（制冷及低温工程专业论文）热声驱动脉管制冷机实验研究.pdf

浙江大学硕士论文 热声驱动脉管制冷机实验研究 郑金鹏 ( 浙江大学制冷与低温工程研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 ) 摘要 热声热机是一种全新的动力机械，它没有机械运动部件，采用惰性气体为工 质，具有无污染、结构简单、可靠性高、寿命长等优点。由热声发动机驱动的热 声( 包括脉管) 制冷机，在天然气液化方面有着巨大的商业应用前景。热声机械 成为制冷界的一个研究热点。 本文回顾了热声热机的发展历史和研究现状，简要介绍了热声理论和脉管制 冷理论，详细介绍了脉管制冷机的设计准则及方法。基于r e g e n 3 2 软件白行设 计制作了一台脉管制冷机。采用热声发动机驱动，对该制冷机进行了初步实验， 以氮气为工质，该脉管制冷机获得了1 1 7 5 k 的最低制冷温度，其低于氮的临界 点温度；以氦气为工质，初步获得了8 3 5 k 的最低制冷温度。 关键词热声热机脉管制冷行波 浙江大学硕士论文 i n v e s t i g a t i o no nt h e r m o a c o u s t i c a l l yd r i v e np u l s e t u b er e f r i g e r a t o r z h e n gj i n p e n g ( c r y o g e n i c sl a b o r a t o r y , z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ，e r c h i n a ) a b s t r a c t t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ei san e wt y p eo fe n g i n e ，w h i c hi sb a s e do nt h e t h e r m o a c o u s t i ce f f e c t w i t h o u ta n ym o v i n gp a r t sa n dw i t hi n e r tg a sa sw o r k i n gf l u i d ， i th a sm a n ya d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a le n g i n e s ，s u c ha ss i m p l i c i t gr e l i a b i l i t y , l o n g n o n m a i n t e n a n c eo p e r a t i o na n dp o l l u t i o nf r e e p u l s e - t u b er e f r i g e r a t i o nd r i v e nb y t h e r m o a c o u s t i cp r i m eh a sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o ni ng a sl i q u e f a c t i o n a n da d v a n c e s h a v eb e e na c h i e v e di nm r - c o n d i t i o n i n ga n dr e f r i g e r a t i o nw i t ht h e r m o a c o u s t i c r e f r i g e r a t o r i ns u m ，t h es t u d yo ft h e r m o a c o u s t i ee n g i n ei sn o wi nt h ef o c u so f r e f r i g e r a t i o nf i e l d a f t e rad e t a i l e dr e v i e wo ft h eh i s t o r yo ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t so f t h e r m o a c o u s t l c s ，t h em a i nt h e o r i e so ft h e r m o a c o u s t i c s ，t h ed e s i g np r i n c i p l e sa n d m e t h o d so f p u l s et u b er e f r i g e r a t o r a l es u m m a r i z e dr e s p e c t i v e l y b a s e do na c o d e 一r e g e n 3 2 ，d e v e l o p e da tn i s t , u s a , at h e r m o a c o u s t i c a l l yd r i v e np u l s et u b e r e f r i g e r a t o ri ss i m u l a t e da n de