（轮机工程专业论文）热声驱动的脉管制冷特性研究.pdf

中文摘要 摘要 热声驱动的脉管制冷是一种新型的制冷方式，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。从1 9 9 0 年s w i r l 和r a d e b a u g h 等人首先提出这个概念以来，热声发动机驱动脉管制冷机系统成为 该领域的研究热点。 本文首先介绍了研究的背景和意义，简要回顾了热声系统的发展历史和研究 现状，并介绍了热声理论和脉管制冷理论，详细介绍了热声发动机和脉管制冷机 的设计准则及方法。并定性和定量的对热声系统的原理进行了简单的论述。 设计并搭建了热声驱动的脉管制冷系统试验台，对系统中的冷却器、加热器、 喷射泵、回热器、声容、反馈回路、谐振直路及脉管制冷机等的结构尺寸做了详 细介绍。 对该系统进行了初步的实验，并利用热声网络模型分布参数法对系统的性能 进行校核及预测。经计算可知我们所选用的回热器的长度和丝网目数基本能使系 统效率达到最优，热声发动机的回热器中的速度波和体积流量波之间的相位角相 差不大，所以我们可以期待该发动机能有良好的性能。 最后是全文的总结及未来的展望。 关键词：热声发动机：脉管制冷机：行波 英文摘要 i n v e s t i g a t i o no np u l s et u b er e f r i g e r a t o rd r i v e nb y t h e r m o a c o u s t i c e n g i n e a b s t r a c t t h e r m o a c o u s t i cr e f r i g e r a t i o ni san e w t y p eo fr e f r i g e r a t i o nm e t h o d ，w h i c hi sb a s e d o nt h et h e r m o a c o u s t i ce f f e c t i ti san e wa n dp r o m i s i n gw a yt od r i v eap u l s et u b ec o o l e r b yat h e r m o a c o u s t i ce n g i n ei n s t e a do fa n yo t h e rm e c h a n i c a lc o m p r e s s o r w i t h o ma n y m o v i n gp a r t sa n dw i mi n e r tg a s a 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 r t r a d i t i o n a le n g i n 懿，s u c ha ss i m p l i c i t y , r e l i a b i l i t y , l o n gn o n - m a i n t e n a n c eo p e r a t i o na n d p o l l u t i o nf r e e a f t e ri tw a ss u g g e s t e db ys w i f ta n dr a d e b a u g hi n19 9 0 ，i n v e s t i g a t i o n s o np u l s et u b ec o o l e rd r i v e nb yt h e r m o a c o u s t i ce n g i n ew e r ew i d e l ym a d ei nt h ew o r l d t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ha r ef i r s t l yg i v e ni nt h ep a p e r a f t e ra d e r o i l e dr e v i e wo f t h eh i s t o r yo f t 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 i c s ，t h e m 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 dm e t h o d so fp u l s et u b e r e f r i g e r a t o ra r es u m m a r i z e dr e s p e c t i v e l y t h e n , t h ep r i n c i p l eo ft h e r m o a c o u s t i c s y s t e mi sa l s od i s c u s s e dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y d e s i g n i n ga n df o u n d i n gt h et h e r m