熱聲制冷技術的研究與進展

張海偉,劉家林,鄭學林

(上海海事大學商船學院,上海201306)

0 前 言

熱聲制冷技術是二十一世紀全新的制冷技術,在最近的二十年,世界許多的物理學家和機械工程師們都致力于研究這種基于熱聲理論的新型熱機和制冷機,無論是在理論方面還是工程應用方面都取得了突破性的進展,許多研究已經進入到了實用的商業化階段。與傳統的蒸汽壓縮式制冷相比,熱聲熱機具有無可比擬的優勢:無需使用污染環境的制冷劑,而是使用惰性氣體和其混合物作為工質,因此不會導致使用CFCs和HFCs產生臭氧層的破壞和溫室效應而污染環境;無需振蕩的活塞和密封潤滑,無運動的部件,使壽命大大延長[1,3,17]。熱聲制冷幾乎克服了傳統制冷的缺點,可成為下一代制冷技術發展的方向。

長期以來熱聲系統效率低的問題一直成為熱聲產品實用化的瓶頸,前期的主要產品也限于使用在軍事領域,由于各國學者的不懈努力,近幾年熱聲產品的效率獲得大幅度的提高,尤其是美國Los-Alamosg國家實驗室經過潛心的研究,在效率獲得革命性的突破,其熱聲熱機的效率達到0.2～0.4,達到可與現有的傳統的蒸汽壓縮過程的內燃機和制冷機相競爭的水平。效率的大幅提高為熱聲產品的發展掃清了最后的障礙,這意味著熱聲裝置商業化開發和應用的時代已經到來。

目前,熱聲制冷的研究主要集中在低溫制冷領域的共振型駐波熱聲制冷機 (-50℃以下)以及熱聲驅動脈管制冷機 (80K以下)。事實上,像脈管制冷機和Stirling熱機這類回熱式熱機工作的原理也是熱聲效應,只是由于最初它們的工作頻率較低(幾赫茲至幾十赫茲),人們一直將準靜態、準平衡態的回熱式熱力循環分析方法和傳熱學作為其理論基礎。1990年,熱聲驅動的小孔型脈管制冷機在Los Alamos國家實驗室問世,成為首臺完全沒有運動部件的低溫制冷機,該熱聲脈管制冷機從根本上消除了常規制冷機存在的磨損和震動,大大提高了制冷機的無維修使用壽命。如今,熱聲制冷機雖然還處在試驗樣機和某些特殊場合應用 (如空間技術方面)的階段,但熱聲制冷因其在穩定性、使用壽命、環保 (使用無公害的流體為工作介質)等方面的優勢,其在普冷和低溫領域具有巨大的潛力,因而備受關注[2]。

1 熱聲制冷的基本原理

1.1 熱聲效應

圖1 氣體微團在聲場中的泵熱過程示意圖

熱聲制冷的概念是美國Los Alamodynamicss國家實驗室的J.C.Wheatley等人在20世紀80年代提出的。簡單地說,熱聲制冷就是利用熱聲效應的制冷技術。熱聲效應是熱與聲之間的相互轉換的現象。從聲學角度看,它是由于處于聲場中的固體介質與振蕩流體之間的相互作用,使得距固體壁面一定范圍內沿著 (或逆著)聲傳播方向產生的熱流,并在這個區域內產生或者吸收聲功的現象。按能量轉換的方向的不同,熱聲效應可分為兩類:一是用熱來產生聲,即熱驅動的聲振蕩:二是用聲來產生熱,即聲驅動的熱量傳輸。只要具備一定的條件,熱聲效應在行波聲場、駐波聲場以及兩者結合的聲場中都能發生[3]。圖1為氣體微團在聲場中的泵熱過程示意圖。

