Analiza procesów konwersji energii w urządzeniu termoakustycznym

• Autorzy: Ruziewicz A. , Lamperski J.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2015.15

Warianty tytułu

EN

Analysis of energy conversion processes in a thermoacoustic device

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Działanie urządzeń termoakustycznych (TA) opiera się na efekcie termoakustycznym opisanym przez Rayleigha już w XIX w. Przy odpowiednio wysokiej różnicy temperatur wzdłuż tuby akustycznej gaz zaczyna samoistnie oscylować, generując dźwięk. Praca urządzeń TA wykorzystujących falę biegnącą jest oparta na termodynamicznym obiegu Stirlinga. Silnik termoakustyczny w swojej konstrukcji przypomina klasyczny silnik Stirlinga – wykorzystuje pracę nagrzewnicy, chłodnicy i umieszczonego między nimi regeneratora. Energia mechaniczna otrzymana przez naprzemienne sprężanie i rozprężanie cząstek gazu przyjmuje postać energii niesionej przez falę dźwiękową, która w tym wypadku zastępuje pracę tłoka. W urządzeniach TA następuje zatem konwersja energii cieplnej w akustyczną (silniki) lub energii akustycznej w cieplną (pompy ciepła). Urządzenia TA charakteryzują się prostą budową i nie posiadają części ruchomych. Artykuł przedstawia podstawową zasadę działania urządzeń termoakustycznych oraz towarzyszących temu procesów konwersji energii. Analizie poddano proces rozpraszania energii na regeneratorze urządzenia termoakustycznego oraz jego obieg termodynamiczny przy uwzględnieniu oscylacyjnego ruchu gazu. Zaprezentowano, w jaki sposób cząstka gazu przechodzi obieg termodynamiczny i jak kontakt termiczny cząstki i ścianki regeneratora wpływa na ten proces. Omówiono również warunki potrzebne do wystąpienia efektu termoakustycznego dla przesunięcia fazowego między ciśnieniem akustycznym a prędkością akustyczną, odpowiadającego fali stojącej oraz fali biegnącej. Przedstawiono także bilans energii przykładowego urządzenia oraz możliwości jego zastosowania.

EN

Thermoacoustic devices (TA) operation are based on thermoacoustic effect, described by Rayleigh in XIX century. With the temperature difference high enough along an acoustic tube, gas starts to oscillate spontaneously producing sound. The performance of TA devices with the travelling wave is based on the thermodynamic Stirling cycle. The thermoacoustic engine resembles in its construction the conventional Stirling engine – it uses regenerator placed between hot and cold heat exchangers. Mechanical energy achieved by oscillatory compression and expansion of the gas parcels is the energy carried by a sound wave, which in this case replaces work of a piston. Hence, in TA devices thermal energy is converted into acoustic energy (engines) or acoustic energy into thermal energy (heat pumps). TA devices are very simple in construction and have no moving parts. The aim of this article is to introduce the principle of thermoacoustic devices and related to it energy conversion processes. The process of energy dissipation on the TA regenerator as well as the thermodynamic cycle of the TA device, considering the gas oscillations, is being analysed. It is presented, how the gas parcel undergoes the cycle, and how the thermal contact between the parcel and the solid influences the process. The conditions needed for the occurrence of the thermoacoustic effect for the travelling wave and standing wave phasing are also discussed. Finally, the energy balance of the device and application perspectives are presented.

Słowa kluczowe

PL

termoakustyka; obieg termodynamiczny; obieg Stirlinga; energia fali akustycznej

EN

thermoacoustics; thermodynamic cycle; Stirling cycle; acoustic wave energy

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Mechanika
• Rocznik: 2015
• Tom: z. 87 [291], nr 2
• Strony: 143--159
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Ruziewicz A.

• Politechnika Wrocławska, ul. Plac Grunwaldzki 9, 50-370 Wrocław

autor

Lamperski J.

• Politechnika Wrocławska

Bibliografia

• [1] Backhaus S., Swift G.W.: A thermoacoustic Stirling heat engine: detailed study, J. Acoustical Soc. America, 107 (2000), 3148-3166.
• [2] Ceperley P.H.: A pistonless Stirling engine – the travelling wave heat engine, J. Acoustical Soc. America, 66 (1979), 1508-1513.
• [3] Ceperley P.H.: Gain and efficiency of a short travelling wave heat engine, J. Acoustical Soc. America, 77 (1985), 1329-1344.
• [4] de Blok C.M.: Low operating temperature integral thermoacoustic devices for solar cooling and waste heat recovery, Acoustics, Paris 2008, 3545-3550.
• [5] de Blok C.M.: Multi-stage travelling wave thermoacoustics in practice, 19th Int. Congress Sound Vibration, Vilnius 2012.
• [6] de Blok C.M.: Thermoacoustic system, Dutch Patent, Int. Application Number PCT/NL98/00515, 1998.
• [7] Laplace S.: Equations of nonlinear acoustics, Ann. Chemie Physique, 3 (1816), 328.
• [8] Makarewicz R.: Dźwięki i fale, Wydawn. Naukowe Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Poznań 2004.
• [9] Rayleigh Lord: The explanation of certain acoustical phenomena, Nature (Lond), 18 (1878), 319-321.
• [10] Rott N.: Thermoacoustics, Adv. Appl. Mech., 20 (1980), 135-175.
• [11] Shutte A.: Thermoacoustics: Numerical modelling and experimental validation, Master’s thesis, University of Twente, Enschede 2009.
• [12] Spoelstra S., Tijani M.E.H.: Thermoacoustic heat pumps for energy savings, ECN-RX-05-159, Seminar Boundary crossing acousticsm, Netherlands 2005.
• [13] Swift G.W.: Thermoacoustic engines, J. Acoustical Soc. America, 84 (1988), 1146-1180.
• [14] Swift G.W.: Thermoacoustics: a unifying perspective for some engines and refrigerators, Acoustical Society of America, Los Alamos 2002.
• [15] Wilhelmus in’t panhuis P.H.M.: Mathematical Aspects of Thermoacoustics, PhD thesis, The Eindhoven University of Technology, 2009.
• [16] Wollan J.J., Swift G.W., Backhaus S., Gardner D.L.: Development of a thermosacoustic natural gas liquefier, AiChe New Orleans Meeting, New Orlean 2002.
• [17] Yu Z., Li Q., Chen X., Guo F.Z., Xie X.J.: Study on the optimal characteristic dimension of regenerator in a thermoacoustic engine, Proc. 20th Int. Cryogenic Eng. Conf. ICEC20, 2005, 357-360.