Termoakustički uređaji – princip rada, trenutno stanje razvoja i perspektiva


Termoakustički uređaj je tako konstruiran uređaj da može proizvoditi čujni zvuk tako da ga na jednom prikladnom mjestu zagrijavamo, a na drugom hladimo. Zvuk je oblik mehaničke energije koji se dalje može koristiti za konverziju u drugi oblik energije, npr. električnu energiju.
Dakle ne postoji nikakav pomični dio, nema trenja niti potrebe za podmazivanjem i nema potrebe za preciznom izradom. Termoakustički uređaj može funkcionirati i u obrnutom smijeru, tj. korištenjem zvuka možemo na određenom mjestu u uređaju spustiti temperaturu, a na drugom ju podići. Termoakustički uređaj dakle može funkcionirati i kao hladnjak odnosno dizalica topline.

1. UVOD

Pitanje kako spriječiti daljnje uništavanje ozonskog sloja, uzrokovanog ispuštanjem štetnih rashladnih tvari u okolinu, povećalo je interes za istraživanjem termoakustičkih procesa prije više od 25 godina [1]. U to je vrijeme N. Rott [2] publicirao osnovnu teoriju koja opisuje akustičke oscilacije i strujanje izazvano toplinom, a također je uveo i termin “termoakustika (TA)”, budući da se područje bavi transformacijama između toplinske i akustičke energije. J. Wheatley [3] radeći u Los Alamos National Laboratory (LANL, USA) iskoristio je ovu teoriju za projektiranje uređaja koji bi proizvodili korisni rashladni učin ili mehanički rad. Iako je od tada bilo publicirano mnogo znanstvenih radova ( [1] je odličan pregled za period do 2004.) i područje se brzo razvijalo, do danas su publicirane samo dvije knjige – udžbenika jedna na engleskom (G.W. Swift, A unifying perspective for some engines and refrigerators [4]) i jedna na japanskom jeziku (A. Tominaga, Fundamental Thermoacoustics [5]). Na žalost, Swiftova knjiga nije pogodna za inženjersku praksu pa je izostao brži prelaz do sada razvijene tehnologije iz laboratorija u praksu. Također, postoji samo jedan prevladavajući simulacijski software namijenjen projektiranju i konstrukciji termoakustičkih uređaja, DeltaEC [6] kojeg su također izradili Swift i suradnici u LANL. To je druga verzija prethodno dobro poznatog DeltaE koja je lakša za korištenje, ali još je uvijek potrebno nekoloiko mjeseci učenja da bi se program efikasno koristio. Danas je LANL vodeći svjetski centar za razvoj ovog područja, ali se istraživanja i razvoj u termoakustici provode u širom svijeta, npr. u Japanu, Kini, Velikoj Britaniji, Francuskoj, Nizozemskoj i drugdje. U nastavku ovog članka biti će ukratko objašnjeni termoakustički procesi i na njima zasnovani termoakustički uređaji namjenjeni rashladnoj tehnici, proizvodnji električne energije i  iskorištavanju otpadne topline. Termoakustički efekti koji se javljaju ili koriste kod izgaranja goriva u raznim tipovima komora izgaranja (npr. mlaznim i raketnim motorima) ili čak u medicinskoj dijagnostici (npr. mikrovalovima inducirana termoakustička računalna tomografija) ovdje se ne će razmatrati jer su to smislom i sadržajem drugačija područja. Također se ne će razmatrati korištenje zvučnih valova za razdvajanje mješavine plinova jer je taj process još u fazi dominantno fundamentalnog istraživanja.

2. OSNOVNA KLASIFIKACIJSKA MATRICA U ČETIRI KATEGORIJE

2.1 Terminologija – osnovni konstrukcijski elementi termoakustičkih (TA) uređaja

k40-firak-01-200

Slika 1: oblik rezonantnih cijevi i rezonatora primjenjenih u različitim tipovima TA uređaja

Već sama riječ “termoakustika” povlači za sobom pitanje da li koristiti riječ termo- ili toplinsko-, akustički ili zvučno. Dosljedno korištenje riječi akustika povlači onda za sobom ne korištenje riječi zvuk ili zvučno. Stoga ne ulazeći ovom prilikom u daljnju diskusiju oko ispravnosti korištene terminologije, a zbog lakšeg razumijevanja kako ovog teksta tako i engleskih tekstova o termoakustičkim uređajima, slijedi definiranje korištene terminologije.

