熱聲熱機的研究進展

2014-03-03 劉益才中南大學(xué)制冷與低溫研究所

　　對熱聲熱機和熱聲脈管制冷機的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進行了較為全面的概述，重點闡述了熱聲熱機和熱聲制冷機的理論、實驗和數(shù)值仿真研究方法、研究成果，尤其對熱聲脈管制冷機的數(shù)值研究方法從一維數(shù)值到二維軸對稱及三維數(shù)值研究模型進行較為系統(tǒng)的介紹。同時對熱聲熱機的研究熱點、研究方法、研究方向進行了預(yù)測，并對熱聲熱機的三個發(fā)展方向：太陽能利用和余熱利用、熱聲制冷系統(tǒng)微型化、熱聲驅(qū)動脈管制冷作了簡要的介紹。

0、引言

　　隨著人類社會的不斷發(fā)展和進步，對能源的需求量越來越大，而傳統(tǒng)的化石能源短缺及其對環(huán)境帶來的污染，嚴(yán)重威脅著人類的生存和健康，這就需要不斷探索新技術(shù)走能源可持續(xù)發(fā)展的道路。在能源利用的眾多新領(lǐng)域中，熱聲技術(shù)非常有潛力，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　傳統(tǒng)的熱機是基于一定的熱力循環(huán)，利用其機械運動實現(xiàn)對工作介質(zhì)狀態(tài)的控制，完成熱能和機械能之間的轉(zhuǎn)化。熱聲技術(shù)基于熱聲效應(yīng)使得熱能與聲能之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，即在滿足一定條件下可以將輸入的熱能轉(zhuǎn)化為聲能，產(chǎn)生熱致聲效應(yīng)或聲致冷效應(yīng)，構(gòu)成熱聲發(fā)動機或熱聲制冷機�；跓崧曅�(yīng)工作的發(fā)動機和制冷機有著傳統(tǒng)熱機無法與之媲美的優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)簡單，無運動部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，使用壽命長；(2)工作介質(zhì)主要為惰性氣體，符合現(xiàn)代國際提倡的綠色環(huán)保理念；(3)可利用太陽能、工業(yè)廢熱等低品質(zhì)熱源驅(qū)動熱聲發(fā)動機，這些措施對提高能源綜合利用的效率有著非常積極的意義。

　　近些年來，在日常生活和國防事業(yè)中越來越多的運用到紅外探測器、天然氣液化、血液保存和磁共振成像系統(tǒng)超導(dǎo)磁體冷卻、礦物磁分離，使得制冷與低溫技術(shù)無處不在。隨著空間技術(shù)、信息技術(shù)、生命科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對低溫制冷機的性能要求越來越苛刻，需要更加環(huán)保、經(jīng)濟、高效的制冷技術(shù)。研究者一直致力于新型制冷系統(tǒng)的開發(fā)和改善，G-M型制冷機和Stirling制冷機在現(xiàn)代工業(yè)和空間技術(shù)得到了廣泛的運用，分置式斯特林制冷機及脈管制冷機等制冷系統(tǒng)也成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的重點，但是上述制冷系統(tǒng)存在運動部件會產(chǎn)生磨損、不易密封，影響了制冷效率，降低了系統(tǒng)工作壽命。為了克服此類制冷系統(tǒng)的缺點，用熱聲發(fā)動機取代機械壓縮機驅(qū)動脈管制冷系統(tǒng)是一種理想的方案。

　　雖然熱聲技術(shù)領(lǐng)域的研究取得了顯著的發(fā)展：作為發(fā)動機，其熱聲轉(zhuǎn)換的效率已達(dá)到30%，可以媲美內(nèi)燃機25%~40%的轉(zhuǎn)換效率，但輸出功率卻只有8W/cm2；作為制冷機，完全無運動部件的熱聲熱機驅(qū)動脈管制冷機已達(dá)到液氫溫度以下，但系統(tǒng)體積比較龐大，應(yīng)用范圍比較小。

　　正是在這樣的背景下，對熱聲熱機的理論和實驗研究進展進行綜述，以期對發(fā)展效率體積比更高的熱聲熱機起到一定的推動作用。

1、熱聲熱機的研究進展

　　1.1、熱聲發(fā)動機的研究進展

　　從1777年ByronHiggins等的“會唱歌的火焰冶、1850年Sondhauss管、1877年Bosscha“逆冶Rijke振蕩等激發(fā)了探索熱聲效應(yīng)的激情。1962年，Garrett教授改進型的Sondhauss管獲得了27W的聲功；1992年，Swift等獲得了熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)9%熱聲發(fā)動機和494W聲功輸出的對稱型駐波熱聲熱機。1998年，出現(xiàn)了太陽能驅(qū)動的駐波型熱聲熱機。

