行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

陳 茂 巨永林

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

溫室效應(yīng)和臭氧層破壞成為全球性問題，尋找高效、對(duì)環(huán)境友好的熱機(jī)成為迫切的需求[1]，在過去的三十年里，熱聲學(xué)成為該領(lǐng)域探究的重點(diǎn)之一。以熱聲效應(yīng)為基礎(chǔ)的熱聲機(jī)械，無運(yùn)動(dòng)部件，使用低品位熱源，用氮?dú)饣蚝庾鳛楣べ|(zhì)，具有可靠性和穩(wěn)定性高，可實(shí)現(xiàn)廢熱再利用及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用前景十分廣闊。從聲學(xué)角度講，熱聲效應(yīng)是由于聲場(chǎng)中的固體介質(zhì)與振蕩流體之間的相互作用，使得距固體壁面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生沿著或逆著聲傳播方向的時(shí)均熱流和時(shí)均功流[2]。按能量轉(zhuǎn)換方向的不同，熱聲效應(yīng)可分為熱能產(chǎn)生聲功、聲功產(chǎn)生熱能兩類。前者為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)(亦稱熱聲驅(qū)動(dòng)器或熱聲壓縮機(jī))，后者為熱聲制冷機(jī)或熱聲熱泵。按照熱聲板疊或回?zé)崞魉幝晥?chǎng)的類型，熱聲機(jī)械又可分為駐波型熱聲機(jī)械和行波型熱聲機(jī)械。

從二十世紀(jì)八十年代到二十世紀(jì)末，人們?cè)跓崧暦矫娴年P(guān)注主要集中在駐波型熱聲機(jī)械上[3-8]。駐波中壓力與速度的相位差接近90°，駐波發(fā)動(dòng)機(jī)只能依靠不可逆的傳熱過程來實(shí)現(xiàn)熱向聲功的轉(zhuǎn)換，限制了駐波發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。而行波中壓力與速度的相位一致，回?zé)崞髦邪l(fā)生的是類似Stirling熱機(jī)的熱力循環(huán)，本征可逆使得行波發(fā)動(dòng)機(jī)理論上能達(dá)到卡諾循環(huán)的效率[9]。駐波熱機(jī)的研究較行波熱機(jī)的研究要早，理論上相對(duì)成熟，但由于行波發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)在可逆的優(yōu)勢(shì)，目前很多研究單位已逐漸把行波熱機(jī)作為研究的重點(diǎn)。

文章介紹了近十年來行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展與典型樣機(jī)，并對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)作了分析與總結(jié)，最后展望了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

1 研究進(jìn)展與典型樣機(jī)介紹

1979年，Ceperley意識(shí)到Stirling機(jī)回?zé)崞髦泄べ|(zhì)振蕩過程中壓力與速度的相位同行波的相位是一致的，以此為基礎(chǔ)提出了行波型熱聲機(jī)械的概念[9]，為提高熱聲機(jī)械的效率提供了新的思路。

1998年，Yazaki等首先實(shí)現(xiàn)了這一類型的驅(qū)動(dòng)器，在回路中觀察到行波形式的自發(fā)氣體振蕩[10]，但效率很低，以一個(gè)大氣壓的氣體為工質(zhì)時(shí)的壓比僅為1.02，主要是由于低聲阻抗導(dǎo)致高速時(shí)的粘性損失所致。

1999年，美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室Backhaus和Swift成功研制了一臺(tái)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)[11-12]，由環(huán)路和一段諧振管直路構(gòu)成，見圖1所示。這是Ceperley的設(shè)想和現(xiàn)代熱聲理論結(jié)合的成果。表1列出各主要部件的結(jié)構(gòu)及功能。

圖1 Los Alamos實(shí)驗(yàn)室的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.1 The traveling-wave thermoacoustic heat engine in Los Alamos National laboratory

表1 Los Alamos實(shí)驗(yàn)室的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件及功能Tab.1 Main components and their functions of the traveling-wave thermoacoustic heat engines in Los Alamos National laboratory