f f e c t so fd i f f e r e n tr e g e n e r a t o rd i m e n s i o na r ea n a l y z e d ， t h e nap u l s et u b er e f r i g e r a t o ri sm a n u f a c t u r e db a s e do nt h es i m u l a t i o n i nt h e p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t ，t h ep u l s et u b ec o o l e rr e a c h e dar e f r i g e r a t i o nt e m p e r a t u r ea s l o wa s1 1 7 5ka n d8 3 5k b yu s i n gn i t r o g e na n dh e l i u ma s t h ew o r k i n gg a s ， r e s p e c t i v e l y , w h i c hi sb e l o w t h ec r i t i c a lt e m p r e t u r eo fn i t r o g e nf o r t h ef o r m e r k e y w o r d s ：t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ，p u l s et u b er e f r i g e r a t i o n ，t r a v e l i n gw a v e 浙江大学硕j 论文主要符号表 英文字母 a 声速 4面积 c 。流体定压比热 乞 流体定容比热 c声容 能量 ， 共振频率 h 比焓 i 虚数单位 k 热导率 z 板叠平板厚度的1 2 声感 m 质量 m 摩尔质量 p 压力 q 热流 u 体积流率 v 矢量速度 y 体积速度 彤 功 吒 丝网水力半径 r 声阻，气体常数 s 比熵 s 熵 t 摄氏温度 z 绝对温度 z 声传播方向的位置 y 声传播垂直方向的位置 主要符号表 i h z 阻抗 希腊字母 定压下热膨胀系数 热膨胀系数 绝热指数 渗透深度 热扩散率 声波长 弧波长 粘滞系数 单位质量内能 第二粘度 密度 角频率 普朗特数 丝网的孔隙率 上、下标 1 一次量 2 二次量 g e n 产生的 u n i v 通用量 m 平均量 r 热 ， 粘性 s 固体材料 h 热端 c冷端 口卢y 6 r a 茏 p 宇p 甜 盯痧 学号2 0 3 0 8 2 3 3 独创性声明 。y 9 9 9 7 7 1 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他厶已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得进姿盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴一：渺字吼枷舌年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位沦文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢斯套呜 签字日期：伽6 年弓月罗日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 一 ： 通讯地址： 新虢殆乎i 氏 签字醐：锄年；月7 日 电话 邮编 浙江大学硕i 论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了本课题的研究背景，在详细回顾了热声研究领域的各个不同 研究方向的发展历史和研究现状的基础上，分析了目前的研究热点和应用前景。 最后简单介绍了全文的工作安排。 1 - 1 研究背景 自从2 0 世纪5 0 年代第一台整体式斯特林制冷机问世以来，经过半个世纪的 研究和发展，各种回热式低温制冷机包括分置式斯特林制冷机、g m 制冷机、 脉管制冷机等相继出现，在现代科学技术的许多部门都有重要的应用，例如空间 技术中的光电遥感元件的冷却，电子工业中超洁净低温冷凝真空泵、超导核磁共 振成像装置中超导磁体的冷却等。 近年来，空间技术、军事工程、信息技术等现代工业对低温制冷机的寿命和 可靠性提出了更高的要求【圳。但目前广泛应用的分置式斯特林制冷机【5 ，6 i 和g m 制冷机【7 】还不能完全满足这些要求，其关键原因在于这些机械制冷机中至少存在 着两个运动部件：压缩机和排出器，它们是影响制冷机长期可靠运转的主要障碍。 低温端排出器的存在，在带来可靠性等问题的同时，还可能成为一种干扰源，这 对高精度的测量系统来说是非常不利的。脉管制冷机1 8 ，9 】的出现部分地解决了上 述问题。脉管制冷机利用气体在一根低热导率的管中作周期性的压缩和膨胀，从 而产生很大的温度梯度。与常规的s t i f l i n g 和g m 制冷机相比较，脉管制冷机的 最大特点是结构简单，没有处于低温下的运动部件，因而具有运行可靠、振动小 和寿命长的优点。