热声制冷技术及其在天然气液化的应用.doc

热声制冷技术及其在天然气液化的应用2007-12-29摘要：将当前的天然气液化技术与热声制冷技术进行比拟热声制冷技术使制冷系统变得简单，实现了制冷系统中无运动部件，在利用废热、太阳能等低品位能源上有较大优势介绍了热声制冷机、热声发动机和热声驱动的脉管制冷机，阐述了热声制冷技术开展现状及其在天然气液化方面的应用关键词：热声制冷 脉管制冷机 天然气液化Thermoacoustic Refrigeration Technology and Its Applicationto Natural Gas LiquefactionZHA0 Hai-bo,  FENG Liang    (College of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)Abstract：The current natural gas liquefaction technology is compared with thermoacoustic refrigeration technology. The thermoacoustic refrigeration technology makes the refrigeration system simple，without moving pans in it．In addition，this technology can make good use of waste heat，solar energy and other low grade energy sources．The thermoacoustic refrigerator，thermoacoustic engine and thermoacoustically driven orifice pulse tube refrigerator are introduced，and the development status of ther-moacoustic refrigeration technology and its application to natural gas liquefaction are expounded．Key words：thermoacoustic refrigeration；orifice pulse tube refrigerator；natural gas liquefaction1 当前的天然气液化技术[1～4]    天然气液化系统一般生产工艺过程是将甲烷体积分数为90％以上的天然气，经过脱水、脱烃、脱酸性气体净化处理后，采取先进的膨胀制冷工艺或外部冷源，使天然气变为-162℃的低温液体。

目前天然气液化装置工艺路线主要有3种类型：阶式制冷工艺、混合工质制冷工艺和膨胀制冷工艺    ①阶式制冷工艺    该工艺制冷机组多，流程长，对制冷剂纯度要求严格，且不适用于含氮量较多的天然气因此这种液化已较少应用    ②混合工质制冷工艺    混合工质制冷工艺采用多组分制冷剂，利用混合物各组分不同沸点、局部冷凝的特点，到达所需自不同温度水平该工艺制冷剂混合物的组成一旦确定之后很难调整，很难使液化过程都能按冷却曲线提供所需的冷量，导致混合工质制冷工艺的效率降低另外，原料气、多种冷凝物、汽化馏分等需要独立的换热管束，致使主换热器既庞大又复杂  　③膨胀制冷工艺  　该工艺的特点是利用原料天然气的压力对外自功以提供天然气液化所需的冷量系统液化率主要取决于膨胀比和膨胀效率该工艺特别适用于天然气输送压力较高而实际使用压力较低、需要降压的情况其优点是能耗低、流程短、造价低、操作灵活；缺点是液化率低  　以上几种液化工艺都比拟复杂，并且在环境保护方面做得还不够2 热声制冷技术的应用简介  　热声制冷技术是基于热声效应原理的一种新型制冷技术[5、6]热声效应就是热能与声能之间相互转换的现象从声学角度看，它是由于处于声场中的固体介质与振荡流体之间的相互作用，结果导致在距固体壁面一定范围内产生沿着声传播方向(和逆向)的时均热流和时均功流。

按能量转换方向的不同，热声效应可分为两类：一是热产生声，即热驱动声振荡；二是声驱动热量传输，即热声制冷效应因此可以把热声效应应用于热声制冷机和热声发动机    ①热声制冷机    热声制冷机的根本结构见图1，主要由扬声器、板叠、热端换热器、冷端换热器、共振管等组成板叠是工作介质发生热力过程的场所，板叠通道间充满气体工作介质在热声制冷机中，多采用氮气、氦气或其他惰性气体作为工作介质制冷效应的产生还要依靠声波的存在，声波的存在会使气体工作介质发生压缩与膨胀等一系列热力过程产生声波的方法很多，图1中采用了电磁驱动(扬声器)形式此外还有其他方式，例如热驱动和太阳能驱动等    　以扬声器产生声波的形式为例，通过对制冷机板叠单个通道中一个气体微团来分析其原理  　图2为板叠通道问气体微团热力过程TH和TC分别表示微团位移极限处的温度，可以看作是微型化了的板叠的热端温度和冷端温度，箭头表示热量传输的方向    热声制冷机开始工作时板叠温度均匀分布，气体微团在声波产生的压力波的作用下，在板叠间的通道中往复运动当微团向右运动时，由于制冷机中振荡压力处于优势地位，热收缩力缺乏以克服由于压力降低造成的微团体积膨胀趋势，所以微团体积增大，温度降低，从固体壁面吸收热量；反之，当微团向左运动时，微团体积缩小，同时对固体壁面放热。

微团的工作效果是从右端(冷端)吸收热量，把热量运到左端(热端)在热声制冷机中，有无数个这样的微团，把沿板叠长度方向上的气体看作一个传递热量的气体微团链，因此可以进行热量传递过程，到达制冷效果，整体换热是通过热端换热器和冷端换热器完成热声制冷机热端换热器的温度通常为室温，其冷端温度那么取决于制冷过程能够获得的最低温度    热声制冷机没有任何运动部件，不需要采用动密封因此热声制冷机结构简单，可靠性高，本钱低由于声音被限制在一个密封的空腔内，因而设备的运行噪声也很小热声制冷机可以采用太阳能、废热、燃气等驱动，它的应用将为合理利用低品位能源、提高系统的热效率开辟新的途径  　②热声发动机  　热声发动机的原理与制冷机相反，是通过板叠两端的换热器在板叠上产生温度梯度，从而产生大振幅的振动波，进而产生声功流，将此声功流加以利用  　参照图2对微团进行分析通过板叠两端换热器在板叠上产生温度梯度，形成热端和冷端微团在位移极限间往复运动，当往复运动的气体微团越过平衡位置向冷端运动时，压力减小，壁面沿运动方向温度降低，两者同时作用于气体微团，热收缩力占优势，于是壁面温度降低引起的热收缩力克服了压力减小造成气体微团体积增大的倾向，最终使微团体积缩小，因此这是一个压缩过程，消耗功。

