徐靜遠(yuǎn) 羅二倉

(1 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190；2 卡爾斯魯厄理工學(xué)院 卡爾斯魯厄 76344；3 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

隨著科學(xué)技術(shù)和社會文明的進(jìn)步，制冷技術(shù)已經(jīng)滲入到航天、能源、環(huán)境、醫(yī)療和工農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，成為推動(dòng)社會生活和科學(xué)發(fā)展不可或缺的支柱力量。目前，制冷技術(shù)不僅在空氣調(diào)節(jié)、食品儲存保鮮、冷凍醫(yī)療、工農(nóng)業(yè)低溫處理、微電子冷卻及深空探測器等方面顯示出重要作用，而且對 “聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)”中大多數(shù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也至關(guān)重要。美國能源信息署發(fā)布的國際能源展望報(bào)告指出，目前制冷能耗已經(jīng)占據(jù)全球建筑能源消耗的40%以及全球電能總消耗的17%?？紤]到未來人口增長、收入增加、全球變暖和城市化等因素，預(yù)計(jì)全球?qū)χ评涞男枨筮€將迅速增加[1]。然而，目前傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷技術(shù)通常采用氫氟碳化合物(HFCs)替代破壞臭氧層制冷劑，HFCs具有高全球變暖潛值 (Global Warming Potential，GWP)，GWP是CO2的幾千倍，任何泄漏都會對溫室效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。因此，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)環(huán)保和氣候友好型制冷轉(zhuǎn)型對全球氣候和可持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的影響?！睹商乩麪栕h定書》基加利修正案規(guī)定在未來 30年將氫氟碳化合物和高GWP制冷劑的生產(chǎn)和用量減少80%。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和國際能源署呼吁，如果全球采取協(xié)調(diào)一致的行動(dòng)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣候友好型制冷轉(zhuǎn)型，未來40年將避免多達(dá)4 600億 t溫室氣體的排放[2]。更加值得關(guān)注的是，我國頒布了“雙碳”目標(biāo)(“碳達(dá)峰”和“碳中和”)的重大部署，力爭在2060年前實(shí)現(xiàn)溫室氣體的凈零排放。因此，我們需要大力推動(dòng)下一代氣候友好型 “綠色制冷”技術(shù)，以助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，促進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展。

熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷因其獨(dú)特的優(yōu)勢成為一種氣候友好、可靠且極具應(yīng)用前景的新型綠色制冷技術(shù)。熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷技術(shù)的原理是利用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的聲波驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)從而實(shí)現(xiàn)制冷，即獲得熱—聲—冷能源轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)通常采用惰性氣體(如氦氣、氮?dú)獾?做工作介質(zhì)，并且是一種外燃式的熱機(jī)，可采用多種低品位能源或太陽能驅(qū)動(dòng)工作，對環(huán)境非常友好。此外，熱聲熱機(jī)一般由空管段、多孔介質(zhì)及換熱器組成，結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低且不存在任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可避免常規(guī)熱機(jī)中因機(jī)械摩擦而產(chǎn)生的損失及相關(guān)維護(hù)，因此具有低振動(dòng)、高可靠性、長壽命和高潛在效率等優(yōu)點(diǎn)。這種熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷系統(tǒng)熱源適應(yīng)性好，可采用多種熱源驅(qū)動(dòng)工作(太陽能、生物質(zhì)能、工業(yè)余熱等)，能夠滿足電力缺乏、條件苛刻的偏遠(yuǎn)地區(qū)的制冷需求。熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷系統(tǒng)工作溫跨大，可實(shí)現(xiàn)液氫至室溫溫區(qū)(20～300 K)下不同的制冷需求，在液化天然氣[3-4]、室溫制冷[5-6]、余熱/冷回收[7]、多能聯(lián)供[7]、太陽能利用、深冷制冷[8-9]等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文首先介紹了熱聲制冷原理，然后從熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评浜蜔狎?qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评鋬蓚€(gè)方面介紹近年來熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷的發(fā)展現(xiàn)狀，并展望未來熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷的發(fā)展方向。希望本綜述可以為熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣及未來發(fā)展提供參考和幫助，進(jìn)而推動(dòng)“綠色制冷”，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

1 熱聲制冷原理及特點(diǎn)

1.1 熱聲效應(yīng)

熱聲效應(yīng)是指可壓縮流體的聲振蕩與固體介質(zhì)之間由于熱相互作用而產(chǎn)生的時(shí)均能量效應(yīng)。按照能量轉(zhuǎn)換方向的不同，熱聲效應(yīng)可分為兩類：1)用熱能來產(chǎn)生聲波，即熱致聲效應(yīng)，通常發(fā)生在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部；2)用聲能來產(chǎn)生制冷效應(yīng)，即聲致冷效應(yīng)，通常發(fā)生在熱聲制冷機(jī)內(nèi)部。