Rezonantna cijev (Resonant tube)cijev otvorena s oba kraja (Sl. 1 (a)), jednom stranom otvorenom i drugom zatvorenom (Sl. 1 (b)), s obje strane zatvorene (Sl. 1 (c)), cijev koja tvori torus (Sl. 1 (d)), hibrid torusa i ravne otvorene ili zatvorene cijevi (Sl. 1 (e)).
Rezonator (Resonator) – određeni oblik krutom stijenkom omeđenog prostora, često pričvršćen na jednom ili oba kraja rezonantne cijevi. Različiti oblici rezonatora prikazani su na Sl. 1 (f) do (h).
Radni medij (Working medium) stlačeni plin (zrak, dušik, helij, argon) u volumenu rezonantne cijevi i rezonatora.

Svežanj (Stack) – komad krutog poroznog materijala korišten za izmjenu topline s radnim medijem. Pore su obično gusto pakovani paralelni ravni kanali presjeka oko 1 mm2 (Sl. 2 (a)).

k40-firak-02-200 Slika 2. a) svežanj – izrađen od poroznog (krutog) materijala u formi paralelnih kanala (ovdje napravljenih od keramičkog materijala), korišten za izmjenu s radnim medijem, b) regenerator – izrađen od poroznog (krutog) materijala korišten za izmjenu topline s radnim medijem, u obliku manje ili više kaotično raspoređenih otvorenih pora (ovdje napravljenih pomoću metalnih mrežica, mrežice su naslagane jedna na drugu, a da se nije pazilo na poklapanje otvora). Promjer pora je mnogo manji nego promjer kanala u svežnju.   

k40-firak-03-200

Regenerator (Regenerator) – komad krutog poroznog materijala korišten za izmjenu topline s radnim medijem. Pore su obično kaotično raspoređene, nepravilnog i nejednakog volumena i međusobno spojene (kao npr. kod spužve). Promjer pora je mnogo manji u usporedbi s promjerom kanala poroznog svežnja. (Sl. 2 (b)).

k40-firak-00-200

Slika 3. Izmjenjivač toplineprenosi toplinu između radnog medija unutar rezonantne cijevi i medija izvan termoakustičkog uređaja. Mogući su različiti koncepti.

Izmjenjivač topline (Heat exchanger)prenosi toplinu između radnog medija koji se nalazi unutar rezonantne cijevi i medija izvan termoakustičkog uređaja (Sl. 3).
Čestica (Parcel) Najmanji dio radnog medija koji još ima iste osobine kao ukupni radni medij sadržan u termoakustičkom uređaju (npr., čestica zraka ima specifični toplinski kapacitet različit od dušika ili kisika zasebno).
Linearni alternator (Linear alternator) – uređaj koji pretvara snagu akustičkih oscilacija radnog medija u izmjeničnu električnu struju. Akustičke oscilacije pokreću membranu, mijeh ili klip naprijed – natrag. Na membranu je pričvršćen magnet koji oscilira zajedno s njom unutar namotaja bakrene žice koji miruje jer je učvršćena na mirujuće kućište. Na taj način se u namotu inducira električna struja.
Rotacioni alternator (Rotational alternator) – uređaj koji pretvara snagu zakretnog momenta u izmjeničnu električnu struju.
Wellsova turbina (Wells turbine) – turbinsko kolo s takvim profilom i tako postavljenih lopatica da se radno kolo pod utjecajem strujanja radnog medija vrti uvijek u istom smijeru bez obzira na promjenu smjera strujanja.
Motor (Prime mover, engine, motor) – Pretvarač toplinske energije u mehanički rad.
Hladnjak (refrigerator, heat pump) – dizalica topline; uz pomoć uloženog mehaničkog rada diže određenu količinu topline s niže temperaturne razine na višu. Ako je spremnik topline na nižoj temperaturnoj razini toplinski izoliran prema okolini, u njemu pada temperatura.