同理，当气体微团向热端运动时，壁面温度升高，热膨胀力占优势，所以体积增大，在位移左极限处到达最大体积，这是一个体积膨胀过程，对外做功微团往复运动经历的热力循环过程在声场中进行，所以支持消耗功和接收输出功的是声功流，板叠由无数个这样的微元通道组成，因此声功流在从冷端到热端传输的过程中被一级一级放大，最后向外发射热声发动机就是这样对声功流加以利用    热声发动机具有与传统的发动机同样的功能，它可以应用于许多领域，在制冷驱动方面主要是热声驱动的脉管制冷技术，即TADOPTR(Thermoacous-tically Driven Orifice Pulse Tube Refirgeration)技术    脉管制冷机的开展较早，在1963年由Gifford和Longsworth创造在不断的开展中取得了较大的进步，脉管制冷机已经可以到达较低的温度，具备了应用于天然气液化的可能性脉管制冷机不同于传统的制冷机，其关键就是在它的冷腔内没有运动部件，不存在密封材料磨损问题，这为消除以往制冷机可靠性差、振动大、寿命短等缺点提供了可能虽然脉管制冷机的低温区没有运动部件，但它在室温采用的机械压缩机仍然存在着运动部件，这对其寿命和性能会有直接影响。

因此可以采用热声发动机来取代脉管制冷机中的机械压缩机，就可以制造出完全没有运动部件的制冷机热声发动机靠热声驱动器将热能以声波的形式转化为机械功(声功)，此过程是通过板叠两端之间的温度梯度使工作介质振动，这样就在此装置中产生了振动波，而后声功通过共振器传到脉管制冷机端，在此端，声功作用于脉管制冷机就可以产生制冷效果[6]热声驱动的脉管制冷机结构见图3    热声驱动的脉管制冷机有以下优点：具有简单性、和谐性，制冷机整体无运动部件；可以采用热能驱动，以太阳能、燃气以及废热作为热源，具有灵活性 3 热声制冷技术开展现状    国内外的许多学者和机构对热声制冷技术进行了一系列研究，例如：  　①1990年，Swift和Radebaugh等进行了用电加热的热声压缩机代替机械压缩机来驱动小孔脉管制冷机的研究，获得了90 K左右的低温，这是世界上第一台完全无运动部件的低温制冷机    ②荷兰埃茵霍温大学在2000年研制了电驱动的热声制冷机，获得了近70℃的温降    ③  中国科学院对热声效应进行了研究，并将热声理论推广到一般声场，还对电动声源制冷机的声场进行了计算    ④浙江大学低温制冷实验室分别在2001年、2004年、2005年研制成功可以获得120K、115K、80K低温的热声驱动的脉管制冷机[7～9]。

    热声制冷技术的研究已经取得了巨大的进展向人们展示了极大的优越性和广泛的应用前景目前热声制冷效率偏低，提高效率是近期研究的关键4 热声制冷技术在天然气液化的应用    国外一些科学家已经做过将热声制冷技术应用于天然气液化方面的研究，并取得了一定的成果[10、11]：    ①在1998年，美国LANL实验室成功研制出了一台液化能力为530 L/d的TADOPTR天然气液化装置[5]此设备水平放置，所占空间较大热声发动机(TAD)的效率为25%，脉管制冷机(OPTR)在130 K下效率为17%    ②在2000年，美国LANL实验室又成功石制出了一台液化能力为1900L/d的垂直式热声制冷天然气液化装置[5]，在130 K下制冷量为7kW    利用热声制冷技术进行天然气液化的主要问题是能否得到更高的效率和提高液化能力，虽然在：验室内可以获得较好的结果，但是投入工程实际应用还需要进一步研究参考文献：[1]沈惠康．液化天然气工艺与设备[J]．煤气与热力，1996，16(6)：25-28．[2]徐正康．我国城市天然气的利用和开展[J]．煤气热力，2001，21(6)：526-529．[3]江金华，金颖，冯春强．液化天然气在城市燃气的应用[J]．煤气与热力，2003，23(1)：53-54．[4]王保庆．天然气液化技术及其应用[J]．天然气工业，2004，(7)：92-95．[5]金滔，王本仁，张淑仪．热声制冷的研究现状[J]．应用声学，2002，21(2)：1-7．[6]陈国邦．最新低温制冷技术[M]．北京：机械工业出版社，2003．[7]Tang K，Chen G B，Kong B．A 1 15 K thermoacoustically driven pulse tube refrigerator with low onset temperature [J]．Cryogenics，2004，44(5)：287-291．[8]Jin T，Chen G B．Shen Y．A thermoacoustically driven pulse tube refrigerator capable of w。