Analiza zastosowania powietrza jako gazu roboczego w

Z prac badawczych
Mgr inż. ANDRZEJ GRZEBIELEC
Politechnika Warszawska
Instytut Techniki Cieplnej
Zakład Aparatury Procesowej i Chłodnictwa
Analiza zastosowania powietrza jako gazu roboczego
w termoakustycznych urządzeniach chłodniczych
Przedstawiono rozwiązana dotyczące wykorzystania powietrza jako gazu roboczego w termoskustycznych urządzeniach chłodniczych. W tym celu zostało zbudowane doświadczalne urządzenie termoakustyczne z powietrzem jako czynnikiem roboczym. Artykuł
zawiera wyniki badań doświadczalnych oraz odpowiedź na pytanie, w jakich warunkach powietrze może być wykorzystywane, a w jakich nie?
AIR AS THE WORKING FLUID IN THERMOACOUSTIS REFRIGERATOR. THE
ANALYSIS.
The article tries to answer the question can air be used as working fluid in thermoacoustic engines. There was built a experimental thermoacoustic refrigerator, in which air is
a working fluid. There are shown experimental results obtained from investigation of
refrigerator. The article answers on question in which kind of application air can be
used as an working fluid and in which it is not possible.
1. WSTĘP
Termoakustyczne urządzenia chłodnicze zyskują coraz większą popularność. Wynika
to z kilku przyczyn. Urządzenia te nie posiadają żadnych elementów ruchomych –
a to bezpośrednio wypływa na zmniejszenie awaryjności i zużycia elementów.
W urządzeniu termoakustycznym nie ma
potrzeby stosowania typowych syntetycznych czynników chłodniczych tak mocno
rozpowszechnionych w komercyjnym
chłodnictwie sprężarkowym. To z kolei
powoduje, że urządzeń tych nie dotyczą
przepisy o substancjach zubożających warstwę ozonową, ani nowo wprowadzane
przepisy o f-gazach (gazy wywołujące efekt
cieplarniany).
Wykorzystując jako gaz roboczy powietrze
o ciśnieniu atmosferycznym, urządzenie nie
musi być także szczelne oraz nie będą go
dotyczyły przepisy dozoru technicznego
o urządzeniach ciśnieniowych. Ale jest jedno podstawowe pytanie, czy wykorzystanie
powietrza w takiej postaci da wystarczający
efekt chłodniczy? Czy może jednak lepszym
12
rozwiązaniem będzie wykorzystanie innych
gazów o innym ciśnieniu.
1.1. Powietrze jako czynnik roboczy
Na korzyść powietrza jako czynnika roboczego przemawia nieograniczony dostęp do
jego zasobów. Powietrze jako główny składnik środowiska, także nie powoduje niekorzystnego wpływu na to środowisko. Wadą
zastosowania powietrza jest to, że jest ono
mieszaniną gazów. W komercyjnym chłodnictwie użytkowym, czy też w klimatyzacji,
w urządzeniach termoakustycznych najbardziej niepożądanym składnikiem powietrza
będzie para wodna, która przez wykraplanie,
czy przy niższych temperaturach i zestalanie może doprowadzić do zatkania się kanałów wymiennika stosu.
Urządzenia termoakustyczne dość często są
wykorzystywane w zastosowaniach kriogenicznych. Przy pomocy urządzeń termoakustycznych, opartych na fali stojącej, można
osiągnąć temperaturę rzędu 90 K [1]. Obniżając temperaturę, ilość składników powietrza,
które będą się wykraplać znacznie wzrasta.
W dalszej części artykułu znajduje się analiza i badania doświadczane urządzenia termoakustycznego pracującego z powietrzem
jako czynnikiem roboczym przy ciśnieniu
atmosferycznym.
1.2. Zasada działania
termoakustycznego urządzenia
chłodniczego
Fala akustyczna rozchodząca się w powietrzu to nic innego jak rozchodzące się zaburzenie gęstości, ciśnienia, temperatury i energii. Zmiana tych parametrów powoduje miejscowe przemieszczenie się wyodrębnionego
elementu gazu. Termoakustyczne urządzenie
chłodnicze wykorzystuje fakt przemieszczenia się gazu do transportu ciepła z ośrodka
o temperaturze niższej do ośrodka o temperaturze wyższej. Urządzenie realizujące to
zadanie zostało przedstawione schematycznie na rysunku 1. Składa się ono z głośnika
(1), który emituje dźwięk o zadanej częstotliwości, rury rezonansowej (5) o długości
dobranej do emitowanej częstotliwości, wypełnionej gazem roboczym. Wewnątrz rezo-
„Chłodnictwo” tom XLIII 2008 r. nr 4
natora znajdą się trzy elementy zespolone
w całość, są to:
• gorący wymiennik ciepła (2) – wymiennik, który oddaje ciepło do czynnika, który przez niego przepływa;
• stos (3) – element łączący oba wymienniki, wewnątrz którego realizowane jest
przenoszenie ciepła od jednego wymiennika do drugiego;
• zimny wymiennik ciepła (4) – wymiennik, który odbiera ciepło od przepływającego przez niego czynnika.