1.1.1 熱致聲效應(yīng)

在一定的條件下，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)具有溫差的熱源會自發(fā)地產(chǎn)生聲波而形成熱致聲動(dòng)力循環(huán)(正循環(huán))，這是一種非線性的熱聲自激振蕩過程，即熱致聲效應(yīng)。圖1所示為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元示意圖，主要由室溫?fù)Q熱器、回?zé)崞骱蜔岫藫Q熱器組成。圖中左側(cè)為回?zé)崞鞯氖覝囟?，右?cè)為回?zé)崞鞯母邷囟耍椿責(zé)崞餮剌S向方向存在溫度梯度，聲功自左至右傳播并放大。如圖1所示，在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鲀?nèi)，每一氣體微團(tuán)進(jìn)行壓縮、放熱、膨脹以及吸熱等完整的熱致聲動(dòng)力循環(huán)過程：1)氣體微團(tuán)向高溫側(cè)運(yùn)動(dòng)同時(shí)被壓縮，壓力增大；2)氣體微團(tuán)溫度低于回?zé)崞鳒囟冗M(jìn)而從回?zé)崞魑鼰?，壓力和溫度均達(dá)到最大，體積達(dá)到最大壓縮；3)氣體微團(tuán)向室溫端運(yùn)動(dòng)，同時(shí)體積膨脹對外做功，壓力減??；4)氣體微團(tuán)對回?zé)崞鞣艧幔瑝毫蜏囟染_(dá)到最小，體積達(dá)到最大膨脹。眾多氣體微團(tuán)彼此經(jīng)過接力式的熱量傳輸及協(xié)同作用，一步一步地將熱端換熱器輸入的熱量轉(zhuǎn)換為聲功，不能轉(zhuǎn)換的熱量則通過室溫?fù)Q熱器排向環(huán)境熱源。需要說明的是，熱聲熱力循環(huán)中存在兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等壓過程，而特林循環(huán)存在兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等容過程。因此，熱致聲效應(yīng)是基于一種全新工作原理的熱力循環(huán)，與斯特林循環(huán)存在本質(zhì)區(qū)別[10]。

圖1 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)熱致聲效應(yīng)及內(nèi)部氣體微團(tuán)

熱致聲現(xiàn)象的最早發(fā)現(xiàn)可以追溯至200多年前。1777年，B.Higgins發(fā)現(xiàn)在兩端開口中空管子的某些位置中放入可燃性氣體的火焰，管中會激發(fā)出聲音，即 “歌焰現(xiàn)象”[11]。這是熱致聲效應(yīng)的首次發(fā)現(xiàn)，類似的現(xiàn)象在高煙囪、爐膛中以及快速飛行的導(dǎo)彈中也可以觀察到。

1.1.2 聲致冷效應(yīng)

聲波是一種壓縮-膨脹波，可以與固體介質(zhì)作用發(fā)生吸熱和放熱效應(yīng)。在一定的條件下，聲波可以將低于環(huán)境溫度的熱量向環(huán)境泵熱而形成聲致冷循環(huán)(逆循環(huán))，即聲致冷效應(yīng)。圖2所示為熱聲制冷機(jī)示意圖，主要由室溫?fù)Q熱器、回?zé)崞骱屠涠藫Q熱器組成。圖中聲功自左至右傳播并消耗，回?zé)崞髦袩崃坑衫涠藫Q熱器側(cè)泵送到室溫?fù)Q熱器側(cè)，從而在冷端換熱器側(cè)實(shí)現(xiàn)制冷。如圖2所示，在熱聲制冷機(jī)內(nèi)，每一氣體微團(tuán)經(jīng)歷壓縮、放熱、膨脹以及吸熱等完整的聲致冷循環(huán)過程：1)氣體微團(tuán)向室溫側(cè)運(yùn)動(dòng)，溫度升高，壓力增大；2)氣體微團(tuán)溫度高于回?zé)崞鳒囟?，對回?zé)崞鞣艧幔?)氣體微團(tuán)向低溫側(cè)運(yùn)動(dòng)，溫度降低，壓力減??；4)氣體微團(tuán)溫度低于回?zé)崞鳒囟?，從回?zé)崞魑鼰?。通過聲功的消耗，眾多氣體微團(tuán)彼此經(jīng)過接力式的熱量傳輸，逐步將熱量從回?zé)崞鞯牡蜏囟宿D(zhuǎn)移至高溫端，從而實(shí)現(xiàn)制冷功能。同樣地，制冷機(jī)回?zé)崞鲀?nèi)氣體微團(tuán)將經(jīng)歷兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等壓過程，與斯特林循環(huán)存在本質(zhì)區(qū)別[12]。