o a c o u s t i ct e s t b e d t h es t r u c t u r ea n dd i m e n s i o n o fc o n d e n s e r , h e a t e r ,e j e c t o r , r e g e n e r a t o r ,s o u n dr o o m ，f e e d b a c kl o o p ，r e s o n a n c e f o r t h r i g h ta n dp u l s et u b er e f r i g e r a t o ra r es h o w e dd e t a i l e d t h ep r i m a r ye x p e r i m e n tw a sd o n ea n dt h es y s t e m sp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e db y d i s t r i b u t i n gp a r a m e t e rm e t h o do ft h e r m o a c o u s t i cn e t w o r km o d e l w ef i n dt h a tt h e l e n g t ho fr e g e n e r a t o ra n dm e s hn u m b e rc a nm a k et h ee n g i n e se f f i c i e n c yw e l l t h e p h a s ea n g l eb e t w e e ns o u n dw a v ea n dv o l u m ef l u xw a v eo fr e g e n e r a t o ri sn o tl a r g e s o ， w ec a nl o o kf o r w a r dt oan i c ep e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n e f i n a l l y , t h es u m m a r i z a t i o na n de x p e c t a t i o ni sg i v e n k e yw o r d s ：t h e r m o a c o u s t i ee n g i n e ；p u l s et u b ec o o l e r ；t r a v e l i n gw a v e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 = = 垫直塑麴的然筐剑猃挂性班究：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 。 论文作者签名：勘：财 协降3 月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 壤0 霉蔫日期：研年5 月 热声驱动的脉管制冷特性研究 第1 章绪论 热声压缩机和热声制冷机是根据热声振荡原理而制成，热声振荡是在一定条 件下将热能转变为声能的过程。热声驱动的脉管制冷系统具有许多传统制冷方式 无可比拟的优势而成为近来制冷领域的一大研究热点。本章介绍了本文的研究背 景，并详细回顾了热声及脉管研究领域的发展进程，最后简单介绍了本文的研究 工作。 1 1 研究背景及意义 早在三千年前，人们便懂得利用天然冰作为冷源。然而，通过人为方法实现 降温的人工制冷则源于1 7 4 8 年英国g l a s g o w 大学c u l l e n 首次利用乙醚在真空中蒸 发而获得了制冷效应p 1 。1 8 3 4 年，英国人p e r k i n s 以乙醚作为工质，基于蒸汽压缩 制冷循环建立了世界上第一台具有实用意义的制冷机。此后，蒸气压缩制冷、吸 收制冷、吸附制冷、气体膨胀制冷、节流制冷、稀释制冷、热电制冷等制冷方式 迅速发展，在人类生活的各个方面得到了广泛的应用。 随着科学技术的发展，现代工业技术对于低温技术依附程度不断提高，人们 对低温制冷机的需求也不断加大。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p m 。但目前广泛应用的分 置式斯特林制冷机和g m 制冷机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。脉管制冷机的出 现为解决制冷机的可靠性问题提供了一个新的思路。脉管制冷机于2 0 世纪6 0 年 代问世，并在近年来得到迅速的发展。它省去了诸如斯特林和g m 等常规气体制 冷机中的排出器，而采用一根低热导的管子来代替，从而在管子内产生很大的温 度梯度，以实现制冷效果。因此，脉管制冷机从根本上解决了排出器所带来的振 动、密封、磨损和难以加工等问题，而具有结构简单、运转可靠、冷端振动小、 热声驱动的脉管制冷特性研究 寿命长、成本低等优点。 