》。



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