圖2 熱聲制冷機(jī)聲致冷效應(yīng)及內(nèi)部氣體微團(tuán)

聲致冷效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)相比熱致聲效應(yīng)晚了近兩百年。1975年，P.Merkli等[13]在存在交變壓力波的駐波諧振管中部發(fā)現(xiàn)了溫度下降的現(xiàn)象，這是歷史上首次發(fā)現(xiàn)明顯的聲致冷現(xiàn)象。

1.2 熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷技術(shù)

綜上可知，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體產(chǎn)生自激的壓力振蕩，熱能被轉(zhuǎn)換為聲能形式的機(jī)械能，而熱聲制冷機(jī)中，聲功被消耗將熱量從回?zé)崞鞯蜏囟税徇\(yùn)至高溫端。熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷技術(shù)正是結(jié)合了這兩種不同的熱聲效應(yīng)：利用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的聲能(熱致聲效應(yīng))驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)進(jìn)行制冷(聲致冷效應(yīng))，從而實(shí)現(xiàn)熱能-聲能-冷能的能量轉(zhuǎn)換(熱致聲致冷)。圖3所示為熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷系統(tǒng)示意圖，它由熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)、熱聲制冷機(jī)及調(diào)相機(jī)構(gòu)組成。該系統(tǒng)是一個(gè)自激振蕩系統(tǒng)，熱聲制冷機(jī)不僅消耗發(fā)動(dòng)機(jī)聲功以產(chǎn)生制冷效應(yīng)，而且還為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需的體積流量和相位，因此熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與熱聲制冷機(jī)間需要存在聲阻抗耦合匹配。不適合的聲阻抗耦合會使制冷性能嚴(yán)重下降，甚至系統(tǒng)不工作。因此，調(diào)相機(jī)構(gòu)主要用于調(diào)節(jié)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和熱聲制冷機(jī)之間的聲阻抗，使兩者同時(shí)在各自合適的聲場下工作，從而提升整機(jī)的制冷效率。常見的調(diào)相機(jī)構(gòu)包括聲容性的空腔、聲感性的固體活塞、細(xì)長的管道以及液體活塞等。

圖3 熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)示意圖

1.3 熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)分類

回?zé)崞?板疊和諧振管是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)最為核心的部件：前者是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的熱聲轉(zhuǎn)換部件；后者維持系統(tǒng)所需的振蕩頻率，并起到調(diào)節(jié)壓力波動(dòng)和體積流率相位關(guān)系和傳遞/儲存聲能的作用。如圖4所示，根據(jù)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞?板疊和諧振管中壓力波動(dòng)與體積流率之間的相位關(guān)系，熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)可以分為三類：1)雙駐波型。其中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)板疊及諧振管均處于駐波占主的聲場；2)行駐波混合型。其中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞魈幱谛胁ㄕ贾鞯穆晥銮抑C振管處于駐波占主的聲場；3)雙行波型。其中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞骷爸C振管均處于行波占主的聲場。雙駐波型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)基于內(nèi)部不可逆的熱力學(xué)循環(huán)，氣體工質(zhì)和板疊之間的本征不可逆換熱導(dǎo)致其熱力學(xué)效率一般較低。行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)將駐波諧振管支路引入行波反饋管中，有助于調(diào)節(jié)行波反饋管換熱過程中不可避免的熱滯后，實(shí)現(xiàn)駐波基于熱滯后的熱聲轉(zhuǎn)換，從而提高熱聲轉(zhuǎn)換效率。然而，行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)中較大尺寸的駐波諧振管顯著降低了系統(tǒng)功率密度，進(jìn)而限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。雙行波型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞骱椭C振管均需要處于行波聲場，在實(shí)現(xiàn)高效熱聲轉(zhuǎn)換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的聲功傳輸，具有潛在效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，目前已逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

圖4 熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)分類

此外，熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷系統(tǒng)工作溫跨大，可實(shí)現(xiàn)液氫至室溫溫區(qū)(20～300 K)廣泛的工作溫區(qū)，在低溫和普冷領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用潛力。因此，除了上述按相位關(guān)系進(jìn)行的分類外，通常也根據(jù)工作制冷溫區(qū)將熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)分為兩類：1)熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)。其工作制冷溫區(qū)在室溫溫區(qū)附近(約300 K)，應(yīng)用背景包括空調(diào)、冰箱、冷凍柜以及在卡車、冷鏈運(yùn)輸車、漁船等移動(dòng)設(shè)備上的制冷。其中，如何有效利用低品位能源和工業(yè)余熱成為熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)值得關(guān)注的研究方向；2)熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)。其工作制冷溫區(qū)主要在低溫溫區(qū)(<120 K)，應(yīng)用背景包括天然氣液化，高溫超導(dǎo)和低溫制冷。研究方向主要圍繞如何提升大功率低溫制冷和如何追求最低制冷溫度。

