热声制冷机回热器的现状及展望

陈丽新，刘益才，陈思明，颜 鹏，李照龙，张 骏

（1.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083；2.长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430003）

1 引言

热声热机是一种基于热声效应而发展的新型热机，具有无运动部件、无污染、长寿命、可利用低品位废热等诸多优点。虽然热声热机已经实现有限应用，但热声热机受效率低、成本高等因素困扰，至今仍然无法与传统热机媲美[1～3]。回热器作为热声热机的核心部件，热声转换就发生在回热器中，回热器的材料和结构直接影响整机性能。回热器中的主要损失并非是温差情况下的传热损失，而是频率或填料结构不合理造成的损失，所以通过频率匹配可以提高回热器的效率[4]。实际上，由于各种非线性因素如热粘性、有限的回热器结构频率很难与系统固有频率相匹配[5]等，所以在回热器理论、结构和材料研究方面，提高回热器内部热流与声功的转化效率成为急需解决的关键问题。

2 回热器结构的发展

无论是行波型或驻波型的热声发动机和热声制冷机，回热器无疑都是热声热机的核心部件，热声转换是通过气体与填充物质的可逆热交换而实现。当回热器轴向存在一定的温度梯度，由于回热器的自组织作用，使得宽频带噪声振荡的流体工质中远离系统本征频率的振荡分量被过滤，而在系统本征频率附近的振荡分量得到维持，形成了能量在系统本征频率附近的集中；与此同时，由于振荡流体与固体界面的热接触和粘性接触使声波也发生衰减，热驱动热声系统自己振荡形成演化的过程正是这种声振荡的不断形成和衰减的动态变化的综合结果。因此，热声系统的动态演化是在流体与固体的热接触、粘性接触以及流体振动的共同作用下实现的。文献[6]对这一自激演化现象作了详尽的实验和理论分析。

从最常见的金属丝网回热器、平板型回热器开始，研究人员就进行了大量的理论研究和实验，不断优化传统回热器的结构。另外，科研工作者对一些新型的回热器展开研究，如华中科技大学的余文峰等[7]对吸附剂型回热器进行了研究；华中科技大学的涂虬等[8]对针束型回热器进行优化并与电声制冷机匹配。这些研究为回热器多样化研究开拓了新的思路，具有很大的指导意义。热声回热器具有热力学-动力学部件的特点，由于回热器是由各种不同结构的填料填充而成，使得回热器的流道几何特征很复杂，无法用一个直观的几何特征去描述。回热器中填充物质的几何结构和热物性对系统的性能有很大的影响，理想回热器应具有以下特性[9]：

（1）回热器中速度与压力的相位必须是（或接近）行波相位关系；

（2）回热器必须有足够大的当地声阻抗以有效抑制声损失：

（3）回热器中必须有足够大的气固换热面积和高的气固热交换系数，同时具有低轴向热传导率和高的固体热容；

（4）较小的回热器压降损失。

3 回热器的理论和实验研究进展

3.1 回热器的理论研究

当前对回热器理论方面的研究还处于不断探索阶段，许多理论不够完善，有待科研工作者进一步研究。

3.1.1 热声定常流理论

该理论模型是以静态为前提，在忽略了压力波动的条件下提出来的，是用静平衡的思想来解释回热器的特性[10]。主要代表有 Coppage，Kays，London，Walker，Vasishta，Miyabe。该理论认为流体工质在回热器中的流动特性对流体工质与固体工质间的热量交换是互不相关的，只是从工作的流体介质与贮热材料的能量交换功能方面看问题。当热流体流经回热器时，流体对其填料放热，填料吸收热量并贮存起来；当冷流体从相反方向流经回热器时，贮存在填料中的热量释放出来被流体吸收。这样回热器和流体中的能量在2种介质间实现能量的“吞”、“吐”，并以换热效率作为评价回热器的性能指标。显然，这种观点的实质就是把回热器等同与换热器，回热器填料的作用只是为了增大换热面积和增强换热效果，这和一般的换热器没有任何实质的区别。

