基于熱聲制冷原理的環(huán)保型冷風(fēng)扇設(shè)計(jì)及制冷效果分析

1、20基于熱聲制冷原理的環(huán)保型冷風(fēng)扇設(shè)計(jì)及制冷效果分析目錄1引言·············································

2、;·······31.1關(guān)于熱聲現(xiàn)象·········································3

3、1.2熱聲制冷原理·········································42實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)······&

4、#183;·····································62.1.1電源部分··········

5、83;·····························62.1.2單片機(jī)模塊··················

6、3;···················62.1.3信號(hào)發(fā)生模塊····························

7、3;·······72.1.4低通濾波電路LPF································72.2板疊材料及熱聲制冷模型·····

8、3;······················82.3風(fēng)扇模型設(shè)計(jì)··························

9、···········103.風(fēng)扇制冷效果分析·····································

10、···123.1風(fēng)扇制冷效果計(jì)算····································123.2 制冷效果圖表分析······

11、83;····························164關(guān)于裝置的優(yōu)化····················

12、;·····················175.創(chuàng)新點(diǎn)思考···························&#

13、183;··················186.參考文獻(xiàn)······························

14、··················19摘要：本文目的在于設(shè)計(jì)一種基于熱聲制冷原理的冷風(fēng)扇，適用于炎熱環(huán)境中的使用。首先介紹熱聲效應(yīng)以及利用熱聲效應(yīng)制冷等相關(guān)原理，然后給出所處設(shè)計(jì)的冷風(fēng)扇的裝置結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行一定的傳熱理論分析。關(guān)鍵詞：熱聲效應(yīng)，制冷，駐波共振，熱聲堆，傳熱1引言1.1關(guān)于熱聲現(xiàn)象熱聲現(xiàn)象最早可追溯至兩百多年前.早在1777年，ByronHiggins就在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)中空、兩端開口的管子的下部適

15、當(dāng)位置，引入火焰，管中便會(huì)激發(fā)出聲音，如圖1(a)所示。關(guān)于熱聲效應(yīng)還有兩個(gè)著名的例子，Rijke管和Sondhauss管，分別如圖1(b)、圖1(c)所示。 （a） （b） （c）圖1熱聲現(xiàn)象示意圖熱聲效應(yīng)簡(jiǎn)言之是熱與聲之間相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。從聲學(xué)角度來說，它是由于聲場(chǎng)中的固體介質(zhì)與振蕩的流體之間的相互作用，使得距固體壁面一定范圍內(nèi)沿著(或逆著)聲傳播方向產(chǎn)生一個(gè)時(shí)均熱流，并在這個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生或者吸收聲功的現(xiàn)象。按能量轉(zhuǎn)換方向的不同，熱聲效應(yīng)可分兩類：一類是用熱來產(chǎn)生聲，即熱驅(qū)動(dòng)聲振蕩；另一類是聲驅(qū)動(dòng)熱量傳輸，或稱熱聲制冷(泵熱)效應(yīng)。熱聲制冷的概念是在20世紀(jì)80年代初提出的，是一種新型的制冷

16、方式。與傳統(tǒng)的制冷機(jī)相比，基于熱聲制冷原理的制冷機(jī)運(yùn)動(dòng)部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，不產(chǎn)生污染，對(duì)環(huán)境十分友好，符合目前社會(huì)的發(fā)展要求。世界上第一臺(tái)電聲驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷樣機(jī)由美國(guó)的Holfer研制成功，在環(huán)境溫度為20。C時(shí)達(dá)到了最低-80。C的制冷溫度，而國(guó)內(nèi)的開展此項(xiàng)研究的同濟(jì)大學(xué)和浙江大學(xué)也都獲得過10。C的溫降。這些都讓我們看到熱聲制冷機(jī)潛在的應(yīng)用價(jià)值，正是因?yàn)槿绱耍覀儧Q定利用熱聲制冷的原理，研制一款環(huán)保型的冷風(fēng)扇，這將為熱聲制冷原理應(yīng)用開辟新途徑，也為其他相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供一定程度的參考。1.2熱聲制冷原理圖2所示的是1/4波長(zhǎng)的聲波制冷系統(tǒng)圖和聲波制冷原理圖。聲波制冷系統(tǒng)包括了4

