童 歡 羅二倉

(1中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)(2中國科學(xué)院研究生院 北京 100049)

1 引言

人口和經(jīng)濟(jì)的迅速增長加速了能源的消耗和枯竭，而對能源不合理開發(fā)和利用，不僅造成了能源的浪費(fèi)，也給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。能源和環(huán)境的問題一直是社會關(guān)注的焦點(diǎn)。城市污水［1］、船舶柴油機(jī)余熱［2］、油田污水、化工工藝［3］中的熱能等若不加以利用，其能量的損失是相當(dāng)巨大的。熱泵技術(shù)的發(fā)展使得這部分能量得到了有效的回收，它是回收和利用低位熱能的有效手段之一，是一種利用少量高品位能量、將低品位熱能的溫度提高到更高水平的制冷裝置，在節(jié)約能源和提高能源利用率方面顯示出越來越重要的地位。

但是，常規(guī)熱泵技術(shù)不能提供足夠高的熱端溫度，在工質(zhì)的選擇和制熱效率方面也需要有進(jìn)一步的研究。近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所［4］提出了雙作用行波熱聲轉(zhuǎn)換流程，比傳統(tǒng)帶有聲功回收裝置的發(fā)動機(jī)或制冷機(jī)更加便于相位的調(diào)節(jié)。利用此原理將直線壓縮機(jī)與熱聲熱泵連接成一個環(huán)路，其結(jié)構(gòu)較現(xiàn)有的熱聲制冷/熱泵系統(tǒng)更為簡單，運(yùn)行更加高效可靠。對于高溫?zé)崧暉岜枚?，其工質(zhì)為氦氣或其它惰性氣體，既不存在任何爆炸的危險無環(huán)保問題，并且在高溫范圍內(nèi)依然保持較高的效率。鑒于這些特點(diǎn)，高溫雙作用行波熱泵具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。

直線壓縮機(jī)驅(qū)動的雙作用高溫?zé)崧暉岜糜?個完全相同的直線壓縮機(jī)和3個完全相同的行波熱泵首尾相連而形成一個環(huán)路，因其結(jié)構(gòu)的對成性，導(dǎo)致了每個單元熱泵進(jìn)出口的體積流率相位差為120°。直線壓縮機(jī)驅(qū)動熱泵的工作流程圖如圖1所示，其中熱泵的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 直線壓縮機(jī)驅(qū)動雙作用行波熱泵流程圖Fig.1 Flow chart of double-acting traveling-wave thermoacoustic heat pump driven by linear compressors

圖2 雙作用行波熱聲熱泵結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of double-acting traveling-wave thermoacoustic heat pump

當(dāng)聲功從熱泵左端向右端傳遞時，通過在回?zé)崞鲀?nèi)發(fā)生的熱聲轉(zhuǎn)換效應(yīng)，將聲功的消耗轉(zhuǎn)化成為溫差的產(chǎn)生以及熱量的傳遞，使得熱泵室溫端換熱器從低溫環(huán)境中吸取熱量，由高溫端換熱器放出，實(shí)現(xiàn)低品位能量向高品位能量的轉(zhuǎn)化，提高能量利用率。

采用美國Los Alamos實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的熱聲模擬軟件DeltaEc進(jìn)行計(jì)算［5］。設(shè)計(jì)條件為:直線壓縮機(jī)壓縮活塞直徑為75 mm，位移為6.5 mm，系統(tǒng)平均壓力5 MPa，頻率80 Hz，環(huán)境溫度設(shè)定為40℃，熱泵室溫?fù)Q熱器溫度維持在環(huán)境溫度，高溫?fù)Q熱器溫度為150℃，進(jìn)出口處體積流率相位差為120°。熱泵前后的活塞均作絕熱處理，滿足進(jìn)出口處聲功與總能流相等。熱泵前后空管段的長度至少為90 mm，保證能和直線壓縮機(jī)相連接。

2 不同回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)和換熱器結(jié)構(gòu)下熱泵性能的比較

2.1 采用不同的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)