下文將從熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)和熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)兩個(gè)方面介紹熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷的發(fā)展現(xiàn)狀。對于上述每種熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)，將依次介紹雙駐波型、行駐波混合型和雙行波型制冷系統(tǒng)。

2 熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)

2.1 雙駐波型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

雙駐波型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)的主要特點(diǎn)是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞骱椭C振管處于駐波聲場。1997年，美國海軍研究生院建造了一臺雙駐波型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，在 25 ℃的制冷溫差下獲得 91 W的制冷量和0.15的熱制冷系數(shù) (熱聲制冷機(jī)制冷量與熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)加熱量的比值)[14]。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和制冷機(jī)的換熱器肋片厚度和間距分別為 75 μm和 125 μm，對機(jī)械加工精度的要求較高，造價(jià)昂貴。隨后，該團(tuán)隊(duì)研制了一種采用太陽能為熱源驅(qū)動(dòng)的駐波型熱聲制冷機(jī)，如圖5所示。系統(tǒng)加熱溫度最高可達(dá)450 ℃，在制冷溫度為5 ℃時(shí)獲得了2.5 W的制冷量[15]。

圖5 美國海軍研究生院研制的太陽能驅(qū)動(dòng)駐波熱聲制冷機(jī)

2.2 行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞骱椭C振管分別處于行波聲場和駐波聲場。2004年，Y.Ueda等[16]設(shè)計(jì)了一臺行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，在 0 ℃的制冷溫度下獲得11 W的制冷量。2006年，Luo Ercang等[17]首次提出雙環(huán)路行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，如圖6所示。系統(tǒng)工質(zhì)為氦氣，平均壓力為3 MPa，工作頻率為67.5 Hz，制冷機(jī)在-22 ℃制冷溫度下獲得300 W的制冷量，熱制冷系數(shù)為0.124。2009年，李山峰[18]又重新設(shè)計(jì)了一臺同軸行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)。在-20 ℃的制冷溫度下，該系統(tǒng)制冷量和系統(tǒng)熱制冷系數(shù)分別提升至340 W和0.16。這項(xiàng)工作為熱聲制冷在室溫溫區(qū)替代氟利昂制冷邁出了關(guān)鍵的一步。

圖6 羅二倉等提出的行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

2010年，Kang Huifang等[19]研制了一臺行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和熱聲制冷機(jī)均處于同一個(gè)環(huán)形管內(nèi)，熱聲制冷機(jī)連接在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的出口，因此發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的聲功可以直接驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)。該系統(tǒng)的總長度小于1 m，工作頻率為234 Hz，在0 ℃的制冷溫度下獲得了40 W的制冷量。2013年，S.Hasegawa等[20]提出雙環(huán)路行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)概念，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)主要特點(diǎn)：1)增加熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)級數(shù)來降低系統(tǒng)的起振溫度；2)駐波諧振管末端的聲功可以回收利用。該團(tuán)隊(duì)考察了不同單元的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)如何布置以實(shí)現(xiàn)回?zé)崞鲀?nèi)合理的聲學(xué)阻抗，并優(yōu)化了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度比。2017年，該團(tuán)隊(duì)搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)臺，系統(tǒng)起振溫度約為 85 ℃，在 -50 ℃的制冷溫度下獲得 0.029[21]的熱制冷系數(shù)。

圖7 S.Hasegawa等提出的行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

2.3 雙行波型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

雙行波型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞骱椭C振管均處于行波聲場。2002年，日本T.Yazaki等[22]首次提出雙行波環(huán)路熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，如圖8所示。該結(jié)構(gòu)無任何運(yùn)動(dòng)部件，將熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和制冷機(jī)單元布置在同一環(huán)形管的合適位置，其中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元用于聲功放大，制冷機(jī)單元用于制冷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)平均壓力為0.25 MPa，工作介質(zhì)為86%氦氣和14%氬氣的混合氣體時(shí)，系統(tǒng)工作頻率為240 Hz，在230 W的加熱功率下獲得了-27 ℃的無負(fù)荷制冷溫度。2004年，日本S.I.Sakamoto等[23]設(shè)計(jì)了一臺雙行波環(huán)路熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，將熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和熱聲制冷機(jī)單元對稱放置在環(huán)路管中。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)16 ℃的溫降，研究表明抑制環(huán)路中的高次諧波和聲流可進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。