2.2 Osnovna klasifikacija: termoakustički motor vs. thermoakustički hladnjak

Bez obzira da li je TA uređaj zasnovan na svežnju ili regeneratoru, on može raditi ili kao motor ili kao hladnjak (toplinska crpka) (Sl.4).

a) Termoakoustički motor
b) Termoakoustički hladnjak

k40-firak-04-200Slika 4. Tokovi rada i topline unutar TA motora (a)  i a TA hladnjaka ili toplinske crpke (b), (TH – temperatura vrućeg toplinskog spremnika, TC– temperatura hladnog toplinskog spremnika, QH – toplina odvedena ili dovedena vrućem toplinskom spremniku, QC – toplina odvedena ili dovedena hladnom toplinskom spremniku, W – proizvedeni ili utrošeni rad)

Dok proizvodi rad, TA motor apsorbira toplinu kod visoke temperature i odbacuje je kod niže temperature. Fizikalna priroda proizvedenog rada može biti opisana kao čujni zvuk. Hladnjak ili toplinska crpka apsorbira toplinu kod niske temperature i koristi ulaz mehaničkog rada (u obliku zvuka) da bi odbacila za uloženi rad (idealno gledajući) više topline na višoj temperaturi. Jedina razlika između toplinske crpke i hladnjaka je u tome da li je svrha uređaja izvući toplinu kod nižih temperature (hlađenje) ili odbaciti toplinu kod viših temperature (grijanje).

2.3 Usporedba uređaja zasnovanih na svežnju i uređaja zasnovanih na regeneratoru

Druga klasifikacija zavisi o tome da li je porozni materijal korišten za izmjenu topline s radnim medijem građen da tvori svežanj ili regenerator. Unutar regeneratora veličina pore je mnogo  manja nego kod svežnja. Razlika između svežnja i regeneratora može se opisati tzv. Laucretovim brojem NL. Laucretov broj je definiran kao odnos između polovice promjera pore i dubine toplinskog prodora (dubina toplinskog prodora određuje kako daleko toplina može difuzijom doprijeti u okomitom smijeru na pravac osciliranja radnog medija za vrijeme trajanja jedne periode oscilacija podijeljene s brojem p). Ako je NL ≈ 1 porozni materijal naziva se svežanj, a ako je NL << 1, naziva se regenerator.

2.4 TA uređaji sa stojnim i putujućim valom

Konačno, termoakustički uređaji također mogu biti kategorizirani zavisno od toga da li se unutar termoakustičkog uređaja razvio stojni ili putujući val. Pogodnije je koristiti svežanj unutar uređaja sa stojnim valom i regenerator unutar uređaja s putujućim valom. Prema tome, termoakustički se uređaji mogu klasificirati kao uređaji zasnovani na svežnju i stojnom valu i zasnovani na regeneratoru i putujućem valu. Klasifikacijska matrica koja prikazuje navedene četiri kategorije dana je u Tab. 1.

Tablica 1. Klasifikacijska matrica TA uređaja
k40-firak-09-400

k40-firak-05-200   k40-firak-06-200

Slika 5. Motor zasnovan na svežnju i stojnom valu (pretvarač mehaničke energije zvuka u elektricitet tj. alternator, nije prikazan)
Slika 6. Hladnjak zasnovan na svežnju i stojnom valu (izvor zvuka je zvučnik pokretan električnom strujom)

k40-firak-07-200   k40-firak-08-200

Slika 7. Motor pokretač zasnovan na regeneratoru i putujućem valu
Slika 8. Toplinska crpka zasnovana na regeneratoru i putujućem valu

