同軸行波熱聲制冷機(jī)性能實(shí)驗(yàn)

李山峰 余 波 羅二倉(cāng) 戴 巍

(1中國(guó)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北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京 100074)

1 引 言

熱聲制冷具有諸多優(yōu)點(diǎn):其一、使用工質(zhì)為惰性氣體，既不會(huì)破壞臭氧層又不會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，因而完全環(huán)保;其二、低溫下沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，消除了振動(dòng)，因而具有很高的可靠性。而工作于室溫溫區(qū)的行波熱聲制冷機(jī)在低溫端輸出冷量后尚存在極大的膨脹功，通過(guò)反饋管對(duì)這部分聲功進(jìn)行回收利用，因而具有潛在的高效率，本研究小組于2004年研制了1臺(tái)室溫溫區(qū)的行波熱聲制冷機(jī)，該制冷機(jī)將反饋管(慣性管)彎曲，與熱緩沖管、冷端換熱器、回?zé)崞?、水冷器以及聲容腔一起組成回路，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。研究結(jié)果表明室溫溫區(qū)的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)COP已經(jīng)可以跟傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷相媲美［1］。然而該樣機(jī)采用的是U型環(huán)路布置結(jié)構(gòu)，離實(shí)用化還有很長(zhǎng)一段距離，基于該原因開(kāi)展了本研究工作，希望能夠在保證效率的前提下，獲得結(jié)構(gòu)更加緊湊的行波熱聲制冷機(jī)。

圖1 行波熱聲制冷機(jī)示意圖Fig.1 Schematic draw of TWTAR

2 實(shí)驗(yàn)及測(cè)量裝置

基于線性熱聲理論計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了1臺(tái)同軸行波熱聲制冷機(jī)。它包括慣性管(反饋管)、容性腔、水冷器、回?zé)崞鳌⒗涠藫Q熱器、熱緩沖管、彈性膜(用于抑制Gedeon聲流)以及真空罩。裝置剖面圖和實(shí)物圖照片如圖2和3所示。

圖2 同軸行波熱聲制冷機(jī)剖面圖Fig.2 Sectional drawing of coaxial TWTAR

圖3 同軸行波熱聲制冷機(jī)實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Picture of coaxial TWTAR

反饋管，因其將經(jīng)過(guò)冷端換熱器之后的聲功進(jìn)行回收而得名，它的存在使得冷端換熱器出口的聲功得到利用，從另外一個(gè)角度來(lái)看，它為制冷機(jī)回路提供了合適的慣性，使得回?zé)崞鞴ぷ髟谛胁ǔ煞譃橹鞯穆晥?chǎng)中，因而又被成為慣性管。該實(shí)驗(yàn)裝置中慣性管主體部分長(zhǎng)120 mm、內(nèi)徑29 mm，前后都存在一段過(guò)渡截面，以減少截面突變帶來(lái)的能量損失。容性腔為系統(tǒng)提供合適的容抗，其尺寸為內(nèi)徑150 mm，長(zhǎng)220 mm。在該腔體內(nèi)速度較小的位置安裝有彈性膜，彈性膜用來(lái)抑制Gedeon聲流的產(chǎn)生。水冷器為行波熱聲制冷機(jī)中的室溫?fù)Q熱器，將冷端泵送過(guò)來(lái)的熱量通過(guò)冷卻水帶走，該換熱器內(nèi)部為紫銅換熱器，是板翅式換熱器的一種，內(nèi)徑100 mm、長(zhǎng)35 mm?；?zé)崞魇切胁崧曋评錂C(jī)的核心部件，實(shí)現(xiàn)泵送熱量的功能，它采用120目不銹鋼絲網(wǎng)填壓制作而成，內(nèi)徑100 mm、長(zhǎng)40 mm。冷端換熱器同樣是板翅式換熱器，內(nèi)徑100 mm、長(zhǎng)30 mm，內(nèi)部插入10根加熱棒，用于測(cè)量制冷量。理想的熱緩沖管中的氣體起一個(gè)氣體活塞(略微可壓)的作用，將壓力和速度波動(dòng)從一端傳遞到另一端，同時(shí)也使得管兩端熱絕緣。但由于管內(nèi)可能存在的Rayleigh聲流會(huì)將焓從一段輸運(yùn)到另外一端，增加了制冷機(jī)中冷端換熱器的負(fù)荷，尤其是大直徑的熱緩沖管更容易出現(xiàn)這樣的聲流，因此該制冷機(jī)將熱緩沖管分布成10根內(nèi)徑29 mm、長(zhǎng)410 mm左右的圓管。真空罩采用有機(jī)玻璃制成，采用真空泵維持內(nèi)部動(dòng)真空。

