近日，中国科学院理化技术研究所(理化所)科研团队研究提出一类新型高效热声制冷机的流程设计方案，利用该方案开发的热驱动热声制冷机，其能效比远超同类型系统，可媲美部分双效吸收式制冷系统，从而推动新一代制冷技术——热声制冷技术的产业化进程迈出关键一步。

（注：声波在空气中传播时会产生压力及位移的波动，也会引起温度的波动。当声波所引起的压力、位移及温度的波动与一固体边界相作用时，就会发生明显的声波能量与热能的转换，这就是热声效应。）

这项热驱动热声空调制冷研究重要突破，由中国科学院理化技术研究所低温与制冷研究中心罗二仓团队完成，两篇相关成果论文近日分别在国际专业学术期刊《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)、《应用物理学快报》(Applied Physics Letters)上发表。

新型热驱动热声制冷系统及其实验样机性能。

来源：中国科学院理化技术研究所

热驱动热声制冷机采用一种新兴的制冷技术制造，它基于气体工质的交变流动与邻近固体壁面之间的热相互作用(热声效应)而工作。其中，热声发动机利用温差产生声波传递机械功，而热声制冷机则消耗声功产生温差和泵热，即制冷效应。

热声制冷技术一般采用惰性气体工质，因为没有机械运动部件或运动部件少，具有工质环保、可靠性高以及紧凑等优点，被认为是一种具有巨大应用前景的新一代制冷技术。

截至目前，世界上已知室温温区的热驱动热声制冷机的效率仍然较低，在空调制冷温区的性能系数(COP，定位为制冷量与输入的高温加热量之比)通常不超过0.5，低于商业化吸收式制冷技术的性能系数，提高热驱动热声制冷系统的COP是当前实现其产业化应用的重大科技难题。

为攻克这一难题，研究团队从多场协同的原理出发，首次揭示了高效热驱动热声制冷系统中声场、温度场以及能流场互相耦合及最佳匹配工作机制，在此基础上提出了新型的热驱动热声制冷工作流程，使得发动机和制冷机不仅实现高效的行波声场转换，而且实现不同热源温度下发动机中声功产生与制冷机中声功消耗的理想匹配，进而大幅度提高系统的整机热制冷COP。

在本项研究的实验中，采用氦气作为工质时，当热源温度为450℃时，在标准空调制冷工况下(环境温度35℃，制冷温度7℃)获得的COP达到1.12，制冷功率为2.53千瓦。在相近的工况下，该COP是以往报道的同类型样机最高水平的2.7倍，并超过现有吸附式和单效吸收式制冷技术的水平，可媲美部分双效吸收式制冷系统。

此次研究的理论预测表明，当热源温度进一步提升至燃气燃烧的温度时(约700℃)，采用他们设计方案的系统，可获得超越直燃型双效吸收式制冷系统的COP(1.5以上)。

研究团队还发现，采用比氦气更经济的氮气作为工质时，在标准空调制冷工况下他们方案系统实验的COP可达0.49，且展示出与氦气作为工质时不同的工作特性。此外，数值计算结果表明，如果对该系统结构尤其是回热器填料进行优化改进后，其COP还可大幅提升。

热驱动热声制冷技术的原理

按照能量转换方向的不同,热声效应可分为两类:1)用热能来产生声波,即热致声效应,通常发生在热声发动机内部;2) 用声能来产生制冷效应,即声致冷效应,通常发生在热声制冷机内部。

热致声效应

热声发动机热致声效应及内部气体微团

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。

如上图所示,在热声发动机回热器内,每一气体微团进行压缩、放热、膨胀以及吸热等完整的热致声动力循环过程:1) 气体微团向高温侧运动同时被压缩,压力增大;2)气体微团温度低于回热器温度进而从回热器吸热,压力和温度均达到最大,体积达到最大压缩;3)气体微团向室温端运动,同时体积膨胀对外做功,压力减小;4) 气体微团对回热器放热,压力和温度均达到最小,体积达到最大膨胀。

众多气体微团彼此经过接力式的热量传输及协同作用,一步一步地将热端换热器输入的热量转换为声功,不能转换的热量则通过室温换热器排向环境热源。

热致声现象的最早发现可以追溯至 200 多年前。1777 年,B. Higgins 发现在两端开口中空管子的某些位置中放入可燃性气体的火焰,管中会激发出声音,即“歌焰现象” 。这是热致声效应的首次发现,类似的现象在高烟囱、炉膛中以及快速飞行的导弹中也可以观察到。