圖8 T.Yazaki等提出的雙行波型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

圖9 K.De Blok提出的四單元雙行波型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)

圖10 Jin T.等提出的一單元雙行波型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)

2018年，Aster Thermoacoustics公司[27]提出了THEAC-25熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，如圖11所示。該系統(tǒng)包括兩個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和兩個(gè)熱聲制冷機(jī)單元，其中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)依次連接逐級放大聲功，放大后的聲功用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)制冷機(jī)依次獲得冷量。當(dāng)加熱溫度為220 ℃時(shí)，系統(tǒng)在-10 ℃的制冷溫度下獲得了18 kW的制冷量，熱制冷系數(shù)為0.18。系統(tǒng)的尺寸為4 m×4 m×0.8 m(長×寬×高)，整機(jī)重量為1 100 kg。系統(tǒng)運(yùn)行還需要三個(gè)泵和一個(gè)干式冷卻系統(tǒng)，共需要消耗2 kW的電能。因?yàn)橥耆珶o運(yùn)動(dòng)部件，無需維護(hù)，設(shè)計(jì)壽命長達(dá) 30年，且系統(tǒng)功率可從10 kW擴(kuò)展至 100 kW。該裝置的應(yīng)用背景主要包括移動(dòng)裝置制冷(如新鮮產(chǎn)品制冷、醫(yī)療冷鏈等)，工業(yè)過程控制(如食品面包店、壓鑄金屬絲生產(chǎn)等)，建筑空調(diào)(如購物中心、學(xué)校等)。

圖11 Aster Thermoacoustics公司提出的THEAC-25雙行波型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)

2021年，Wang Huizhi等[28]針對卡車、漁船等移動(dòng)設(shè)備的余熱，研制了一臺5 kW級直連型雙行波型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，如圖12所示。該結(jié)構(gòu)的典型特點(diǎn)是，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和熱聲制冷機(jī)單元直接相連，共用一個(gè)室溫?fù)Q熱器，省去了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與熱聲制冷機(jī)之間的諧振管，結(jié)構(gòu)更加緊湊?？傮w裝置的尺寸為1.5 m×1.4 m×2.0 m(長×寬×高)，重量約為220 kg。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)加熱溫度和制冷溫度分別為300 ℃和10 ℃時(shí)，系統(tǒng)總制冷量達(dá)到4.0 kW，熱制冷系數(shù)達(dá)到0.28，熱致冷相對卡諾效率達(dá)到9.1%。與先前報(bào)道的同類型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)相比，該系統(tǒng)在熱制冷系數(shù)和功率密度方面均有顯著提升。

2020年，劍橋大學(xué)Xu Jingyuan等[5]提出一種氣液耦合型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)，如圖13所示。該系統(tǒng)同時(shí)采用氣體和液體作為諧振機(jī)構(gòu)，從而有效利用液體諧振子的高質(zhì)量慣性聲感和氣體諧振子的高可壓縮性聲容形成氣液耦合振動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，在強(qiáng)化聲振蕩的同時(shí)降低工作頻率，有利于驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)獲得更高的效率和更低的起振溫度。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)加熱溫度和制冷溫度分別為147 ℃和-3 ℃時(shí)，系統(tǒng)總制冷量達(dá)到2.7 kW, 熱制冷系數(shù)達(dá)到0.67。相比傳統(tǒng)氣體諧振器，采用氣液耦合諧振器的系統(tǒng)頻率可由53.3 Hz降至12.3 Hz，壓比由1.06增至1.32，從而使系統(tǒng)起振溫差由144.1 K降至35.5 K。該結(jié)果表明，氣液耦合型熱聲制冷系統(tǒng)可以顯著提高系統(tǒng)效率并降低系統(tǒng)起振溫度，從而可以有效利用低品位熱能，具有廣闊的應(yīng)用前景?；诖讼到y(tǒng)，上述學(xué)者們還研究了不同壓力和不同工質(zhì)氣體下[29-30]的系統(tǒng)性能。

圖13 Xu Jingyuan等提出的氣液耦合型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)