1.2 熱聲振蕩原理

在低溫技術領域,自從泰克尼斯 (Taconis)在1949年首次觀察到液氮系統中的熱聲振蕩以來,“氦振蕩”對低溫工作者已不在是陌生的名詞。由于熱聲振蕩總是伴隨大量熱量 (較系統漏熱大一二個數量級)的傳輸,因此在多種情況下低溫系統并不希望發生熱聲振蕩。但相反的例子也屢見不鮮,例如利用熱聲振蕩原理可以測量液氦面的高度。如果將一根開口的細管深入到液氦容器內的液面上,用手指封閉管子的室溫端,就能感受到管內氣體自發產生的振蕩。由此不難發現產生氦振蕩的基本條件,就是管子的兩端具有很大的溫度差。研究指出,當管子封閉的熱端與開口的冷端間的溫度比α=(Th/Tc)＞10時,可能產生熱聲振蕩;當溫度比降低到α≤10熱聲振蕩就可以避免。

在一般情況下,為了在細長管子上產生更大的溫度梯度,可對其封閉端進行加熱,管內氣體受熱后膨脹產生的壓縮力導致氣流運動;波動的氣流靠近管壁處的氣團不斷地與管壁接觸換熱。由于氣流的急速運動以及傳熱邊界層粘滯性的存在,氣團與管壁的換熱不可能完全,管壁附近的氣體溫度與傳熱邊界層的同平面 (徑向)氣體的溫度分布不同,即導致傳熱滯后現象,存在壓力波與溫度波之間的相位差,激發了氣體的振蕩。可見,氣流運動與傳熱之間的相位差是產生熱聲振蕩的必要條件。

若要獲得頗具強度的熱聲振蕩,不能只采用一根大管子就可實現。因為管內的傳熱受傳熱邊界的控制,只有那些接近管壁的氣團才參與換熱;采用有許多小管子組成的熱聲發生器可能有效。但實際上應采用眾多狹道,會比管子更奏效,因為狹道的比表面積更大[6]。

1.3 熱聲制冷的基本原理

圖2所示的是1/4波長的聲波制冷系統圖和聲波制冷原理圖。

聲波制冷系統包括了4個基本部件:(1)核心部件-板疊;(2)諧振腔;(3)冷、熱端換熱器;(4)聲波發生器。

聲波制冷原理的微觀解釋為:設一個氣體微團在聲波作用下,在平衡位置附近作往復運動。在位置a處氣體微團溫度為T1,壓力為p1,從位置a到位置b的絕熱壓縮過程中,其溫度從T1升高△T到T2,壓力從p1升高 △p到p2。△T和 △p分別為氣體微團在絕熱壓縮過程中的溫升和壓力變化。在位置b處,由于氣體微團溫度高于板疊溫度T3,則氣體微團在位置b處換熱給板疊 (過程2-3),溫度變為T3。接著,氣體微團從位置b到位置a的絕熱膨脹過程中,其溫度從T3降低 △T′到T4,壓力從p3降低 △p′到p4。△T′和 △p′分別為氣體微團在絕熱膨脹過程中的溫降和壓力變化。到達位置a時的溫度變為T4。此時氣體微團溫度低于板疊溫度T1,故氣體微團從板疊吸熱 (過程4-1),溫度變為T1,從而完成一個熱力循環。在這個循環中,微團在高壓時放熱后膨脹,在低壓時吸熱后壓縮,從而吸收聲波能量,將能量從低溫端泵至高溫端,實現了制冷的目的[5]。

圖2 聲波制冷系統和原理圖

2 熱聲制冷最新研究進展

在熱聲制冷和熱聲發動機得到了迅速的發展的同時,無論是熱聲理論的研究還是熱聲機械的研究都同樣取得了很大的進步。

2.1 熱聲制冷理論最新進展

2.1.1 非線性熱聲理論

線性熱聲理論已經相當成熟,并已用于熱聲熱機的開發研究,但對于高聲強下才能有效工作的熱聲機器,聲波中的強大諧波使得線性假設存在很大的誤差[11,16],于是非線性理論開始得到關注。