該行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的熱聲轉(zhuǎn)換效率高達(dá)30%，相對(duì)卡諾效率41%，比當(dāng)時(shí)的駐波發(fā)動(dòng)機(jī)高出50%，可以同內(nèi)燃機(jī)(0.25～0.40)和活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(0.20～0.38)[13]相媲美。

這主要?dú)w功于：1) 回?zé)崞魈幱谛胁ㄏ辔弧?)引入駐波支路，明顯增加回?zé)崞髀曌杩?，降低速度振幅，減少粘性耗散。3) 采用噴射泵和帶錐度的熱緩沖管抑制Gedeon流和Rayleigh流。將行波和駐波兩種波形巧妙結(jié)合是提高熱聲效率的有效方法，因此行波-駐波混合熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，簡稱行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

2002年后，Yazaki和Ueda等在測(cè)量行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)聲場(chǎng)的基礎(chǔ)上，相繼提出熱聲回路中存在合適的位置點(diǎn)放置第二回?zé)崞?，形成熱聲制冷機(jī)[14-16]。

2003年，Gardner和Swift等考慮到帶有環(huán)路的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)制約發(fā)動(dòng)機(jī)性能的直流[12,17]，提出級(jí)聯(lián)式熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)想[18]，利用駐波和行波各有的特性，免除環(huán)路的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)行波相位，即利用駐波發(fā)動(dòng)機(jī)作為級(jí)聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)的初級(jí)，取代原行波發(fā)動(dòng)機(jī)的反饋端，成為直線形的發(fā)動(dòng)機(jī)。圖2是級(jí)聯(lián)式發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。

圖2 級(jí)聯(lián)式發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖Fig.2 Schematic of the cascade thermoacoustic heat engine

2004年，Sugita等在行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)上引入固體排出器[19]作為諧振器，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊。他們?cè)诨責(zé)崞骼涠擞镁€性壓縮機(jī)提供壓力波，熱端安置聲功接收裝置，當(dāng)回?zé)崞骼錈岫藴囟确謩e達(dá)到355K和576K時(shí)，輸入聲功和接收聲功分別為6.68W和10.61W，聲功放大率為1.6。

荷蘭能源研究中心Tijani等[20]在2008年也設(shè)計(jì)了一臺(tái)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，諧振管由漸擴(kuò)管、等直徑管、漸擴(kuò)管、等直徑管四段構(gòu)成，見圖3所示。裝置產(chǎn)生190W的聲功，轉(zhuǎn)換效率22.5%，相對(duì)卡諾效率36%，壓比1.153。

圖3 Tijani等設(shè)計(jì)的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.3 The thermoacoustic heat engine designed by Tijani et al.

總地來說，國外在熱聲方面的研究較國內(nèi)起步早。但近十年來，國內(nèi)一些高校和研究所紛紛開始熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)或制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)方面的研究工作，其中，中科院理化所和浙江大學(xué)制冷研究所在這方面開展了大量工作，并取得了出色的成績。

2000年，中科院劉海東、羅二倉等研制了一臺(tái)半波長的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，分別以氮?dú)夂秃庾鞴べ|(zhì)，觀察到了頻率跳變現(xiàn)象[21-23]，以氦氣作工質(zhì)，壓力1.56MPa，熱端氣體溫度615℃時(shí)得到壓比1.083。2002年，他們還研制成同軸型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)[24]。2005年在CFD數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上提出了采用錐形諧振管的新改進(jìn)，研制了“聚能型發(fā)動(dòng)機(jī)”，見圖4所示。該裝置能抑制非線性波的產(chǎn)生，減少粘性耗散，使得熱聲轉(zhuǎn)換集中于基頻模式，提高整個(gè)系統(tǒng)的共振品質(zhì)因子，可以明顯提高壓比到1.3[25-26]。

2006年，羅二倉、于國瑤等又對(duì)上述“聚能型發(fā)動(dòng)機(jī)”諧振管的長度和錐度進(jìn)行了改進(jìn)[27]，壓比達(dá)到1.4以上，而且起振溫度只有73℃，便于利用低品位熱能。

圖4 羅二倉等人的聚能型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)Fig.4 The energy-focused thermoacoustic heat engine designed by Luo Ercang et al.