3.1.2 热声交变流动理论

流体在回热器中是交变流动的，压力波和速度波同时存在，互相影响。在实验中观察到回热器的波动特性：同一截面上的压力波和质量流是非正弦的周期性变化，之间有明显的相位差；不同截面上的压力波、质量流的幅值和相位各不相同，相位差随截面轴向位置的变化而变化。在理论上提出填料的分布毛细管模型，给出了压力、流速的分布解析式，不仅可以反映它们轴向距离的分布，还反映出了这种波动的频率特性，较接近回热器的实际流动特性。近年来中科院理化所以罗二仓教授[11]为学科带头人的课题组对交变流动理论做了深入的研究。他们在介观尺度上采用拉格朗日法分析了回热器内部典型的热力过程和热声功能，并指出：每一段微小的回热器都具有独立的发动机或者制冷机功能。罗二仓等还进一步研究了运动过程中穿过回热器和换热器交界面的微团的热量搬运过程，导出了每个微团在换热器内的比换热量的表达式，并得出回热器冷热端微团位移之比等于冷热端温度之比。

3.1.3 线性热声理论

瑞利（Ryaelihg）最早对热声现象进行定性的理论分析，Ceperley是最早把热声效应的概念引入到回热器中，但这些都难以对回热器及发动机系统的应用起到指导作用。回热器的热声理论取得突破进展是从Zurich联邦技术研究所的N．Rott开始的。1969～1980年，Zurich联邦技术研究所的N．Rott首先对热声效应进行了定量的理论分析。Rott教授以现行的纳维-斯托克斯方程（N．S方程）、连续性方程、能量方程为基础[12]，结合回热器边壁上的边界条件，首次建立了理想气体的驻波声场，从理论上描述了热声效应中存在热和功的转换关系，并发展成定量的线性热声模型，给出了热声效应的完全数值解。著名的Rott波动方程是

N．Rott的线性热声模型为热声的理论发展迈出了关键性的一步，他导出的理论框架是分析热声机械（包括热声压缩机和热声制冷机）的理论基础，是目前热声研究中公认的最有效、也是应用最广泛的理论。Rott热声理论极大地推动了理论热声学和实验热声学的发展，是热声理论发展的里程碑。他的理论得到了Yazaki等的实验验证。

3.1.4 热声结构声理论

研究表明，回热器的声学特性与频率存在一定关系，在某一频率下，其声学特性表现最佳，并且根据对回热器各参数（如：填充材料的物性、结构、布置方式以及临界温度梯度、压比等）对热声系统性能影响的研究发现，这些参数间都存在一个最优的配合。实际上就是回热器存在一个最优的结构。因此有必要考虑回热器结构本身所固有的声学特性。研究证明回热器本身与频率存在匹配问题，而回热器特征频率是与系统振荡频率直接相关的，回热器的特征频率是一个综合匹配的参数，要使热声系统的性能最优，必须使热声系统工作时达到谐振。

中南大学的刘益才等[5]，通过实验及理论研究得出：平均压力对系统阻抗影响比较大，在一定范围内较高压力下的回热器阻抗较低，系统阻力也就较低，比较容易起振。回热器的总阻抗主要取决于阻抗的实部。压力对回热器总阻抗有较大的影响。回热器的特征频率是回热器与其他部件在与系统达到匹配的情况下，使系统工作在谐振状态的频率。通过具体实例对推导出的方程针对板叠回热器运用Matlab程序进行了量化计算，可得到方程的结果，进而可得到实例中回热器的特征频率的存在。武汉工程大学的伍堃等[12]，研究了热声器件填料物性与热声器件谐振频率之间的关系。实验研究结果表明：在声压一定的情况下，热声器件谐振频率分别随着其填料横截面积As，定压比热容Cs和气体平均密度ρ的增大而增大；而且随着声压的增大，谐振频率分别相对As、Cs、ρ的增大而增大的更快。海军工程大学研究生院的阚绪献等[13，14]对平板型回热器热声制冷机制冷量最大时对应的最优频率进行优化。研究表明，最优频率随着平板间距的增大而减小，随着板叠温度梯度的增大而增大，随着压力振荡与速度振荡之间的相位差的增大而增大，而与平板的厚度没有关系，所得结论对于热声制冷机优化设计有一定的理论指导意义。