(1)國內部分

南京大學聲學研究所的韓飛等人對Rijke管內的非線性效應進行了比較深入的研究。通過流體力學中的三個基本方程得出了管內聲學量之間的關系,通過熱聲相互作用的非線性關系式和管口聲波的非線性反射條件,發展了一種可以計算出管內聲波從小擾動增長到大幅振蕩,直到由于非線性效應的影響而停止增長的全過程的方法。指出了Rijke管內引起非線性效應的兩個因素,即熱聲非線性相互作用和聲波在管子末端的非線性輻射聲阻,并通過計算聲波的增長率和實驗分析聲波的頻譜,發現非線性效應限制了管內聲波振幅的增長,并且導致了二次高階諧波的產生。

西安交通大學的劉繼平等人在研究管內受熱氣體層流流動時發現:由于氣體密度隨溫度增加而減少,動力粘度和導熱系數隨溫度增加而增加,故在一定的加熱條件下,加熱管內會形成壓力與流量關系的奇異性,產生不穩定性。他們認為這是Rijke管振蕩的原因所在。浙江大學的歐陽錄春等人在此基礎上,用簡化的理論分析對駐波熱聲系統的起振機理也做了初步的研究。

對于熱聲發動機起振的非線性飽和過程,中國科學院理化所的李青老師領導的研究小組也進行了一些有意義的研究。他們首先對熱聲諧振管非線性效應進行了試驗觀察,然后他們在頻率和擬相空間中描述了斯特林熱聲熱機系統中形成熱聲自激振蕩的過程,并且用最大Lyapunov數量化了壓力信號的相空間軌跡的變化過程,用指數隨時間的變化從理論上解釋實際系統的物理變化過程。他們還用熱力學網絡分析方法對起振過程進行了研究,對系統的演化過程進行了實驗建模獲得了基本網絡拓撲結構,并提出了參數激勵機理,從理論上對系統的演化進行了初步論證,認為熱聲熱機其回熱器實際就是一個由聲感和流容構成的儲能部件——諧振器,聲感對于維持系統起振起到了舉足輕重的作用,聲感是實現并維持熱聲轉換的關鍵的時變網絡參數。提出了定量判據系統工作能力的指標調制度。

關于回熱器在具有大振幅波動情況下的弱非線性熱聲動力學模型也有研究。中國科學院理化所的羅二倉研究員采用攝動方法在唯象的基礎上獲得了能描述聲流 (直流)在內的非線性動力學效應及由此而導致的非線性時均熱聲動力學效應的局部解析方程組,對加深回熱器工作機理的理解具有一定的指導意義。

另外在最近的ICEC20會議上獲悉,清華大學的陳宇、張曉青等人把 “格子氣”方法應用于熱聲系統起振過程的模擬,獲得非常滿意的結果[11]。

(2)國外部分

美國弗吉尼亞Yurii A.Ilinskii從理想氣體 (但考慮了粘性)的基本動力學方程出發獲得了用來分析諧振管內非線性駐波的一維模型。給出了諧振管圓柱型、喇叭型、氣泡型諧振管非線性頻譜方程數值積分的結果,理論描述了與振蕩幅值相關的頻率跳變,滯后效應、波形扭曲等現象,揭示了諧振的加強與減弱對諧振管形狀的依賴關系。

韓國Young-Doo Chun定義了一個衡量壓力波非線性程度的物理量——非線性能量比 (nonlinear energy ratio)。非線性能比能夠描述能量向高階諧波的傳遞,對設計諧振管形狀有一定的指導意義。

法國V.Gusev的工作得到了描述熱聲發動機起振過程的非線性演化方程。分析表明,在不均勻的熱聲板疊中,如果聲波和熱波是準絕熱作用的,則聲波放大正比于頻率的平方根或者是依賴于Kramer常數值。通過將聲波在非均勻介質中的傳播和反射微分方程轉換為等價的第二類Volterra積分方程(Volterra積分方程可以通過迭代的方法獲得收斂的準確解)獲得了對熱聲板疊頻譜特性的解析描述。演化方程包括對應于非線性過程的準線性微分項,獲得了激波前沿形成時間,波幅穩定特征時間,穩定波動特征幅值以及他們對板疊加熱條件的依賴性。