浙江大學(xué)在行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)方面開展的研究也較深入。2000年，邱利民等研制的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，充氣壓力2.0MPa，加熱功率4kW，壓比達(dá)到1.19[28]。2005年，通過采取措施抑制Gedeon直流，以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，在1.56MPa的工作壓力下最大壓比達(dá)到1.302[29]，同年還通過外加壓力擾動(dòng)的方法降低了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的起振溫度，為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)采用低品位熱能提供了啟發(fā)[30]。2007年孫大明等提出在發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)置兩處R-C負(fù)載，可以增加聲功輸出，提高火用效率[31]。邱利民、孫大明等還提出雙向驅(qū)動(dòng)行波發(fā)動(dòng)機(jī)、帶旁通的行波發(fā)動(dòng)機(jī)、用多個(gè)諧振管增大聲功等做法[32-34]。另外，金滔等也早在2001年成功自主研制了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)[35]，以氮?dú)夂秃庾龉べ|(zhì)，分別獲得了66Hz和23Hz的振蕩，之后還進(jìn)行了相關(guān)性能分析[36]。2007年還考察了環(huán)路直流抑制裝置-膜片對(duì)系統(tǒng)起振和消振溫度的影響[37]，發(fā)現(xiàn)膜片的位置靠近主冷器冷端時(shí)，在較高壓力下可獲得較低的起振溫度和更優(yōu)的壓比。

另外，華中科技大學(xué)[38-40]、東南大學(xué)[41]、北京航空航天大學(xué)[42]、西安交通大學(xué)[43]等研究單位也開展了相關(guān)工作。

2 性能參數(shù)

人們對(duì)熱聲機(jī)械關(guān)注的主要性能參數(shù)有頻率、壓比、起振溫度、轉(zhuǎn)換效率等。下面逐一簡單介紹。

2.1 頻率

現(xiàn)有的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸普遍較大，要實(shí)現(xiàn)幾十赫茲頻率，諧振管通常需要若干米。頻率除了與工作介質(zhì)有關(guān)外，一般還與系統(tǒng)的軸向尺寸關(guān)聯(lián)較大。采用氦氣做工質(zhì)時(shí)的頻率較用氮?dú)鈺r(shí)的要高。諧振管越長越細(xì)，頻率越低。

目前對(duì)于駐波和行波發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率，仍較多采用近似計(jì)算方法：

式中，f是諧振頻率，c是聲速，L是諧振管的長度，對(duì)于不帶諧振腔的近1/2波長聲學(xué)系統(tǒng), n取2；對(duì)于帶大諧振腔的近1/4波長聲學(xué)系統(tǒng), 取4。這種方法簡單，但缺乏足夠的精度，尤其對(duì)于小尺寸的系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)的整體尺寸變小后，徑向尺寸對(duì)頻率也有明顯影響[44-45]。胡劍英，凌虹等[45]曾通過傳輸矩陣計(jì)算熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率。

戴巍[46]也曾通過數(shù)值計(jì)算得到一系列頻率下的體積流速分布曲線，如果在體積流速節(jié)點(diǎn)處即封閉端，出現(xiàn)拐點(diǎn)，那么認(rèn)為此時(shí)的頻率是有效的。對(duì)于沒有明顯封閉端的系統(tǒng)，比如行波發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或更復(fù)雜的熱聲驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷雙環(huán)路系統(tǒng)，提出一種假想的帶封閉端短管，作為體積流速的節(jié)點(diǎn)邊界條件。根據(jù)文獻(xiàn)，他們的頻率計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值誤差在1%之內(nèi)，準(zhǔn)確性較高。