热驱动热声制冷系统工作温跨大,可实现液氢至室温温区(20~300K) 下不同的制冷需求,在液化天然气、室温制冷、余热/冷回收、多能联供、太阳能利用、深冷制冷等领域具有广阔的应用前景。

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。

声致冷效应

声波是一种压缩-膨胀波,可以与固体介质作用发生吸热和放热效应。在一定的条件下,声波可以将低于环境温度的热量向环境泵热而形成声致冷循环(逆循环),即声致冷效应。图 2 所示为热声制冷机示意图,主要由室温换热器、回热器和冷端换热器组成。图中声功自左至右传播并消耗,回热器中热量由冷端换热器侧泵送到室温换热器侧,从而在冷端换热器侧实现制冷。 

热声制冷机声致冷效应及内部气体微团

如上图所示,在热声制冷机内,每一气体微团经历压缩、放热、膨胀以及吸热等完整的声致冷循环过程:1) 气体微团向室温侧运动,温度升高,压力增大;2) 气体微团温度高于回热器温度,对回热器放热;3) 气体微团向低温侧运动,温度降低,压力减小;4)气体微团温度低于回热器温度,从回热器吸热。通过声功的消耗,众多气体微团彼此经过接力式的热量传输,逐步将热量从回热器的低温端转移至高温端,从而实现制冷功能。同样地,制冷机回热器内气体微团将经历两个等温过程和两个等压过程,与斯特林循环存在本质区别。

声致冷效应的发现相比热致声效应晚了近两百年。1975 年,P. Merkli 等在存在交变压力波的驻波谐振管中部发现了温度下降的现象,这是历史上首次发现明显的声致冷现象。

热驱动热声制冷技术

综上可知,热声发动机内气体产生自激的压力振荡,热能被转换为声能形式的机械能,而热声制冷机中,声功被消耗将热量从回热器低温端搬运至高温端。热驱动热声制冷技术正是结合了这两种不同的热声效应:利用热声发动机中产生的声能(热致声效应)驱动热声制冷机进行制冷(声致冷效应),从而实现热能-声能-冷能的能量转换(热致声致冷)。 

热驱动热声制冷机示意图

上图所示为热驱动热声制冷系统示意图,它由热声发动机、热声制冷机及调相机构组成。该系统是一个自激振荡系统,热声制冷机不仅消耗发动机声功以产生制冷效应,而且还为热声发动机提供所需的体积流量和相位,因此热声发动机与热声制冷机间需要存在声阻抗耦合匹配。不适合的声阻抗耦合会使制冷性能严重下降,甚至系统不工作。

因此,调相机构主要用于调节热声发动机和热声制冷机之间的声阻抗,使两者同时在各自合适的声场下工作,从而提升整机的制冷效率。常见的调相机构包括声容性的空腔、声感性的固体活塞、细长的管道以及液体活塞等。

热驱动热声制冷技术的重要性

随着科技不断发展，制冷技术已经渗入到航天、能源、环境、医疗和工农业等众多领域,成为推动社会生活和科学发展不可或缺的支柱力量。目前,制冷技术不仅在空气调节、食品储存保鲜、冷冻医疗、工农业低温处理、微电子冷却及深空探测器等方面显示出重要作用,而且对“联合国可持续发展目标”中大多数目标的实现也至关重要。

美国能源信息署发布的国际能源展望报告指出,目前制冷能耗已经占据全球建筑能源消耗的 40%以及全球电能总消耗的 17%。考虑到未来人口增长、收入增加、全球变暖和城市化等因素,预计全球对制冷的需求还将迅速增加。

然而,目前传统蒸气压缩制冷技术通常采用氢氟碳化合物( HFCs) 替代破坏臭氧层制冷剂,HFCs 具有高全球变暖潜值( Global Warming Potential,GWP),GWP 是 CO2 的几千倍,任何泄漏都会对温室效应产生显著影响。因此,推动实现环保和气候友好型制冷转型对全球气候和可持续发展有着至关重要的影响。

《蒙特利尔议定书》基加利修正案规定在未来30 年将氢氟碳化合物和高 GWP 制冷剂的生产和用量减少 80%。联合国环境规划署和国际能源署呼吁,如果全球采取协调一致的行动推动实现气候友好型制冷转型,未来 40 年将避免多达 4600 亿t 温室气体的排放。

热驱动热声制冷因其独特的优势成为一种气候友好、可靠且极具应用前景的新型绿色制冷技术。

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