2021年，劍橋大學(xué)Xu Jingyuan等[7]提出一種可同時(shí)回收余熱和液化天然氣冷能的熱驅(qū)動(dòng)熱聲冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，如圖14所示。該系統(tǒng)有4個(gè)熱聲轉(zhuǎn)換單元，每個(gè)單元中包含熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)、熱聲制冷機(jī)和直線發(fā)電機(jī)和諧振管。其中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)直接和熱聲制冷機(jī)相連，直線發(fā)電機(jī)旁接于發(fā)動(dòng)機(jī)出口處。該系統(tǒng)中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可以有效實(shí)現(xiàn)低品位熱能與天然氣冷能的溫位互補(bǔ)，使兩者得以同時(shí)有效回收，進(jìn)而產(chǎn)生熱、電、冷的聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)液化天然氣和余熱溫度分別為 -143 ℃ 和227 ℃時(shí)，該系統(tǒng)可產(chǎn)生冷能2.19 kW (制冷溫度為10 ℃)，熱能3.55 kW和電能2.27 kW，整機(jī)相對卡諾效率達(dá)到24.1%。該項(xiàng)工作表明，熱驅(qū)動(dòng)熱聲系統(tǒng)可應(yīng)用于分散的、小規(guī)模的冷能和余熱綜合回收領(lǐng)域，同時(shí)多能聯(lián)產(chǎn)形式(冷熱電聯(lián)供、熱電聯(lián)供、冷電聯(lián)供等)可以滿足不同的供能需求。

圖14 Xu Jingyuan等提出的同時(shí)回收余熱和液化天然氣冷能的熱驅(qū)動(dòng)熱聲冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

國內(nèi)外熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)研究進(jìn)展如表1所示。與雙駐波型和行駐波混合型相比，雙行波型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)在理論和實(shí)驗(yàn)上均顯示具有更高的熱制冷效率和制冷功率，但低緊湊性和高起振溫度仍是迫切需要解決的問題。因此，針對中低溫余熱利用，面向不同工作制冷溫區(qū)(0～10 ℃空調(diào)溫區(qū)；-10～-20 ℃冷藏冷凍溫區(qū))的需求場合，探索高效、緊湊的雙行波型熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)新流程具有重要意義。

表1 國內(nèi)外熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)研究進(jìn)展Tab.1 Research progress of heat-driven room-temperature thermoacoustic refrigerator

3 熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)

3.1 雙駐波型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

1989年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的R.Radebaugh和Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室的G.W.Swift等[31]聯(lián)合研制了首臺熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)，如圖 15所示。該系統(tǒng)采用雙駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小孔型熱聲制冷機(jī)，其中熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)長達(dá)10 m(部分為圖中環(huán)形結(jié)構(gòu))。在3 kW加熱功率下，以氦氣為工質(zhì)時(shí)系統(tǒng)工作頻率為27 Hz，可獲得最低制冷溫度90 K，且在120 K 的制冷溫度下能夠獲得5 W 的制冷量。這是世界上首臺完全無運(yùn)動(dòng)部件的熱聲低溫制冷機(jī)，為高可靠性低溫制冷機(jī)的研究提供了新途徑。1995年，Tektronix 公司[32]設(shè)計(jì)了一臺對稱型駐波熱驅(qū)動(dòng)脈沖管制冷機(jī)。該裝置工作頻率為350 Hz，最終實(shí)現(xiàn)0.18的熱制冷系數(shù)。

圖15 G.W.Swift等提出的首臺熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)

熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)的成功研制引起了廣泛關(guān)注，人們開始嘗試將這種新型制冷技術(shù)應(yīng)用于天然氣液化領(lǐng)域。2003年，美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合Cryoenco公司和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院成功研制了一臺采用天然氣作為加熱源的小型熱聲天然氣液化裝置[33-34]，如圖16所示。該系統(tǒng)采用一臺駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺小孔型熱聲制冷機(jī)，諧振管長達(dá)12 mm，工作壓力為3 MPa，工作頻率為40 Hz，整機(jī)相對卡諾效率為5.75%。其中，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)自激振蕩產(chǎn)生12 kW聲功傳遞給熱聲制冷機(jī)，相對卡諾效率為25%；熱聲制冷機(jī)在125 K制冷溫度下獲得了2.1 kW制冷量，為首臺熱聲驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)制冷量的400倍。該裝置可以通過燃燒60% 的天然氣液化其余40% 的天然氣，標(biāo)志著熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷技術(shù)邁入實(shí)用化的新階段。

圖16 美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室提出的熱驅(qū)動(dòng)熱聲天然氣液化系統(tǒng)

2005年，浙江大學(xué)Tang K.等[35]搭建國內(nèi)首臺對稱雙駐波型熱聲低溫制冷系統(tǒng)。該采用雙邊駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙向進(jìn)氣型熱聲制冷機(jī)，最終獲得88.6 K最低制冷溫度。2006年，他們采用聲壓放大器作為制冷機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的耦合機(jī)構(gòu)，獲得了79.7 K最低制冷溫度[36]。2007年，他們采用一臺雙駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩級熱聲制冷機(jī)[37]，如圖17所示。當(dāng)加熱功率為2 kW、平均工作壓力為2.8 MPa 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)壓比達(dá)到1.17，制冷機(jī)獲得41.2 K 的最低制冷溫度[38]。

