热驱动热声制冷技术-热驱动室温热声制冷机

本文我们将来介绍下热驱动室温热声制冷机的发展现状和研究成果。（示意图，不对应文中任何具体产品）热驱动热声制冷技术的原理是利用热声发动机输出的声波驱动热声制冷机从而实现制冷,即获得热—声—冷能源转换。

本文我们将来介绍下热驱动室温热声制冷机的发展现状和研究成果。

（示意图，不对应文中任何具体产品）

热驱动热声制冷技术的原理是利用热声发动机输出的声波驱动热声制冷机从而实现制冷,即获得热—声—冷能源转换。

该系统通常采用惰性气体(如氦气、氮气等)做工作介质,并且是一种外燃式的热机,可采用多种低品位能源或太阳能驱动工作,对环境非常友好。此外,热声热机一般由空管段、多孔介质及换热器组成,结构简单、制作成本低且不存在任何机械运动部件,可避免常规热机中因机械摩擦而产生的损失及相关维护,因此具有低振动、高可靠性、长寿命和高潜在效率等优点。这种热驱动热声制冷系统热源适应性好,可采用多种热源驱动工作(太阳能、生物质能、工业余热等),能够满足电力缺乏、条件苛刻的偏远地区的制冷需求。

1 双驻波型热驱动热声制冷机

双驻波型热驱动室温热声制冷机的主要特点是热声发动机回热器和谐振管处于驻波声场。1997年,美国海军研究生院建造了一台双驻波型热驱动室温热声制冷机,在25℃的制冷温差下获得91W的制冷量和0. 15的热制冷系数 (热声制冷机制冷量与热声发动机加热量的比值) 。

热声发动机和制冷机的换热器肋片厚度和间距分别为75 μm和125μm,对机械加工精度的要求较高,造价昂贵。随后, 该团队研制了一种采用太阳能为热源驱动的驻波型热声制冷机,如图5所示。系统加热温度最高可达450℃ ,在制冷温度为5 ℃时获得2. 5 W的制冷量。

2 行驻波混合型热驱动热声制冷机

行驻波混合型热驱动室温热声制冷机的发动机回热器和谐振管分别处于行波声场和驻波声场。

目前国际国内研究如下：

2004 年,Y. Ueda 等设计了一台行驻波混合型热驱动室温热声制冷机,在 0 ℃ 的制冷温度下获得 11 W 的制冷量。

2006 年,Luo Ercang等首次提出双环路行驻波混合型热驱动室温热声制冷机,如图 6 所示。系统工质为氦气,平均压力为3MPa,工作频率为67. 5 Hz,制冷机在-22 ℃制冷温度下获得 300 W的制冷量,热制冷系数为0.124。
2009 年,李山峰重新设计了一台同轴行驻波混合型热驱动室温热声制冷机。在-20 ℃的制冷温度下,该系统制冷量和系统热制冷系数分别提升至340 W和0. 16。这项工作为热声制冷在室温温区替代氟利昂制冷迈出了关键的一步。

2010 年,Kang Huifang 等研制了一台行驻波混合型热驱动室温热声制冷机。该系统的特点是热声发动机和热声制冷机均处于同一个环形管内,热声制冷机连接在热声发动机的出口,因此发动机产生的声功可以直接驱动制冷机。该系统的总长度小于 1 m,工作频率为 234 Hz,在 0 ℃ 的制冷温度下获得了40 W的制冷量。
2013 年,S. Hasegawa 等提出双环路行驻波混合型热驱动室温热声制冷机概念,如图7所示。

该结构具有两个主要特点:

1) 增加热声发动机级数来降低系统的起振温度;

2) 驻波谐振管末端的声功可以回收利用。

该团队考察了不同单元的热声发动机如何布置以实现回热器内合理的声学阻抗,并优化了热声发动机的温度比。2017 年,该团队搭建相关实验台,系统起振温度约为85℃ ,在-50 ℃的制冷温度下获得0. 029的热制冷系数。

3 双行波型热驱动热声制冷机 　

双行波型热驱动室温热声制冷机的发动机回热器和谐振管均处于行波声场。

目前国际国内研究如下：

2002 年,日本 T. Yaza [1] ki 等首次提出双行波环路热驱动室温热声制冷机,如图8所示。该结构无任何运动部件,将热声发动机单元和制冷机单元布置在同一环形管的合适位置,其中热声发动机单元用于声功放大,制冷机单元用于制冷。

实验结果表明,当平均压力为0. 25 MPa, 工作介质为86%氦气和14%氩气的混合气体时,系统工作频率为240 Hz,在 230 W的加热功率下获得了-27 ℃的无负荷制冷温度。

2004 年,日本 S. I. Sakamoto等设计了一台双行波环路热驱动室温热声制冷机,将热声发动机单元和热声制冷机单元对称放置在环路管中。系统可实现16 ℃ 的温降,研究表明抑制环路中的高次谐波和声流可进一步改善系统性能。低品位热源的回收利用(80~250℃) 是热驱动室温热声制冷机最有前景的应用领域之一, 其中热源包括工业过程废热、太阳能、海洋温差、地热等。

2008 年,K. De Blok搭建了一台双行波型热驱动室温热声制冷机,通过布置多个热声转换单元来提高功率密度从而更高效地利用低品位余热。实验结果表明,系统在回热器温差仅为 65℃ 时即可起振。