对回热器特征频率与系统频率匹配的研究是回热器研究的新思路，这方面的研究还不充分，但这方面研究对整个系统的影响很重要，今后需要科研工作者做出一定努力。

此外还有美国LosAlamos实验室热声研究小组的G W．Swift基于N．Rott线性模型提出的短板叠边界层近似理论；中科院理化所的肖家华在N．Rott的线性热声模型基础上提出的声场热声学理论；华中科技大学的郭方中等[15～17]讨论了热声转换的本质，提出热声网络模型理论等，这些都为热声理论提供了新的研究方式。

3.2 回热器的实验研究进展

目前常用回热器有金属丝网回热器、平板型回热器、蜂窝陶瓷回热器、多孔纤维型回热器、针束型回热器以及吸附剂型回热器等。

3.2.1 金属丝回热器

金属丝网回热器是由丝网片堆积而成，一般用模具冲压或线切割直接成形，填装方便，加工工艺成熟。金属丝网横向导热效果较好，但由于加工和填装过程的随机性，金属丝网金属丝相互交错，致使金属丝网回热器流动阻力大，在微型热声热机中影响更大。因此，在低频系统中通常采用丝网堆积的板叠，但在高频系统中由于杂乱堆积的丝网会导致阻力较大，所以一般不考虑用金属丝网回热器。回热器的换热性能受丝网物性、回热器中的流阻、换热表面积和表面换热系数等因素的影响较大，而上述各因素均与丝网的目数、丝径和材料紧密相关。浙江大学的邱利民等[8]通过实验研究得出：丝网板叠最佳填充率为1.15片/mm，该值是强化热声效应和减少沿板叠的轴向导热与流阻损失之间的一个折中值。西安交通大学的高凡等[18～20]通过采用不同目数和丝径，不同物性材料的金属丝网回热器为对象，通过可用比热容、轴向导热率、回热效率和综合性能参数等多个参数对回热器的换热性能进行优化，得到如下结论：回热器填料的比热容和密度越大，可用比热容越大，则制冷量越大；可用比热容相同时，热渗透深度大的制冷量反而小；可用比热容也随着径向导热率的增加而增大，但制冷量却随之减小。因此，回热器填料应该选择比热容和密度较大、导热率相对低的填充材料或通过改变丝网填充方式（如丝网片间采取隔热措施）来降低回热器轴径向导热比，可减小轴向漏热量，并且冷端采用导热率较低的不锈钢丝网的多段式回热器，其回热效率和综合性能参数均可提高，从而获得更佳的换热效率。

3.2.2 平板型回热器

平板型回热器可由金属直接线切割形成，也可以利用金属薄板与金属丝手工电焊而成，是常用的一种形式。平板型回热器横向导热效果不如金属丝网回热器，但其气体通道规则，流动阻力较小。对于高频热声热机，平板型回热器存在加工难度大的问题。在热声制冷机中，为便于制作和安装，通常把平板板叠绕制成螺旋卷筒形。为了提高热声转换效率，国内外学者对板叠回热器形状结构、填充率以及材料进行了研究。So等指出回热器所固有的非线性致工质气体处于不稳定的流动状态；刘益才等[21]对板叠回热器填料对振荡频率的影响进行了研究；罗二仓等[11，22]从热力学角度分析交流回热器热声功能和回热功能并进行实验研究。此外，Biwa等利用能量守恒分析回热器内部功流分布情况。研究结果表明：回热器产生单一振动频率的平面波与相应谐振管匹配，可以发挥谐振放大作用，提高热声热机效率。通过理论分析及多次实验得到：热声热机热声转换效率，对于高频热声热机，回热器板叠横向长度不得超过特征值。对于50 kHz热声热机，板叠横向长度不得超过3.43 mm。板叠回热器中存在的所有高次波中，（0，1）次波衰减最慢。根据高次波衰减原理，得到频率为20、30和40 kHz的声源，其横向长度为3.43 mm板叠回热器的最佳纵向长度分别为5.9、6.0和6.4 mm。