3. PRINCIPI TERMOAKUSTIČKOG EFEKTA

Termoakustički se efekt može objasniti na način da se slijedi odabrana čestica radnog medija na svom cikličkom putu kroz svežanj ili regenerator. Ako se radi o TA procesu koji se zbiva u TA motoru, toplina se dovodi izvana putem vrućeg izmjenjivača česticama koje ga okružuju (TA motor, Sl. 5, 7 i 8). U obrnutom TA procesu (TA hladnjak i toplinska crpka, Sl. 6 i 8), radnom mediju zatvorenom u  prostoru rezonantne cijevi i rezonatora, akustički se rad dovodi izvana putem zvučnika ili TA motora. Zavisno o topografiji uređaja i temperaturnoj razlici između vrućeg i hladnog izmjenjivača topline, za vrijeme određenog vremenskog intervala u rezonantnom prostoru uređaja uspostaviti će se stojni ili putujući val. Nakon tog prelaznog perioda sljedi drugi (kvazistacionarni) period, koji traje sve dok se u uređaj dovodi toplina ili akustička energija. Ovaj drugi period detaljno je opisan u [7]. Sl. 9 prikazuje idealizirane cikluse kroz koje prolazi tipična čestica radnog medija za vrijeme jedne oscilacije uzduž stijenke pore. Vidi se da čestica fluida (predstavljena kvadratom) prolazi kroz ciklus sastavljen od četiri stupnja koji zavise o tipu uređaja. Npr. za hladnjak sa stojnim valom to su kompresija, hlađenje, ekspanzija i zagrijavanje. Temperatura u toku ciklusa predstavljena je bojom, crveno znači toplije, a plavo hladnije.

3.1 Uređaji zasnovani na svežnju

Osnovni termodinamički ciklus u TA hladnjaku ili TA motoru sa svežnjem i stojnim valom sastoji se od dva reverzibilna adijabatska koraka (koraci 1 i 3 na Sl. 9 (a i b)) i dva ireverzibilna izobarična koraka s prenosom topline (koraci 2 i 4 na Sl. 9 (a i b)). Budući da je NL≈1, toplinski kontakt između fluida i krute površine pore svežnja nije savršen. Kao rezultat, između tlaka i temperature čestice radnog medija, koja se nalazi na udaljenosti od nekoliko dubina prodiranja od krute površine, nastaje fazni pomak ili vremensko kašnjenje. Čestice koje su udaljenije od površine nemaju s njom toplinski kontakt pa se jednostavno zvučnim valom komprimiraju ili ekspandiraju – adijabatski i reverzibilno. Nasuprot njima, čestice koje su udaljene od krute površine oko jedne toplinske dubine prodiranja, imaju s njom dovoljno dobar toplinski kontakt pa mogu s njom izmijeniti nešto topline, ali istovremeno su u preslabom kontaktu da bi se stvorio vremenski pomak između fizičkog pomaka čestice i prenosa topline. Činjenica da rad TA uređaja zasnovanih na svežnju zahtijeva da tlak i pomak čestice budu primarno u fazi, objašnjava zašto se uređaji zasnovani na svežnju, također nazivaju i uređaji zasnovani na stojnom valu.  Razlika između motora i hladnjaka zavisi o veličini temperaturnog gradijenta uzduž pore svežnja. Za vrijeme kompresije (korak 1) čestica radnog medija se istovremeno i adijabatski zagrijava i pomiče uzduž stijenke pore. Štoviše, ako je temperaturni gradijent uzduž svežnja dovoljno velik, temperatura površine pore biti će veća nego temperarura čestice. U tom slučaju toplina će se prenositi s površine pore na radni medij (korak 2). To je upravo slučaj na Sl. 9 (b). Potom čestica ekspandira i giba se unatrag u početnu poziciju (korak 3). Tamo će temperatura čestice još biti viša od temperature krute površine pa će se toplina prenositi s radnog medija na krutu površinu (korak 4). Kao rezultat, toplina se transportira s više na nižu temperaturu i istovremeno proizvodi određeni rad.  Drugim riječima, uređaj funkcionira kao motor. Slično, ako je temperaturni gradijent uzduž pore dovoljno malen, toplina se transportira s niske na visoku temperaturu, za što je potrebno uložiti određeni rad.  Prema tome, ciklus prikazan na Sl. 9 (a) zbiva se u hladnjaku. Na taj način je mali temperaturni gradijent uzduž pore uvjet za hladnjak, a visoki temperaturni gradijent uvjet za motor. Kritični temperaturni gradijent je onaj kod kojeg se temperatura uzduž pore mijenja baš kao što bi se adijabatski mijenjala temperatura čestice fluida.

