熱驅動熱聲空調制冷研究取得重要突破

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近日，中國科學院理化技術研究所科研團隊在《細胞通訊·物理科學》和《應用物理快報》上先后發表論文，提出一類新型高效熱聲制冷機的流程設計方案，有望使熱聲制冷技術的產業化進程邁出關鍵一步。利用該方案開發的熱驅熱聲制冷機，其能效比遠超同類型系統，可媲美部分雙效吸收式制冷系統。

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新型高效熱驅動熱聲制冷系統實驗樣機。中國科學院理化技術研究所供圖

熱驅動熱聲制冷機是一種新興的制冷技術，它基于氣體工質的交變流動與鄰近固體壁面之間的熱相互作用而工作。其中，熱聲發動機利用溫差產生聲波傳遞機械功，而熱聲制冷機則消耗聲功產生溫差和泵熱，即制冷效應。熱聲制冷技術一般采用惰性氣體工質，被認為是一種具有巨大應用前景的新一代制冷技術。

但是，目前國內外報道的室溫溫區的熱驅動熱聲制冷機的效率仍然較低，是當前實現其產業化應用的重大科學技術問題。

中國科學院理化技術研究所低溫與制冷研究中心羅二倉團隊從多場協同的原理出發，首次揭示了高效熱驅動熱聲制冷系統中聲場、溫度場以及能流場互相耦合及最佳匹配工作機制，在此基礎上提出了新型的熱驅動熱聲制冷工作流程，使得發動機和制冷機不僅實現了高效的行波聲場轉換，而且實現了不同熱源溫度下發動機中聲功產生與制冷機中聲功消耗的理想匹配，進而大幅度提高了系統的整機熱制冷效率。

實驗中采用氦氣作為工質時，當熱源溫度為450攝氏度，在環境溫度35攝氏度、制冷溫度7攝氏度的標準空調制冷工況下，性能系數（COP）達到1.12，制冷功率為2.53 千瓦。在相近的工況下，該COP是以往報道的同類型樣機最高水平的2.7倍，并超過了現有吸附式和單效吸收式制冷技術的水平，可媲美部分雙效吸收式制冷系統。

科研人員根據理論預測，當熱源溫度進一步提升至燃氣燃燒的700攝氏度時，該系統的COP可以達到1.5以上，超越直燃型雙效吸收式制冷系統的COP值。該成果于2月1日發表于《細胞》子刊《細胞通訊·物理科學》。

采用比氦氣更經濟的氮氣作為工質時，在標準空調制冷工況下該系統實驗的COP可達0.49，且展示出與氦氣作為工質時不同的工作特性。數值計算結果表明，如對系統結構尤其是回熱器填料進行優化改進后，其COP還可大幅提升。相關研究近日發表于《應用物理快報》，并被選為亮點論文，受到美國物理學聯合會《科學之光》專訪報道。 

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101815