17、個(gè)基本部件：(1)核心部件板疊（熱聲堆）；(2)共振管（諧振管）；(3)冷、熱端換熱器；(4)聲波發(fā)生器。聲波制冷原理的微觀解釋為：假設(shè)一個(gè)氣體微團(tuán)在聲波作用下，在平衡位置附近作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在位置a處，氣體微團(tuán)溫度為T1，壓力為P1，從位置a到位置b的絕熱壓縮過程中，其溫度從T1升高T到T2，壓力從P1升高P到P2。T和P分別為氣體微團(tuán)在絕熱壓縮過程中的溫升和壓力變化。在位置b處，由于氣體微團(tuán)溫度高于板疊溫度T3，則氣體微團(tuán)在位置b處換熱給板疊(過程23)，溫度變?yōu)門3。接著，氣體微團(tuán)從位置b到位置a的絕熱膨脹過程中，其溫度從T3降低T到T4，壓力從P3降低卸P到P4。T和P分別為氣體微團(tuán)在絕熱

18、膨脹過程中的溫降和壓力變化。到達(dá)位置a時(shí)的溫度變?yōu)門4。此時(shí)氣體微團(tuán)溫度低于板疊溫度T1，故氣體微團(tuán)從板疊吸熱(過程41)，溫度變?yōu)門1，從而完成一個(gè)熱力循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)中，微團(tuán)在高壓時(shí)放熱后膨脹，在低壓時(shí)吸熱后壓縮，從而吸收聲波能量，將能量從低溫端泵至高溫端，實(shí)現(xiàn)了制冷的目的。（a） （b）圖2 聲波制冷系統(tǒng)及原理圖各部件作用如下：1.揚(yáng)聲器：將電能轉(zhuǎn)化為聲能，在共振管內(nèi)制造一定的聲場(chǎng)，聲波對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)做功，從而實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)。一般選用低頻揚(yáng)聲器。2.冷端換熱器：板疊通過冷端換熱器吸收外界（這里即為回?zé)崞髯蠖说目諝猓┑臒崃浚瑥亩@得我們所需要的冷量。3.熱端換熱器：保持板疊的熱端為室溫溫度，

19、把板疊從冷端泵送的熱量以及消耗的聲功以熱量的形式排出到室外4.共振管（諧振管）：與聲驅(qū)動(dòng)器相匹配而產(chǎn)生共振的聲波。根據(jù)聲學(xué)理論,對(duì)于均勻有限長(zhǎng)管的管內(nèi)聲場(chǎng),只有當(dāng)管長(zhǎng)為聲波波長(zhǎng)的1/4,才會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時(shí)振幅最大，致冷效果最為明顯。我們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)定的最佳工作頻率來計(jì)算出諧振管的最小長(zhǎng)度，即形成1/4波長(zhǎng)的共振管長(zhǎng)度，即L=c/(4f)。c為空氣中的聲速，f為駐波共振頻率。5.板疊（熱聲堆）：根據(jù)熱聲原理，板疊是強(qiáng)化熱聲轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。對(duì)于板疊的要求，理想性質(zhì)是導(dǎo)熱差，熱容大，但這兩者是一對(duì)矛盾體，故需要綜合考慮材料的選取，目前一般選用的為非金屬材料。形狀有多孔材料型、絲網(wǎng)型、平板型

20、、螺旋型和針棒型等。此外，板疊各層之間需要有一定的交換熱量的穿透深度，根據(jù)熱聲理論，板疊各層間的間距最好是4個(gè)熱穿透深度k,且有k=k/(×f××C),其中，f是駐波的頻率，k是導(dǎo)熱系數(shù)，是氣體密度，C是每單位質(zhì)量氣體的等壓比熱。2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：2.1揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)本文選用內(nèi)阻為8，額定功率為40W的揚(yáng)聲器。電源AT89C52單片機(jī)揚(yáng)聲器功率放大電路低通濾波電路DDS信號(hào)發(fā)生器圖3 硬件系統(tǒng)圖該系統(tǒng)主要是利用單片機(jī)控制DDS信號(hào)發(fā)生模塊來輸出所需頻率的正弦波，正弦波通過低通濾波電路，再通過功率放大電路，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作。2.1.1電源部分：由變壓器將220v降到

21、5V、 ±26V，其中5V為單片機(jī)模塊和DDS信號(hào)發(fā)生模塊提供工作電壓，±26V為OCL功率放大電路提供工作電壓。2.1.2單片機(jī)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52,這是一個(gè)低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī),其包含以下資源：8KBytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器（ROM）和256 Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）；32個(gè)雙向I/O口；全靜態(tài)時(shí)鐘頻率0-24MHz；3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷；8個(gè)中斷源；低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系

