热声热机的研究进展

2014-03-03 刘益才中南大学制冷与低温研究所

　　对热声热机和热声脉管制冷机的发展历史和现状进行了较为全面的概述，重点阐述了热声热机和热声制冷机的理论、实验和数值仿真研究方法、研究成果，尤其对热声脉管制冷机的数值研究方法从一维数值到二维轴对称及三维数值研究模型进行较为系统的介绍。同时对热声热机的研究热点、研究方法、研究方向进行了预测，并对热声热机的三个发展方向：太阳能利用和余热利用、热声制冷系统微型化、热声驱动脉管制冷作了简要的介绍。

0、引言

　　随着人类社会的不断发展和进步，对能源的需求量越来越大，而传统的化石能源短缺及其对环境带来的污染，严重威胁着人类的生存和健康，这就需要不断探索新技术走能源可持续发展的道路。在能源利用的众多新领域中，热声技术非常有潜力，有着广阔的应用前景。

　　传统的热机是基于一定的热力循环，利用其机械运动实现对工作介质状态的控制，完成热能和机械能之间的转化。热声技术基于热声效应使得热能与声能之间能够实现相互转换，即在满足一定条件下可以将输入的热能转化为声能，产生热致声效应或声致冷效应，构成热声发动机或热声制冷机。基于热声效应工作的发动机和制冷机有着传统热机无法与之媲美的优点：(1)结构简单，无运动部件，系统稳定性高，使用寿命长；(2)工作介质主要为惰性气体，符合现代国际提倡的绿色环保理念；(3)可利用太阳能、工业废热等低品质热源驱动热声发动机，这些措施对提高能源综合利用的效率有着非常积极的意义。

　　近些年来，在日常生活和国防事业中越来越多的运用到红外探测器、天然气液化、血液保存和磁共振成像系统超导磁体冷却、矿物磁分离，使得制冷与低温技术无处不在。随着空间技术、信息技术、生命科学等现代科学技术和工业技术的发展，对低温制冷机的性能要求越来越苛刻，需要更加环保、经济、高效的制冷技术。研究者一直致力于新型制冷系统的开发和改善，G-M型制冷机和Stirling制冷机在现代工业和空间技术得到了广泛的运用，分置式斯特林制冷机及脉管制冷机等制冷系统也成为了国内外学者研究的重点，但是上述制冷系统存在运动部件会产生磨损、不易密封，影响了制冷效率，降低了系统工作寿命。为了克服此类制冷系统的缺点，用热声发动机取代机械压缩机驱动脉管制冷系统是一种理想的方案。

　　虽然热声技术领域的研究取得了显著的发展：作为发动机，其热声转换的效率已达到30%，可以媲美内燃机25%~40%的转换效率，但输出功率却只有8W/cm2；作为制冷机，完全无运动部件的热声热机驱动脉管制冷机已达到液氢温度以下，但系统体积比较庞大，应用范围比较小。

　　正是在这样的背景下，对热声热机的理论和实验研究进展进行综述，以期对发展效率体积比更高的热声热机起到一定的推动作用。

1、热声热机的研究进展

　　1.1、热声发动机的研究进展

　　从1777年ByronHiggins等的“会唱歌的火焰冶、1850年Sondhauss管、1877年Bosscha“逆冶Rijke振荡等激发了探索热声效应的激情。1962年，Garrett教授改进型的Sondhauss管获得了27W的声功；1992年，Swift等获得了热声转换效率达9%热声发动机和494W声功输出的对称型驻波热声热机。1998年，出现了太阳能驱动的驻波型热声热机。

　　L.Skerget等利用Navier鄄Stokes(N-S)方程，并通过数值边界积分方程求解方法域与小波域分解和耦合，对热声内的温度场和流场进行了数值计算，又对经典的傅立叶热通量模型与热传导模型进行了研究对比；Bailliet等也分析了热声系统耦合行为对温度梯度的影响。

　　近年来，研究者一直致力于提高热声转换效率的研究。2012年，Hariharan等研究不同板叠结构回热器对热声转换效率的影响。2013年搭建了更高效率的双驱动模型样机。

　　国内中科院理化所、华中科技大学、浙江大学等高校在热声学研究方面也作出了较大的贡献，典型的有肖家华教授的绝热、等温以及一般情况等三种热声效应模型；郭方中教授等热声网络理论；罗二仓教授等交变流动理论和高压比的驻波型热声发动机；陈国邦教授等双驱动高压比驻波型热声热机；刘才教授等的回热器结构频率理论模型。

　　对于驻波热声发动机来说，流体与固体内部之间基于不可逆的热力循环过程，热声转换效率比较低。而对于行波热声发动机来说，其热力循环过程类似于Stirling循环，本身有着准静态平衡过程的优势，其热声转换的效率相对会比较高。

　　1979年，美国GeorgeMason大学Ceperley等首先提出了行波热声发动机的概念；1998年，日本Yazaki等搭建的世界上第一台行波热声发动机，观测到了行波性质的热声自激振荡；1999年，Backhaus等设计的新型行波热声发动机热声转换效率达到了30%。

　　国内在行波热声发动机的研究领域同样达到了国际先进水平。2001年，中科院李青教授等建立高频行波热声发动机实现了高频(528Hz)和低频(76Hz)两个模态及其模态的跳迁；2003年，浙江大学邱利民等建立的氦气工质的大型行波热声发动机，获得了谐振频率为45Hz、压比为1.19的声波；2012年，中科院童欢等提出双作用行波热声热泵的流程，如图1所示，研究结果显示相对卡诺效率在59.7%~60.1%。

热声驱动双作用行波热泵流程图

图1 热声驱动双作用行波热泵流程图

1.主水冷器；2.回热器；3.高温换热器；4.热缓冲管；5.次水冷器；6.室浊换热器；7.热缓冲管；8.高温换热器；9.回热管；10.室温换热器

　　1.2、热声制冷机的研究进展

　　1986年，Hofler实现了1/4波长-80毅C低温的驻波型热声制冷机；1990年，Swift等采用热声发动机替代机械式压缩系统驱动脉管制冷机，其冷端温度达到了90K；1992年，S.Garrett等建立的1/4波长的空间热声制冷机，采用97%的氦气和3%的氩气的混合工质，获得了5W的制冷量；随后其1/2波长以94%的氦气和6%的氩气为混合工质的制冷系统获得了205W的制冷量；1999年，Swift等实现了以2.4MPa的氩气为工质、冷热端温差达到92°的声功回收型脉管型制冷机；2004年，美国宾州州立大学的电声驱动同轴行波热声制冷机，在-24.6°的低温下获得了120W的制冷量，整机卡诺循环效率达到了81%。

　　2003年，中科院罗二仓等建立的行波热声制冷机，工作频率57Hz，氦气工质压力3.1MPa，冷端温度达到了-20°，获得80W的制冷量，随后其行波型热声发动机驱动的行波制冷机，系统振荡频率67.5Hz，氦气压力为3MPa，冷端温度在-22°时获得了300W的制冷量输出；2012年，中科院杨卓等提出了一种新型热声制冷—双作用行波热声制冷机，如图2所示，从压比、效率等多角度考虑，该系统更适合行波热声制冷机的耦合工作，具有潜在的高效率。

制冷机与发动机的连接方式简图