回?zé)崞魇菬崧曄到y(tǒng)最為核心的熱功轉(zhuǎn)換部件，在其狹窄的流道中，來回振蕩的氣體與周圍的固體介質(zhì)之間發(fā)生復(fù)雜的熱力過程(包括壓縮、膨脹以及熱交換等)，實(shí)現(xiàn)聲功的產(chǎn)生、放大或者泵熱效應(yīng)。在行波熱聲系統(tǒng)的回?zé)崞髦?，理想的熱聲效?yīng)依賴于氣體與固體間的等溫?zé)峤粨Q，所以要求回?zé)崞鲀?nèi)部填充物的水力半徑遠(yuǎn)小于氣體的熱穿透深度以滿足良好的換熱性能;同時，回?zé)崞鞯牧鲃幼枘嵋M量小。回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)在很大程度上決定了熱聲系統(tǒng)性能的好壞。

氣體在回?zé)崞髦杏泻艽蟮臏囟忍荻?，回?zé)崞魇且粋€暫時存儲熱量的裝置，在氣體振蕩的一半周期內(nèi)從氣體吸收熱量，而在另一半周期內(nèi)將熱量放給氣體，正是通過這種熱量的輸運(yùn)來實(shí)現(xiàn)聲功與熱能的轉(zhuǎn)換與輸運(yùn)。熱聲系統(tǒng)中換熱器則要進(jìn)行時均的熱交換，從外部吸收熱量或者將熱量傳遞給外部熱源［6］。因此回?zé)崞骱蛽Q熱器的熱力設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中尤為重要。

首先對回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在設(shè)計(jì)不同回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)時，換熱器均采用翅片型換熱器，在DeltaEc中對應(yīng)的模塊為HX。

2.1.1 采用絲網(wǎng)型回?zé)崞?STKSREEN)

目前，大多數(shù)熱聲發(fā)動機(jī)和制冷機(jī)的回?zé)崞鞫际遣捎貌讳P鋼絲網(wǎng)進(jìn)行填充的。絲網(wǎng)型回?zé)崞鞯臋C(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 絲網(wǎng)型回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of stacked-screen regenerator

通過使用DeltaEc軟件對熱泵各部分尺寸不斷進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，優(yōu)化的原則是為了得到系統(tǒng)最大的相對卡諾效率并且保持較高的泵熱量。最終得出熱泵采用絲網(wǎng)型回?zé)崞鲿r各部件的尺寸，如表1所示。在此結(jié)構(gòu)下計(jì)算得出熱泵的COP為2.59，相對卡諾效率為67.33%，熱泵的泵熱量為1 152.5 W。

表1 采用絲網(wǎng)型回?zé)崞?STKSCREEN)熱泵的優(yōu)化尺寸Table 1 Dimensions of thermoacoustic heat pump adopting STKSREEN

行波熱聲系統(tǒng)一般都采用絲網(wǎng)型回?zé)崞?，但只要水力半徑足夠小，也可以嘗試采用板疊式回?zé)崞?。W Pat Arnott等人［7］對有不同形狀橫截面積的板疊式回?zé)崞鞯男阅苓M(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究，指出橫截面積為平行流道的板疊式回?zé)崞鞯男阅茏罴?。本文?jì)算板疊回?zé)崞鲿r采用了兩種不同形狀流道的回?zé)崞鱏TKSLAB和STKRECT，其結(jié)構(gòu)圖和優(yōu)化結(jié)果如下所示。

2.1.2 采用無限寬板疊式回?zé)崞鱏TKSLAB

板疊式回?zé)崞鱏TKSLAB適用于平行流道的計(jì)算，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 板疊型回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of stacked-plate regenerator

采用板疊型回?zé)崞?STKSLAB)熱泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化尺寸如表2所示。在此結(jié)構(gòu)下計(jì)算得出熱泵的COP為2.84，相對卡諾效率為73.73%，熱泵獲得的泵熱量為729.91 W。熱泵COP和相對卡諾效率相比于采用絲網(wǎng)填充的回?zé)崞饔休^大的提高，因?yàn)闅怏w通過板疊式回?zé)崞魉a(chǎn)生的摩擦阻力損失比絲網(wǎng)型回?zé)崞餍?，在此結(jié)構(gòu)下板疊式回?zé)崞饔兄叩臒崧曓D(zhuǎn)化效率，但獲得的泵熱量有所減少。

表2 采用板疊式回?zé)崞?STKSLAB)熱泵的優(yōu)化尺寸Table 2 Dimensions of thermoacoustic heat pump adopting STKSLAB

2.1.3 采用有限寬度板疊回?zé)崞鱏TKRECT

板疊式回?zé)崞鱏TKSLAB適用于方形流道的計(jì)算，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