22、統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。2.1.3信號(hào)發(fā)生模塊信號(hào)發(fā)生模塊采用公司生產(chǎn)的具有高度集成度的DDS器件-AD9851芯片。其主要組成部分為：相位累加器、相位相加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)字相乘器和D/A轉(zhuǎn)換器。它的內(nèi)部有高速、高性能的D/A轉(zhuǎn)換器和高速比較器，可作為全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。外接精密時(shí)鐘源時(shí)，AD9851可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈，頻率和相位都可以控制的而且穩(wěn)定度非常高的模擬正弦波。這個(gè)正弦波可以直接作為信號(hào)源，或通過其內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換成為方波輸出，作為靈敏的時(shí)鐘產(chǎn)生器。AD9851的主要優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)坞娫垂ぷ?/p>

23、(+2.7+5.25 V)；工作溫度范圍-4585；低功耗，在180 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘下功率為555MW等。硬件接口是AD9851的數(shù)據(jù)線直接與AT89C52，兩芯片的硬件接口如圖：AD9851D0D7FQ_UDW_CLKRESETAT89C52P1.0P1.7P2.6P2.7RESET圖4硬件接口示意圖2.1.4低通濾波電路LPF由于DDS輸出信號(hào)已有較高的純度與穩(wěn)定度，所以，對(duì)LPF的要求并不高。為此我們采用基本的RC低通濾波電路，此外功率放大電路采用OCL功率放大電路，濾波放大電路如圖5.圖中的RL為揚(yáng)聲器的內(nèi)阻，左邊端口3為信號(hào)輸入段，右邊端口4為信號(hào)輸出端，電阻R1與電容C1構(gòu)成低通濾

24、波電路，其余右邊電路部分為OCL功率放大電路。OCL電路是目前使用非常廣泛的無輸出電容的功率放大電路。其最大輸出功率Pom計(jì)算如下：假設(shè)三極管的飽和管壓降UCES近似為0，則Pom=Vcc2/(2×RL)，Vcc=26V，則Pom=42.25W,可見能夠滿足揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)要求。圖5 濾波放大電路示意圖軟件編程主要根據(jù)AD9851的控制字方式，并通過單片機(jī)將這些控制字寫入AD9851內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，用以產(chǎn)生相應(yīng)的頻率。本設(shè)計(jì)使用的共振管（材料為黃銅）直徑為11cm，長(zhǎng)度為31cm，此外由于在熱端加一個(gè)鋁塞（幫助熱端進(jìn)一步散熱），其長(zhǎng)度為2cm，旋進(jìn)共振管1cm，所以共振管形成共振波的有效

25、長(zhǎng)度為30cm。假設(shè)聲速為340m/s，由公式f=c/(4×L)知，揚(yáng)聲器工作頻率應(yīng)為283Hz?？紤]到溫度對(duì)聲速的影響以及管端開口誤差，為了準(zhǔn)確選定工作頻率，我們可以在鋁塞內(nèi)安放微型駐極體話筒，并將話筒接在示波器上，制冷系統(tǒng)工作時(shí)，先在示波器上尋找振幅最大的共振峰，以此來確定實(shí)驗(yàn)中的共振頻率。2.2板疊材料及熱聲制冷模型板疊材料選用文獻(xiàn)中所使用的材料，它由直徑為0.368mm的釣魚線和寬為35mm的膠卷組成。將釣魚線每隔5mm用502膠水依次平行的粘在膠卷底片上，之后將膠卷底片卷起，如圖6所示。將板疊材料及冷熱換熱器裝入共振管中，形成簡(jiǎn)易熱交換裝置，這樣空氣分子能夠沿著熱聲堆的縱向

26、即共振管長(zhǎng)度方向在各疊層之間運(yùn)動(dòng)。圖6板疊材料冷熱端換熱器由銅絲網(wǎng)疊放而成,厚度均為2cm。實(shí)際上上面所提到的鋁塞已經(jīng)相當(dāng)于熱端換熱器的作用，但是增加這樣一個(gè)鋁塞，一端露于空氣中，可以使得熱端換熱器的銅絲網(wǎng)厚度不用太大，節(jié)省材料，同時(shí)又可以將熱端熱量及時(shí)排到空氣中，加強(qiáng)了換熱效果。另外，為了避免黃銅管冷端與熱端直接進(jìn)行熱交換，共振管會(huì)分成3段，中間一段為玻璃，另外兩段為黃銅管，連接處用琺瑯盤進(jìn)行連接。本設(shè)計(jì)的熱聲制冷裝置模型如圖7，其中鋁塞旋進(jìn)共振管里的一端的端面到熱端換熱器表面距離為5cm，玻璃管段長(zhǎng)2cm,板疊置于玻璃管內(nèi)，冷熱端換熱器各置于兩端的黃銅管內(nèi)。左端黃銅管長(zhǎng)7cm,左端黃銅管長(zhǎng)