但是与传统的低温制冷机一样，目前的脉管制冷机大多采用机 械式压缩机，它仍将是系统的长期稳定运行的一大障碍。 高效率热声发动机的出现给长寿命低温制冷机的研究和发展指出了一条新 路。热声发动机仅由管件和换热器构成，利用声场固有的压力和速度振动以及二 者间的相位关系结合适当的固体边界条件，实现热能向机械能的转换，整机除了 振动的工作气体外，没有任何运动部件。 1 9 9 0 年，美国l o s - - a l a m o s 国家实验室s w i f t 和美国国家标准技术研究所 r a d e b a u g h 联合提出采用热声发动机代替传统机械压缩机驱动脉管制冷机，该制 冷系统从室温到低温完全没有机械运动部件，具有结构简单、运行稳定、寿命长 等突出优点；同时，可以热能( 燃气，太阳能，废热等) 作为驱动源，可实现对低 品位能源的利用，对于电能缺乏而热能富集的场合具有实用意义；此外，由于采 用氦、氩、氮等气体作为工质，无环境污染，顺应了环保制冷的发展趋势。 热声驱动脉管制冷技术具有广泛的应用前景。可用于液化天然气，提供车用 浙江大学硕士论文第一章绪论 清洁燃料，实现城市燃气使用的调峰。还可以用于石油气的液化分离，回收利用 掩埋式垃圾场产生的可燃性气体，也可用于普冷领域的空调以及食品冷冻冷藏 等。 目前，热声驱动脉管制冷这一无机械运动部件的新型制冷方法已经成为制冷 与低温领域的研究热点，同时备受工业界的关注。我国的热声研究只有十多年的 历史，基础相对薄弱，同国外相比有较大的差距。可喜的是，近年来国内的热声 研究在大家的共同努力下也取得了很大的进步，在个别领域甚至已经具备赶上世 界先进水平的实力，而且更鼓舞人心的是该研究领域受到人们越来越多的关注， 研究投入也逐步加大，目前可以说是我们迎头赶上的最佳时机。特别是近来浙江 大学在热声发动机( 包括驻波型和行波型) 及其驱动的脉管制冷机的研究工作中 取得了令人瞩目的成绩，正是在这样的背景下，本文开展了热声驱动脉管制冷的 实验研究工作。 1 2 热声发动机的实验研究进展 热声理论的研究起源于对热声现象的观察和分析，最早观察到热声现象的是 h i g g i n s ，他在实验中观察到当把氢气灯置于一个两端开口的直立管的适当位置 时，激发出了声音，正是这种“会唱歌的火焰”引起了人们对热声现象的研究兴趣。 1 8 5 0 年，s o n d h a u s s 提出一种一端封闭、一端开口的热声振荡管，并对声调与几 何尺寸的关系进行了定量的研究【1 0 l 。1 8 5 9 年，r i j k e 把加热的丝网放到垂直空管 的下半部分，观察到了强烈的声振荡，r i j k c 还对该振荡现象进行了定性分析【1 1 1 。 实际上，r i j k e 管和s o n d h a u s s 管正是行波型和驻波型热声机械的雏形。 1 2 - 1 驻波型热声发动机的实验研究进展 1 9 6 2 年，c a r t e r 等人对s o n d h a u s s 管进行了有效的改进，在s o n d h a u s s 管内 加入了平行板叠，大大提高了热声振荡效果，研制出了第一台有显著声功输出的 驻波型热声发动机，揭开了研究和制造热声发动机的序幕【墙1 3 1 。 上世纪8 0 年代初，美国l o s - - a l a m o s 国家实验室开始了热声热机的研制工 作，并提出了许多独到的见解。1 9 9 2 年s w i f t 等建立的一台驻波型热声发动机， 以1 3 8 m p a 的氦气为工质，在7 k w 的加热功率下，产生了6 3 0 w 的声功，热效 率为9 【1 4 1 。 日本大学松原洋一、朱绍伟和周淑亮等也在从事热声发动机的实验研究。他 们研制的驻波型发动机在输入功率为8 3 3 w 时能输出2 6 w 的声功【1 5 ，1 6 1 。他们对 起振温度、声波特性和热声振荡的影响因素等进行了分析和实验，着重研究了结 2 浙江大学硕士论文 第一章绪论 构尺寸( 包括谐振管的结构和丝网尺寸等) 对热声效应以及损失特性的影响情况。 还利用小孔阀和消声器对发动机的输出特性进行了测量。最近，松原洋一、戴巍 等人在驻波型热声发动机上引入了挠性轴承支持的固体排出器作为谐振器，使得 发动机在结构上更加紧凑。该热声发动机用氦气为工质时，在3 1 5 h z 的共振频 率成功起振1 1 7 1 。 浙江大学制冷与低温工程研究所陈国邦等于1 9 9 6 年在国内首次研制成一台 采用丝网板叠的半波长热声压缩机，如图1 1 所示，以氮气和氦气为工质时分别 获得1 1 2 和1 0 6 的最大压比，并着重研究了工质种类、谐振管长度、平均充气 压力和加热温度对压缩机性能的影响【1 8 珈】。 图1 1 浙江大学的驻波型热声压缩机示意图 美国宾州大学的c h e n 和g a r r e t t 等还建成了一台太阳能驱动的热声发动机， 系统总长4 0 c m ，共振频率4 2 0 h z 。在以太阳能驱动，一端开口的1 4 波长的模 式下，可在离开口端1 m 处测得1 2 0 分贝的声音1 2 l l 。 1 - 2 - 2 行波型热声发动机的实验研究进展 驻波型热声发动机的运行是基于不可逆的热力学循环，气体与回热器填料间 的不可逆换热导致其热力学效率不高，而行波型热声发动机的运行类似于s t i f l i n g 热力学循环，其过程是可逆的，热力转换效率远高于驻波型热机。 