采用板疊型回?zé)崞?STKRECT)熱泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化尺寸如表3所示。在此結(jié)構(gòu)下計(jì)算得出熱泵的COP為2.85，相對卡諾效率為74.02%，泵熱量為1 028.6 W。

圖5 板疊型回?zé)崞鱏TKRECT結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of STKRECT

表3 采用板疊式回?zé)崞?STKRECT)熱泵的優(yōu)化尺寸Table 3 Dimensions of thermoacoustic heat pump adopting STKRECT

從以上優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果可以看出，采用第三種板疊式的回?zé)崞骷碨TKRECT，能使系統(tǒng)達(dá)到最佳的性能，不僅相對卡諾效率較高，泵熱量也能保持在一個較高的水平。這與W Pat Arnott等人的分析稍有出入，有待進(jìn)一步的研究。

2.2 采用不同的換熱器結(jié)構(gòu)

在熱聲系統(tǒng)中采用的換熱器一般都為間壁式換熱器，即冷熱流體被一固體壁面隔開，通過壁面進(jìn)行熱量的交換。主要采用翅片時換熱器和殼管式換熱器，翅片換熱器用紫銅線切割而成，管殼式換熱器用不銹鋼管焊接而成。因?yàn)槭覝囟藫Q熱器2的換熱量很小，只是將熱緩沖管一側(cè)過度到室溫，一般的翅片換熱器既能滿足要求，高溫端換熱器的換熱量是所需要利用的熱量，室溫?fù)Q熱器6的換熱量是從低溫環(huán)境中吸收的熱量，故這兩個換熱器需要有良好的換熱性能。計(jì)算時回?zé)崞骶捎媒z網(wǎng)型回?zé)崞鳌?/p>

2.2.1 高溫端換熱器采用管殼式換熱器TX

只將高溫端的換熱器替換成管殼式換熱器，其余兩個換熱器依舊為翅片式換熱器，熱泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化尺寸如表4所示。在此結(jié)構(gòu)下計(jì)算得出熱泵的COP為2.76，相對卡諾效率為71.86%，泵熱量為1 461.3 W。與2.1.1節(jié)中的優(yōu)化結(jié)果比較可知，采用管殼式換熱器后熱泵的性能得到了較大的提升，說明在此系統(tǒng)中使用管殼式換熱器的換熱效果更佳，能達(dá)到更佳的換熱效果。

表4 僅高溫端采用管殼式換熱器(TX)熱泵的優(yōu)化尺寸Table 4 Dimensions of thermoacoustic heat pump adopting TX at high temperature heat exchanger

2.2.2 高溫端換熱器4和室溫端換熱器6采用管殼式換熱器TX

將高溫端的換熱器和室溫?fù)Q熱器6替換成管殼式換熱器，室溫?fù)Q熱器2依舊為翅片式換熱器，熱泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化尺寸如表5所示。在此結(jié)構(gòu)下計(jì)算得出熱泵的COP為2.91，相對卡諾效率為75.80%，泵熱量為2 178.5 W。所得的結(jié)果較只使用一個管殼式換熱器時有了更好的提升。

2.3 采用板疊型回?zé)崞饕约肮軞な綋Q熱器的優(yōu)化結(jié)果

由以上分析可知，在此系統(tǒng)中，分別用板疊式回?zé)崞鱏TKRECT和管殼式換熱器TX均能使熱泵性能有較大的提升，所以可以考慮用以上計(jì)算得出的最優(yōu)組合，即同時采用板疊式回?zé)崞鱏TKRECT和管殼式換熱器TX，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化尺寸如表6所示。在此結(jié)構(gòu)下計(jì)算得出熱泵的COP為3.16，相對卡諾效率為82.28%，泵熱量為1 823.9 W，相比于之前結(jié)構(gòu)的性能有了顯著的提高。

表5 高溫?fù)Q熱器和室溫?fù)Q熱器6采用管殼式換熱器(TX)熱泵的優(yōu)化尺寸Table 5 Dimensions of thermoacoustic heat pump adopting TX at both high temperature and room temperature heat exchanger

表6 采用板疊式回?zé)崞饕约肮軞な綋Q熱器熱泵的優(yōu)化尺寸Table 6 Dimensions of thermoacoustic heat pump adopting stacks and TX heat exchanger