2.2 壓比

目前國內(nèi)外報(bào)道的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中，裝置本身壓比最高的為中科院于國瑤、羅二倉等報(bào)道的聚能型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，為1.40[27]，如果采用“聲學(xué)泵”[47]放大壓比，可以至1.47左右?！奥晫W(xué)泵”實(shí)際上是一段一端開口與行波發(fā)動(dòng)機(jī)壓力腹點(diǎn)區(qū)相連接、另一端封閉的空管子，見圖4中所示。其聲學(xué)原理是1/4波長系統(tǒng)的封閉端會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)高于開口端的壓比。雖然合適的聲學(xué)泵可以顯著放大壓比，便于與脈管制冷機(jī)等耦合，但目前還沒有實(shí)現(xiàn)聲學(xué)泵的優(yōu)化，管子的形狀、長度等會(huì)對(duì)壓比產(chǎn)生影響，基于線性理論的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍有很大的差距。2009年孫大明等在他們的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的環(huán)路上連接一種新型的亥姆霍茲諧振管[48]，見圖5所示，將壓比從1.22提高到1.49。該新型的亥姆霍茲諧振管與“聲學(xué)泵”類似，只是封閉端采用了諧振腔，諧振腔體積大，壓比放大效果在管子短時(shí)有一定優(yōu)勢(shì)，但在腔體體積一定改變管長的情況下所能達(dá)到的最大壓比放大效果不及長的不帶腔體的管子。

圖5 孫大明等提出的新型亥姆霍茲諧振管Fig.5 The novel Helmholtz resonator designed by Sun Daming et al

2.3 起振溫度

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵是在回?zé)崞鲀啥水a(chǎn)生足夠的溫度梯度，只有超過了臨界溫度梯度，系統(tǒng)才開始自激振蕩，此時(shí)回?zé)崞鲀啥说臏夭罴礊槠鹫駵夭?。一般熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)里，回?zé)崞骼涠私咏覝?。起振溫度即回?zé)崞鳠岫藴囟?，決定了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是否可以利用低品位熱源。目前，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度大多數(shù)還比較高，羅二倉等的聚能型發(fā)動(dòng)機(jī)[27]的起振溫度相對(duì)較低，只有73℃。準(zhǔn)確預(yù)算行波發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫差還是較為困難的。胡劍英、羅二倉等[49]曾在這方面進(jìn)行了理論探索，認(rèn)為回?zé)崞鳒囟染€性分布，利用回?zé)崞骼涠藴囟忍荻鹊贸稣麄€(gè)回?zé)崞魃系钠鹫駵夭睿?/p>

式(2)中的具體參數(shù)說明見文獻(xiàn)[49]。但在文獻(xiàn)[49]中沒有說明該起振溫差計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差距。盡可能降低起振溫度便于更廣范圍內(nèi)的低品位熱源得以利用，因此如何降低起振溫度仍然是一個(gè)重要的研究課題。

2.4 轉(zhuǎn)換效率

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)效率的定義主要有以下幾種：

1999年Backhaus和Swift等研制的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率30%至今仍然是較高的。據(jù)報(bào)道，羅二倉等的聚能型發(fā)動(dòng)機(jī)在加熱溫度達(dá)到650℃，熱聲效率也能達(dá)到30%[50]。近十年來，行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能在熱聲轉(zhuǎn)換效率方面，未有明顯發(fā)展，主要原因可能有：1)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)雖簡單，但在降低系統(tǒng)的功耗散、提高回?zé)崞鳠岫说臒崂?、減少漏熱等方面仍存在較大的困難；2)目前人們較多關(guān)心熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比、頻率、起振溫度等性能參數(shù)，因?yàn)闊崧暟l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)可以帶來高穩(wěn)定性的系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。3)不少學(xué)者仍然著重研究熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的機(jī)理等基礎(chǔ)問題。

表2歸納了典型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)。

表2 典型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)Tab.2 Main performance parameters for some representative traveling-wave thermoacoutic heat engines

3 發(fā)展趨勢(shì)

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)目前有大型化和微型化兩大發(fā)展趨勢(shì)。大型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)可用于液化天然氣等工業(yè)場(chǎng)合。圖6為美國行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)用于液化天然氣的樣機(jī)。將熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與脈管制冷機(jī)等耦合用于空間場(chǎng)合或低溫電子學(xué)器件等時(shí)，則需要發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸盡量小。微型化是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的另一個(gè)重要方向。大型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究較微型化發(fā)動(dòng)機(jī)要廣泛，前者的整體性能也要優(yōu)于后者。微型化后熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率較高，在與脈管制冷機(jī)等耦合時(shí)存在困難，在滿足驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)所需壓比的前提下，努力降低發(fā)動(dòng)機(jī)頻率十分關(guān)鍵。

