W referacie przedstawiono opis najważniejszych zagadnień dotyczących projektowania i eksploatacji układu pomiarowego rzeczywistego urządzenia termoakustycznego, funkcjonującego jako chłodziarka/pompa ciepła. Omówiono selekcję punktów pomiarowych oraz wielkości mierzonych ze względu na cel prowadzonego eksperymentu, a także podstawową metodologię oszacowania wartości błędu pomiarowego zastosowanych czujników. Nakreślono także wpływ pracy kluczowych podzespołów złożonego urządzenia – takich jak korektor położenia głośnika czy przetwornice elektryczne – na błędy pomiarowe. Zaprezentowano również narzędzia matematycznego przetwarzania i analizy sygnałów, takie jak dyskretna transformata Fouriera czy funkcja autokorelacji, szczególnie przydatne na etapie weryfikacji stanu pracy urządzenia.
Chłodzenie termoakustyczne to perspektywiczna technologia, która wykorzystuje energię fali akustycznej do transportu ciepła z ośrodka o niskiej do ośrodka o wysokiej temperaturze. Do głównych zalet tej technologii zalicza się dużą niezawodność, prostą konstrukcję urządzeń, a przede wszystkim brak szkodliwych dla środowiska czynników chłodniczych. Z drugiej strony wadą tej technologii jest relatywnie niska sprawność w porównaniu do współczesnych rozwiązań konwencjonalnych. Głównie z tej przyczyny urządzenia termoakustyczne wciąż pozostają w fazie szerokich badań mających na celu poprawę ich wydajności. W artykule tym przedstawiono kierunki obecnie prowadzanych prac. Uwagę zwrócono zwłaszcza na badania eksperymentalne z zakresu wyboru optymalnych parametrów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych termoakustycznych urządzeń chłodniczych z falą stojącą. Omówiono również budowę oraz podstawową zasadę działania takich urządzeń.
EN
Thermoacoustic refrigeration is a perspective technology capable of transporting heat from a low temperature source to a high-temperature source by utilizing the acoustic power input. It shows the advantages of high reliability, simple construction and operating without hazardous refrigerants. On the other hand, this technology has disadvantage of relative low efficiency in comparison to conventional solutions. Thus, many efforts have been taken in order to improve the performance of the thermoacoustic coolers. The article presents the review of current research. The main attention is focused on the experimental investigations of the optimal selection of the design and the operational parameters of the thermoacoustic refrigerators with the standing wave. The construction and principles of operations of such devices are also described in this paper.
3
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Znaczący udział pary wodnej w spalinach niekorzystnie wpływa na parametry eksploatacyjne i operacyjne układu energetycznego. Ponadto, może on istotnie utrudniać proces oczyszczania spalin – zarówno z cząstek stałych, jak i związków gazowych. Dlatego też istotna zawartość wilgoci w spalinach, charakterystyczna dla układów zasilanych gazem ziemnym, może stanowić jedną z przeszkód w powszechnej implementacji zaawansowanych technologicznie układów oczyszczania spalin połączonych z wychwytem CO2. W niniejszej pracy przedstawiono metodę wspomagania procesu wychwytu CO2 z gazów spalinowych poprzez wykroplenie zawartej w nich wilgoci z wykorzystaniem ciepła procesowego, opartą o zjawisko chłodzenia termoakustycznego. W pracy podsumowano wyniki wstępnych analiz obliczeniowych, dotyczących zastosowania omawianej metody w przykładowym układzie gazowo-parowym i bazujących na danych eksperymentalnych oraz literaturze przedmiotu. Wyniki przeprowadzonych badań sugerują możliwość osiągnięcia zadowalających parametrów procesu osuszania spalin przy wykorzystaniu prezentowanej metody, wskazując także obszary dalszych badań i optymalizacji.
EN
High moisture content in exhaust gasses adversely affects operational and maintenance parameters of almost any power and heat plant. Furthermore, it might vitally obstruct flue gas treatment – both considering particulate matter, as well as gaseous compounds. Thus, high content of water vapor in exhaust gasses, specific especially for natural gas-fuelled units, might state one of essential limitations affecting widespread implementation of advanced flue gas treatment, combined with CO2 capture. In the paper, the method for supporting of flue gas treatment by moisture condensation using the process heat, basing on application of the thermoacoustic cooling phenomenon, is presented. In the paper, results of introductory computational analyses, devoted to application of indicated method in gas turbine combined cycle unit and based on experimental data and literature, are briefly discussed. Results of the investigation suggest possibility of acquisition of satisfactory parameters of flue gas dehumidification process using presented method, indicating fields of further investigation and optimization.
