串列热驱热声制冷机的发展.doc

串列热驱热声制冷机的发展胡忠军，李正宇，李青，周刚，李强（中国科学院理化技术研究所，北京，100190）摘要：分析了串列热驱热声制冷机的工作机理，包括全波长二阶谐振机理及其控制措施、驻波级和行波级高效热声转换的工作机理以及驻波级热声制冷单元回收行波级膨胀功方式和特点。关键词：热声制冷机; 谐振频率; 驻波; 行波Development of the tandem thermoacoustic refrigeratorZhong Jun Hu，Zheng Yu Li，Qing Li， Gang Zhou，Qiang Li(Technical Institute of Physics and Chemistry, CA S, Beijing, 100190)Abstract：The working mechanism of the tandem thermoacoustic refrigerator driven by heat was analyzed. The full-wavelength resonance would be excited in tandem thermoacoustic refrigerators. How to control this second-order resonant mode was discussed. The thermoacoustic conversion in standing-wave and traveling-wave thermoacoustic units would be much more effective than that in conventional standing-wave thermoacoustic engines. The recovery of the expansion power by a standing-wave thermoacoustic unit was studied.Keywords: Thermoacoustic refrigerator, Resonant frequency, Standing-wave, Traveling-wave1 引言收稿日期：2009-08-20作者简介：胡忠军（1977-），男，助理研究员，研究方向为热声技术、低温工程。本项目获国家自然科学基金（10804114）资助热声制冷机简单、环保和节能的特性符合可持续发展的需要，是当前制冷技术领域的研究前沿和热点之一。早期电声驱动的驻波型热声制冷机，依赖于气固二元工质间的不可逆传热过程工作，其热效率的提高受到限制，-20下的制冷系数（COP）通常仅为0.6左右，是传统蒸汽压缩式制冷的2030。随着对太阳能和各种低品位热能的开发利用，热源驱动的热声制冷机近年来得到了迅速发展。这种热驱热声制冷机，先通过热声发动机实现热能向声能的转换，在热声制冷单元进一步利用声能实现热量由低温向室温的泵送。美国海军研究生院的Holfler等1996年研制的普冷温区驻波型热驱热声制冷机该机获得了0.56的COP1。1999年由美国Los Alamos国家实验室建立的一种新型的可实现声功回收的脉管型制冷机属于行波型热声制冷机的范畴，在0oC时获得了1左右的COP2。2002 年，日本T.Yazaki 等人报道了所谓的“无活塞型斯特林制冷机”，该热声驱动的热声制冷机利用了环行闭合回路获得了-27oC最低温度3。2006年中科院理化所罗二仓等研制的双环形圈型行波热声制冷机，单纯行波制冷机的COP在-22达到了1.8，整机COP达到0.114。回顾高效行波热驱热声制冷的发展，早期研究集中在以热声发动机代替脉冲管制冷机的压缩机。由于脉冲管制冷的理论制冷系数是冷端温度与环境温度绝对温度之比，在低温工况下接近卡诺制冷系数，但在普冷制冷范围内远低于卡诺制冷系数，制冷功率密度也不大。后来逐渐发展起来的环形行波型热声制冷机总是难以克服声直流损失的问题，热声发动机和行波制冷机之间的匹配也影响系统效率的提高，有时存在严重的大马拉小车现象，制约了其在工程的广泛应用。为提高实际功率密度和制冷系数，在研究级联型热声热机的基础上5，新近发展了一种新串列热驱热声制冷机6,7。2 工作机理热驱热声制冷机一个突出的问题就是热声发动机单元与热声制冷机单元之间衔接方式及其阻抗匹配的问题。