c e p e r l e y 意识到斯特林循环中压力波和速度波的相位同行波声波的相位是一 致的，基于此点，1 9 7 9 年他首先提出了行波热声热机。然而，c e p e f l e y 的实验 热机却没有得到放大声功的效果【2 2 1 。 1 9 9 8 年，y a z a k i 等首先实现了环路行波型热声发动机，不过它的效率较低【2 3 1 。 c e p e d e y 和y a z a k i 等都意识到这是由工质气体的低声阻抗造成的，低声阻抗会导 致高声速时大的粘性损失。此外，他们却没有考虑到几种可能带来额外损失的声 3 浙江大学硕士论文 第一章绪论 流，包括在环路结构中可能发生的“g e d c o n 直流”以及由边界层效应引起的 “r a y l e i g h 流”。 1 9 9 9 年，b a c k h a u s 和s w i f t 设计制作了一台新型行波型热声发动机，这是 c e p c r l c y 的设想和现代热声理论结合的成果。该系统经历了可逆的斯特林循环， 因此热力学效率能轻易地超过驻波系统。据b a c k h a u s 和s w i f t 报道m2 5 】，发动 机能达到0 3 0 的热力学效率，这比先前任何热声发动机的效率都要高出5 0 以 上。甚至可与传统内燃机的效率相媲美。 图1 2b a c k h a u s 和s w i f t 设计的斯特林热声发动机 由于行波型发动机取得了极大的成功，人们对它的研究热忱空前高涨。很多 机构开展了这一方面的工作，法国科研中心l i m s i 实验室的f r a n c o i s 与浙江大 学的陈国邦和金滔合作开展了研究工作，在理解b a c k h a u s s w i f t 系统的基础上设 计制作了一台行波型热声发动机，初步的实验结果表明它具有比驻波型更低的起 振温度，更高的效率【堋。 中科院理化技术研究所的罗二仓等也开展了这一方面的研究【拥，他们采用氮 气、氦气及其混合气体进行了一系列的试验，最高工作压力为2 1 m p a ，最高加 热温度为6 0 0 。还研究了热声发动机的结构参数、操作参数、充气压力和加热 温度对热声发动机性能的影响。 2 0 0 3 年，浙江大学的邱利民、孙大明等设计并制作了一台大型多功能行波热 声发动机，如图1 3 所示。经过一系列的改进后该发动机在1 5 6 m p a 的工作压力 下，采用氮气为工质获得了1 3 的压比；采用氦气为工质，获得了1 1 9 的压比 2 s - 3 0 1 。 图1 3 浙江大学的大型多功能行波热声发动机 4 浙江大学硕士论文 第一章绪论 2 0 0 4 年，中科院理化技术研究所罗二仓等在原来的基础上，重新设计并制造 了一台采用锥形谐振管的行波型热声发动机，该发动机在1 5 2 m p a 的系统平均 压力下，加热功率达到3 8 k w 时，获得了1 3 0 的压比 3 1 , 3 2 】。 1 3 脉管制冷机的实验研究进展 传统观点认为：利用高低压气体对脉管空腔的充放气过程，脉管制冷机获得 制冷效果，而回热器则累积上一次循环所得的制冷量，传递给下一次循环流入的 气体，并使之温度逐渐降低。按照经典的制冷循环，脉管制冷机的工作过程大致 如下，可参考图1 4 8 】。首先，高压气体流经回热器、冷端换热器、导流器，以 层状流动形式进入脉管，推挤管内的气体向封闭端移动，压力升高，温度上升， 在脉管封闭端气体的温度达到最大值。设在脉管封闭端的换热器将热量带走，使 气体的温度和压力有所下降。然后，切换转动阀，使系统内气体与压缩机低压侧 相通，脉管内气体则向相反方向推进，压力降低，温度下降。不断循环上面的过 程，使气体在脉管与回热器结点处吸热，而在脉管封闭端放热，达到制冷效果。 图1 4 最初的脉管制冷机结构简图 调相机构的作用足调节脉管冷端的压力波和质量流量的相位差，是脉管制冷 机中最重要的部分。到目前为止，调相方法中的小孔气库，双向进气这两类方 法在脉管实验系统最为常见，另外还有主动气库、四阀机构、惯性管等多种调相 方法。 接下来将按照脉管的调相方法简单介绍一下脉管制冷机的发展过程。 l - 3 - 1 基本型脉管制冷机 脉管的热端封闭是基本型脉管制冷机的特征。1 9 6 3 年，美国的g i f f o r d 和 l o n g s w o r t h 利用气体在一个圆管内绝热压缩膨胀制冷，而后加入了一个回热器， 浙江大学硕士论文第一章绪论 研制出了第一代脉管制冷机 s l ，如图1 4 所示。这就是“基本型脉管制冷机”，没 有所谓的调相机构，就是所谓“基本”的含义l o n g s w o r t h 的脉管尺寸为 f1 9 m m x 3 1 9 m m ，在高低压分别为2 3 8 m p a 和0 5 6 m p a ，频率为0 6 7 h z 的工况 下，实现了1 2 4 k 的低温【3 3 j 。 图1 5 可逆型脉管制冷机结构筒图 换热器 1 9 6 7 年，g i f f o r d 用一台无阀压缩机代替旋转阀，利用活塞在气缸内的往复 运动产生的压力波直接驱动脉管内的工质，提出了可逆性脉管制冷机，如图1 5 所示。