Modern gas turbine systems operate in temperatures ranging from 1200°C to even 1500°C, which creates bigger problems related to the blade material thermal strength. In order to ensure appropriate protection of the turbine blades, a sophisticated cooling system is used. Current emphasis is placed on the application of non-stationary flow effects to improve cooling conditions, e.g., the unsteady-jet heat transfer or the heat transfer enhancement using high-amplitude oscillatory motion. The presented research follows a similar direction. A new concept is proposed of intensification of the heat transfer in the cooling channels with the use of an acoustic wave generator. The acoustic wave is generated by an appropriately shaped fixed cavity or group of cavities. The phenomenon is related to the coupling mechanism between the vortex shedding generated at the leading edge and the acoustic waves generated within the cavity area. Strong instabilities can be observed within a certain range of the free flow velocities. The presented study includes determination of the relationship between the amplitude of acoustic oscillations and the cooling conditions within the cavity. Different geometries of the acoustic generator are investigated. Calculations are also performed for variable flow conditions. The research presented in this paper is based on a numerical model prepared using the Ansys CFX-17.0 commercial CFD code.
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.
Doskonalenie technologii energetycznych jest związane z ciągłym wzrostem wymagań dotyczących zarówno parametrów technicznych, jak i środowiskowych, związanych z produkcją różnych użytecznych form energii. Wśród obszarów, podlegających ciągłej modernizacji, jest również chłodnictwo. Postęp jest tutaj widoczny w obszarze doskonalenia istniejących technologii, a także w poszukiwaniu nowych rozwiązań. Jednym z obecnie rozwijanych kierunków badań jest chłodnictwo termoakustyczne. Ze względu na interdyscyplinarny charakter zjawiska, łączącego akustykę i przepływ ciepła, modelowanie tego procesu jest zadaniem trudnym. Niemniej, obecny poziom rozwoju technik modelowania numerycznego pozwala na osiąganie zadawalających rezultatów. W artykule przedstawiono wyniki badań modelowych zjawiska termoakustycznego zachodzącego w elementarnym urządzeniu chłodniczym. W pracy opisano budowę fizyczną prostego urządzenia, a także przedstawiono odpowiedni model numeryczny wraz z parametrami brzegowymi i początkowymi. Uzyskane w procesie modelowania wyniki przedstawiają odpowiednie rozkłady temperatur w charakterystycznych obszarach urządzenia i obrazują zachodzące zjawisko termoakustyczne.
EN
Improvement of power technologies is connected with continuous rise in demand, concerning both technological and ecological parameters of useful forms of energy production. Among the fields of modernization, generation of cooling power may be stated. Progression in this field is especially visible due to improvement of state-of-the-art technologies, as well as research in promising solutions. One of currently investigated research paths is thermoacoustic cooling. Due to an interdisciplinary nature of the phenomenon, connecting acoustics with heat transfer, modelling of the process states a difficult task. However, contemporary level of numerical tools development allows to obtain satisfactory results of such analyses. In this paper the results of model investigation of an elementary cooling device are presented. The construction of simple device, as well as an adequate numerical model, coupled with boundary and initial conditions is described. The results obtained during the numerical modelling process present temperature distributions in characteristic zones of the device and illustrate the thermoacoustic phenomenon.
Thermoacoustic refrigerator uses acoustic power to transport heat from a low-temperature source to a high-temperature source. The increasing interest in thermoacoustic technology is caused due to its simplicity, reliability as well as application of environmentally friendly working fluids. A typical thermoacoustic refrigerator consists of a resonator, a stack of parallel plates, two heat exchangers and a source of acoustic wave. The article presents the influence of the stack position in the resonance tube and the acoustic frequency on the performance of thermoacoustic refrigerator with a standing wave driven by a loudspeaker, which is measured in terms of the temperature difference between the stack edges. The results from experiments, conducted for the stack with the plate spacing 0.3 mm and the length 50 mm, acoustic frequencies varying between 100 and 400 Hz and air as a working fluid are consistent with the theory presented in this paper. The experiments confirmed that the temperature difference for the stack with determined plate spacing depends on the acoustic frequency and the stack position. The maximum values were achieved for resonance frequencies and the stack position between the pressure and velocity node.
8
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
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.