3.2 Uređaji zasnovani na regeneratoru

Osnovni thermodinamički ciklus u TA hladnjaku ili motoru pokretaču zasnovanom na regeneratoru sastoji se od dva  izohorna pomaka za vrijeme kojih se izmjenjuje toplina (koraci 2 i 4 na Sl. 9 (c i d)) i dva izotermalna kompresijska i ekspansjska koraka (koraci 1 i 3 na Sl. 9 (c i d)). Zato što su pore u regeneratoru tako male u usporedbi s toplinskom dubinom prodiranja, postojati će skoro savršeni toplinski kontakt između radnog medija i krute površine. Prema tome, za vrijeme gibanja (koraci 2 i 4) temperature stijenke i čestice radnog medija će biti jednake. Kao rezultat toga postojati će kontinuirana izmjena topline između radnog medija i krute površine pore, koja se zbiva uz isčezavajući malu temperaturnu razliku pa prema tome i zanemarivu entropiju. Za vrijeme kompresije i ekspanzije (koraci 1 i 3), temperature ostaju konstantne.

Radni medij koji oscilira unutar regeneratora zahtijeva jednaku faznost između tlaka i brzine kao i putujući zvučni val. Zato se uređaji zasnovani na regeneratoru također nazivaju i uređaji s putujućim valom. Glavna prednost uređaja zasnovanih na regeneratoru s obzirom na uređaje zasnovane na svežnju je da kod njih nema ireverzibilnih procesa, tako da je idealna učinkovitost  jednaka Carnotovoj učinkovitosti. S druge strane, zato što su pore tako male, može postojati velika viskozna disipacija energije što ipak dovodi do značajnog smanjenja učinkovitosti.

k40-firak-10-350Slika 9. Četiri koraka (1 – 4) termodinamičkog ciklusa tipične čestice radnog medija: (a) na svežnju i stojnom valu zasnovanom hladnjaku, (b) na svežnju i stojnom valu zasnovanom motoru, (c) na regeneratoru i putujućem valu zasnovanom hladnjaku i (d) na regeneratoru i putujućem valu zasnovanom motoru [7].

3.3 Efekt “lanca dodavača”  

Većinom je pomak čestice radnog medija malen u odnosu na dužinu svežnja odnosno regeneratora. Znači, uspostaviti će se jedan cijeli lanac susjednih čestica fluida, pri čemu svaka oscilira kratkim pomacima dužine 2x1 i jedna drugoj prenosi (dodaje) toplinu kao što se prenosi voda u lancu dodavača kanti kod gašenja požara (Sl. 4). Iako pojedina čestica transportira toplinu δQ preko vrlo kratkog područja, δQ se transportira uzduž cijele dužine svežnja ili regeneratora jer ima mnogo čestica u seriji.

k40-firak-11-350Slika 10. Rad i prenos topline unutar TA hladnjaka. Oscilirajuće čestice radnog medija rade kao “lanac dodavača”, dodajući jedna drugoj toplinu uzduž svežnja ili regeneratora. Kao rezultat, toplina Q se transportira s lijeva na desno, za što se troši dovedeni zvučni  rad W. Unutar TA motora smjerovi će biti obrnuti, tj. toplina Q se transportira s desna ma lijevo, a proizvodi se zvuk, točnije rečeno zvučna energija ili rad W [7].

4. PRIMJENE

TA hladnjaci koriste akustičke valove za prenos topline. Iako su njihove prednosti u usporedbi s tradicionalnim hladnjacima s kompresijom para manji utjecaj na okolinu, robusnost i jednostavnost, oni su od njih trenutno manje efikasni. S druge strane, efikasnost TA motora u sklopu s umjereno učinkovitim linearnim alternatorom je sasvim blizu 25% [8].

4.1 Ukapljivanje prirodnog plina

Toplinom izgaranja prirodnog plina u TA-motoru generira se zvučna energija. Ta se zvučna energija onda koristi u TA-hladnjaku za ukapljivanje prirodnog plina. Los Alamos National Laboratory već je u malom mjerilu demonstrirao primjenu TA hladnjaka za ukapljivanje plina. Koncept obuhvaća konverziju topline u energiju zvučnog vala u stlačenom heliju kao radnom mediju kojim je ispunjena mreža zavarenih čeličnih cijevi, za hlađenje prirodnog plina bez i jednog pomičnog dijela. Prototip je 1/40 veličine komercijalnog uređaja, s projektnim kapacitetom ukapljivanja od 2000 l/dan, izgrađen je i testiran u suradnji s Praxair, Inc. (Sl. 11) [9, 10]. Izvor energije je prirodni plin koji izgara u posebnom gorioniku. Los Alamos nastavlja s traženjem drugih partnera za suradnju u razvoju takvog konačnog oblika koji bi bio pogodan za offshore primjenu.