圖6 行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)用于液化天然氣的樣機(jī)Fig.6 The prototype of the pulse tube refrigerator for liquefaction of natural gas, which is driven by the travelingwave thermoacoustic heat engine

已有不少學(xué)者研究駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的微型化。2004年，Symko等[51]研制了微型化的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和熱聲制冷機(jī)，頻率高達(dá)上千赫茲，面向冷卻微電子線路的應(yīng)用。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)利用微電子線路的散熱維持振動(dòng)，起振溫差只有25℃，顯著低于常規(guī)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫差，有望把起振溫差降到10℃。微型熱聲制冷機(jī)用擴(kuò)音器驅(qū)動(dòng)，能達(dá)到10℃的溫降，并有1W的制冷量。戴巍等[52]也研制出300Hz，可獲得80K以下溫區(qū)的微型熱聲驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)。但有關(guān)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的微型化研究相對(duì)欠缺，還需進(jìn)一步從理論中尋求指導(dǎo)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。不過也有學(xué)者成功設(shè)計(jì)了相對(duì)小的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。

中科院理化所李青和華中科技大學(xué)的研究人員2003年就設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型高頻的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)[53]，長142cm，環(huán)路高36cm，研究了起振模態(tài)，振蕩模態(tài)的穩(wěn)定性及模態(tài)間的轉(zhuǎn)換，諧振管的調(diào)相作用等。2006年李青等也提出了級(jí)聯(lián)式的高頻微型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)[54-55]，總長1.2m左右，獲得壓比1.1。同年，周剛、李青等又報(bào)道了一臺(tái)尺寸更小的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)[56]，諧振管直徑20mm，長只有0.35m，環(huán)路總長0.6m，氦氣作工質(zhì)，2MPa，加熱功率637W，壓比為1.116，是目前已見報(bào)道的最小行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)。他們根據(jù)線性熱聲理論和實(shí)驗(yàn)研究了小型發(fā)動(dòng)機(jī)聲場(chǎng)的分布，諧振管直徑對(duì)系統(tǒng)頻率、壓力振幅、起振溫度等的影響，認(rèn)為微型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)中的聲場(chǎng)不能簡單視為1/2波長或1/4波長的系統(tǒng)，頻率不能簡單用諧振管的長度來估計(jì)；如果縱向尺寸一定，合適的諧振管直徑對(duì)于降低頻率和起振溫度有利。

Matsubara和戴巍等提出采用對(duì)稱布置的由彈簧支撐的固體活塞代替諧振管和反饋回路慣性管，為行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的微型化提供了新思路[57]。

不管是大型化還是微型化都將對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)本身的設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化提出更高的要求，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合來合理設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

4 應(yīng)用前景

作為比駐波型熱機(jī)更為有效的行波型熱機(jī)，在工業(yè)、民用、航天軍事等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。按照耦合對(duì)象的不同，目前的應(yīng)用主要有兩大類。

4.1 驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可用來驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)和熱聲制冷機(jī)等，實(shí)現(xiàn)從驅(qū)動(dòng)源到冷端都沒有任何運(yùn)動(dòng)部件的熱聲系統(tǒng)，從根本上消除了常規(guī)機(jī)械制冷機(jī)存在的機(jī)械振動(dòng)和磨損問題，在天然氣、石油伴生氣液化分離、電子元件冷卻等方面具有廣闊的應(yīng)用。在美國，熱聲驅(qū)動(dòng)的低溫制冷機(jī)已經(jīng)開始用來液化天然氣，并已經(jīng)開始設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)天然氣液化器液化能力相當(dāng)?shù)拇笮蜔崧曇夯鱗58]。駐波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的脈管制冷機(jī)能夠燃燒30%～40%的天然氣來液化其余60%～70%的天然氣。而行波型熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的脈管制冷機(jī)可望達(dá)到燃燒15%的天然氣來液化其余85%的水平。中國學(xué)者在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)方面的研究已處于世界先進(jìn)水平。2005年戴巍、羅二倉等用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)達(dá)到68.8K的低溫[59]； 他們還用雙Stirling循環(huán)[60]，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)熱聲行波發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)室溫?zé)崧曅胁ㄖ评錂C(jī)，在平均壓力3.0MPa、頻率57.7Hz、輸入功率2.2kW的情況下，獲得-64.4℃的低溫，在-22.1℃時(shí)有250W的制冷量，在室溫家電制冷方面有發(fā)展?jié)摿?；后來他們又研制出“二介質(zhì)耦合聲學(xué)放大器”，不僅降低工作頻率，且提高壓比，與二級(jí)脈管制冷機(jī)耦合獲得了18.1K的最低溫度，突破了液氫溫度[61]。