27、21cm.圖7 熱聲制冷裝置模型2.3風(fēng)扇模型設(shè)計(jì)以下是風(fēng)扇模型的設(shè)計(jì)圖。分為風(fēng)扇主體以及集氣罩兩大部分，并且給出了兩者連接之后的示意圖。圖8 風(fēng)扇模型示意圖3.風(fēng)扇制冷效果分析3.1風(fēng)扇制冷效果計(jì)算風(fēng)扇制冷效果計(jì)算中涉及到的相關(guān)參數(shù)如下：Tw：黃銅管外壁溫度，單位：T1：來流溫度，即從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的空氣的初始溫度，單位：T0：管內(nèi)空氣初溫，單位：T2：管內(nèi)空氣末溫，單位：Gr：格拉曉夫數(shù)g ：重力加速度，取 9.8m/s2=1/Tf ：為壓縮系數(shù)，單位：K-1L ：黃銅管冷端長(zhǎng)度，為0.25m ：空氣運(yùn)動(dòng)粘度，可以查物性表獲得Pr ：普朗特?cái)?shù)，可以查物性表獲得Re：雷諾數(shù)D ：黃銅管的外直徑，

28、為0.11mA ：黃銅管冷端表面積，為0.086m2k ：空氣的傳熱系數(shù)，可以查物性表獲得k1：黃銅管的導(dǎo)熱系數(shù)，可以查物性表獲得v ：風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)下，管子下部空氣流速，為3m/sRo：黃銅管外半徑，為0.055mRi：黃銅管內(nèi)半徑，為0.05mCp：為空氣比熱容，可查物性表獲得V ：黃銅管冷端空氣的體積，為1.96×10-3m3相關(guān)計(jì)算公式有：Tf =（Tw+T1）/2 T=|T1-Tw|Ti=（T2+T0）/2=1Tf計(jì)算所涉及的空氣物性及相關(guān)系數(shù)分別見表1、表2、表3。表1 大氣壓力（p=101kpa）下干空氣的熱物理性質(zhì)tkg/m3CpkJ/(mK)k×102W/(mK

29、)×106m2/sPr101.2471.00525114.160.705201.2051.00525915.060.703301.1651.00526716.000.701401.1281.00527616.960.699表2 自然對(duì)流經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式Nu=C（GrPr）m中系數(shù)C和m（豎圓柱）GrPrCm104-1090531/4109-10120.131/3表3 強(qiáng)制對(duì)流經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式Nu=CRenPr1/3中系數(shù)C和nReCn4-400911038540-4000068304664000-4000001930618現(xiàn)假設(shè)T0=20，T1=35,Tw=30，由上述計(jì)算公式知：Tf=（Tw+

30、T1）/2=32.5 ，=1Tf=1305.53.27×10-3（1）黃銅管上部空氣傳熱計(jì)算由于黃銅管上部為自然對(duì)流換熱，故利用公式Gr=gTL32 計(jì)算格拉曉夫數(shù)，代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得 Gr=8.92×106,Pr=0.700。因此GrPr=6.24×106，查表2得到：C=0.53,m=0.25。再利用自然對(duì)流實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：Nu=C（GrPr）m 計(jì)算管子上部自然對(duì)流的努塞爾數(shù)，代入數(shù)據(jù)得到Nu1=26.5；因此黃銅管上部空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1=Nu1×kD=6.54w/m2c（2）黃銅管下部空氣傳熱計(jì)算由于黃銅管下部為強(qiáng)制對(duì)流，利用公式Re=vD 計(jì)算