　　L.Skerget等利用Navier鄄Stokes(N-S)方程，并通過數(shù)值邊界積分方程求解方法域與小波域分解和耦合，對熱聲內(nèi)的溫度場和流場進行了數(shù)值計算，又對經(jīng)典的傅立葉熱通量模型與熱傳導(dǎo)模型進行了研究對比；Bailliet等也分析了熱聲系統(tǒng)耦合行為對溫度梯度的影響。

　　近年來，研究者一直致力于提高熱聲轉(zhuǎn)換效率的研究。2012年，Hariharan等研究不同板疊結(jié)構(gòu)回?zé)崞鲗崧曓D(zhuǎn)換效率的影響。2013年搭建了更高效率的雙驅(qū)動模型樣機。

　　國內(nèi)中科院理化所、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等高校在熱聲學(xué)研究方面也作出了較大的貢獻(xiàn)，典型的有肖家華教授的絕熱、等溫以及一般情況等三種熱聲效應(yīng)模型；郭方中教授等熱聲網(wǎng)絡(luò)理論；羅二倉教授等交變流動理論和高壓比的駐波型熱聲發(fā)動機；陳國邦教授等雙驅(qū)動高壓比駐波型熱聲熱機；劉才教授等的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)頻率理論模型。

　　對于駐波熱聲發(fā)動機來說，流體與固體內(nèi)部之間基于不可逆的熱力循環(huán)過程，熱聲轉(zhuǎn)換效率比較低。而對于行波熱聲發(fā)動機來說，其熱力循環(huán)過程類似于Stirling循環(huán)，本身有著準(zhǔn)靜態(tài)平衡過程的優(yōu)勢，其熱聲轉(zhuǎn)換的效率相對會比較高。

　　1979年，美國GeorgeMason大學(xué)Ceperley等首先提出了行波熱聲發(fā)動機的概念；1998年，日本Yazaki等搭建的世界上第一臺行波熱聲發(fā)動機，觀測到了行波性質(zhì)的熱聲自激振蕩；1999年，Backhaus等設(shè)計的新型行波熱聲發(fā)動機熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30%。

　　國內(nèi)在行波熱聲發(fā)動機的研究領(lǐng)域同樣達(dá)到了國際先進水平。2001年，中科院李青教授等建立高頻行波熱聲發(fā)動機實現(xiàn)了高頻(528Hz)和低頻(76Hz)兩個模態(tài)及其模態(tài)的跳遷；2003年，浙江大學(xué)邱利民等建立的氦氣工質(zhì)的大型行波熱聲發(fā)動機，獲得了諧振頻率為45Hz、壓比為1.19的聲波；2012年，中科院童歡等提出雙作用行波熱聲熱泵的流程，如圖1所示，研究結(jié)果顯示相對卡諾效率在59.7%~60.1%。

熱聲驅(qū)動雙作用行波熱泵流程圖

圖1 熱聲驅(qū)動雙作用行波熱泵流程圖

1.主水冷器；2.回?zé)崞鳎?.高溫?fù)Q熱器；4.熱緩沖管；5.次水冷器；6.室濁換熱器；7.熱緩沖管；8.高溫?fù)Q熱器；9.回?zé)峁埽?0.室溫?fù)Q熱器

　　1.2、熱聲制冷機的研究進展

　　1986年，Hofler實現(xiàn)了1/4波長-80毅C低溫的駐波型熱聲制冷機；1990年，Swift等采用熱聲發(fā)動機替代機械式壓縮系統(tǒng)驅(qū)動脈管制冷機，其冷端溫度達(dá)到了90K；1992年，S.Garrett等建立的1/4波長的空間熱聲制冷機，采用97%的氦氣和3%的氬氣的混合工質(zhì)，獲得了5W的制冷量；隨后其1/2波長以94%的氦氣和6%的氬氣為混合工質(zhì)的制冷系統(tǒng)獲得了205W的制冷量；1999年，Swift等實現(xiàn)了以2.4MPa的氬氣為工質(zhì)、冷熱端溫差達(dá)到92°的聲功回收型脈管型制冷機；2004年，美國賓州州立大學(xué)的電聲驅(qū)動同軸行波熱聲制冷機，在-24.6°的低溫下獲得了120W的制冷量，整機卡諾循環(huán)效率達(dá)到了81%。

　　2003年，中科院羅二倉等建立的行波熱聲制冷機，工作頻率57Hz，氦氣工質(zhì)壓力3.1MPa，冷端溫度達(dá)到了-20°，獲得80W的制冷量，隨后其行波型熱聲發(fā)動機驅(qū)動的行波制冷機，系統(tǒng)振蕩頻率67.5Hz，氦氣壓力為3MPa，冷端溫度在-22°時獲得了300W的制冷量輸出；2012年，中科院楊卓等提出了一種新型熱聲制冷—雙作用行波熱聲制冷機，如圖2所示，從壓比、效率等多角度考慮，該系統(tǒng)更適合行波熱聲制冷機的耦合工作，具有潛在的高效率。

制冷機與發(fā)動機的連接方式簡圖