制冷機(jī)冷頭壁面溫度采用薄膜鉑電阻溫度傳感器測(cè)量，其誤差為±0.1 K，溫度計(jì)使用四線制，采用Lakeshore公司生產(chǎn)的恒流源供電。測(cè)量獲得的電壓信號(hào)通過(guò)NI公司的4351多通道掃描卡測(cè)量后由模塊化儀器平臺(tái)PXI進(jìn)行采集處理，從而獲得溫度值。壓力信號(hào)采用昆侖海岸壓阻式壓力變送器測(cè)量，量程為4 MPa，精度為0.25%，采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)8通道同步數(shù)據(jù)采集卡PXI4472輸入模塊化儀器平臺(tái)PXI進(jìn)行采集處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)快速Fourier變化可以得到壓力的幅值、相位以及振蕩頻率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

文中同軸行波熱聲制冷機(jī)使用行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)［3］，以 3.0 MPa 的氦氣為工質(zhì)，為了單獨(dú)研究制冷機(jī)多個(gè)參數(shù)對(duì)性能的影響，固定制冷機(jī)入口壓比((p0+p1)/(p0－p1)=1.075，p0表示平均壓力，p1表示一階波動(dòng)壓力幅值)，通過(guò)改變慣性管內(nèi)徑研究慣性管調(diào)相對(duì)制冷機(jī)性能的影響。對(duì)比使用彈性膜前后的制冷量，研究Gedeon聲流的存在對(duì)制冷機(jī)性能的影響。

3.1 典型的制冷性能曲線

圖4為制冷機(jī)典型的制冷性能曲線，圖中兩條曲線分別為制冷機(jī)冷頭同一截面對(duì)稱(chēng)位置的壁面溫度。從圖中可以看出，剛開(kāi)始制冷機(jī)冷頭溫度急劇下降，一直降到最低溫－72.6℃時(shí)穩(wěn)定，在冷頭溫度為－60℃、－40℃、－20℃以及0℃時(shí)，制冷機(jī)分別獲得32.8 W、85.8 W、143 W 以及199.4 W 制冷量。圖中，一些制冷量對(duì)應(yīng)的溫度線上，在達(dá)到穩(wěn)定前都出現(xiàn)了一個(gè)小的峰值，這是因?yàn)榧涌鞂?shí)驗(yàn)進(jìn)程，從一個(gè)制冷量到另外一個(gè)制冷量時(shí)，往往先將電功率加得預(yù)期值多一點(diǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)制冷溫度時(shí)再減小到所需測(cè)的制冷量引起的。而峰值之后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低谷，這是發(fā)動(dòng)機(jī)熱端溫度沒(méi)有穩(wěn)定，制冷機(jī)入口壓比高于設(shè)定值，尚未穩(wěn)定，因而冷頭溫度會(huì)短時(shí)間內(nèi)低于設(shè)定溫度。隨著時(shí)間的推移，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端溫度逐漸穩(wěn)定，制冷機(jī)入口壓比也逐漸降低區(qū)域平穩(wěn)，從而使得冷頭溫度逐漸穩(wěn)定。

3.2 慣性管調(diào)相

對(duì)于行波熱機(jī)來(lái)說(shuō)，相位非常重要，一般來(lái)說(shuō)，制冷機(jī)回?zé)崞鞴ぷ髟趬毫Σㄅc速度相位差為0°左右，其熱聲轉(zhuǎn)化效率最高，但是對(duì)于整機(jī)來(lái)說(shuō)，由于還存在其它部件的一些損耗，其效率并不一定最高，需要通過(guò)優(yōu)化計(jì)算來(lái)獲取最佳值。但對(duì)于環(huán)路來(lái)說(shuō)，由于一些不可預(yù)計(jì)的損失，往往使得實(shí)際值與設(shè)計(jì)值有所偏差，因而需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行調(diào)節(jié)，使效率達(dá)到最大值。在本系統(tǒng)中，由于熱緩沖管已經(jīng)固定，而慣性管則比較容易調(diào)節(jié)，因而采取調(diào)節(jié)慣性管的尺寸來(lái)獲取最大值。

圖5為不同溫度下制冷機(jī)的制冷量隨慣性管內(nèi)徑變化曲線。從圖中可以看出，在慣性管內(nèi)徑從29 mm變化到40 mm之間，制冷機(jī)的制冷量先增大后減小，最大值出現(xiàn)在35 mm。冷頭溫度Tc=－40℃時(shí)，制冷量極大值為106.86 W，對(duì)應(yīng)COP為0.89;Tc=－20℃時(shí)，制冷量為166.6 W，對(duì)應(yīng)COP為1.65;Tc=0℃時(shí)，制冷量為222 W，對(duì)應(yīng)COP為2.74，其中COP通過(guò)實(shí)際制冷量除以制冷機(jī)入口聲功獲得，由于入口聲功難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得，因此使用計(jì)算值替代。

圖4 典型的制冷性能曲線Fig.4 Typical curve of performance of refrigerator

圖5 不同溫度下制冷量隨慣性管內(nèi)徑變化曲線圖Fig.5 Cooling power vs inner diameter of inertance tube

3.3 Gedeon聲流的影響

Gedeon聲流是一種時(shí)均質(zhì)量流，它普遍存在于具有回路結(jié)構(gòu)的熱聲系統(tǒng)中。該聲流以時(shí)均對(duì)流焓的形式將熱量從熱端帶到冷端，給冷端換熱器增加了一個(gè)無(wú)用的熱負(fù)荷。為了防止這種情況發(fā)生，時(shí)均質(zhì)量流通過(guò)回?zé)崞骶蛻?yīng)該接近0。

