无运动 长寿命——浙江大学陈国邦教授谈热声驱动脉管制冷机

陈国邦 浙江大学制冷与低温研究所原所长，教授、博导；现任国际制冷学会ＩＩＲＡ２委员会副主席，国际低温制冷机委员会ＩＣＣ委员等职。 “以热声效应为工作原理的脉管制冷机，在从室温转变到低温的过程中，完全去除机械运动部件，很自然就拥有了结构简单、运行稳定可靠、寿命长等一系列优点。这一新型机械以燃气、太阳能、废热等低品位能源为驱动源，并采用氦、氩、氮等气体为工作介质，避免了环境污染，完全顺应当前环保制冷发展的‘绿色’趋势。” 浙江大学陈国邦教授表示，现代工业生产、空间技术以及军事工程等都对低温制冷机的可靠性和寿命提出了很高的要求，而高效率热声发动机的问世，给长寿命低温制冷机的研究和发展指出了新路。这场“动力机械发展史上的革命”，必将以其“无运动部件”的突出特点，一举改变人们对动力机械的传统观念。 就热声学的发展历史、热声发动机及其驱动脉管制冷机研究的关键技术、热声学理论和实验研究的最新进展与典型样机以及这一研究领域今后的发展方向和工业应用前景等问题，陈国邦接受了本报记者的采访。 ２００年“循序渐进” 陈国邦教授介绍，美国洛斯－阿拉莫斯国家实验室的Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ，于１９９９年在《自然》上发表论文报道制成一台热声斯特林发动机，热效率高达０．３０，完全可以同内燃机和传统的活塞式斯特林发动机相媲美，从而使热声机械有望真正成为２１世纪没有运动部件的动力机械“新贵”。但这一突破性进展并不“神奇”，其取得实际上源自２００多年来热声学理论和实验的稳步发展。 他认为，作为热声机械基本工作原理的“热声效应”，简单地说就是热能与声能之间相互转换的现象。从声学角度讲，则是由处于声场中的固体介质与振荡流体之间的相互作用，导致在距固体壁面一定范围内产生定向的时均热流和时均功流。按能量转换方向的不同，又分为从热能转换为声功的“热声发动机”和由声能转换为热能的“热声制冷机”。 人们开始热声效应的探索之旅，其实源于相当偶然的一些发现。陈国邦介绍，早在１７７７年，Ｂｙｒｏｎ Ｈｉｇｇｉｎｓ就在实验中发现，将氢火焰放在两端开口的垂直管的适当位置，管中会激发出声音。吹玻璃工人则发现当将一个玻璃球连接到一根中空玻璃管上时，管子的尖端处有时会发出声音。善于创造的人类由此开发捉摸：好有意思的“加热发声”现象，能不能用它做些有用的事呢？ 随后的１９世纪５０年代，驻波型和行波型热声机械的雏形“Ｓｏｎｄｈａｕｓｓ管”和“Ｒｉｊｋｅ管”相继问世。１９６２年，美国科学家Ｃａｒｔｅｒ和同事一起研制出世界上第一台有显著声功输出的驻波型热声发动机，以６００Ｗ的加热功率获得了２７Ｗ的声功率，热声机械研究进入了实用阶段。而热声学的相关理论研究，也从１８６８年开始迅速发展起来。１９６９～１９８３年间，瑞士苏黎士联邦技术研究所的Ｎ． Ｒｏｔｔ提出热声振荡定量理论，最终奠定现代线性热声理论的基础。热声学的理论和实践研究终于蓬勃发展起来。 众样机“水到渠成” “正是相关理论和实验研究的持续深入，促成了众多热声发动机及其驱动脉管制冷机样机性能的不断提高，‘低品位能源驱动’、‘无运动部件机械’的概念正逐渐变成现实。”陈国邦教授说，热声驱动脉管制冷技术已成为当前制冷与低温领域的研究热点，它在车用清洁发动机燃料、天然气和石油气的液化及分离、掩埋式垃圾场可燃性气体回收利用以及普通制冷和空调等工业领域的应用前景日益明朗化。 众多有代表意义的样机相继出现，首先基于近２０年内相关理论上的突破。１９８８年，Ｓｗｉｆｔ等人在之前理论的基础上，系统地阐述了线性热声理论，并在后续研究工作中对其进行了发展和完善。这一理论假设振动的压力、速度等参数均随时间按正弦规律变化，简化了相关的动量和能量方程，提高了线性热声理论模拟和热声机械设计的准确性，对于推广线性热声理论的工程应用具有重要意义。由于线性热声理论表达热声转换过程的物理机制不够清晰，最近１０年来非线性热声理论也开始起步发展并逐步完善。 当然，里程碑式热声样机的出现，实验研究者的努力更加功不可没。２０世纪８０年代，美国洛斯－阿拉莫斯国家实验室制成一台驻波型热声发动机，谐振管内径１２７毫米，长４．３２米，热效率为９％。１９９８年，美国Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ Ｓｔａｔｅ大学的Ｃｈｅｎ和Ｇａｒｒｅｔｔ建成世界上第一台太阳能驱动的驻波型热声发动机，验证了热声发动机以太阳能作为驱动源的可行性。在国内，陈国邦等人所开展的驻波型热声发动机研究较具代表性，在一系列实践和理论进展的基础上，具备了制造驱动斯特林型脉管制冷机的能力。 同时，首台环路行波型热声发动机于１９９８年问世，但由于工作气体振动速度较大，限制了发动机效率的持续提高。１９９９年，Ｂａｃｋｈａｕｓ和Ｓｗｉｆｔ设计制作新型行波热声发动机“热声斯特林发动机”，使相同压力振幅条件下速度振幅减小到纯行波的１／３０，并有效抑制了“声直流”造成的附加热损失，最终将热效率提高到０．３０。由于这一成果的开创性，两位发明者荣获１９９９年美国“Ｒ＆Ｄ１００”奖，并促成了行波型热声发动机研究的迅速兴起。 此外，在Ｓｗｉｆｔ和美国国家标准技术研究所Ｒａｄｅｂａｕｇｈ的联合努力下，世界上第一台完全无运动部件的低温制冷机也于１９９０年研制成功，并获得同年的美国“Ｒ＆Ｄ１００”奖。到１９９８年，美国新制成的一台热声驱动脉管制冷样机，制冷量大约达到１９９０年作品的４００倍，证明热声驱动脉管制冷技术可以提供满足实用天然气液化所需的制冷量。陈国邦研究小组从１９９８年以来，也在这一领域进行了一系列的优化设计，特别是在低品位热源的应用方面突破了原有的温度瓶颈。他们研制的热声驱动脉管制冷机的最低制冷温度已低达８１Ｋ，进入液氮温区。 关键是投入实用 陈国邦表示，热声发动机及其驱动脉管制冷机研究虽然获得了巨大发展，但仍然存在很多问题，这同时也为下一步研究指明了方向： 首先，针对小振幅振动的线性热声理论已比较完善，非线性热声理论将是今后热声学理论研究的重点，现代系统科学中协同学，特别是其中最精髓的自组织理论的引入，成为热声学研究的重要任务。其次，为满足现代工业以及某些特殊应用场合的要求，热声发动机及其驱动脉管制冷机需沿“大型化”和“微型化”两个方向发展，这对其整体结构和部件的设计及加工制造都提出了新的挑战。同时，降低热声系统的起振温度和稳定工作温度，实现热声机械对低品位能源的利用，更是值得高度关注的重中之重。 陈国邦相信，随着热声学理论和实验研究的继续深入，利用低品位能源驱动的无运动部件新型动力机械，必将在本世纪内在现代工业中得以实际应用。