但目前机械压缩机仍被广泛用于制冷机的驱动器，压缩机的振动和磨损将对 脉管制冷机的可靠性产生严重的影响。热声发动机的出现弥补了常规机械压缩机 的以上缺点。采用热声发动机驱动的脉管制冷机制冷具有以下三个突出的优点： ( 1 ) 结构简单，无运动部件，磨损小，寿命长，可以满足空间技术等领域中 作长时间运行的需要； ( 2 ) 工作介质为氦、氩、氮等环境友好气体，不会对环境造成污染，不破坏 臭氧层； ( 3 ) 该系统直接以热能作为驱动源，可望应用于热能资源丰富而缺电的场合， 特别是在边远地区及海上油田天然气液化等方面具有广阔的应用前景。 但是，要使该系统真正应用于实际工程还需要很长的一段时间。因为目前不 管是热声发动机还是脉管制冷机还都存在许多尚待解决的问题，并且要实现热声 发动机和脉管制冷机的良好匹配也需要大量的研究工作。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，并 倍受工业界的关注。我国的热声研究起步较晚，基础相对薄弱，但近年来国内的 热声研究在大家的共同努力下也取得了很大的进步，甚至在某些方面达到了世界 先进水平。在这样的背景下，本文开展了热声驱动的脉管制冷机研究工作。 1 2 发展历史和研究现状 热声现象早在2 0 0 多年前就已经被发现，然而热声研究的繁荣却只是最近5 0 年的事。n r o t t 首次对热声现象进行的定量分析6 ，大大激起了人们从事热声研 究的兴趣。1 7 7 7 年，b y r o nh i g g i n s 在实验中发现将氢气灯火焰置入一个直立粗管 中一定位置就会激发出声音。1 8 世纪欧洲的吹玻璃工人发现在长1 2 - - 1 5 c m 细玻 璃管吹一个直径2 c m 热玻璃泡时，后者会发出声音。s o n d h a u s s 对这个现象做了深 入细致的研究，并在1 8 5 0 年创造了一端封闭一端开口，在封闭端加热就可以发声 的s o n d h a u s s 管。1 8 5 9 年，砌i k e 在将加热的丝网放到一根两端开1 3 的垂直空管的 下半部分时观察到强烈的声振荡。与r i j k e 管对应的是b o s s c h a 管，b o s s c h a 管是 热声驱动的脉管制冷特性研究 b o s s c h a 在1 8 7 7 年发现的。b o s s c h a 管也是两端开口的垂直空管，但与蹦k e 管不 同的是把金属丝网放在管的上半截，距上开口大约四分之一或三分之一处，不加 热，从下开口吹热空气。虽然这两者的构造不同，但发声原理相同，瑞利均归之 为波腹波节综合效应，管内像烟囱通风的气流是发声的关键。s o n d h a u s s 管和r i j k e 管正是驻波型和行波型热声机械的雏形。 加热 图1 1s o u n d h a u s s 管r i j k e 管 f i g 1 1s o u n d h a u s st u b ea n dr s j k et u b e 1 2 1 热声发动机 ( 1 ) 驻波型热声发动机 热声源的最大发展是在1 9 6 2 年，c a t e r 和他的同事在s o n d h a u s s 管里加一类似 热声驱动的脉管制冷特性研究 现代热声堆的平板结构而构成s o n d h a u s s c a t e r 管，大大提高了它的效率。随后， f e l d m a n 作了许多工作，根据他们的理论做了s o n d h a u s s 振荡器，用6 0 0 w 的热能 产生了2 7 w 声能。这是现代热声源的前驱，以后就是在严格的热声理论指导下发 展的。 实用热声热机是在8 0 年代初起源于l o sa l a m o s 国家实验室，w h e a t l e y 领导下 的热声研究小组率先开展了驱动器和制冷机的研制工作，于1 9 8 3 年前后开始设计 并实验热声制冷机。w h e a t l c y 认为声谐振驻波和表面泵热效应的组合能形成一种 完全新型的发动机，由于其中的气体热声效应和固体介质与气流之间所需的时均 相位都是通过自发不可逆过程二一特别是由温差传热得到，因而被称为自发发动 机( n a t u r a le n g i n e s ) 7 1 。其实，这正是热声发动机与斯特林发动机之问最重要的 区别。斯特林发动机需要提供外在的机械来保证压缩机( 或原动机) 与膨胀活塞 ( 或排出器) 间合适的相位，热声发动机能自发调节相位，因此具有减少部件、 降低成本、机构简单、增强可靠性的作用。 由于在样机完成之前w h e a t l e y 不幸逝世，进一步的实验工作转移到了海军研 究生院。l o s a l a m o s 小组在c l w s w i f t 的领导下继续开展热声基础理论研究以及热 声原动机和热声驱动脉管制冷机的实验研究，并于8 0 年代末设计建造了一台驻波 型热声发动机，其长度为1 0 m ，工作频率为2 8 h z 左右，压比约为1 11 8 1 。