《Cryogenics》：Three-stage cascaded loop-type thermoacoustic cooler for deep waste heat recovery: Achieving 77 K cooling with 45.8% recovery efficiency
编辑推荐：
•提出了一种具有三级废热回收功能的声热制冷机。•三级回收系统在85.8 K下获得3.09 W的制冷功率。•分析了废热级联利用方案。•与单级系统相比，三级回收使效率提高了29.2%。引言在全球经济快速扩张的驱动下，能源需求呈持续上升趋势。根据国际能源署（IEA）的统计数据，过去
- •
提出了一种具有三级废热回收功能的声热制冷机。
- •
三级回收系统在85.8 K下获得3.09 W的制冷功率。
- •
分析了废热级联利用方案。
- •
与单级系统相比，三级回收使效率提高了29.2%。
引言
在全球经济快速扩张的驱动下，能源需求呈持续上升趋势。根据国际能源署（IEA）的统计数据，过去几十年全球总能源消费量稳步增长，且这一趋势预计在未来几十年将持续[1], [2]。在众多行业中，工业活动在总能源消耗中占有特别大的份额，钢铁生产、化学加工和建筑材料制造等能源密集型产业是主要的贡献者[3], [4]。这些产业不仅消耗大量的一次能源，还产生可观的废气余热。据估计，钢铁生产过程中产生的废热约占总能源输入的60%~70%，化工行业的比例可达40%~50%[5], [6]。然而，受技术限制和系统集成不足的制约，工业废气余热的整体利用效率仍然较低。因此，大量低品位热能未经有效回收便直接排放到环境中，导致严重的能源损失。
在此背景下，工业废气余热的高效回收与级联利用已成为提高能效和促进绿色低碳发展的关键问题。声热技术凭借其独特优势，为废热的有效利用提供了有前景的途径[7]。声热制冷机结构简单、无机械运动部件且运行可靠性高。声热系统可直接由工业废气余热[8]、太阳能[9]、车辆尾气[10]和建筑余热[11]等低品位热源驱动，实现热到冷的直接转换，从而拓展了能源利用的边界。此外，声热系统通常使用环保无毒的工作气体[12]，避免了传统制冷机对臭氧层和气候的危害。这种内在的环境相容性使声热制冷机与当前的可持续发展目标高度一致。另外，声热系统运行稳定、维护要求低，在红外探测、光学传感、低温通信和精密测量等领域展现出广阔的应用潜力[13]。
随着环路声热发动机技术的进步，声热系统在废热回收方面取得了显著进展。此前的研究已探索了多级配置和不同热源条件下的系统性能。Mumith等人[14]对废热驱动的声热发动机进行了数值研究，在423 K的热源温度下报告的?效率为17%，表明低品位废热的利用仍有很大提升空间。然而，该系统体积较大，声能转换效率有限，限制了其实际应用。Jin等人[15]提出了一种三级环路声热发动机，在590 K下实现了11%的?效率。尽管多级配置可以提高输出功率，但也会显著增加系统复杂度。
当前基于声热技术的废热利用研究主要集中于中温废热资源。典型热源包括蒸汽锅炉、往复发动机和热处理炉排放的高温废气，温度范围分别为503~753 K、593~863 K和703~923 K[16]。在大多数多级声热系统中，废热通常通过从单一温度源取热的方式回收。Yang等人[17]开发了一种双单元声热系统，发动机工作温度为573 K。Xiao等人[18]提出了一种高效声热系统，发动机工作温度达到500°C（773 K）。然而，这些多级系统主要依赖单一热源吸热模式，未能充分利用跨不同温区废气余热的级联利用潜力。
液氮温区（77 K）在红外探测、空间遥感、超导电子、低温通信和精密计量等领域具有重要的工程意义[19], [20]。近年来，受废热回收和高效能源利用需求增长的驱动，利用声热技术将低、中品位热能直接转换为液氮温区制冷能力已成为低温制冷机领域的活跃研究课题[21], [22]。因此，降低声热制冷机的最低可达温度仍是该领域的核心目标。已报道的面向液氮温区的声热制冷机主要采用旁支配置，即声热发动机形成环路声回路，脉管制冷机作为支路连接到环路中[23], [24]。例如，Qiu等人[25]和Bao等人[26]获得的最低温度分别为80.9 K和79.7 K。Zhu等人[27]在改进驻波发动机和脉管制冷机配置后报道了69.5 K。Dai等人[28]获得了68.8 K的最低温度。
环路配置可以在整个声回路中建立稳定的行波（或双行波）场，从而实现更高的声热能量转换效率。然而，由于液氮温区制冷机需要大的温差和高声功率水平，声热系统通常需要多级声热发动机，这显著增加了设计难度。工作在液氮温区附近的声热制冷机通常采用低于80 Hz的声频，这限制了系统的紧凑性，并阻碍了其在小型化或车载平台上的应用。从废气余热回收的角度来看，关于具有多级废热利用的级联声热制冷机的研究仍然相对匮乏。此外，废气流与多级声热发动机之间的相互作用机制尚未得到彻底阐明。
为解决上述挑战，本研究旨在提高环路声热系统的制冷性能，进一步降低最低制冷温度，并提高废热回收效率。提出了一种84 Hz环路声热制冷机，以在液氮温区实现级联废热回收。废热利用方案的设计明确考虑了废气与多级声热发动机之间的温度匹配。
章节摘要
系统设计
当使用多级声热发动机进行废热回收时，可以在不同温度水平上顺序提取废热，从而更充分地利用可用的热能，并显著提高整体回收效率。基于这一概念，引入了一种级联环路热驱动声热制冷机，如图1所示。该系统由三个发动机和制冷机组成，按顺序相互连接。
多级废热回收配置
所提出的热回收系统由三个串联的声热发动机组成，可实现多达三级废热的耦合利用。系统通过每个发动机中的换热器从废气中吸热，并将其传递给工作气体（氦气）。当回热器上的温差增加到临界条件时，系统开始自激振荡并达到稳定工作状态。在实际热回收过程中...
不同工况下的制冷性能
废气余热温度直接决定声热发动机高温端换热器（HHX）的工作温度。因此，这一因素在决定声热制冷机的整体性能方面起着关键作用。为评估高温端换热器温度对系统性能的影响，实验研究了五种工况，并确定了每种工况下可达到的最低制冷温度。具体而言，最大高温端换热器...
结论
本研究提出了一种能够利用废气余热的级联环路声热制冷机。该系统具有若干优势，包括无机械运动部件、优异可靠性和长期运行耐久性。通过系统地研究废气余热与多级声热发动机之间的温度耦合关系，并进行级联废热利用实验，系统制冷性能...
CRediT作者贡献声明
孟楠：撰写——初稿，验证，软件，资源，方法论，调查，正式分析，概念化。张凌霄：验证，调查，概念化。康惠芳：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督。张玉航：方法论。姜一帆：调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究由中国国家自然科学基金（2024QN05043）和内蒙古自治区直属高校基础科学研究基金计划（2024QNJS026）资助。
孟楠|张凌霄|康惠芳|张玉航|姜一帆
