在當代社會(huì )，制冷技術(shù)在人們的生產(chǎn)與生活中發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。在雙碳背景下，能源和環(huán)境的問(wèn)題使得發(fā)展環(huán)保且高效的制冷技術(shù)成為迫切需求。新興的熱驅動(dòng)熱聲制冷技術(shù)采用環(huán)保的惰性氣體工質(zhì)，且可不依賴(lài)機械運動(dòng)部件，因此被認為是具有產(chǎn)業(yè)化潛力的新一代可持續制冷技術(shù)。然而，現有的熱驅動(dòng)熱聲制冷系統在室溫溫區的效率較低，提高其熱制冷系數（COP）對推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要意義。

在現有的直接耦合型熱驅動(dòng)熱聲制冷系統（圖1 (A)）中，較合適的行波聲場(chǎng)和較緊湊的耦合方式使得其在一定溫度范圍內能取得不錯的制冷性能，在標準空調制冷工況（環(huán)境溫度35 °C，制冷溫度7 °C，下同）下其COP可超過(guò)0.4。然而其中的發(fā)動(dòng)機與制冷機的功流匹配問(wèn)題限制了更高加熱溫度下系統效率的進(jìn)一步提升。近期，理化所低溫制冷與特種動(dòng)力技術(shù)研究中心羅二倉研究員領(lǐng)導的熱聲研究組提出了一種功流旁通型制冷流程，如圖1 (B) 所示，在發(fā)動(dòng)機和制冷機之間增加一個(gè)旁通結構，使得部分聲功繞過(guò)發(fā)動(dòng)機而直接進(jìn)入制冷機，通過(guò)調節旁通的功流比例，在不同加熱溫度下均可實(shí)現發(fā)動(dòng)機和制冷機之間的良好功流匹配，在高加熱溫度下使得系統的COP大幅度提升。研究組成員搭建了一臺三單元行波環(huán)路型系統，并采用液體振子進(jìn)一步降低系統工作頻率和損失。前期的實(shí)驗研究表明當加熱溫度為450 °C時(shí)，在標準空調制冷工況下系統獲得的COP可達1.12，大幅度超過(guò)當時(shí)報道的同類(lèi)型系統的最好結果。該工作成果入選2024年中國科學(xué)院英文網(wǎng)站第一季度亮點(diǎn)專(zhuān)題。

圖1. (A) 傳統直連型熱驅動(dòng)熱聲制冷系統；(B) 新型功流旁通型熱驅動(dòng)熱聲制冷系統

圖2. 2024年中國科學(xué)院英文網(wǎng)站第一季度亮點(diǎn)專(zhuān)題

本次實(shí)驗中改進(jìn)了室溫換熱器的換熱效果和高溫換熱器結構強度。實(shí)驗表明，當采用5.4 MPa的氦氣作為工質(zhì)時(shí)，改進(jìn)后的系統可在550 °C的加熱溫度下較長(cháng)時(shí)間穩定運行，其在標準空調制冷工況下的COP達到1.34，整機的相對卡諾效率達到21.4%，制冷功率為2.37 kW。該COP刷新了室溫熱驅動(dòng)熱聲制冷系統的新紀錄，可媲美雙效吸收式制冷系統。相關(guān)工作以Sustainable heat-driven sound cooler with super-high efficiency為題發(fā)表在期刊The Innovation Energy上，并被選為封面導讀內容。論文第一作者為理化所博士研究生肖磊，通訊作者為理化所羅二倉研究員與吳張華高級工程師。

圖3. (A) 制冷功率與 (B) COP 隨加熱溫度的變化

此外，在理論方面，文中還給出了更接近實(shí)際情形的旁通比（旁通功流與總功流的比值）的表達式，新導出的表達式比前期的理想表達式的準確度顯著(zhù)提升，進(jìn)一步加深了對功流旁通型系統的運行機理的理解。

圖4. 旁通比的前期理論結果、修正理論結果與數值計算結果的對比

該研究工作得到國家自然科學(xué)基金 (Grant No. 51976230)、低溫科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室(CRYO20230103) 等項目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.59717/j.xinn-energy.2024.100027

????2024年中國科學(xué)院英文網(wǎng)站第一季度亮點(diǎn)專(zhuān)欄：https://english.cas.cn/Special_Reports/2024q1/

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