A thermoacoustic heat engine (TAHE) converts heat into acoustic power with no moving parts. It exhibits several advantages over traditional engines, such as simple design, stable functionality, and environment-friendly working gas. In order to further improve the performance of TAHE, stack parameters need to be optimized. Stack’s position, length and plate spacing are the three main parameters that have been investigated in this study. Stack’s position dictates both the efficiency and the maximum produced acoustic power of the heat engine. Positioning the stack closer to the pressure anti-node might ensure high efficiency on the expense of the maximum produced acoustic power. It is noticed that the TAHE efficiency can further be improved by spacing the plates of the stack at a value of 2.4 of the thermal penetration depth, ςk . Changes in the stack length will not affect the efficiency much as long as the temperature gradient across the stack, as a ratio of the critical temperature gradient Γ, is more than 1. Upon interpreting the effect of these variations, attempts are made towards reaching the engine’s most powerful operating point.
PL
Termoakustyczna maszyna cieplna (TAHE) przekształca ciepło w energie akustyczna bez użycia części ruchomych. W porównaniu z maszynami tradycyjnymi ma ona szereg zalet, takich jak prosta konstrukcja, stabilność działania oraz wykorzystanie gazów przyjaznych dla środowiska. W celu dalszej poprawy osiągów maszyny TAHE należy zoptymalizować parametry stosu (zespołu wąskich kanałów miedzy płytami wymiennika ciepła). Trzema głównymi parametrami analizowanymi w przedstawionej pracy są pozycja stosu, długości, odstęp między płytami. Pozycja stosu decyduje zarówno o sprawności jak maksymalnej mocy akustycznej wytwarzanej przez maszynę cieplną. Umieszczenie stosu bliżej strzałki fali stojącej może zapewnić większą sprawność kosztem maksymalnej wytwarzanej mocy akustycznej. Stwierdzono, że dalsza poprawa sprawności maszyny TAHE może być osiągnięta gdy zastosuje się odstęp płyt stosu równy 2,4 cieplnej głębokości wnikania, k . Zmiany długości stosu nie maja wielkiego wpływu na sprawność tak długo, jak stosunek krytycznego gradientu cieplnego jest większy od 1. Na podstawie interpretacji efektów tych zmian podjęto wysiłki dla uzyskania najlepszych osiągów maszyny.
Gaz ziemny na duże odległości przesyłany jest głównie w postaci skroplonej, czyli LNG (Liquid Natural Gas). Przemysłowe procesy skraplania gazu ziemnego opierają się na typowych układach chłodniczych połączonych ze sobą kaskadowo lub budowane są w postaci autokaskad. W pracy zaprezentowano nową metodę skraplania gazu ziemnego z wykorzystaniem zjawisk termoakustycznych. Urządzenia termoakustyczne nie posiadają w części niskotemperaturowej elementów ruchomych, co sprawia, że instalacje tego typu są zdecydowanie trwalsze i mniej awaryjne niż instalacje sprężarkowe. Metodę porównano z typowymi instalacjami do skraplania gazu ziemnego pod względem efektywności energetycznej. Zaznaczono możliwości wykorzystania urządzeń termoakustycznych także w innych procesach obróbki gazu ziemnego.
EN
Natural gas over long distances is transported mainly in liquefied form (LNG). Industrial liquefaction processes are based on typical cooling systems connected in cascade or are constructed in the form of autocascade. This paper will present a new method for liquefying natural gas using thermoacoustic phenomena. Thermoacoustic devices do not have at the low-temperature the moving parts, which makes this type of plants are much more durable and less error prone than the compressor installation. The method is compared with conventional systems for liquefying natural gas in terms of energy efficiency. There will be also described the possibility of using thermoacoustic devices in other treatment processes natural gas.
Paper presents the results of numerical modelling of a rectangular tube filled with a mixture of air and CO2 by means of the induced standing wave. Assumed frequency inducing the acoustic waves corresponds to the frequency of the thermoacoustic engine. In order to reduce the computational time the engine has been replaced by the mechanical system consisting of a piston. This paper includes the results of model studies of an acoustic tube filled with a mixture of air and CO2 in which a standing wave was induced.