1 9 9 2 年 s w i f t 等人建成了一台直径1 2 8 m m ，总长4 3 2 0 m m 的驻波型热声发动机，以压力为 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 压力振幅为平均压力的3 - - 1 0 9 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 ，加热温度7 0 0 w ，工作频率7 3 h z 时 能输出2 6 w 的声功 1 0 - i l l 。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驱动器的输出特性进 行了测量。 浙江大学制冷与低温工程研究所陈国邦等于1 9 9 6 年制成国内首台采用丝网板 热声驱动的脉管制冷特性研究 叠的半波长热声压缩机，以氮气和氦气作工质时分别获得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 1 2 - 1 4 1 。在m a t s u b a r a 等人优化丝网目数的基础上，他们进一步提出了丝网板 叠填充率的概念( 单位长度所装填的丝网片数，对丝网板叠的轴向和横向传热以 及流动阻力等具有综合影响) 5 1 实现了丝网板叠的量化装填，通过优化丝网板叠 填充率提高了热声发动机的性能。在实验研究中观察到了热声发动机的起振和消 振温度以及起振和消振临界加热功率都存在滞后现象，针对该特性提出了辅以电 加热的低品位能源利用方案( 采用电加热帮助系统起振，然后利用低品位能源维 持振动) t 1 6 1 。 图1 2 陈国邦等研制的驻波型热声发动机示意图 f i g 1 2 t h es t r u c t u r eo ft h e r m o a c o u s t i ce n g i n eb yc h e nq b 法国国家科研中心l i m s i 实验室的f r a n c o i s 等同我国华中理工大学郭方中等 合作在热声驱动器方面开展了研究。并建成了一台热声驱动器原型机，以氮气为 工质，加热温度为5 0 0 时，压力振幅可达平均压力的1 0 。系统总长1 9 m ，振 荡频率为8 6 h z 。他们还建立了双传声器法声功测量系统t 1 7 l 。此外，华中理工大学 的邓晓辉等还进行了热声谐振管的实验研究，他们采用氮气作工质，在4 3 0 k 的温 差下获得频率为1 0 5 9 h z 、波幅约为平均压力的1 5 的稳定压力波1 1 8 1 0 之后，董 凯军、伍继浩等人又测量和分析了气体充气压力、频率以及谐振管长度对系统整 体性能的影响，获得了最大为3 1 w 的声功输出，利用此声能驱动的制冷机产生了 2 5 的温差1 9 珈1 。 热声驱动的脉管制冷特性研究 1 9 9 8 年，美国宾州大学的c h e n 和g a r r e h 建成了世界上第一台太阳能驱动的 驻波型热声发动机1 2 1 。2 2 1 , 该发动机以一4 0 c m 长的一端开口的管作为谐振管，采 用一个直径为3 英尺的透镜将阳光聚焦到陶瓷热声板叠的一端进行加热，稳定工 作时产生1 4 波长模式的气体振动，频率为4 2 0h z ，在距开口端l m 处可测得1 2 0 分贝的声波。 2 0 0 4 年，中科院的罗二仓等人通过对一台驻波型热声发动机换热器的改进， 使该发动机性能得到很大提高，以氦气为工质时压比可达1 1 5 左右，而在以氮气 为工质时压比甚至可与行波型热声发动机相比，到达了1 2 21 2 3 1 。 由于驻波型热声机的运行是基于内部不可逆的热力学循环，其气体和板叠之 间的不可逆换热导致的熵值限制了驻波热声机的效率，其热力学效率往往不可能 很高，一般都在0 2 0 以下。而行波型热声机属于s t i f l i n g 热机的范畴，其过程本身 是可逆的，因此行波热声机的效率在理论上高于其过程本身是不可逆的驻波热声 机。正因如此，利用行波声场的热声机越来越受到人们的关注。 ( 2 ) 行波型热声发动机 c e p e r l e y 首先意识到s t i d i n g 热机回热器中的压力波和速度波的相位同行波声 波的相位是一致的，并提议消除除工质以外的所有运动部件，利用声波来控制气 体运动和气体压力。基于此点，他在1 9 7 9 年首先提出了行波热声机。c e p e f l e y 的 工作提示人们有必要把斯特林发动机中的工质气体的声波行为同一些重要变化量 ( 压力和速度等) 的变化，以及气体的粘性、可压缩性与流阻等依赖关系联系起 来。其中，压力与速度都同气体运动的方向有密切联系。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1 2 4 1 。 1 9 9 8 年，y a z a k i 等人首先实现了环路行波型热声驱动器，不过它的效率较低 1 2 5 1 。c e p e f l e y h 和y a z a k i 等都意识到这是由于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，他们没有考虑到几种可能带来的声流 损失，包括环路中可能发生的g e d e o n 直流坨睨7 1 以及由边界层效应引起的r a y l e i g h 流。 