发明新型热声制冷技术

2015-12-03 11:43　来源：中国科学报　

中科院理化所在天然气液化用热声制冷技术方面获得最新进展。相关成果日前发表于《应用物理学快报》。

据了解，完全无运动部件的热声制冷技术因具有可靠性高、制作成本低、运行维护简单等优点而受到国际制冷与低温界的重视。我国具有大量分散的煤层气、页岩气和油田伴生气等非常规天然气资源，迫切需要开发不消耗电能、可靠性高、维护方便的中小型天然气液化技术。

近期，中科院理化所罗二仓课题组提出了一种完全无运动的新型热声制冷技术。它采用热能驱动而不是电能，就可达到制冷或液化效果。该技术通过多个功能相同的热声发动机单元和脉管型热声制冷单元构成一个行波热声回路，实现了热声发动机的高效行波转换和声功的高效行波传输。

研究人员对新的热声制冷系统进行了优化设计，并在天然气液化温区进行实验验证。结果表明，新系统实现了制冷效率的大幅提升，较目前国际同温区最好的热声技术提高35%以上。同时，系统紧凑性大大提高，谐振管的重量、尺寸不到传统技术的十分之一。

热声制冷技术 解析

热声制冷技术是一种利用声能产生制冷效应，基于热声效应的一种对环境无污染的制冷技术。

2.1工作原理 热声效应通俗一点就是热能与声能的相互转换。从声学讲就是处于声场中的固体介质与震荡流体间的相互作用，结果导致在距固体壁面一定范围内产生沿着声传播方向（或逆向）的时均热流和时均功流。按能量转换方式不同可以分为两类：一是用热来产生声，即热驱动声震荡；二是用声驱动热量传输，即热声制冷效应[5] 。主要应用在热声制冷机和热声发动机方面，本文主要介绍前者。

2.2优点 一是制冷系统的压缩机是没有运动部件的，这样就消除了机内的磨损与振动，使得制冷机性能可靠、寿命延长；二是驱动热源为太阳能、燃气等，适用能提供热源但是缺少电能的地区；三是采用低品位的热源能提高系统的热力学效率；四是采用N2和He绿色工质，减少氟利昂对臭氧层的破坏。

2.3研究热点 目前热声制冷技术的研究热点主要体现在一下五个方面：一是热声理论的研究，主要是在非线性理论方面，因为很多现象线性理论研究出现偏差：二是制冷工质的研究，氦由于其低密度，粘度和高导热系数被认为是最理想的制冷工质，其实采用氦和H2或N2等双原子气体混合物工质可以提高制冷机整体性能，氦和其他气体混合物会降低系统系能；三是回热器的研究，针对热声制冷机的核心部件回热器，采用吸附剂代替金属网格或金属片作为回热器填料效果更佳；四是热声转换效率的研究，目前大多数热声机都采用驻波工作方式，是等温或绝热的不可逆循环，需要很高的热源温度，很难利用低品位的热源，有关研究表明采用行波的工作方式是可逆循环，理论上可以提高热声转换效率，针对这个有科学家提出调节声场，在驻波型的回路上增加一直流的回路方案，减少换热器的外部不可逆循环 。

2.4目前出现的新技术 主要有太阳能热声制冷技术。但是以太阳能驱动的热声制冷机难点在于热声发动机的加热器在高温下工作，可以提高发动机效率，但这样对加热器中的材料提出了更高的要求，低热阻的铜不能满足。目前提出直接采用太阳能加热从而取消发动机部分的加热器方案，采用RVC作为回热器的材料，这是由RVC耐高温且其具有的随机分布的纤维结构，使得光不能直接穿透的特性决定。现在太阳能热声制冷机的研究热点是利用更大的太阳能集热器来增加可供利用的太阳能，以及改进换热器的设计和绝热，在太阳能比较丰富而电能缺乏的地区有很大利用价值，也可以缓解目前紧张的能源危机。另一主要技术是热声驱动的脉管制冷技术，利用燃烧天然气作为热源的热声发电机，来驱动脉管制冷机。目前正在开发利用行波发动机来驱动脉管制冷机的装置。

2.5应用  针对热声制冷的上述特点可以在航天技术、国防军工等高新技术领域获得应用，也可以在天然气液化的新能源的开发应用，研究利用少部分的天然气作为热动力液化大部分的天然气等，也将推动空调制冷技术，低温电子冷却技术的发展。而热声制冷装置，即热声制冷机等也将应用在冰淇林机、饮水机、家用冰箱、空调机、空气除湿器、计算机微处理器等小型或微型装置中，所存在的巨大应用市场可以看见。