Dwutlenek węgla należy do grupy gazów cieplarnianych, szacuje się, że ma znaczący bo aż 50. procentowy udział w powstawaniu tzw. efektu cieplarnianego. Jest to spowodowane jego silną absorpcją promieniowania podczerwonego. Dlatego też wysiłki środowisk badawczych koncentrują się obecnie na metodach redukcji emisji CO2 do atmosfery poprzez wprowadzenie technologii jego wychwytu [4,5,7,8,9]. Sam proces separacji dwutlenku węgla można podzielić na: absorpcję, adsorpcję, separację membranową i metody kriogeniczne. Oprócz tych metod, które są już na pewnym poziomie zaawansowania badawczego przedmiotem badań są również metody separacji oparte o inne zjawiska fizyczne. Jedną z nich jest metoda, wykorzystująca fale akustyczne lub termoakustyczne. W pracy przedstawiono wyniki modelowania numerycznego prostokątnego kanału o wymiarach 20x50x1000mm wypełnionego mieszaniną powietrza i CO2 w którym wzbudzono falę akustyczną. Jeden koniec kanału pozostawiono otwarty, natomiast na drugim końcu zamodelowano wymuszenie akustyczne. W wyniku oddziaływania wymuszenia, wewnątrz kanału zaobserwowano zaburzenia jednorodności mieszaniny. Zakłócenie jednorodności miało trwały charakter w odniesieniu do kolejnych cykli fali akustycznej. Na wyniki badań modelowych niewielki wpływ miały takie parametry jak dyskretyzacja przestrzenna i średnie ciśnienie wewnątrz kanału. Nieco większy wpływ na wyniki zaobserwowano w przypadku dyskretyzacji czasowej. Niezależnie od wartości przyjętych parametrów modelowania samo zjawisko separacji zachodziło w każdym z rozpatrywanych przypadków. Przedstawione wyniki symulacji numerycznych wymagają eksperymentalnej weryfikacji, która jest przedmiotem dalszych badań.
EN
Carbon dioxide belongs to the group of greenhouse gases. It is estimated that CO2 has a significant, 50% share in the generation of the greenhouse effect. This is caused by its strong absorption of infrared radiation. The efforts of research circles focus on the methods to reduce CO2 emissions into the atmosphere by means of the introduction of capture technologies [11,12,13,14,15]. The carbon dioxide separation process can be divided into: absorption, adsorption, membrane separation, and cryogenic methods. Apart from these methods, which are already at a certain level of research advancement, other separation methods, based on different physical phenomena are being developed. One of them is separation which makes use of the acoustic or thermoacoustic wave. This paper includes the results of model studies of an acoustic tube filled with a mixture of air and CO2 in which a standing wave was induced. The paper presents the results of numerical modelling of an acoustic tube filled with a mixture of air and CO2. A rectangular testing tube with dimensions: 20x50x1000mm was assumed. One end of the tube was left open, whereas an acoustic wave inductor was modelled at the other end. Due to the effect of an acoustic wave, a disturbance in the mixture homogeneity occurred in the modelled tube. The homogeneity disturbance had a lasting character with respect to the subsequent oscillation cycles in the tube. The observed phenomenon was not qualitatively affected by parameters such as the numerical mesh size, the adopted time step or the pressure in the tube. The separation could be observed regardless of the values of adopted parameters, within the set limits, of course. At the same time, the values adopted for the modelling had an impact on the level and time of separation, which was the case for space and time discretisation in particular. The presented results need experimental verification, which is the subject of further studies.
The paper is concerned with an important issue from the field of thermoacoustics - the numerical modelling of the flow field in the thermoacoustic engine. The presented way of modelling is based on the solution to fundamental fluid mechanics equations that govern the flow of compressible, viscous, and heat-transferring gas. The paper presents the way of modelling the thermoacoustic engine, the way of conducting calculations and the results which illustrate the correctness of the selected computational technique.
14
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Wymogi konkurencji na światowych rynkach oraz coraz wyższe wymagania środowiskowe stymulują ciągłe zmiany oraz udoskonalanie istniejących rozwiązań. Równocześnie następuje dynamiczny rozwój ekologicznych technik, alternatywnych w stosunku do chłodnictwa tradycyjnego jak choćby chłodnictwo magnetyczne czy termoakustyczne. W artykule tym omówione zostały główne kierunki rozwoju przemysłu chłodniczego i klimatyzacyjnego w kontekście efektywności energetycznej oraz zagadnień ochrony środowiska które związane są z bieżącą działalnością Centralnego Ośrodka Chłodnictwa COCH.
EN
Competition on world markets and rising environmental requirements enforce development of existing cooling technologies. At this same time rapidly increase develop of new ecological and alternative solutions to conventional refrigeration techniques like thermoacoustic or magnetic refrigeration. In this paper were specified principal development directions of refrigeration and air-conditioning industry in context of energy efficiency and environmental protection which are connected with present Refrigeration Research and Development Centre COCH activity