Slika 11. Fotografija i shema toplinom pokretanog TA ukapljivača prirodnog plina [9].
k40-firak-13-400

k40-firak-12-200

 

4.2 Hlađenje čipova

U ovom slučaju zvučne valove generira piezo-electrični element. TA-hladnjak hladi čip [11].

k40-firak-15-200Slika 12. TA hladnjak s vrućim izmjenjivačem topline na temperaturi okoline i hladnim koji je iskorišten za hlađenje čipova (hladna ploča) [11]

Razvijeni su hladnjaci tipa kao na Sl. 12., koji rade na frekvencijama od 4 kHz do 25 kHz, među kojima je najmanji bio dugačak 8 mm. Dužina je varirala od 41 mm za uređaj na 4 kHz do 6 mm za uređaj na 24 kHz. Hladnjak na 5 kHz postigao je nivoe rashladne snage od 0.5 do 1 Watt i COP = 1.2. Postignute su temperaturne čipa od 38-40 °C uz  intenzitet zvuka od 165 do 170 dB.

4.3 Electricitet iz sunčeve energije

Koncentrirana toplinska sunčeva energija generira akustički val u zagrijavanom TA-motoru. Zvučni val pokreće linearni alternator koji generira elektricitet.

k40-firak-14a-200
k40-firak-14b-200Slika 13.
Neki od prvih prototipova TA uređaja na svijetu koji generiraju električnu struju direktno iz sunčeve energije: a) Kineska akademija znanosti (putujući val, 1000 W) [12], b) Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb (stojni val, 1 W) [13].

U okviru of the National’863’ projekata i “Solar Energy Program” pokrenutog od strane Kineske akademije znanosti učinjen je veliki napredak u tehnologiji korištenja sunčeve energije za pogon TA generatora električne energije [12]. Sustav se sastoji od tri podsustava: visokotemperaturnog sunčevog kolektora, TA motora i linearnog generatora. Projektna izlazna električna snaga iznosi 1 kW (Sl. 13 (a)). Jednostavniji i daleko manji (demonstracijski) sustav sa stojnim valom i zračnim hlađenjem razvija se na Fakultetu strojarstva i brodogradnje u Zagrebu [13].

4.4. Kogeneracija

Gorivo u ložištu zagrijava TA motor koji proizvodi zvučnu energiju. Linearni alternator pretvara dalje zvučnu energiju u elektricitet. Otpadna se toplina iz gorionika (dimni plinovi) može istovremeno koristiti za zagrijavanje u različitim situacijama. Ovdje je predstavljena kombinacija TA motora i linearnog alternatora montiranog u peć na biomasu (drva) (Sl. 14). Razvojem dostupnog, višestruko upotrebljivog kućanskog aparata, multinacionalni projekt SCORE [14] cilja na zadovoljenje energetskih potreba ruralnih zajednica u Africi i Aziji gdje je pristup električnoj energiji ekstremno ograničen.

Slika 14. TA generator električne energije sa stojnim valom, SCORE projekt [14]k40-firak-16a-200   k40-firak-16b-200

4.5 Dizanje temperature industrijske otpadne topline na višu razinu

TA toplinska crpka sa zrakom kao radnim medijem pogonjena otpadnom toplinom

Zvučna energija stvara se pomoću otpadne topline u TA motoru. U TA toplinskoj crpki ta se zvučna energija koristi za podizanje temperature dijela iste te otpadne topline na upotrebljiviju temperaturnu razinu. U  prototipu na Sl. 15 [15], izvor topline je umjesto otpadne topline električni grijač, a radni medij je zrak.

Slika 15. Eksperimentalni uređaj i shema toplinom pogonjene TA toplinske crpke s putujućim valom [15]k40-firak-17a-200   k40-firak-17b-200

Toplinom pokretana TA toplinska crpka prikazana na Sl. 15. visoka je 1.8 m. Rezonantna cijev na čijim se krajevima nalaze TA motor (gore) i toplinska crpka (dolje) ima vanjski promjer 0,18 m. Zvučna snaga diže toplinu s temperature TC na temperaturu okoline Tamb. Planira se izraditi i mnogo viši uređaj [16],  (Sl. 16). Dužina takvog uređaja bila bi oko 10 do 15 m, a imao bi promjer oko 2 m. Uređaj će biti punjen helijem ili mješavinom plemenitih plinova na tlaku od 20 bar.