加拿大Bauwens研究的系統如下:伴隨大的壓力振蕩的有限循環,壓力振蕩由在管端給定相位的速度而獲得,其頻率比聲學本征頻率低,掃過的長度可與管長相比較。管兩端的溫差人為給定,流體內橫截面方向傳熱效果好,管壁熱容很大。幾何空間為二維,軸對稱,流體內部、流體與管壁、管壁內部存在導熱。攝動解獲得了軸向溫度、壓力和焓流分布。提供了兩端和一端封閉的結果,后者在封閉端溫度出現奇異。對于兩端開口的管子,當兩端質量流反相時,管內速度節點處溫度會出現奇異,對這些奇異的穩定性做了研究。還指出用一維的方法和經驗的對流換熱系數所得到的結果僅適用于管道大于熱邊界層的情況。他們還成功應用多重時間尺度法對一端封閉、另一端輸入速度波的圓管內流動和換熱進行了二維求解[11]。

2.1.2 構型理論

20世紀末,美國Duke大學Bejan教授提出構形理論[7.8]。該理論源于自然界中的各種系統和組織 (包括生命系統和非生命系統),對于分析各類生命和非生命系統,指導實際工程裝置,研究各種廣義熱力學過程均具有重大意義,眾多學者對構型理論表現出了濃厚的興趣,進行了大量的研究,取得了豐碩的成果,該理論涉及的領域包括傳熱傳質、流體流動、電磁、交通運輸、管道網絡、風化干燥、經濟決策、氣候預測、生命體組織和器官研究等,由理論分析和計算得到了許多符合實際的最優結構。

闞緒獻、吳鋒、張曉青、郭方中和楊志春對給定熱聲制冷機中平板型回熱器的橫截面積,利用構型理論對最優平板間距進行了優化設計,導出了最優平板間距及最優平板數的解析式,通過數值算例得到了最優平板間距和最優平板數與平板厚度和角頻率等參數的關系,所得結論對于熱聲制冷機回熱器的優化設計有一定的理論指導意義[9,18]。

2.2 熱聲制冷實驗進展

2.2.1 國內實驗進展

我國研究熱聲制冷的主要單位有華中科技大學、中科院理化技術研究所、西安交通大學及內蒙古科技大學等。我國熱聲制冷的研究雖起步較晚,但發展很快,在實驗研究上有特色,但在研究經費方面略顯不足。近幾年主要研究如下[1]:

2007年中國科學院理化技術研究所胡劍英、戴巍、羅二倉在脈沖管制冷機調相機構的研究中指出,在慣性管已為脈沖管制冷機提供了所需最佳阻抗時,雙向進氣不能提高脈沖管制冷機的性能,只有在慣性管沒有為制冷機提供所需的最佳阻抗時,雙向進氣模式才能發揮積極作用[1,4,19]。圖3所示為中國科學院理化研究所所設計的單級雙向進氣型脈沖管制冷機結構示意圖。

圖3 單級雙向進氣型脈沖管制冷機結構示意圖

胡鵬、李青等對微型熱聲制冷機進行了試驗研究,研制了一種復合結構PZT聲驅動器,諧振管結構中加入了漸縮錐管后空管,研制的微型熱聲制冷機在運行頻率 2.2kH時,平均壓力從0.5MPa到2.1MPa之間進行了一系列工況試驗,得到了最大溫降12.3℃,最大溫差31℃,均達到同類機型目前報道的最佳性能[1,9]。圖4所示為胡鵬、李青進行試驗研究的微型制冷機示意圖。