圖7 雙環(huán)路耦合系統(tǒng)Fig.7 Thermoacoustically refrigerator with double thermoacoustic Stirling cycles

4.2 驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可以用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。2003年，Tward和Backhaus等[62]用一臺(tái)小型Stirling熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與線性交流發(fā)電機(jī)結(jié)合，以放射性同位素238Pu作為熱源，獲得百瓦級(jí)的電能。2004年，他們又報(bào)道了類似的空間熱聲裝置[63]，以0.18的熱電轉(zhuǎn)換效率獲得了39W的電功。2007年，羅二倉等[50]將聚能型發(fā)動(dòng)機(jī)用來驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)，也獲得了百瓦級(jí)的電能，成為目前國際上研制出行波熱聲發(fā)電原理樣機(jī)的兩家機(jī)構(gòu)之一。

由于熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)熱源的可選擇性豐富，因此熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，簡稱熱聲發(fā)電，可用于太陽能、余熱等低品位資源豐富但地理位置偏遠(yuǎn)的地方。熱聲發(fā)電技術(shù)雖然有著可使用低品位熱源的優(yōu)勢(shì)，但熱電效率與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比還有一定的差距，并且隨著水力、風(fēng)力、核能等新型發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，熱聲發(fā)電技術(shù)的民用發(fā)展必然要受到限制，但在太空探索等人類航天活動(dòng)中可以提供電動(dòng)力。

如前所說，本征可逆的行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可使用低品位熱源等傳統(tǒng)熱機(jī)沒有的特點(diǎn)，為其自身的發(fā)展帶來很多的優(yōu)勢(shì)，但目前還沒有能力替代傳統(tǒng)熱機(jī)，原因有幾點(diǎn)：1)盡管報(bào)道中少數(shù)高性能的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)效率可以與內(nèi)燃機(jī)，活塞式壓縮機(jī)等傳統(tǒng)機(jī)器相媲美，但熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的效率的整體水平仍然與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)、熱機(jī)等有著明顯的差距。2)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度、穩(wěn)定工作溫度仍然普遍較高，限制了廢熱利用，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室仍是采用電加熱方式來進(jìn)行研究。3)很多場(chǎng)合，如電子冷卻，太空開發(fā)等，需要微型化的熱聲裝置，而微型化仍處于初級(jí)階段，壓比、頻率等關(guān)鍵問題尚未解決。4)熱聲機(jī)理還沒有完全成熟，在很多問題，如相位等方面仍有分歧。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)要獲得長足的發(fā)展，還必須在理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合中進(jìn)一部深入研究。

5 結(jié)語

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是人們對(duì)自然現(xiàn)象長久[64]觀察累積研究的結(jié)晶，是“二十一世紀(jì)的綠色機(jī)械”。行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)由于其內(nèi)在熱力學(xué)可逆的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)顯示出更強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?，為人類的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。但目前熱聲機(jī)械還沒有進(jìn)入實(shí)用化過程，熱聲裝置的性能，尤其是在提高壓比、降低頻率、降低起振溫度等方面仍有待改進(jìn)，仍需各國學(xué)者不懈的努力才能把熱聲機(jī)械推向真正的實(shí)用化階段。

(本文受上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)浦江計(jì)劃資助(06P140 52). The project was supported by Pujiang Project of Shanghai Science and Technology Commission(06P14052).)

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