Slika 16.  1 MW sustav za dizanje temperature otpadne topline na višu razinu [16]

k40-firak-18-400

TA generator električne energije u 4 stupnja s putujućim valom

Područje niskih temperaturnih razlika (70 do 200 °C), npr. između izlazne temperature sunčevih kolektora s vakuumiranim cijevima ili otpadne topline i temperature okoline, izgleda da ima najviši komercijalni potencijal za primjenu TA sustava. Zato je nedavno razvijen TA motor pokretač u 4 stupnja s putujućim valom. Na osnovi tog koncepta razvijen je TA električni generator od 100 kWT. Konverzija energije zvučnog vala u električnu energiju uobičajeno se u dosadašnjem razvoju vršila pomoću linearnog alternatora. Pokazalo se da takav pristup zadovoljava do električnih snaga od 1 kW. Za veće snage potrebnije industriji, npr. 50 do 100 kW potrebno je prijeći na rotacione električne alternatore (generatore). Sretna je okolnost što je već ranije za korištenje energije morskih valova razvijena dvosmjerna Wellsova turbina kojom se oscilatorno (dvosmjerno, naprijed-natrag) strujanje može pretvoriti u jednosmjernu vrtnju osovine. Povezivanje takve turbine i rotacijskog generatora istom osovinom i postavljanje takvog sustava u TA motor pokretač, moguće je ekonomično napraviti TA generatore i sa mnogo višim snagama. Na tom konceptu planira se razvoj TA generatora na otpadnu toplinu električne snage od 100 do 1000 kW [17].

Slika 17. Prototip TA generatora električne energije s putujućim valom u 4 stupnja [17]. Koristi otpadnu toplinu, a može se prilagoditi i za korištenje sunčevog zračenja za generiranje električne energije. Prorađuje kod 85 °C, a optimalna radna točka mu je na 160°C.k40-firak-19a-200   k40-firak-19b-200

4.6 TA zamrzivač za sladoled

Prototip TA zamrzivača za sladoled napravljen je i testiran za potrebe američke kompanije Ben & Jerry [18]. Imao je veću gustoću snage po jedinici mase nego bilo koji električni TA hladnjak do tada (2004. god.). Prototip je imao visinu od 48 cm i promjer 25 cm. S ciljem hlađenja prostora spremnika za sladoled od 200 litara mogao je postići 120 W efektivnog rashladnog kapaciteta i održavati temperaturu zamrzivača na -24,6 °C s odbacivanjem topline na temperaturi okoline do 34 °C. Prosječni COP (coefficient-of-performance, definiran kao odnos rashladnog kapaciteta i potrošnje električne energije) zamrzivača bio je 0,81 ili 19 % od Carnotovog COP kod istih uvjeta. Sl. 18 a) prikazuje nacrt presjeka prototipa zamrzivača (lijevo) i pogled na isječeni trodimenzionalni model (desno). Prikazana konstrukcija (električnim linearnim motorom pogonjenog TA zamrzivača), omogućava njegovo povezivanje u sekundarni sustav razvoda rashladne tekućine (npr. glikola) po spremniku i time održavati sladoled na temperaturi od -18 °C kod temperature okoline od 25 °C. (Sl. 18 (b)).

k40-firak-20a-200
k40-gradimohr-00-200Slika 18.
a) Presjek krutog modela cijelog uređaja i b) montaža uređaja uz škrinju za čuvanje sladoleda kompanije Ben & Jerry (USA)

5. ZAKLJUČAK

Usprkos vrlo jednostavne i jeftine proizvodne tehnologije i izdržljivosti TA uređaja, velikoserijska proizvodnja još ne postoji. TA tehnologija je mnogostrana, s mnogo alternativnih rješenja, ali teška za razumjeti i opisati matematičkom formulacijom. Bez obzira na to, područje se rapidno razvija u laboratorijima širom svijeta pa danas, nakon 25 godina intenzivnog istraživanja i razvoja, postojanje mnoštva prototipnih i demonstracijskih uređaja ukazuje na njenu svijetlu budućnost. Prvi komercijalni uređaji očekuju se na tržištu za 5 godina.