圖4 微型制冷機示意圖

2008年浙江大學制冷與低溫研究所裘圓、陳國邦等研究了慣性管對熱聲驅動脈管制冷機性能的影響,通過選擇合適的慣性管結構參數,在加熱功率為1.8 kW條件下,脈管制冷機的無負荷制冷溫度達到63.0 K。圖5所示即為慣性管熱聲驅動脈管制冷機結構示意圖。湯珂、黃忠杰等研究了40 K溫區駐波型熱聲驅動兩級脈管的制冷特性,研制出了1臺高頻兩級脈管制冷機與駐波型熱聲發動機相匹配。加熱功率為2.0 kW,平均工作壓力為2.8MPa時,壓力波振幅和壓比分別達到 0.223MPa和1.174,獲得41.2K的制冷溫度[1]。

2008年西安交大黃競、何雅玲、李茹對熱聲制冷機板疊內流動與換熱進行了數值分析,采用基于壓力修正算法的可壓縮交變流動程序,分析了最佳板疊厚度使得冷熱端的溫差達到最大[1]。

2010年中國科學院理化技術研究所余國瑤、羅二倉、戴巍、胡劍英、吳張華利用CFD方法成功的對高頻駐波發動機和熱聲斯特林發動機試驗系統分別進行了軸對稱和三維的數值模擬,這對于了解實際系統的聲場和流場特性并進一步提高熱聲發動機的性能具有重要的意義。計算結果觀測到了非線性的自激振蕩演化過程,給出了兩種發動機內部截然不同的聲場特性,計算結果也捕捉到存在于熱聲斯特林發動機內部的非線性熱聲聲流現象。此外,計算結果顯示了板疊和三通處的復雜流動,計算結果與試驗結果的對比驗證了CFD的有效性[20]。

2.2.2 國外實驗進展

最近幾年各國的實驗室研究成果主要如下:

2006年法國國家科研中心制作了1臺能調節駐波比率的熱聲諧振裝置,可以簡單和獨立地控制聲壓場和質點速度場,通過優化板疊區域的聲場研究,找到諸如溫度梯度、傳熱性能和傳熱系數最佳匹配關系,以達到熱聲制冷系統性能的優化[1]。

2007年法國里昂中央理工學校用PIV(粒子圖像測速儀)觀測大振幅下熱聲系統中的流體,發現在熱聲堆和換熱器的間隙處有渦街現象,造成聲周期的不連續,指出流動的非周期性導致換熱器和熱聲堆傳熱的不穩定,進而系統的冷負荷也會發生波動。法國國家科研中心設計了一臺諧振裝置,可以適應不同駐波比,獨立控制聲壓和質點速度,以尋求最優聲場。實驗結果顯示最優聲場并不是通常認為的半波長諧振管[21]。

2007年美國普渡大學用DELTAE程序模擬雙駐波熱聲制冷機配置以找到板疊冷熱端換熱器溫差的最佳跨度,以使傳熱系數增大,研究發現當冷熱端換熱器溫差達到80℃時為最佳跨度。研究結果和能耗顯示系統效率適宜于制冷機,但對空調和低溫冷卻效果不好[1]。

2007年美國南伊利諾伊大學對熱聲傳熱和系統結構進行實驗研究,研究揭示了傳熱系數、平均壓力和振動頻率之間的關系,當熱聲系統在一個合適的振動頻率下,平均壓力越大,傳熱系數越大,所以在提高傳熱系數的同時,要合理考慮板疊結構[1]。

2008年荷蘭能源研究中心制作了1臺同軸熱聲斯特林制冷機 (圖6所示為模擬結構圖),由直線電機產生聲功率驅動,通過再生器將熱量從冷端換熱器泵給環境,測得性能系數達到卡諾效率的25%,溫度達到-54℃[1]。