其功耗不到基本型脉管制冷机的1 0 ，g i f f o r d 用4 根f 6 3 5 m m x l 0 2 m m 的脉管，在工作压力为1 2 3 0 3 m p a ，转速为4 7 0 r s 的情况下，获得了1 6 5 k 的 制冷温度l 。 由于基本型脉管制冷机制冷温度高，制冷效率十分低下，导致在其诞生后的 二十年间几乎被人们所遗忘，而引起脉管制冷机技术突破的是小孔的引入。 1 - 3 2 小孔型脉管制冷机 1 9 8 4 年，前苏联的m i k u l i n 等在基本型脉管制冷机的热端增加了一个气库， 热端换热器和脉管之间用一段节流阀连接，也就是所谓的节流小孔，当时被称为 气体分配器，得到了最初的小孔型脉管制冷机，如图1 6 所示，在高压充气过程 中，到达脉管热端的气流将由小孔流经热端换热器进入气库，而在低压放气过程 中，部分气库中的气体会返回脉管进行膨胀。这不仅有利于在充气过程中带走压 缩热，而且实际上增加了脉管中工作气体的数量，大大提高了脉管制冷机的制冷 能力。他们采用空气作为工质，在频率1 5 h z 的情况下，获得了1 0 5 k 的无负荷 制冷温度。后来更以氦气为介质获得了6 4 k 的低温【3 5 1 。 6 浙江大学硕士论文第一章绪论 图1 6 小孔型脉管制冷机结构简图 1 9 8 6 年，美国学者r a d e b a u g h 等对m i k u l i n 的方案进行了改进，用可调节的 针阀代替节流阀，并把小孔移到热端换热器和气库之间，采用氦气为工质，达到 了6 0 k 的无负荷最低制冷温度 3 6 1 。1 9 8 9 年，中科院低温中心的梁惊涛通过优化 回热器和脉管的结构参数，改进制冷机热端水冷却器的结构，使其研制的小孔型 脉管制冷机达到了4 9 k 的无负荷制冷温度，在7 7 k 时获得了1 2 w 的制冷量，同 时该小组还对回热器和脉管体积之比作了探讨，得出最佳比值1 8 的结论【3 7 l 。 作为最初的调相机构，小孔和气库使脉管制冷机的前途出现了转机。在此之 后，经过结构上的不断改进，脉管制冷机的性能持续提高，充分地体现了脉管制 冷机的优越性。 1 3 - 3 双向进气型脉管制冷机 图1 7 双向进气型脉管制冷机结构简圈 1 9 9 0 年，西安交通大学的朱绍伟等将第二进气的概念引入小孔型脉管制冷 机，提出了双向进气结构的脉管制冷机。用由一根紫铜管加上可调节的小孔组成 的“气体分配器”把一股气流直接从压缩机的出口接到脉管的热端p 8 l ，如图1 7 所 示。由于第二进气的存在，使得部分工作气体直接从压缩机进入脉管热端，从而 旁通了部分原来流经回热器的气流，使得回热器损失相应减少。这股通过旁通进 入脉管的质量流，可强化脉管中工作气体的压缩和膨胀。并且，流经第二迸气的 7 浙江大学顾i 论文第一掌绪论 质量流在相位上与回热器压力降同相，即与流经回热器的平均质量流几乎保持同 相。这股从第二进气引入的气流可抑制脉管热端质量流相位相对于压力波超前的 现象，从而在脉管热端获得满足最佳制冷性能所需的相移量。实际上，双向进气 结构也是一种调相机构，其本身足对脉管制冷机结构的又一大改进。该方案在低 温中心进行了实验验证，并获得了4 2 k 的最低制冷温度，打破了当时脉管制冷 机最低制冷温度的纪录【3 们。 双向进气结构在降低脉管制冷机制冷温度，提高制冷效率的同时，同时也带 来了一些问题。1 9 9 7 年，o e d e o n 通过理论分析认为双向进气结构存在直流现象 ( d c - f l o w ) 【删，使脉管制冷机出现温度波动。双向进气的引入一方面提高了脉 管制冷机的调相能力，另一方面减小了通过回热器的气流量，从而减小了回热器 的损失，但同时也使用于制冷的气量减小。浙江大学蒋彦龙则从工质物性角度进 一步指出，流阻元件运动粘滞系数在不同温度位下随压力变化规律的不一致，使 得进排气过程中双向进气阀和回热器流阻之比通常并不相等，直接体现为流经各 流阻元件的气流量在进排气时不相等，从而成为诱发直流的重要原因【4 ”。 随后人们发现利用具有非对称流阻特性的双向迸气结构可有效地抑制沿回 热器、脉管和第二进气闭合回路的直流。反向安装的串联双阀【4 2 】和并联双阀1 4 3 】， 以及非对称喷嘴肄双向进气结构相继出现，它们都在实际的脉管制冷机中体 现出对直流的抑制作用，从而获得了优越的制冷性能。另外，浙江大学陈国邦等 人提出双小孔方案，通过连接气库和压缩机低压管道的第二小孔引入可控反向直 流，也成功地实现了对脉管制冷机中直流的抑制【4 5 1 。 2 0 0 3 年，h a e f n e r 和t h u m m e s 等人采用并联双阀双向迸气型脉管制冷机实 现了1 2 9 k 的低温【帅j 。 2 0 0 5 年，浙江大学邱利民，何永林等采用并联双阀双向进气型脉管制冷机 实现了l l k 的最低温度。 总之，双向进气结构可以提高脉管制冷机的效率，使其可以与s t i f l i n g 制冷 机相媲美，自1 9 9 1 年后，双向进气结构得到了普遍的应用。 1 3 4 长颈管( 惯性管) 型脉管制冷机 小孔和双向进气结构的研究成果使人们认识到了脉管制冷机中压力波和质 量流之间的相位关系是影响其制冷性能的关键参数。r a d e b a u g h 等人的研究表明 m ，回热器中的损失是脉管制冷机的主要损失因素之一，整个回热器内质量流 振幅平均值最小时，可使回热器损失最小。