热声驱动的脉管制冷特性研究 图1 3b a c k h a u s 和s w i f t 研制的行波型热声发动机 f i g 1 3 t h e r m o a c o u s t i ce n g i n eb yb a c k h a u sa n ds w i f t 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的行波型热声发动机，这是 c e p e r l e 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 而热力效率明显超过驻波系统。据b a c k h a u s 和s w i f t 报道，驱动器能达到0 3 0 的 热力效率1 2 8 - 2 9 1 , 这比先前任何热声发动机的效率都要高出5 0 以上。同典型的内 燃机相比，汽油机的热力学效率为0 2 5 ，柴油机为0 4 0 ，可以说，行波型热声驱 动器的效率已经可以同它们相媲美了。该成果获本年度美国1 0 0 项科技进步大奖 之一。 由于行波型驱动器取得了极大的成功，人们对它的研究热忱空前的高涨。2 0 0 2 年，法国的g p e n e l e t 和e g a v i o t 等人着重对纯环路型行波发动机中的瞬时状态 ( t r a n s i tr e g i m e ) 进行了研究，他们发现了一些非线性现象，如高次谐波的起振、 声流对回热器中温度梯度的影响，他们发现了一些非线性现象，如高次谐波的起 振、声流对回热器中温度梯度影响。另外，他们在放大状态中还首次发现了“双 临界点”( d o u b l e t h r e s h o l d ) 现象1 3 0 1 。 2 0 0 3 年，浙江大学邱利民、孙大明等设计建立了一台行波型热声发动机，经 改进后该发动机在2 m p a 的系统平均压力下，采用氮气为工质获得了1 2 1 的压比， 采用氦气为工质，获得了1 1 9 的压比t 3 1 1 02 0 0 5 年，他们通过直流抑制等方法进行 优化后压比得到了很大的提高，在以氮气作为工质，充气压力1 5 6 m p a 时最大压 热声驱动的脉管制冷特性研究 比达到1 3 0 2 ，工作压力为2 5 4 m p a 时，其峰峰压力振幅为0 6 3 m p a 嫩。 图1 4 浙江大学行波热声发动机示意图 f i 9 1 4s k e t c hm a po f t r a v e l i n gw a v ee n g i n gb y z h ej i a n gu n i v e r s i t y 2 0 0 4 年，中科院理化所的罗二仓研究员等对原有的混合型s t i f l i n g 热声发动机 进行了改进，用一根长度为3 m ，小头直径8 0 m m ，大头直径2 0 0 m m 的锥形管代替 原来的直管作为谐振管用以抑制声波非线性传输从而达到提高发动机压比的目 的。他们以氦气为工质，充气压力为1 5 2m p a 时获得了1 3 左右的压比，在压力 为2 0 5 m p a 下压比也有1 2 5 左右3 3 埘1 。 1 ，2 2 脉管制冷机 ( 1 ) 基本型脉管制冷机 1 9 6 3 年，首先由吉福特( g i f f o r d ) 和朗斯沃斯( l o n g s w o r t h ) 提出并研制基本型脉 管制冷机1 3 5 1 01 9 6 7 年朗斯沃斯用直径1 9 m m ，长为3 1 9 m m 的脉管进行实验，其 中热端换热器由长为3 1 8 m m 的纯铜制成，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 的情况下，达到最低温度为1 2 4 k 的记录。 为了提高效率，吉福特曾提出取消切换阀，直接利用无阀压缩机产生的压力 波制冷，这就是所谓的可逆基本型脉管制冷机，如图1 5 所示。g i f f o r d 用4 根直 径6 3 5 m m ，长1 0 2 m m 的平行不锈钢管，热端换热器的长度为脉管长的1 1 0 ，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，单级最低制冷温度达到16 5 k t 3 们。 热声驱动的脉管制冷特性研究 图1 5 可逆基本型脉管制冷机 f i 9 1 5t h e r e v e r s i b l eb a s i cp u l s et u b er e f r i g e r a t o r 热端换热器 ( 2 ) 小孔型脉管制冷机 前苏联学者米库林( m i k u l i n ) 等1 3 7 1 9 在1 9 8 5 年提出了对基本型脉管制冷机 的改进方案，即在基本型脉管的项部和热端换热器之后，连接一个容积相当大的 气库，如图1 6 。通过这种改进，在以空气为工质，频率1 5 h z 的情况下，获得了 1 0 5 k 的最低制冷温度，以氦气为工质获得了6 4 k 的无负荷最低制冷温度。 