Zjawisko chłodzenia termoakustycznego – koncepcja stanowiska badawczego

• Autorzy: Michalski S. , Grzywnowicz K. , Remiorz L.

Warianty tytułu

EN

Thermoacoustic cooling phenomenon – test stand conception

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono studium konstrukcji chłodziarki termoakustycznej, złożonej z wzbudnika akustycznego, rezonatora, regeneratora oraz zimnego i gorącego wymiennika ciepła. Pokazano również metodologię optymalizacji konstrukcji chłodziarki termoakustycznej z falą stojącą. Przyjęto, że gazem roboczym w analizowanym urządzeniu jest powietrze o ciśnieniu bezwzględnym 10 bar. Średnią temperaturę gazu wewnątrz chłodziarki założono na poziomie 230,65 K, a różnica temperatur między wymiennikiem zimnym i gorącym jest równa 75 K. Zbadano wpływ zmiany znormalizowanych pozycji i długości regeneratora na parametry termodynamiczne chłodziarki termoakustycznej (takie jak strumień ciepła i współczynnik efektywności chłodziarki). Podczas tej analizy założono stałą częstotliwość dźwięku wynoszącą fa = 600 Hz. Maksymalną moc cieplną ziębiarki otrzymano dla znormalizowanej pozycji regeneratora xs,n = 0,51 oraz znormalizowanej długości Ls,n = 1. Jednakże, najwyższy współczynnik efektywności chłodziarki (COP), wynoszący ponad 71 % uzyskano dla wartości parametrów wynoszących odpowiednio: xs,n = 0,17 oraz Ls,n = 0,311. Analizy powtórzono zmieniając częstotliwość fali akustycznej w przedziale 200-3000 Hz. Najwyższą wartość współczynnika efektywności osiągnięto dla częstotliwości fali akustycznej fa = 600 Hz. Omówiono koncepcję stanowiska badawczego, wykorzystującego zaprojektowane urządzenie, pozwalającego na eksperymentalną weryfikację przedstawionych wyników analizy termodynamicznej.

EN

The paper presents the feasibility study of thermoacoustic refrigerator design, composed of: acoustic inductor, resonator, stack, hot and cold heat exchangers. In addition, the methodology of optimizing the design of the thermoacoustic refrigerator with standing wave was presented. The ambient air at absolute pressure of 10 bar was assumed as the working gas in the thermoacoustic device. The average gas temperature inside the refrigerator is set at 230.65 K, and the temperature difference between cold and hot heat exchangers is 75 K. The influence of changes of normalized positions and length of the regenerator on the thermodynamic quantities (such as heat flux and Coefficient of Performance) was analyzed. During this analysis, a constant sound frequency of 600 Hz was assumed. The maximum heat output of the device was obtained for the normalized position of the regenerator xs,n = 0.51 and normalized length Ls,n = 1. However, the highest Coefficient of Performence of refrigerators that excess 71% was obtained for the values of parameters corresponding to: xs,n = 0.17 and Ls,n = 0.311. Eventually, the analyzes were performed for variable acoustic wave frequencies in range of 200-3000 Hz. The highest efficiency coefficient was reached for fa = 600 Hz. Finally, the concept of a test stand using a designed device allowing for experimental verification of the presented thermodynamic analysis results was described.

Słowa kluczowe

PL

chłodziarka termoakustyczna; termoakustyka; termoakustyczna pompa ciepła

EN

thermoacoustic refrigerator; thermoacoustics; thermoacoustic heat pump

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2017
• Tom: Nr 6
• Strony: 73--79
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Michalski S.

• Zakłada Miernictwa i Automatyki Procesów Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej

autor

Grzywnowicz K.

• Zakłada Miernictwa i Automatyki Procesów Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej

autor

Remiorz L.

• Zakłada Miernictwa i Automatyki Procesów Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej

Bibliografia

• [1] Bassem M.M. et al.: Thermoacoustic Stirling Heat Pump Working as a Heater, Applied Physics Express 2011; (4):1-3
• [2] Tijani M.E.H., Spoelstra S.: High Temperature Thermoacoustic Heat Pump. 19th International Congress on Sound and Vibration, Wilno, 8-12 lipca 2012
• [3] Kikuchi R. et al.: Measurement of performance of thermoacoustic heat pump in a -3 to 160°C temperature range. Applied Physics Express 2015;54:1-4
• [4] Widyaparaga A. et al.: The frequency dependent regenerator cold section and hot section positional reversal in a coaxial type thermoacoustic Stirling heat pump. Cryogenics 2011;51:591-597
• [5] Yang Z., Zhuo Y., Ercang L., Yuan Z.: Travelling-wave thermoacoustic high-temperature heat pump for industrial heat recovery. Energy 2014;77:397-402
• [6] Yang Z. et al.: Experimental Investigation on a Linear-compressor Driven Travelling-wave Thermoacoustic Heat Pump. Energy Procedia 2015;75:1844-1849
• [7] Swift G.W. Thermoacoustic engines. The Journal of the Acoustical Society of America 1988;84:1146-1180
• [8] Tijani M.E.H., Zeegers J.C.H., de Waele A.T.A.M. Design of thermoacoustic refrigerators. Cryogenics 2002;42:49-57
• [9] Olson J.R., Swift G.W. Similitude in thermoacoustic. The Journal of the Acoustical Society of America 1994;95:1405-1412
• [10] Sergeev S.I. Fluid oscillations in pipes at moderate Reynolds number. Fluid Dynamics 1966;1:121-122
• [11] Merkli P., Thomann H., Transition to turbulence in oscillating pipe flow. Journal of Fluid Mechanics 1975;68:567-576
• [12] Hino M., Kashiwayanagi M., Nakayama M., Hara T. Experiments on the turbulence statistics and the structure of a reciprocating oscillating flow. Journal of Fluid Mechanics 1983;131:363-399
• [13] Akhavan T., Kamm R.D., Shapiro A.H. An investigation of transition to turbulence in bounded oscillatory Stokes flows. Journal of Fluid Mechanics 1991;225:423-444

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).