圖17 Tang K.等提出的對稱雙駐波型熱聲低溫制冷系統(tǒng)

3.2 行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

行駐波混合型熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)的研究工作主要集中于如何獲取最低制冷溫度。2005年，中科院理化所Dai Wei等[39]采用一臺聚能型行駐波混合型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺無氣庫的慣性管型熱聲制冷機(jī)，如圖18所示。該系統(tǒng)獲得了68.8 K最低制冷溫度，首次突破液氮溫度。同年，浙江大學(xué)Qiu Limin等[9]采用一臺行駐波混合型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)U型熱聲制冷機(jī)，獲得了80.9 K的最低制冷溫度。

圖18 Dai Wei等提出液氮溫區(qū)熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

2007年，Hu Jianying等[8]提出了“二介質(zhì)耦合聲學(xué)放大器”，即一種彈性膜分隔技術(shù)，在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中采用氮?dú)庾鳛楣べ|(zhì)以獲得較低的工作頻率和較大的壓力比，在熱聲制冷機(jī)中仍然采用氦氣以確保高效的制冷效應(yīng)，系統(tǒng)如圖19所示。最終，他們在一臺聚能型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩級熱聲制冷機(jī)上獲得了18.1 K的最低溫度，首次突破液氫溫度。2008年，Zhu Shanglong等[40]研制了一臺300 Hz雙駐波型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)，在1.76 kW加熱功率下獲得了69.5 K最低制冷溫度。

圖19 Hu Jianying等提出液氫溫區(qū)熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

表2列出了以追求最低制冷溫度為目標(biāo)的熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)的研究進(jìn)展。由表2可知，目前熱聲驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)獲得的最低制冷溫度為18.1 K。該溫度紀(jì)錄自2007年以來一直未能得到進(jìn)一步突破，其原因值得深入的思考探究。研究進(jìn)展表明，目前電驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)已具備獲取液氦溫區(qū)(4 K)的能力[41-44]，因此熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是制約熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)獲得更低制冷溫度的關(guān)鍵原因。若要驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)獲取更低溫區(qū)，一方面需要提高熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出壓比，另一方面需要降低工作頻率以減少回?zé)崞鲹p失。因此，探究高壓比、低頻率的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)獲取更低制冷溫度的亟待開展的方向之一。

表2 以追求最低制冷溫度為目標(biāo)的國內(nèi)外熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)研究進(jìn)展Tab.2 Research progress of heat-driven cryogenic thermoacoustic refrigerator aiming at the lowest cooling temperature

3.3 雙行波型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)

將環(huán)保、可靠、零電耗的熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷技術(shù)用于液化天然氣具有巨大的應(yīng)用前景。圖20所示為熱聲天然氣液化系統(tǒng)的設(shè)想圖。該系統(tǒng)可以通過燃燒天然氣獲得驅(qū)動(dòng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的熱能，而不需要電力及其他燃料，因此能夠很好地滿足供電困難的偏遠(yuǎn)礦區(qū)小規(guī)模非常規(guī)氣體的液化需求。雙行波型熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)的最新研究工作主要集中于天然氣液化領(lǐng)域。

圖20 熱驅(qū)動(dòng)熱聲天然氣液化系統(tǒng)

圖21 Xu Jingyuan等提出旁接型熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)

2019年，Xu Jingyuan等[45]提出一種串接型熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)，如圖22所示。該系統(tǒng)由三個(gè)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)單元和一個(gè)熱聲制冷機(jī)單元通過諧振管串聯(lián)成環(huán)路。由于系統(tǒng)為非對稱結(jié)構(gòu)，各級能量轉(zhuǎn)換單元聲阻抗不同，因此采用非等直徑的諧振管以實(shí)現(xiàn)各單元間阻抗的高效匹配與聲功傳輸。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聲功的多級放大和集中輸出，特別適用于大功率制冷領(lǐng)域。同時(shí)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)熱聲制冷機(jī)室溫端膨脹功的全部回收，其本征效率可達(dá)到卡諾效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在最高效工況點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)可獲得378 W制冷量和10% 相對卡諾效率；在最大功率點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)可獲得670 W制冷量和8.3% 相對卡諾效率[46]。此外還考察了采用變溫加熱源時(shí)的系統(tǒng)性能。當(dāng)#1～#3發(fā)動(dòng)機(jī)的熱源溫度分別為873、773、673 K時(shí)，系統(tǒng)整機(jī)相對卡諾效率達(dá)9.6%，制冷溫度為150 K時(shí)可獲得607 W制冷量。因此，該系統(tǒng)在能量的梯級利用方面顯示出較大的發(fā)展?jié)摿?，有望在工業(yè)余熱、廢熱回收等方面獲得應(yīng)用。