高压 图1 6 m i k u l i n 的小孔型脉管制冷机 f i 9 1 6t h eo s t i o l ep u l s er e f r i g e r a t o rb ym i k u l i n 1 9 8 6 年，美国学者雷德堡( r a d e b a u g h ) 等对米库林( m i k u l i n ) 的方案进行 了改进，将小孔从脉管与热端换热器之间转移到热端换热器与气库之间，并用针 阀代替小孔，这样可方便的通过调节小孔的开度，达到调节进出气库气量的目的。 热声驱动的脉管制冷特性研究 r a d e b a u g h 采用这种改进小孔型脉管制冷机，以氦气作为工质，获得了6 0 k 的无 负荷制冷温度1 3 8 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1 3 9 1 。 ( 3 ) 双向进气型脉管制冷机 1 9 9 0 年朱绍伟等人将第二进气的概念引入小孔型脉管制冷机，称之为双向进 气型脉管制冷机t 4 0 1 。他们在中科院低温中心采用双向进气型脉管制冷机实现了 4 2 k 的低温，打破了当时脉管制冷机最低制冷温度的纪录。双向进气结构对脉管 制冷机性能的强化作用为人们广泛接受，自1 9 9 1 年起，大部分的脉管制冷机均采 用了双向进气结构。 但双向进气结构在降低制冷温度，提高制冷效率的同时，脉管制冷机会出现 温度波动。1 9 9 7 年，g e d e o n 通过理论分析认为造成这种现象的原因是双向进气结 构存在直流。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。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- 4 , 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e 4 1 1 。 2 0 0 3 年，h a e f n e r 和t h u n a n e s 等人采用并联双阀双向进气型脉管制冷机实现 了1 2 9 k 的低温仞。 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i l k 的最低温度1 4 3 3 。 ( 4 ) 惯性管型脉管制冷机 采用一条细长小管，即长颈管或称惯性管( i n e r t a n c et u b e ) 作为斯特林型脉 管制冷机的调相机构，具有较强的调相能力，且不产生直流现象，如图1 7 所示。 热声驱动的脉管制冷特性研究 1 9 9 4 年，日本学者k a n a o 等，首次报道了在小型脉管制冷机中采用惯性管代替小 孔阀使无负荷制冷温度从1 2 7 k 下降为1 1 4 k1 4 4 1 他们将其归因于惯性管优于小孔 阀的调相能力。 图1 7 惯性管型脉管制冷机简图 f i 9 1 7t h e s t r u c t u r eo f i n e r t i a lp u l s et u b er e f r i g e r a t o r 1 9 9 7 年，g a r d n e r 和s w i f t 采用电模拟方法分析了长颈管的调相机理并用实验 进行了定性验证。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， 文章还指出长颈管不仅适用于大功率制冷机的需要，也能满足微d , n 冷系统的需 要1 4 5 1 。 2 0 0 2 年，中科院低温中心侯字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1 4 6 1 0 ( 5 ) 其他调相机构脉管制冷机 除了上述的小孔型、双向进气型和惯性管型三种目前占主导地位的调相结构 外，在脉管制冷机的发展历史中，还出现了一些其他形式的调相结构。 1 9 8 8 年日本的m a t s u b a r a 等提出- j x 2 活塞型脉管制冷机1 4 7 1 p 如图1 8 所示。 1 9 9 2 年日本电气技术公司的i 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。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 热声驱动的脉管制冷特性研究 当予忽视了脉管制冷机无运动部件的固有优点。 1 9 9 3 年，m a 稳u b a r a 等人又报道了鳃阀型脉管制冷枫 4 9 l 如图1 9 所示。四阕 型脉管制冷机采用连接脉管热端与压缩机进排气管的切换阀代替小孔阙、气库以 及双向进气阀，通过精心调节阀门开闭的时序和开度，控制脉管制冷机中压力波 的波形及其与质量流的相位关系，从而获得优越的制冷性能。他们的四阀型脉管 制冷机获得t2 2 k 的低温。之后，1 9 9 7 年，日本住友机械重工的李瑞等研制的四 阀型脉管制冷机实现2 0 5 k 的最低制冷温度，8 0 k 时的制冷量可达3 3 5 w 潮。 