3 熱泵在不同室溫溫度和不同的高溫端溫度下的工作性能

不論是工業(yè)廢水，船舶柴油機(jī)余熱，油田污水等可以利用的廢熱溫度都不是固定的，溫度范圍為30—60℃。而人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中需要利用的熱水溫度也是不同的。對于原油加熱集輸系統(tǒng)需要100℃以上的溫度，精餾化工行業(yè)對130℃以上熱源的需求量很大。因此本文模擬計(jì)算了上述熱泵結(jié)構(gòu)尺寸下在不同環(huán)境溫度和不同熱端溫度下熱泵的工作性能，如圖6—圖9所示。由圖可知，在同一熱端溫度下，熱泵的相對卡諾效率和其泵熱量均隨著室溫?fù)Q熱器溫度的升高而降低;在同一室溫溫度下，熱端溫度越高，其對卡諾效率和泵熱量越大。而熱泵COP和室溫?fù)Q熱器6吸熱量的變化情況正好相反。計(jì)算結(jié)果顯示當(dāng)熱泵的熱端溫度與環(huán)境溫度的溫差越大，熱泵能夠達(dá)到更高的熱力效率。這意味著高溫雙作用熱聲熱泵在為獲得更高溫度的熱量時有著更大的優(yōu)勢，為滿足工業(yè)需求有著更好的發(fā)展前景。

4 結(jié)論

通過改變回?zé)崞骱蛽Q熱器的結(jié)構(gòu)類型獲得了能夠達(dá)到較高效率和較大泵熱量的熱泵結(jié)構(gòu)，獲得的熱端泵熱量可達(dá)1 823.9 W，熱泵系數(shù)COP為3.16，相對卡諾效率為82.3%。并通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱泵的熱端溫度和環(huán)境溫度的溫差越大時能夠達(dá)到更佳的工作效果。

圖6 相對卡諾效率在不同室溫和熱端溫度下的變化Fig.6 Relative Carnot efficiency of heat pump vs.different room temperature and hot-end temperature

圖7 熱泵COP在不同室溫和熱端溫度下的變化Fig.7 The COP of heat pump vs.different room temperature and hot-end temperature

圖8 熱泵泵熱量在不同室溫和熱端溫度下的變化趨勢Fig.8 Pumping heat of heat pump vs.different room temperature and hot-end temperature

圖9 熱泵室溫?fù)Q熱器吸熱量在不同室溫和熱端溫度下的變化趨勢Fig.9 Heat absorbed by room temperature heat exchanger vs.different room temperature and hot-end temperature

雖然高溫雙作用行波熱聲熱泵有著很好的發(fā)展前景，但是對其研究還有很多工作要做。本文只采用了DeltaEc熱聲軟件進(jìn)行計(jì)算，而此軟件的計(jì)算模型有著較多的簡化，熱聲熱泵實(shí)際中運(yùn)行情況尚不明確，應(yīng)該通過更多的計(jì)算模型去模擬校核，通過實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)改進(jìn)問題，這是今后需要進(jìn)一步完成的工作。

1 李亞峰，陳 平.利用熱泵技術(shù)回收城市污水中的熱能［J］.可再生能源，2002(6):23－24.

2 劉世杰，俞文勝，蔡振雄，等.高溫?zé)岜没厥沾安裼蜋C(jī)余熱的應(yīng)用分析［J］. 集美大學(xué)學(xué)報，2010，15(2):133－136.

3 胡 斌，王文毅，王 凱，等.高溫?zé)岜眉夹g(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］. 制冷學(xué)報，2011，32(5):1－5.

4 羅二倉，戴 巍，胡劍英，等.一種雙作用單級行波熱聲系統(tǒng):中國，201110082230.3［P］.

5 Ward W，Clark J，Swift G.Design environment for low－amplitude thermoacoustic energy conversion(DeltaEc)，Version 6.2，Users Guide［M］.Los Alamos National Laboratory，LA－CC－01－13，2008.

6 Swift G W.Thermoacoustics:A unifying perspective for some engines and refrigerators［M］.Acoustical Society of America Publications，Sewickley PA，2002.

7 Arnott W P，Bass H E，Raspet R.General formulation of thermoacousticsforstacks having arbitrarily shaped pore cross sections［J］.Acoustical Society of America，1991，90(6):3228－3237.