ZNAČENJE OZNAKA

T   – temperatura
Q  – toplina
W – rad
x   – pomak čestice
L   – dužina

indeksi

H – vruće
C – hladno
d  – delta, mali iznos

REFERENCE

[1] Steven L. Garrett, Resource letter: TA-1: Thermoacoustic engines and refrigerators, Am. J. Phys. 72 (1), January 2004, pp 11-17
[2] Nikolaus Rott, Thermoacoustics, Adv. Appl. Mech. 20, 1980, pp 135-175
[3] J. C. Wheatley, T. Hofler, G. W., Swift, and A. Migliori, Understanding some simple phenomena in thermoacoustics with applications to acoustical heat engines, Am. J. Phys. 53 (2), (1985), pp 147–162
[4] G. W. Swift, Thermoacoustics: A Unifying Perspective for Some Engines and Refrigerators, Acoustical Society of America, New York, 2002, ISBN 0-7354-0065-2
[5] A. Tominaga, Fundamental Thermoacoustics, Uchida Rokakuho, Tokyo, 1998, ISBN 4-7536-5079-0 C3042
[6] DeltaEC: http://www.lanl.gov/thermoacoustics/DeltaEC.html
[7] P.H.M.W. in ‘t panhuis, High-amplitude oscillatory gas flow in interaction with solid boundaries, http://www.win.tue.nl/casa/research/casaprojects/panhuis.html
[8] Petach, M., Tward, E., Backhaus, S., Design of a high efficiency power source (HEPS) based on thermoacoustic technology, NASA/CR-2004-XXXXXX, Glenn Research Center, Cleveland, OH, January 2004, http://www.lanl.gov/thermoacoustics/Pubs/HEPSFinalDraftU.pdf
[9] Swift, G.W., and Wollan, J.J. “Thermoacoustics for liquefaction of natural gas,” GasTIPS, vol. 8(4), (Fall 2002), pp. 21-26. Also available at w.lanl.gov/thermoacoustics/Pubs/GasTIPS.pdf
[10] Wollan, J.J., Swift, G.W., Backhaus, S.N., and Gardner, D.L., “Development of a Thermoacoustic Natural Gas Liquefier,” Proceedings of AIChE Meeting, New OrleansLA, March 11-14 (2002). Also available at www.lanl.gov/thermoacoustics/Pubs/Wollan.pdf
[11] Abdel-Rahman, E., Azenui, N.C., Korovyanko, I., Symko, O., Size considerations in interfacing thermoacoustic coolers with electronics, 2002 Inter Society Conference on Thermal Phenomena, IEEE 2002, http://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?asf_arn=null&asf_iid=21811&asf_pun=null&asf_in=null&asf_rpp=null&asf_iv=null&asf_sp=null&asf_pn=6
[12] http://industry.tech110.net/html/article_392088.html
[13] Firak, M., Thermoacoustic device for conversion of solar energy to electricity, International Congress Energy and Enwironment 2008 Vol. II, Rijeka : Tisak Zambelli – Rijeka, 2008. 101-109
[14] http://www.score.uk.com/research/default.aspx
[15] http://www.aster-thermoacoustics.com/results/p1.pdf
[16] Thermoacoustic heat pump for upgrading industrial waste heat, ECN energy efficiency in industry, The Netherlands  http://www.ecn.nl/fileadmin/ecn/units/eei/Onderzoeksclusters/Restwarmtebenutting/b-07-007.pdf
[17] Kees de Blok, Novel 4-stage Traveling Wave Thermoacoustic Power Generator, Proceedings of ASME 2010 3rd Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting and 8th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, FEDSM2010-ICNMM2010, August 2-4, 2010, Montreal, Canada
[18] Poese, M. E., Smith, R. W. M., Garrett, S. L., van Gerwen, R., Gosselin, P., Thermoacoustic refrigeration for ice cream sales, http://www.thermoacousticscorp.com/pdf/10.pdf

dr.sc. Mihajlo Firak, dipl.ing.stroj.

PODIJELI