图1 8 双活塞型 f i 9 1 8t w op i s t o nt y p e 图1 9 四阀裂图1 1 0 主动气库型 f i 9 1 9f o u rv a l v et y p ef i 9 1 10a c t i v eg a ss t o r et y p e 1 9 9 6 年，朱绍伟等发明了主动气库脉管制冷机嘲，如图l 。1 0 所示，主动气库 型脉管制冷机中，气体的移动以及匝缩和膨胀不褥单纯由压缩机以及回热器热端 的迸排气阀决定，脉管热端的各气库也通过阀门的开闭主动参与蘧缩膨胀过程的 调控，w 使脉管冷端和热端的进排气过程均不存在不可逆损失，从丽提高脉管制 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 l l 。 除此以外，还有内调相型1 5 1 1 热膨胀型1 5 2 1 增大气库压力法溺1 以及双阀双 热声驱动的脉管制冷特性研究 小孔型巧4 1 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。 1 2 3 热声驱动脉管制冷的实验研究进展 脉管制冷机由于去除了低温运动部件使得长寿命低温制冷机成为可能，然而 室温端机械式压缩机中仍然存在运动部件，成为整机运行寿命以及稳定性和可靠 性的限制因素。热声驱动脉管制冷机是用热声发动机代替传统的机械压缩机来驱 动脉管制冷机，它为创造完全无运动部件的低温制冷机提供了一种可靠的方案。 虽然热声驱动技术已有相当长的历史，但同脉管制冷机联用则只是近几年的事。 图1 11 驻波型热声驱动的脉管制冷机样机 f i 9 1 1lt h ep u l s et u b er e f r i g e r a t o rd r i v e db ys t a n d i n gw a v ee n g i n e 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 i l 和美国国家标准与技术研究院 的r a d e b a u g h 联合开展了采用热声发动机代替传统机械式压缩机驱动脉管制冷机 的研究，并建立了世界上第一台热声驱动的脉管制冷机。该装置消耗3 k w 的热能 达到9 0 k 左右的低温1 5 5 1 在1 2 0 k 时的制冷量为5 w ，成为世界上第一台完全无 热声驱动的脉管制冷特性研究 运动部件的低温制冷机，该项成果被评为美国当年的1 0 0 项最重大研究进展之一。 图1 1 2 热声斯特林发动机驱动的脉管制冷机样机 f i g 1 12t h ep u l s et u b er e f i f g e r a t o rd r i v e db yt r a v e l i n gw a v ee n g i n e 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 国家实验室以及美国国家标准与技术研究院合作进行以燃烧天 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 5 6 1 01 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1 5 7 1 热声发动机将约1 2 k w 的声功传递 给脉管制冷机，脉管制冷机在1 3 0 k 达到2 0 7 0 w 制冷量，可实现约5 3 0 l d 的天然 气液化率。热声发动机和脉管制冷机的效率分别达到c a m o t 效率的2 5 和2 3 。 该样机可通过燃烧6 0 的天然气液化其余4 0 的天然气。它标志着热声驱动脉 管制冷技术可以提供满足实用天然气液化所需的制冷量，是热声驱动脉管制冷技 术实用化进程的重要里程碑。虽然该热声驱动脉管制冷样机取得了巨大的成功， 但其效率还比较低，相比现代化的大型天然气液化装置燃烧1 0 - 1 5 的天然气液 化其余8 5 - - - 9 0 天然气的目标还有较大的差距。因此，第二阶段的目标是燃烧3 0 热声驱动的脉管制冷特性研究 的天然气液化其余7 0 的天然气，实现1 9 0 0 l d 的液化率，采用行波型热声发 动机代替原驻波型热声发动机1 5 7 1 行波型热声发动机驱动的脉管制冷机样机已于 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 m 液化率的第三阶段研发工作已经着手进行1 5 7 1 0 浙江大学陈国邦等人于1 9 9 8 年开展了热声驱动脉管制冷机的研究。他们采用 自行研制的对称型双边驱动驻波热声发动机驱动一台单级双向进气型脉管制冷 机，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性能。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 7 和1 1 7 6 k 的低温1 5 8 1 0 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 6 k 的无负荷制冷温度1 5 9 1 浙江大学邱利民等从2 0 0 0 年开始进 行行波型热声发动机驱动脉管制冷机的实验研究。