这就要求在回热器冷端质量流滞后于 压力波，而在回热器热端质量流超前于压力波。工作在高频工况下的长颈管正好 8 浙江大学硕士论文 第一章绪论 能利用工质的质量惯性为脉管制冷机提供这种相位关系。 1 9 9 4 年日本的k a n a o 等在研究5 0 h z 小孔型高频脉管制冷机时，发现用一根 尺寸合适的毛细管代替小孔阀可以提高制冷机的性能，这就是长颈管脉管制冷机 的起源【蚓，图1 8 给出了带有长颈管的脉管制冷机的结构简图。 1 9 9 6 年，g o d s h a l k 等在进行热声驱动脉管制冷机的研究中，明确指出了长 颈管利用脉管中高频气体振荡带来的强烈惯性效应来控制制冷机中压力和质量 流之间的相位关系【4 9 】，在文章中使用了i n e f l a n c e 一词，因此，长颈管也被称为 惯性管。由于g o d s h a l k 等人首先意识到利用惯性效应来控制压力波与质量流的 相位关系，因此r a d e b a u g h 认为长颈管的调相作用是由g o d s h a l k 等人发现的【4 7 1 。 之后，朱绍伟利用热声理论对长颈管型脉管制冷机的数值模拟计算结果表 明，长颈管可使脉管冷端的等效p v 图与s t m i n g 制冷机冷腔p v 图相似，同时不 会像双向进气型脉管制冷机那样增加压缩机的功耗。 1 9 9 7 年，g a r d n e r 和s w i r l 采用电模拟方法分析了长颈管的调相机理并用实 验进行了定型验证1 5 1 l 。分析和实验表明，长颈管的应用可得到范围很广的相位 关系，文章还指明长颈管不仅适用于大功率制冷机的需要，也能满足微小制冷系 统的需要。 2 0 0 2 年，中科院低温中心侯宇葵等人报道了在微型脉管制冷机的实验研究 中，采用小孔阀、双向进气阀、长颈管以及长颈管加双向进气阀四种调相结构分 别获得了1 1 6 3 k 、1 0 1 6 k 、1 0 7 3 k 和8 9 k 的无负荷制冷温度旧。 相对于小孔型脉管制冷机，长颈管利用细长管内振荡气流的惯性作用来调节 相位差，在发挥双向进气结构优点的同时并不会产生直流现象( 无环路) ，尤其 适用于s t i f l i n g 型脉管制冷机。 图1 8 带有氏颈管的脉管制冷机结构简图 1 3 5 采用其它调相机构的脉管制冷机 小孔，双向进气以及惯性管是目前应用最多的调相结构，除此之外，在脉管 制冷机的发展过程中，还出现了一些其它的调帽结构。 1 9 8 8 年，日本的m a t s u b a r a 等提出了移动活塞型脉管制冷机( 也称双活塞型 9 浙江大学硕士论文 第一章绪论 脉管制冷机) ，如图1 9 所示。这种结构可以回收膨胀功，降低因小孔引起的不 可逆损失，提高制冷效率1 5 3 】；1 9 9 2 年日本电气技术公司的l s h i z a k i 等采用双活塞 结构获得了2 3 5 k 的低温【翊。实际上这种结构是s t i f l i n g 制冷机的一种变形，最 大的缺点是增加了一个膨胀活塞，相当于忽视了脉管制冷机无运动部件的固有优 点。 图1 9 双活塞型脉管制冷机结构简图 胀活塞 1 9 9 3 年，日本的m a t s u b a r a 为取代小孔和气库等不可逆部件，提出了四阀型 脉管制冷机1 5 5 l ，如图1 1 0 所示，四个阀门的开启时序可任意调节。后来日本的 李瑞等制造的单级四阀型脉管制冷机实现了2 0 5 k 的最低制冷温度，并在2 4 k w 输入功，8 0 k 制冷温度时，获得了3 3 5 w 的制冷量【5 6 1 。朱绍伟在分析g m 型脉 管制冷机之后提出，气体通过进、排气阀的不可逆损失是这种制冷机的主要损失， 如果在脉管热端设置两个或多个主动气库，内部压力在最高压和最低压之间，通 过阀门控制它们的开启时序就可以提高制冷机的效率i 绷，根据他们的实验结果， 在压缩机输入功3 6 3 k w ，8 0 k 制冷温度时得到1 6 6 w 的制冷量1 5 8 1 。 圈1 1 0 四阀型脉管制冷机结构简图 1 9 9 2 年，中科院低温中心周远等在双向进气的基础上提出了多路旁通脉管 制冷机，如图1 1 l 。他们在脉管和回热器的中部用一根细管加一个调节阀相连， 使回热器中部的一部分气体进入脉管中间温度点，产生制冷效应。1 9 9 4 年，蔡 京辉等采用此方案制作的单级脉管制冷机得到了3 3 k 的制冷温度【5 9 1 ，1 9 9 5 年王 超等又获得了2 3 8 k 的制冷温度1 6 0 l 。1 9 9 7 年，巨永林等分析了多路旁通的机理， 认为多路旁通可以抑制直流现象的发生【6 “。目前，多路旁通型脉管制冷机被 1 0 浙江大学硕士论文 第一章绪论 n a s a 列为2 1 世纪空间微型脉管制冷机的研究方向之一。 压 图1 1 1 多路旁通型脉管制冷机结构简图 1 9 9 6 年，朱绍伟等发明了主动气库脉管制冷机 5 7 , 6 2 1 ，如图1 1 2 所示，主动 气库型脉管制冷机中，气体的移动以及压缩和膨胀不再单纯由压缩机以及回热器 热端的进排气阀决定，脉管热端的各气库也通过阀门的开闭主动参与压缩膨胀过 程的调控，可使脉管冷端和热端的进排气过程均不存在不可逆损失，从而提高脉 管制冷机的效率。