31、雷諾數(shù)，代入數(shù)據(jù)得到Re=20024.3，查表3得到C=0.193，n=0.618 。由流體橫掠過圓管表面的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=CRenPr1/3，可以計(jì)算管子下部強(qiáng)制對(duì)流的努塞爾數(shù)，代入數(shù)據(jù)得到Nu2=78.03；因此黃銅管下部空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=Nu2×kD=19.26w/m2c由于管子上部和下部的空氣會(huì)通過黃銅管將熱量傳給管內(nèi)的空氣，使黃銅管冷端的空氣升溫。此過程分兩步進(jìn)行：第一步，管外空氣將熱量傳給黃銅管，根據(jù)牛頓冷卻公式，圓筒壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式得到：(h1+h2)A（T1-Tw）=2k1L（Tw-Ti）lnRoRi代入公式得到T1-Tw=843.05Tw-Ti式1 第二步

32、，黃銅管將熱量傳遞給黃銅管內(nèi)冷端空氣，于是有2k1L（Tw-Ti）lnRoRi=mCp（T2-T0）代入數(shù)據(jù)得到812.96Tw-Ti=T2-T0 式2聯(lián)立T1-Tw=843.05Tw-Ti812.96Tw-Ti=T2-T0Ti=T2+T0/2 可以解得Tw= 24.88。利用計(jì)算出來的Tw作為假設(shè)條件，用同樣的方法代入驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如下：當(dāng)Tw=24.88時(shí)，算出的Tw為24.22當(dāng)Tw=24.22時(shí)，算出的Tw為24.39當(dāng)Tw=24.39時(shí)，算出的Tw為24.38當(dāng)兩次驗(yàn)算結(jié)果Tw的相差非常小的時(shí)候，此時(shí)的Tw就是熱傳遞穩(wěn)定之后的黃銅管外壁溫度。約為24.38。由于管外空氣會(huì)與外管壁進(jìn)行

33、熱交換,因此他們最終溫度會(huì)相等,所以計(jì)算出來的Tw就是出風(fēng)口溫度。另外黃銅管內(nèi)部的空氣與外界進(jìn)行熱交換之后會(huì)升溫，但是由于有冷端換熱器、熱段端換熱器及鋁塞，這部分熱量會(huì)從冷端傳遞到熱端，然后最終傳遞給鋁塞以及熱端的黃銅管，因此冷端空氣溫度可以保持不變。為了進(jìn)一步研究風(fēng)扇的制冷效果，假設(shè)來流溫度T1分別為32、35、38、41、44，黃銅管冷端空氣分別為15、20時(shí)，用上述方法計(jì)算，看看出口處空氣溫度，也就是黃銅管外壁溫度Tw到底是多少。表4為利用差分法計(jì)算得到的空氣物性。表5為不同T1、T2下黃銅管最終的外壁溫度Tw。表4 不同溫度下干空氣的熱物理性質(zhì)（大氣壓力p=101kpa）tkg/m3C

34、pkJ/(mK)k×102W/(mK)×106m2/sPr321.15761.0052.68816.1920.7006351.14651.0052.71516.480.7000381.13541.0052.74216.7680.6994411.12431.0052.76917.0560.6988441.11321.0052.79617.3440.6982表5 不同T1、T2下黃銅管最終的外壁溫度(單位均為)Tw T1T232353841441519.7920.6821.5822.4823.402023.3624.3825.1426.0426.96注：每種情況第一次計(jì)算均假設(shè)

35、起始黃銅管外壁溫度為303.2 制冷效果圖表分析圖9 T1與Tw的關(guān)系曲線為了更加直觀地了解制冷效果，圖9和圖10分別給出來流溫度與出口溫度及降溫幅度的關(guān)系，其中圖9中的紅色線表示的是T2=20時(shí)T1與Tw的關(guān)系，藍(lán)色線顯示的是T2=15時(shí)T1與Tw的關(guān)系；圖10中紅色線顯示的是T2=20時(shí)T1與降溫幅度的關(guān)系，藍(lán)色線顯示的是T2=15時(shí)T1與降溫幅度的關(guān)系。各曲線旁邊的函數(shù)表達(dá)式是利用線性擬合方法得出的。就圖9而言，兩種情況下，相關(guān)系數(shù)R都非常接近1，但是T2增大之后，相關(guān)系數(shù)R變小，說明T2越大，T1與Tw的線性關(guān)系會(huì)減弱。就圖10而言，兩種情況下，相關(guān)系數(shù)都非常接近1，但是T2增大之后，相關(guān)系數(shù)R變小了，說明T2越大，T1與Tw的線性關(guān)系也會(huì)減弱，而且T2越大，降溫幅度越低。圖10 T1與降溫幅度的關(guān)系