圖6 待模擬的二維同軸熱聲斯特林制冷機

2008年Backhaus針對大型熱聲斯特林機技術上障礙,突破常規換熱器的限制,設計了新型換熱器,在環形圈中加入流體二極管,系統由熱機自身振蕩所產生的壓力驅動。

英國倫敦帝國理工大學的Keith Pullen教授和Ron Dennis正在負責的熱聲灶項目。項目時間為2007年到2012年。傳統木材爐灶燃燒能量利用效率只有7%,熱聲灶目標效率30%以上。該熱聲灶既節能又環保,可以加熱和冷卻食物,應用前景廣闊,有望在亞洲和非洲的鄉村得到實用化的發展[15]。熱聲灶的結構如圖7所示。

圖7 熱聲灶結構示意圖

3 熱聲制冷的研究熱點及發展展望

熱聲理論及熱聲機械的發展遇到了技術成熟的傳統熱機的競爭,必然需要更多的科研工作者為此付出努力。把熱聲作為新興技術的興趣在增加,如生物醫學和替代的制冷系統。熱聲理論和實驗研究進展使得熱聲技術具有廣闊的前景發展為商業的制冷技術。熱聲技術無論在理論還是在實驗方面,這幾十年取得了很大的進步,在這里歸納幾點當前以及今后一段時間的研究熱點方向[15]:

(1)小振幅的線性熱聲理論已經趨于完備,對于非線性情況的建模和理論研究還有很多的空白有待填補,包括熱聲自激振蕩過程、熱聲聲流、非線性聲波傳輸等。期待不久的將來出現完善的非線性熱聲學理論;

(2)對于熱聲核心段換熱器和板疊的傳熱機理有待更深入的研究。可以結合先進的熱物理測試技術 (熱線風速儀、激光多譜勒測速儀以及粒子成像測速儀等);

(3)熱聲熱機同時向高頻和低頻兩個方向發展,體積在大型化和微型化方面都有發展,更趨于微型化的研究。大型化的用于實用化的工程,微型化的用于紅外器件冷卻、電子器件冷卻等;

(4)對新型熱聲熱機樣機以及新型的換熱器的設計和開發;

(5)拓寬熱聲技術的應用領域,如低溫廢熱源利用、太空探測以及熱聲醫學成像和熱聲通訊等。

對我國而言,一方面要加強研究工作,保持與世界同步,如在熱聲制冷機系統如何調節驅動頻率搭配本身結構參數以達到制冷效果最佳,如何設計制冷器的尺寸更精致小巧,以達到微電子原件芯片制冷要求,還有很大研究空間。另一方面,還要多利用自身優勢發展,如內蒙古科技大學這些年致力于磁致伸縮材料制作的換能器驅動熱聲制冷,可充分利用我國稀土資源優勢。用磁致伸縮換能器有效地利用了稀土材料應變值高、能量密度大、響應快、精度高、頻帶寬、可靠性好等優點,用其驅動制冷機不僅效率高,而且使熱聲制冷機的尺寸結構具有很大的靈活性,通過改變其工作頻率就可方便地達到小型輕量化要求。但同時由于材料壽命方面的因素,也有不少困難,是今后課題的一項研究方向。

4 結論

熱聲技術的應用是相當豐富的,熱聲能量轉換技術將會給包括制冷工業在內的整個能源工業帶來很大的影響,它的簡單、環保、節能高效的特性符合當今時代的需要,有人曾大膽預言,熱機 (包括制冷機)的未來是屬于綠色熱聲熱機的。當然就目前的現狀而言,由于設計水平遠沒有達到最優化的程度,材料的選擇及制造技術都還在完善之中,而普通的制冷系統經過上百年的發展和改進,熱聲制冷單件的成本會高于普通傳統制冷裝置,但隨著材料的選擇和制造工藝的日趨成熟,可以肯定熱聲制冷機會具有極大的成本優勢。熱聲制冷裝置最有可能首先在這些中小型和微型裝置中獲得市場應用份額,如應用于冰淇淋機、飲水機、家用冰箱、空調機、計算機微處理器等制冷中,所存在的巨大應用市場是顯而易見的。

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