新型热声制冷-双作用行波热声制冷机热力特性的数值模拟研究

　　大多数传统制冷机采用氟利昂类制冷剂CFC或者HCFC，前者会强烈地破坏臭氧层，后者则会产生显著的温室效应。为了保护地球的生态环境，制冷技术需要不断革新。上世纪末期诞生了一种被称为“热声热机”的新型热机(包括热声发动机和热声制冷机)[1-2]，它基于热声效应——热能与声能的相互转换，其优点包括完全无运动部件、可靠性高、寿命长、可利用低品位能源和环保等[3-6]。随着研究的不断深入，热声发动机的热效率已经能与传统内燃机相媲美;此外，从1990年世界上第一台完全无运动部件的低温制冷机的产生起[7]，热声制冷技术也成为了热门的研究课题。以前的斯热声热机由于谐振管的存在、尺寸较大，不利于商业应用。国外研究者以及浙江大学汤珂等人的研究表明：将液柱引入到气体工质热声发动机中形成气液耦合振动，可以有效地减小尺寸，调节系统阻抗特性，从而大幅降低系统的谐振频率并提升其压力振幅[8-9]。中科院理化所的罗二仓研究员则在近期提出了一种新型的气液双作用行波热声发动机[10]，这种发动机克服之前行波热声发动机尺寸大以及调相困难的问题，使热声转换具有高效和紧凑的优点。正是基于这样的背景，研究了一台在气液双作用行波热声发动机上使用的双作用行波热声制冷机，它工作于冰箱制冷温区。计算模拟了其热声制冷性能，并与传统结构的斯特林制冷机进行了比较研究。

　　1 双行波热声制冷机的原理和制冷机热力设计

　　1.1 气液双作用行波发动机结构简介

　　气-液双作用行波热声发动机具有体积小、结构紧凑、无运动部件等优点，且由于发动机工作在基于可逆循环的行波声场，具有潜在的高效率，其结构图如图1。整个装置由完全相同的三部分组成，相当于三个行波热声发动机串联，两两之间相位差为120°。

　　1.2 热驱动双作用热声制冷机设计参数

　　针对50mm管径的3缸气液双作用行波发动机进行设计，连接方式如图2。制冷机的热端工作在室温区(303K)，冷端工作在冰箱制冷温区(250K)。为了与发动机相匹配，制冷机工质为氦气，工作平均压力为5MPa，谐振频率为25Hz，进口体积流率超前出口体积流的相位差为120°，进出处气体振动的位移振幅为30mm，制冷机的进出口温度均为303K左右。

　　1.3 计算模型

　　系统的室温端换热器和冷端换热器均采用板叠式换热器，设计水力半径与气体的热穿透深度接近，长度大约是气体位移的2~3倍。次室温端采用板叠式换热器，但是由于换热量小，长度略短。回热器采用不锈钢丝网填充，设计水力半径小于该工况下氦气的热穿透深度。