3.2.3 蜂窝陶瓷回热器

蜂窝陶瓷回热器是直接利用整块蜂窝陶瓷作为回热器，不需要加工，可以直接根据需求在厂家定做。蜂窝陶瓷的优点很明显，成熟的定形技术保证气体通道光滑，流动阻力较小，但是陶瓷材料的热导性决定蜂窝陶瓷回热器的横向换热能力较差。选用蜂窝状陶瓷材料作为回热器，孔径对系统的性能影响也很大。孔径太小，气体黏性耗散较大，孔径太大，气体和板叠间换热不充分，都会影响热声的转换效果。目前对蜂窝陶瓷回热器孔径的选择还没形成定论，基本由经验确定。华南理工大学的王红丽等[23]做了蜂窝陶瓷回热器孔径对系统性能的影响的实验和理论研究，得出：在一定条件下，随着蜂窝孔径的增大，起振温度也不断增大，而且回热器的结构尺寸对系统的起振温度有较大影响。在同样孔径下，混合波型行波热声发动机的起振温度要比纯环路行波热声发动机的小得多，因此，为了使系统有较低的起振温度，一定要选择适当结构尺寸的回热器。而且蜂窝陶瓷具有蓄热和吸声能力，这一特性对于热声系统性能的影响还需要更加深入的研究。

3.2.4 其他回热器

多孔纤维型回热器是用玻璃纤维、棉纤维、气凝胶、网状玻璃碳纤维等截面积随轴线变化的随机多孔材料制成。在这种多孔结构中，频率低的时候，细管中的流动为泊肃叶（Poiseuille）流，而随着频率的增高，必须考察除了粘滞以外由惯性带来的影响，且会随频率而增大。过去的制冷机是用压缩泵、曲轴等驱动，一般工作频率较低。但是随着热声热机的出现，工作的频率已由几百赫到数千赫。在驻波管式的热声热机中，频率低，驻波管长，安装调试等都不方便[24]。

吸附剂型回热器填充物为吸附剂，其最突出特点是：比表面积大，具有吸附能力，当回热器低温区局部压力升高时，吸附剂会吸附气体工质，固体吸附剂颗粒吸收吸附热；当局部压力降低时，气相工质自吸附剂内解吸出来，高温区吸附剂颗粒释放热量，提供解吸热，这种效应会减少床层内温度波动；吸附剂导热性比金属网格或金属片差，这会减少由回热器两端温度差所导致的导热量；由于吸附剂为带电晶体的聚合体，吸附剂颗粒外表面具有极性，利用这一性质，通过种种外界作用力如电磁等可强化横向质量传递，进一步加强回热器的性能。在吸附剂型回热器方面，华中理工大学的余文峰等做了一些研究，详见文献[7]。

针束型回热器，其加工工艺复杂，因此很少用到。但华中科技大学的涂虬等[25]利用电声制冷机优化设计，提出对针束型回热器结构进行改进，采用片状的钢针代替圆形钢针，加工相对简单可行，可以方便地制作。这种方法为热声制冷机的优化设计和应用提供了很好的思路。

4 结束语

回热器作为发生热声转换的关键部件，研究者尚需进行大量的理论和实验工作。根据回热器发展现状，需在以下3个方面开展深入研究：

（1）目前，大多数热声热机分析软件对不同回热器填料以及填料形状结构影响分析不足。随着对热声理论研究的逐步深入，需开发更加完善的热声热机数值分析软件。对不同填料回热器热声功能进行深入研究，建立更加完善的分析模型，对热声热机设计有重要指导意义。

（2）在原有的回热器结合实验的基础上，进行更加深入的热力学及声学理论研究。流体在回热器中交变流动会引起填料振动，回热器填料表面的振动将推动周围流体运动，辐射声波。这些结构声波如果和回热器产生声波耦合，可以大幅度提高热声热机工作效率。此外对原有回热器的填料填充率、尺寸等关键结构进行优化，可以进一步提高热声转换效率。

（3）在原有回热器基础上研发新结构的回热器。选用不同填料的回热器进行进一步理论实验研究，寻求新型回热器填料，或开发回热器新的结构形式，实现回热器转换效率的提高。

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