圖22 Xu Jingyuan等提出的串接型熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)

表3 以天然氣液化為目標(biāo)的國內(nèi)外熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)研究進(jìn)展Tab.3 Research progress of heat-driven cryogenic thermoacoustic refrigerator aiming at natural gas liquefaction

4 總結(jié)與未來發(fā)展趨勢

熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷是一種環(huán)境友好、可靠且極具應(yīng)用前景的新型綠色制冷技術(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低且不存在任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，具有低振動(dòng)、高可靠性、長壽命和高潛在效率等優(yōu)點(diǎn)。作為一種外燃式的熱機(jī)，系統(tǒng)可采用多種低品位能源或余熱驅(qū)動(dòng)工作，熱源適應(yīng)性好，零電耗。熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷系統(tǒng)工作溫跨大，可實(shí)現(xiàn)室溫至液氫溫區(qū)下不同的制冷需求，在液化天然氣、室溫制冷、余熱/冷回收、多能聯(lián)供、太陽能利用和深冷制冷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷技術(shù)三十年來的發(fā)展為基礎(chǔ)，首先對熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷原理和分類進(jìn)行了介紹，然后從熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)和熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)兩個(gè)方面的發(fā)展進(jìn)行了梳理，主要得到如下結(jié)論：

根據(jù)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞?板疊和諧振管中壓力波動(dòng)與體積流率之間的相位關(guān)系，熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)可以分為三類: 雙駐波型、行駐波混合型、雙行波型。其中，雙行波型熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效熱聲轉(zhuǎn)換和聲功傳輸，具有潛在效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為研究的熱點(diǎn)。此外，通常也根據(jù)工作制冷溫區(qū)將熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)分類為兩類: 熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)和熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)。其中，熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评錂C(jī)工作溫區(qū)在室溫附近(約300 K)，應(yīng)用背景包括空調(diào)、冰箱、冷凍柜以及卡車等移動(dòng)設(shè)備上的制冷，如何提高制冷量/熱制冷效率以及如何有效利用低品位能源是該領(lǐng)域重要的研究方向。熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评錂C(jī)工作溫區(qū)在低溫溫區(qū)(<120 K)，應(yīng)用背景包括天然氣液化和低溫制冷，現(xiàn)有的研究方向主要圍繞如何提升天然氣液化功率/效率以及如何追求更低的制冷溫度。

熱驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曋评浼夹g(shù)今后重點(diǎn)研究方向?yàn)椋?)探索本征高效的熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷新流程，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與制冷機(jī)高效的阻抗匹配和聲功回收，進(jìn)一步提升熱制冷效率；2)研究新型諧振機(jī)構(gòu)/回?zé)崞鳎赃M(jìn)一步降低系統(tǒng)起振溫度，從而有效利用中低溫?zé)嵩?。例如，氣液耦合諧振機(jī)構(gòu)相對于傳統(tǒng)氣體諧振機(jī)構(gòu)，在強(qiáng)化聲振蕩的同時(shí)可以降低工作頻率，有利于獲得更低的起振溫度；濕式熱聲回?zé)崞鞑捎每衫淠魵鈴臒崃恐挟a(chǎn)生聲能，可有效降低起振溫度。這些新型諧振機(jī)構(gòu)/回?zé)崞魇俏磥硌芯康闹攸c(diǎn)之一；3)探究熱聲系統(tǒng)與太陽能熱利用/余熱回收的高效耦合方式，并考慮熱、電、冷的聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，以實(shí)現(xiàn)低品位能源的有效利用以及能源供給的多元化、清潔化。

熱驅(qū)動(dòng)低溫?zé)崧曋评浼夹g(shù)今后重點(diǎn)研究方向?yàn)? 1)對于以追求更低制冷溫度為目標(biāo)，需要建立新型諧振機(jī)構(gòu)以產(chǎn)生高壓比和低頻率，以實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度，擴(kuò)展熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)在極低溫領(lǐng)域的應(yīng)用；2)對于以天然氣液化等大功率制冷為目標(biāo)，需要開展更大功率天然氣液化溫區(qū)熱驅(qū)動(dòng)熱聲制冷機(jī)的研究，以滿足實(shí)際小型天然氣液化裝置的需求。其中需要重點(diǎn)探究回?zé)崞髁鲃?dòng)與溫度非均勻性問題。此外，需要進(jìn)一步研制熱聲天然氣液化裝置工程樣機(jī)，將系統(tǒng)與燃?xì)饧訜岬姆绞较嘟Y(jié)合，并考慮氣體預(yù)處理、供氣、儲存、控制及消防等方面，從而進(jìn)一步推進(jìn)熱聲天然氣液化裝置的實(shí)用化進(jìn)程。