2 0 0 4 年，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 9 k 的最低 制冷温度鲫。 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，以氦气为工质， 获得了5 5 c 的无负荷制冷温度1 6 1 1 02 0 0 5 年，通过在行波热声发动机中采用锥形 谐振腔，提高发动机的热功转换效率，对直流成功抑制，使得热声发动机的压比 维持在1 2 5 以上，其驱动的惯性管型脉管制冷机获得的最低温度为6 8 8 k 1 6 2 1 ，成功 突破了液氮温区，之后他们利用声学放大器连接热声发动机驱动一台二级脉管制 冷机获得了4 1 k 的制冷温度，这是目前所报道的利用热声驱动脉管制冷机达到的 最低温度t 6 3 1 。 1 3 本文主要工作 如前所述，热声驱动的脉管制冷是一种新型的制冷方式，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。 具有广阔的应用前景和重要的研究意义。本文主要工作如下： 热声驱动的脉管制冷特性研究 1 设计并搭建了热声驱动的脉管制冷系统，并对系统的主要部件的结构尺寸进 行了详细介绍，并对系统进行调试。 2 对该系统进行了初步的实验，并利用热声网络模型分布参数法对系统的性能 进行校核及预测。经计算可知我们所选用的回热器的长度和丝网目数基本能使系 统效率达到最优，热声发动机的回热器中的速度波和体积流量波之间的相位角相 差不大。 3 用热声发动机驱动脉管制冷机进行实验，虽然未达到预期的效果但为我们 对脉管制冷机以及整个系统的匹配和改进提供了方向。 热声驱动的脉管制冷特性研究 2 1 热声效应基础 第2 章热声理论基础 2 1 1 热声效应 简单地说，热声效应就是热与声之间相互转换的现象。从声学角度看，它是 由于处于声场中的固体介质与振荡流体之间的相互作用，使得距固体壁面一定范 围内沿着( 或逆着) 声传播方向产生时均热流，并在这个区域内产生或者吸收声功的 现象。 按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动 的声振荡：二是用声来产生热，即声驱动的热量传输。只要具备一定的条件，热声 效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。依靠热声效应原理 工作的热机就叫热声热机。根据热机中热声效应产生后果的不同，热声热机可分 为热声发动机和热声制冷机两类。其中，热声发动机若被用于驱动制冷机则又可 以称为热声压缩机。另外，根据热声发动机中振荡的压力波与速度波的相位不同， 热声发动机又可进一步细分为驻波型热声发动机和行波型热声发动机。 人们通常认为在流体( 气体或液体) 中传播的声波伴随着压力和位移振荡，但实 际上还伴随着温度振荡。尽管日常生活中的热声现象十分微弱无法被人们注意到， 但在声场中的固体介质周围，温度振荡、压力振荡和位移振荡三者结合产生了丰 富的热声效应。 2 1 2 热声振荡原理 1 8 7 8 年l 0 r dr a y l e i g h 首先对热声振荡现象给出了定性的解释，这是人们第一 次从理论上对热声现象进行探讨。他指出：几乎在所有情况下，当对物体加热时 总会引起该物体的膨胀，并对外做功。只要参与热过程的工质运动与热交换之间 具有合适的相角，就可以维持一种振荡。对作声振荡的介质，若在其最稠密的时 候向其提供热量，而在其最稀疏时从其中吸取能量，声振动就会得到加强( 声能 转变为热能) 。反之，若在其最稠密的时候从其中吸取热量，而在其稀疏时向其提 热声驱动的脉管制冷特性研究 供能量，声振动就会得到衰减( 声能转变为热能) 。 高温热源 p 低温热源 p 板叠 热端 冷端 v 图2 1 热声振荡基本原理示意图 f i g2 1s k e t c hm a po f t h e r m o a c o u s t i cs u r g ep f i n c i p l e 团 为了更好的理解热声振荡原理，下面具体探讨热声管中气体的运动。如图2 1 所示，假设热声管中原有声波，气体就在声波作用下往返振动。我们考察一个小 空气团在两片热容量非常大的平面薄板问的窄缝中的振动。一组平行薄板成为热 声堆。热声堆一般位于矩管的封闭端四分之一波长以内，热声板间的间隔大约是 两倍或多一些热附面层厚度( 热穿透距离) 。为了清楚起见，将气团附近放大。当 声压增加时，气团向左( 声压腹点) 振动，并且被压缩，温度增加。薄板上的温 度梯度如果比较小，气团向左振动到达极端时，温度就比其附近薄板上的温度高， 气团就要把热量输入热声板。声压降低时，气团向右振动并且膨胀，温度降低。 热声驱动的脉管制冷特性研究 但薄板上温度降低较少，气团附近板上温度高于气团温度，要向气团输热。所以， 气泡每次振动都是从右端气泡到达后吸热膨胀，在左端放热收缩。事实上，气泡 变化是逐渐的，吸热和放热也都是逐渐的。窄缝