朱绍伟等人的主动气库型脉管制冷机在输入电功率为3 6 5 k w 条件下，达到了2 8 k 的最低制冷温度，8 0 k 时的制冷量高达1 6 0 w ，相对卡诺效 率为1 1 。 图1 1 2 主动气库型脉管制冷机结构简图 除此以外，还有内调相型【矧、热膨胀型【叫、增大气库压力法【叫以及双阀双 小孔型【6 6 j 等多种改进方案，都不用程度地提高了脉管制冷机的性能。但由于这 些调相机构的引入增加了脉管制冷机结构和调节的复杂性，因而未能得到广泛应 用。 脉管制冷机中根据脉管和回热器的布置方式分为直线型、u 型和同轴型脉管 制冷机 6 7 1 。目前热声发动机驱动脉管制冷机的研究还大多集中在驱动单级脉管 制冷机上面。 1 1 浙江大学硕士论文第一章绪论 1 4 热声驱动脉管制冷的实验研究进展 1 9 9 0 年，美国l o s - - a l a m o s 国家实验室的s w i f t 和美国国家标准与技术研究 院( n i s d 的r a d e b a u g h 联合提出采用热声发动机代替传统的机械式压缩机驱动 脉管制冷机。他们所建立的驻波型热声发动机驱动的脉管制冷机达到9 0 k 的温 度唧l 。成为世界上第一台完全无运动部件的低温制冷机，该研究成果荣获美国 1 9 9 0 年“r & d 1 0 0 “大奖。 图1 1 3 驻波型热声驱动脉管制冷样机 热声驱动脉管制冷机的研制成功引起了工业界的关注。1 9 9 4 年美国c r y e n c o 公司与l o s a l a m o s 国家实验室以及n i s t 合作进行以燃烧天然气作为驱动源的 热声驱动脉管制冷机液化天然气研发项目1 6 9 1 。1 9 9 8 年，他们研制的驻波型热声 发动机驱动脉管制冷样机，热声发动机和脉管制冷机的效率分别达到c a r n o t 效 率的2 5 和2 3 ，可实现燃烧6 0 的天然气来液化其余4 0 的天然气【7 0 】，约 5 3 0 i _ d 的天然气液化率。这是热声驱动脉管制冷技术实用化进程的重要里程碑。 现代化的大型天然气液化装置可以燃烧1 0 1 5 的天然气液化其余8 5 9 0 天然 气，因此，为了提高效率，在目标为燃烧3 0 的天然气液化其余7 0 的天然气， 实现1 9 0 0 i d 的液化率的第二阶段研发中，采用行波型热声发动机代替原驻波型 热声发动机【7 0 1 ，行波型热声发动机驱动脉管制冷样机于2 0 0 0 年建成。同时，目 标为燃烧1 5 的天然气液化其余8 5 的天然气，3 8 0 0 0 i d 液化率的第三阶段研 发工作已经着手进行【彻。 浙江大学硕士论文第一章绪论 图1 1 4 热声斯特林发动机驱动脉管制冷样机 在国内，浙江大学制冷与低温工程研究所陈国邦等人自1 9 9 6 年研制成驻波 型热声发动机后，开展了热声驱动脉管制冷机的研究。系统地研究了充气压力、 加热功率、加热温度等操作参数，以及脉管制冷机的小孔阀和双向进气阀开度对 热声驱动脉管制冷机性能的影响，并且通过改进热声发动机与脉管制冷机的连 接，优化丝网热声板叠的填充率，采用混合工质等方法来提高热声驱动脉管制冷 机的性能【砸7 1 删。2 0 0 1 年，分别以纯氦和氦氩混合气体为工质获得了1 1 9 7k 和 1 1 7 6k 的低温【”l ，在此基础上通过对制冷系统结构的进一步优化，在2 0 0 5 年达 到了8 8 6k 的无负荷制冷温度i 。7 4 l 。与此同时邱利民，孙大明等人展开行波热声 发动机驱动脉管制冷机的实验研究，以氦气作为工质，在加热功率2 3 5 0 w ，工 作压力2 7m p a ，频率4 5h z 的情况下，获得了8 0 9k 的最低制冷温度【7 5 1 。 中科院低温中心的罗二仓等人也进行了热声驱动脉管制冷机的研究工作。 2 0 0 1 年，他们采用行波型热声发动机驱动微型同轴脉管制冷机，以氦气作为工 质，获得了约5 5 的无负荷制冷温度1 7 6 1 。2 0 0 5 年，通过在行波热声发动机中采 用锥形谐振腔，提高了热声发动机的热功转换效率，驱动惯性管型脉管制冷机获 得了6 8k 的无负荷制冷温度m l ，驱动两级脉管制冷机获得4 lk 的最低制冷温度 1 7 ”。是目前报道利用熟声驱动脉管制冷机所获得的最低制冷温度。 1 5 本文工作 如前所述，热声发动机是一种完全新型的热力机械，它遵循热声效应机理， 与传统的压缩机相比，具有结构简单、运行可靠、寿命长、无污染、无运动部件 等诸多优点。由热声发动机取代常规压缩机来驱动脉管制冷机或热声制冷机极具 潜力，在空间技术、低温生物、工业制冷等领域有广阔的应用前景。 浙江大学硕士论文第一章绪论 热声热机发展到今天，在各方面都取得了很大的进展，但是要实现热声热机 的实用化、工程化还有很多问题有待解决。正是在这种情况下，本文开展了热声 驱动脉管制冷机的实验研究，为热声发动机的工业化应用作前期准备。 本文主要工作有： 1 ) 利用软件r e g e n 3 2 对现有脉管尺寸以及热声发动机的实际运行参数进行 模拟，并将模拟计算的结果与实验结果相对照，得出定性结论。 2 ) 对一些结构参数进行了分析并确定了回热器的填料。