根據(jù)密度與體積流的關(guān)系，忽略二階以上的小量，得到時(shí)均質(zhì)量、U1分別為一階密度和體積流率，ρm為平均密度，U2，0為二階體積流率。而在回?zé)崞魍ㄟ^(guò)回?zé)崞鞯穆暪α鳎?］?？芍ú坏扔?0，從而要求:了保證回?zé)崞鲀?nèi)部滿(mǎn)足該要求，必須在環(huán)路中提供壓差Δp20，而回?zé)崞髯陨硪驗(yàn)檎承援a(chǎn)生的壓差通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該值，因而需要附加的物理效應(yīng)或者在環(huán)路上添加結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生足夠的壓差。文中制冷機(jī)使用彈性膜來(lái)人為產(chǎn)生壓差，從而消除Gedeon聲流(另一種方法是使用噴射泵［2］)。因而通過(guò)對(duì)比使用彈性膜前后制冷機(jī)的性能可以分析Gedeon聲流的存在對(duì)制冷機(jī)性能的影響。

圖6為使用35 mm內(nèi)徑的慣性管調(diào)相時(shí)，Gedeon聲流的存在對(duì)制冷機(jī)性能的影響，從圖中可以看出:冷頭溫度為0℃時(shí)，Gedeon聲流造成了25.3 W的冷量損失，制冷量下降了11.4%。隨著冷頭溫度的降低，Gedeon聲流導(dǎo)致的冷量損失增大，冷頭溫度為－20℃時(shí)，Gedeon聲流造成了79.4 W的冷量損失，制冷量下降了47.66%，在冷頭溫度為－35℃左右時(shí)，共有120 W左右的冷量全部損失，冷頭溫度無(wú)法繼續(xù)降低，Gedeon聲流的存在使得制冷機(jī)最低溫度由－73℃變?yōu)椋?5℃，極大地惡化了制冷機(jī)的性能。分析其原因:由于回?zé)崞鲀?nèi)時(shí)均質(zhì)量流=，在制冷機(jī)入口壓比不變的前提下，隨著冷頭溫度的降低，回?zé)崞鲀?nèi)溫度梯度增大，通過(guò)回?zé)崞鞯穆暪α髟龃?，因?ρm/pm增大，而未采用人為手段抑制 Gedeon聲流時(shí)，U2，0主要由回?zé)崞髯陨碚承援a(chǎn)生的壓差驅(qū)動(dòng)，該值基本不變，因而ρmU2，0基本不變。因此在入口壓比不變、Gedeon聲流未抑制時(shí)，隨著冷頭溫度的降低，回?zé)崞鲀?nèi)時(shí)均質(zhì)量流增大，制冷機(jī)冷頭的冷量損失將增大。

圖6 Gedeon聲流對(duì)制冷機(jī)性能的影響Fig.6 Influence of Gedeon streaming on peformance of refrigerator

4 結(jié) 論

基于線性熱聲理論計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了1臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊的同軸行般熱聲制冷機(jī)。采用行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作頻率在57 Hz左右，以平均壓力3.0 MPa的氦氣為工作介質(zhì)，固定制冷機(jī)入口壓比為1.075的前提下，研究制冷機(jī)的性能。通過(guò)改變慣性管內(nèi)徑，研究調(diào)相作用對(duì)制冷機(jī)性能的影響，制冷量隨著慣性?xún)?nèi)徑的增大先增大后減小，最大值出現(xiàn)在35 mm。冷頭溫度Tc=－40℃時(shí)，制冷量極大值是106.86 W，對(duì)應(yīng)COP為0.89;Tc=－20℃時(shí)，制冷量極大值是166.6 W，對(duì)應(yīng)COP為1.65;Tc=0℃時(shí)，制冷量極大值是222 W，對(duì)應(yīng)COP為2.74。通過(guò)對(duì)比使用彈性膜前后制冷機(jī)冷量的變化，研究Gedeon聲流對(duì)制冷機(jī)性能的影響。冷頭溫度為0℃時(shí)，Gedeon使制冷量下降11.4%。隨著冷頭溫度的降低，損失增大，冷頭溫度為 －20℃時(shí)，Gedeon聲流使制冷量下降47.66%。Gedeon聲流的存在使得制冷機(jī)最低溫度由－73℃變?yōu)椋?5℃，極大地惡化了制冷機(jī)的性能。

1 Luo E C，Dai W，Zhang Y，et al.Thermoacoustically driven refrigerator with double thermoacoustic-Stirling cycles［J］.Applied Physics Letters，2006，88(7):074102.

2 Swift G W.Thermoacoustic engines［J］.Journal of the Acoustic Society of America，1988，84(4):1145-1180.

3 Luo E C，Ling H，Dai W，et al.A high pressure ratio，energy-focused thermoacoustic heat engine with a tapered resonator［J］.Chinese Sci.Bull.，2005，50:284-286.