串列热声制冷系统就是通过构造出全波长谐振系统实现声功在发动机和制冷机之间的有效传输。串列热声制冷系统可看作级联型热声发动机和级联型热声制冷机前后串列协同工作的系统，即在一个全波长谐振器内依次布置级联型热声发动机单元（热声源）和热声制冷机单元（热声负载）。热声源和热声负载之间互为调相机构，代替了部分为维持声场特征而必须附加的高耗功谐振结构，可解决热声发动机与热声制冷机之间的阻抗匹配失调问题。计算表明，理论上串列式热声制冷可达到传统蒸汽压缩式制冷的效率。2.1 谐振器全波长谐振机理和二阶谐振模态的实现条件从高效率的热声转换来看，热声发动机和热声制冷机回热器都要求放置在高阻抗的行波位置上。由于这个有效的行波区通常只占波长不到5的长度，在百赫兹以上振荡下行波区的绝对长度通常只有数厘米。热声发动机和热声制冷机之间的热绝缘又需要1波长以上的缓冲距离，使得在一个行波区上同时布置热声发动机和热声制冷机基本不可能，因此需要设计出两个行波占优的位置，满足回热器达到合适的阻抗匹配和能量匹配。系统以倍频振荡运行能够满足这一条件，但是维持和控制一个谐振系统以倍频振荡而非基频振荡，需要根据声场阻抗的分布特征对各回热器位置进行设计。为避免声直流损失，串列热声系统的声学谐振器由一段谐振管及其两端的谐振腔组成，类似于一个颈部被拉长的双氦姆霍兹谐振器，声学特征更接近于Rijke型谐振器。由于谐振管两端近似开口的边界条件，两端气体微团的振荡速度总是沿相反的方向，同时由于声场沿程的连续性，在谐振管内部存在振荡速度接近0的区域，即速度波波节。在速度波节附近，速度振荡方向（相位）发生翻转，而压力波并无方向性（相位基本不变），因此波节附近存在从-90o驻波相位过渡到+90o驻波相位的一段压力波和速度波接近同相的行波区域。并由于速度波节附近为声压的波腹，即该区域的声阻抗较高。串列热声制冷机就是要创造出能够提供两个以上的这种高阻抗行波区的自激振荡模态，即二阶以上的谐振模态。在各高阻抗局部行波区布置回热器可实现行波型热声转换，同时由于高阻抗带来的低速度大大降低了回热器内的粘性损耗和热穿梭损失。对于串列热驱热声制冷机最重要的就是如何实现并控制系统的谐振模态。以二阶谐振为例，由于基频是声学系统最容易激发的振荡模态，因此怎样避免系统基频谐振的出现是最重要的技术问题。由于行波热声单元回热器的流道尺度大大低于气体工质的渗透层，如果在回热器附近出现很高的振荡速度必然带来巨大的粘性损失。通过对回热器位置在沿程的合理设计，使得回热器基本处于速度波节的位置，两个行波回热器之间的距离约为半波长，系统就可优先激发二阶谐振模态，这在初步实验中得到了验证。2.2热声单元高效工作机理两端附加温度梯度的行波级回热器具有自调相功能，同时还能够调节驻波级热声堆的声阻抗，这就是级联型热声热机和串列热声制冷机高效工作的机理所在。工程实践所开发的高效行波热声热机的回热器，实际处于驻波相位和行波相位之间（50以内），同时回热器当地声阻抗率是气体工质特征阻抗率的20倍以上。声阻抗的幅值提高可以通过调整回热器的横截面面积实现。由于回热器的水力半径大大低于粘性渗透层，造成自激振荡的速度波波节总是处于回热器内部，速度波节处恰恰是最佳听音点（压力波和速度波同相）。速度波节附近是声容抗占支配地位的区域，加上温度梯度下的热声效应，对于回热器内任一长度为dx的微元段，总会引起式(1)所描述的速度波体积流率的变化，其中gdxU1代表着流增益项（温度梯度0）；式中第二项括弧内分别表示声容项和热弛豫损耗项，由于二者前面均乘以了-i，即相位上减小90，同时体积流率又得到了放大，所以回热器将引起U1和p1之间相位差趋于降低，表现为回热器当地接近行波相位区的有效长度得到延长（相对于无回热器单元的情况）。 (1)增益： (2)式中为工质比热比；f为热声函数，脚标和k分别代表粘性和热弛豫；为角频率；Af为流道横截面积；pm工质平均密度。图1为某种典型工况下，谐振管内加入回热器单元引起当地声阻抗和行波相位的变化。由于回热器的加入，气流通道横截面Af减小，加上回热器流源放大作用，最佳听音点位置滞后30mm，局部行波区由原来空管的10.8mm 延长至42mm，可见回热器自调相作用在级联型热声热机和串列热声系统中的重要性。图1回热器加入前后相角的分布Fig. 1 The phasing distribution character when the regenerator unit was inserted单独利用驻波级热声堆也可以达到和串列热声系统同等声功率密度的压力波。