然后基于现有热声 发动机的实际运行参数，利用软件r e g e n 3 2 模拟不同结构参数下脉管制 冷机在热声发动机驱动下的制冷性能，并根据模拟结果确定所设计脉管 的尺寸以及型式。 3 ) 加工制作所设计的脉管制冷机，并建立一套完整的热声驱动脉管制冷机 系统，在行驻波混合型热声发动机上采用氮气和氦气为工质，调节回热 器的结构参数，分别获得了1 1 7 5 k 和8 3 5 k 的最低制冷温度。 1 4 浙江大学硕士论文第二章熟声理论与脉管制冷理论 第二章热声理论与脉管制冷理论 2 1 热声理论 1 8 6 8 年，k i r c h h o f f 对管中的声波由于固体等温管壁和维持声波的振荡气体 之间的热传导引起的衰减进行了计算1 7 9 l 。之后，k r a m e r s 被t a c o n i s 的实验所启 发对此进行了进一步的发展。 1 8 7 8 年，r a y l e i g h 首先对热声振荡现象进行了定性的解释，这也是第一次从 理论上对热声现象进行探讨。文章中指出：对作声振动的介质，若在其最稠密的 时候向其提供热量，而在其最稀疏时从其吸取能量，声振动就会加强( 热能转变 为声能) ；反之，若在其最稠密的时候从其吸取热量，而在其最稀疏时向其提供 能量，声振动就会衰减( 声能转变为热能) 。这就是所谓的r a y l e i g h 准则【舯1 。至 今为止，r a y l e i g h 准则一直被人们认为是理解热声振荡如何在管中得以维持的一 个合理解释。 1 9 6 9 - - 1 9 8 0 年，瑞士苏黎士联邦技术研究所的r o t t 提出了小振幅条件下的 线性热声模型，对线性的热声效应机理进行了定量的理论分析，并给出了热声效 应的完全数值解，在理论上描述了热声效应中热功转换的关系。其模型推导是以 线性的ns 方程、连续性方程、能量方程为基础，结合回热器边壁上的边界条件， 建立了线性热声理论。该理论框架为分析热机( 发动机和制冷机) 提供了坚实的基 础。可以说，他是现代热声学研究的开创者【8 1 瑚j 。 m e r k l i 和t h o m a n n 针对另一类型的热声效应，即等温壁面的谐振管中驻波 声场与外热源间存在的时均横向吸热和放热效应，进行了讨论【8 ”1 1 。实验和理论 发现：如果理想气体的p r a n d t l 数小于1 ，在速度节点附近( 谐振管的中部) ，流 体由管壁横向吸热，在压力节点附近( 谐振管的两端) ，流体对管壁横向放热； 如果p r a n d t l 数大于1 ，则不存在横向吸热或放热效应。 1 9 8 8 年，美国l o s - - a l a m o s 国家实验室( l a n l ) 的w h e a t l e y 和s w i f t 等在 r o t t 的线性理论基础上提出了短板边界层近似理论，在该理论中提出了热致声、 声致冷效应的量化指标一临界温度梯度，并给出了热功转换关系式，发展了经 典的热声理论( r o t t 理论) ，并提出了热声学相似理论，脉管制冷机中的声流等。 特别值得一提的是w a r d 和s w i f t 等编制的一套热声计算程序d e l t a e ( d e s i g n e n v i r o n m e n t f o r l o w - a m p l i t u d e t h e r m o a c o u s t i c e n g i n e s ) ，能用来解决基于常用小 振幅一维波动方程。该程序能对用户提供的部件序列( 如管道，换能器和热声板 叠或回热器等) 中的气体或液体介质的波动方程进行求解【9 2 l 。 由上世纪9 0 年代开始，约翰一霍普金斯大学一直进行热声理论的研究，在 热声制冷机和热声发动机的数值模拟方面，颇具特色。尤其是在数值分析基础上 浙江大学硕士论文第二- 章热声理论与脉管制冷理论 进行的优化设计，有其独到之处。他们对影响热声转换过程的众多变量进行了具 体的分析，归纳出一系列无量纲量，把原来至少1 9 个独立参数减至6 个无量纲 输入量，大大简化了优化计算和设计的过程，这对于热声系统这样含有众多影响 因素的复杂系统来说具有非常重要的意义【9 3 1 。 g u 和t r m m e r h a u s 对低温系统中的热声振荡( 即t a c o n i s 振荡) 进行了理论 和实验研究，并针对液氦系统提出了热声振荡的质点弹簧分析方法【9 4 】。他们认为， 由于开口端常温区的温度远高于闭口端低温区( 即液氦温区) ，因而低温区气体 的密度要远大于常温区，因此通过假定常温区的气体为弹簧，低温端的气体为附 在弹簧底部的质点，就可以把这一原本颇为复杂的系统简化为大家所熟悉的质点 弹簧振动系统。 福特公司的m o z u r k e w i c h 对热声效应中横向热交换进行了模拟研究。另外， 还对板叠中的温度分布进行了模拟计算，这些模拟计算都为热声机械换热器的设 计提供了参考依据f 9 5 】。 自1 9 7 6 年开始，筑波大学物理研究所的富永昭等就从事热声效应的研究。 而从1 9 9 0 年以来它们更偏重于理论及数值模拟方面的研究。他们对热声理论进 行了热力学分析，得出各种不可逆因素的影响情况，以便加以克服来提高效率。 另外，他们还将热声理论应用于脉管制冷机的机理分析，主要对回热器进行了相 位分析，以便能够更好地理解相移机理。1 9