Analiza procesów konwersji energii w urządzeniu termoakustycznym

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.

Pełny tekst (pdf)

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 thermoacoustic 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.