但是由于行波级回热器具有声功放大作用，理论功率(体积流率)放大倍数约为TH/TA（一般热源情况下为23）。因此串列热声系统由于回热器的加入，高声强振荡下的声压可以得到降低23倍（因为E2=| p1U1cos| /2）。如果达到和串列系统同等声强振荡时还达到同等的声压级（用于热声制冷的需要），同理分析可知热声堆当地体积流率将比单独驻波级降低23倍。对实际串列热声系统的模拟计算也表明回热器单元的加入可以热声堆处声阻抗升高了1/3，进一步降低了当地振动速度从而降低了热声堆粘性损耗和热弛豫损耗（二者均与振荡速度的平方成正比）。对制冷机驻波级和行波级的可同理分析。典型工况对比计算表明，同等声功功率密度和同等声压振荡下，串列制冷机热声堆COP比单纯驻波制冷机可提高40，串列发动机热声堆热效率比单独驻波热声发动机机提高30，串列热声制冷机整机COP比单独驻波热声系统提高1.37倍。2.3声功回收方式和特点对于运行在普冷温区的行波型热声制冷机，理论上最大制冷量Q0等于回热器冷端流出的声功（膨胀功）E2C。同时行波回热器的热声转换表明流出回热器冷端的声功E2C与流入回热器室温端声功E2A之比近似等于TC/TA，普冷温区，特别是标准冷冻工况以内的温区内TC/TA0.8。对于具有工程实际意义的普冷温区的制冷机总是要求有较大的制冷量（小温降大冷量），则表明实用化的行波热声制冷机冷端的膨胀功很大，E2CQ0E2ATC/TA，同时也要求来自热声发动机产生和传输的声功很大（必然消耗大量的热量QH）。可见实际回热器仅消耗了流入声功的20左右，回热器自身的COP可达到45，但绝大多数声功流出行波热声单元，行波热声制冷机的COP50%）被耗散在1/4波长附加谐振器内。分析表明图2a方案的制冷系统，整机COP理论极限为0.20。由于实现环形圈出现两个行波区需要二阶谐振，实际环形圈运行频率很高，造成更大的耗散，国内学者又提出了双环形圈的声功回收方案，通过热声发动机和热声制冷机之间共享附加谐振器，降低附加谐振器耗散。但行波热声制冷机流出的声功并没有回到行波热声发动机进行放大，理论上整机COP仍不可能超出0.20。图2c所示的即为串列热声制冷机，通过驻波热声制冷级实现对行波制冷级膨胀功的回收。根据上节分析，级联型热声制冷系统由于回热器的调相功能，实际驻波级的热声转换效率将比单纯驻波机有所提高。驻波声场和驻波型热声转换特有的声功反馈机制消除了相对庞大的附加谐振器和环形联通结构，理论极限COP可超过0.60。(a) (b) (c) 图2几种声功回收方案的对比Fig. 2 Comparison of different acoustic power recovery configurations3 结论根据上述分析，得到串列热驱热声制冷机的工作原理在于：1）、类似颈部拉长的双氦姆霍兹型的谐振器，在全波长谐振时可存在两个高阻抗行波区，是实现行波热声发动机驱动行波热声制冷机的基本前提。2）、水力半径远小于当地渗透层的回热器，被放置的地点接近声学谐振器的速度波波节，通过对发动机和制冷机各自回热器之间设置的位置可以实现谐振器二阶振荡。3）、两端具有温度梯度的回热器具有明显的自调相机制，大大延长了声学谐振器的局部高阻抗行波区。同时对驻波级热声堆也具有明显的调相作用，使得实际驻波级的热声转换效率得到提高。4）、运行在普冷温区的热驱热声制冷机必须进行行波回热器的声功回收，通过驻波热声转换和声功反馈机制，降低附加谐振器在系统中的相对比例，使得理论制冷系数比传统热声机型提高3倍。参考文献1 T.J.Holfler, J.A.Adeff, and A.Atchley. Experimental results with a thermoacousically driven thermoacoustic refrigerator. J. Acoust. Soc. Am. 1997; 101(5):3021.2 L. Garrett. Resource Letter TA-1: Thermoacoustic engines and refrigerators. Am. J. Phys. 2004; 72 (1):11-17. 3 Ueda, Y., Biwa, T., Mizutani, U., and