K. De Blok提出四单元双行波型环路热驱动室温热声制冷机,如图9 所示。系统工作频率为 95Hz,起振温度仅为45 ℃。当加热温度为210 ℃ ,制冷温度为-40. 5 ℃时,系统制冷量达到 95W, 效率接近 40%。

这种多级双行波型环路结构具有以下显著优势:

1) 功率密度高,结构紧凑。相比于传统谐振管中直径一般在数百毫米,该结构谐振管直径一般仅为数十毫米,因此显著提高系统的功率密度;

2) 潜在热效率高。回热器和谐振管均处于行波声场,有利于实现高效的热声转换和声功传输,并且从热声单元出来的声功可被下一级单元回收;

3)功率易调节,易实现大功率输出。环路中可串入不同数量的热声核单元以满足不同输出功率的需求,尤其容易实现大功率输出。

2016 年,Jin T. 等[提出一单元双行波型环路热驱动室温热声制冷机,如图 10 所示。模拟研究表明,热声发动机和热声制冷机的回热器安装位置对系统性能影响很大。当加热温度和制冷温度分别为 227 ℃和-3 ℃时,系统制冷量为 730 W,热制冷系数为0. 43,热致冷相对卡诺效率为 13. 4%。

2018 年, Aster Thermoacoustics 公司提出了THEAC-25热驱动室温热声制冷机,如图 11 所示。该系统包括两个热声发动机单元和两个热声制冷机单元,其中热声发动机依次连接逐级放大声功,放大后的声功用于驱动两个制冷机依次获得冷量。

当加热温度为 220 ℃时,系统在-10 ℃的制冷温度下获得了18kW 的制冷量,热制冷系数为0. 18。系统的尺寸为 4 m×4 m×0. 8 m(长×宽×高),整机重量为1100 kg。系统运行还需要三个泵和一个干式冷却系统,共需要消耗 2 kW 的电能。因为完全无运动部件,无需维护,设计寿命长达 30 年,且系统功率可从10 kW扩展至 100 kW。该装置的应用背景主要包括移动装置制冷(如新鲜产品制冷、医疗冷链等),工业过程控制(如食品面包店、压铸金属丝生产等),建筑空调 (如购物中心、学校等)。

2021 年,Wang Huizhi 等针对卡车、渔船等移动设备的余热,研制了一台 5 kW 级直连型双行波型热驱动室温热声制冷机,如图 12 所示。该结构的典型特点是,热声发动机单元和热声制冷机单元直接相连,共用一个室温换热器,省去了传统结构中热声发动机与热声制冷机之间的谐振管,结构更加紧凑。总体装置的尺寸为 1. 5 m×1. 4 m×2. 0 m(长×宽×高), 重量约为 220 kg。

实验结果表明,当加热温度和制冷温度分别为300 ℃和10 ℃ 时,系统总制冷量达到 4. 0 kW,热制冷系数达到0. 28,热致冷相对卡诺效率达到9. 1%。与先前报道的同类型热驱动室温热声制冷机相比,该系统在热制冷系数和功率密度方面均有显著提升。

2020 年,剑桥大学 Xu Jingyuan 等提出一种气液耦合型热驱动室温热声制冷机,如图 13 所示。该系统同时采用气体和液体作为谐振机构,从而有效利用液体谐振子的高质量惯性声感和气体谐振子的高可压缩性声容形成气液耦合振动热声发动机,在强化声振荡的同时降低工作频率,有利于驱动热声制冷机获得更高的效率和更低的起振温度。

计算结果显示, 当加热温度和制冷温度分别为147 ℃和-3 ℃时,系统总制冷量达到2. 7 kW, 热制冷系数达到0. 67。相比传统气体谐振器,采用气液耦合谐振器的系统频率可由 53. 3 Hz 降至 12. 3 Hz,压比由 1. 06 增至1. 32, 从而使系统起振温差由 144. 1 K 降至35. 5 K。该结果表明,气液耦合型热声制冷系统可以显著提高系统效率并降低系统起振温度,从而可以有效利用低品位热能,具有广阔的应用前景。基于此系统,上述学者们还研究了不同压力和不同工质气体下的系统性能。

2021 年,剑桥大学 Xu Jingyuan 等提出一种可同时回收余热和液化天然气冷能的热驱动热声冷热电三联供系统,如图 14 所示。该系统有 4 个热声转换单元,每个单元中包含热声发动机、热声制冷机和直线发电机和谐振管。其中热声发动机直接和热声制冷机相连,直线发电机旁接于发动机出口处。该系统中热声发动机可以有效实现低品位热能与天然气冷能的温位互补,使两者得以同时有效回收,进而产生热、电、冷的联产联供。

计算结果表明,当液化天然气和余热温度分别为-143 ℃和227 ℃时,该系统可产生冷能 2. 19 kW (制冷温度为10 ℃ ),热能3. 55 kW 和电能2. 27 kW,整机相对卡诺效率达到24. 1%。该项工作表明,热驱动热声系统可应用于分散的、小规模的冷能和余热综合回收领域,同时多能联产形式 (冷热电联供、热电联供、冷电联供等)可以满足不同的供能需求。国内外热驱动室温热声制冷机研究进展如表 1 所示。

与双驻波型和行驻波混合型相比,双行波型热驱动室温热声制冷机在理论和实验上均显示具有更高的热制冷效率和制冷功率,但低紧凑性和高起振温度仍是迫切需要解决的问题。因此,针对中低温余热利用,面向不同工作制冷温区(0~10 ℃空调温区; -10~-20 ℃冷藏冷冻温区)的需求场合,探索高效、紧凑的双行波型热驱动室温热声制冷机新流程具有重要意义。