Stos najczęściej zbudowany jest w postaci
cienkich warstw tworzących między sobą
szczeliny o określonych wysokościach. Wewnątrz szczelin realizowane jest przenoszenie ciepła.
1.3. Projektowanie urządzeń
termoakustycznych
Przy projektowaniu i budowie termoakustycznego urządzenia chłodniczego opartego na fali stojącej, należy zwrócić uwagę na
kilka parametrów, które decydują o sprawności działania urządzenia. Jeśli w urządzeniu rezonatorem ma być rura, to istotna jest
jej długość. Wyliczamy ją z równania (1) na
częstotliwość fali dźwiękowej:
f =
c
λ
(1)
gdzie: f – częstotliwość dźwięku,
c – prędkość dźwięku,
l – długość fali.
Długość rezonatora powinna być równa długości fali, może być także równa 1/2 lub 1/4
długości fali, a urządzenie będzie także działało poprawnie. Wybór długości spośród tych
trzech zalecanych zależy od pasma przenoszenia częstotliwości przez generator czy
głośnik.
Kolejnym parametrem, na jaki szczególnie
trzeba zwrócić uwagę jest wysokość szczeliny w stosie. Zależność (2) określa szerokość warstwy oddziaływania termicznego –
w tym przypadku definiowana jest jako odległość – na jaką ciepło może być przekazane w gazie, w czasie t=1/2pf, gdzie f jest
częstotliwością fali stojącej. Szczelina w stosie powinna być kilkukrotnością tej wartości [2]. Drugim parametrem jest wysokość
warstwy oddziaływań lepkich, która określa taką wysokość szczeliny, przy której elementarna jednostka gazu nie zostanie przesunięta pod wpływem pulsacji akustycznych, ze względu na oddziaływanie sił lepkości.
δk =
δν =
gdzie: k
r
cp
m
k
πfρc p
(2)
µ
πfρ
(3)
– przewodność cieplna gazu,
– gęstość gazu,
– ciepło właściwe gazu,
– dynamiczna lepkość gazu.
Przy projektowaniu urządzenia termoakustycznego dość istotną sprawą jest także
ważny dobór odpowiedniego materiału wymiennika stosu. Materiał, z jakiego zbudowany jest stos powinien posiadać możliwie
niski współczynnik przewodności cieplnej
[4]. Chodzi o to, aby nie przenosił ciepła
z wymiennika ciepłego do wymiennika zimnego. Poza tym materiał stosu musi posiadać ciepło właściwe większe od ciepła właściwego gazu roboczego [4]. Dopiero po
spełnieniu tych warunków temperatura stosu jest stabilna i umożliwia utrzymywać gradient temperatury pomiędzy zimnym a ciepłym wymiennikiem.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Do przeprowadzenia analizy wykorzystania
powietrza jako czynnika roboczego zostało
zbudowane stanowisko badawcze. W skład
stanowiska wchodzi termoakustyczne urzą-
Ciśnienie
Na rysunku 2 został zobrazowany proces
przenoszenia ciepła wewnątrz szczeliny dla
wyodrębnionego elementu gazu. Proces ten
opiera się na tym, że w stosie – w wyniku
rozchodzenia się fali akustycznej – dochodzi do cyklicznego przepychania gazu raz
w jedną, raz w drugą stronę. W punkcie 1
fala dźwiękowa spręża miejscowo element
gazu, co powoduje przesunięcie go w lewo.
W punkcie 2 element gazu oddaje ciepło do
ścianki – gdyż jest ona w tym miejscu chłodniejsza. Powoduje to, że wydzielony element
gazu zmniejsza jeszcze swoją objętość.
W kolejnym etapie 3, gaz za pomocą fali
dźwiękowej jest rozprężany, co powoduje,
że jest on przesuwany w prawo. Natomiast
w punkcie 4, ponieważ element gazu jest
o niższej temperaturze niż ścianka, odbiera
on ciepło od ścianki. Powoduje to dodatkowe zwiększenie objętości elementu gazu.
W ten sposób cykl się zamyka.
Opisany proces dzieje się w czasie jednej
oscylacji dźwięku. Jeden taki cykl zachodzi
na dość nieznacznej odległości. Jednak w sto-
sie takich zjawisk będzie występować koło
siebie bardzo wiele, co powoduje, że wzdłuż
stosu wytworzy się dość spory gradient temperatury, a to umożliwia przenoszenie ciepła
z jednego wymiennika do drugiego.
Objętość wyodrębnionego elementu gazu
1. Schemat termoakustycznego urządzenia chłodniczego: 1 – głośnik lub
generator dźwięku, 2 – gorący wymiennik ciepła, 3 – stos, 4 – zimny
wymiennik ciepła, 5 – rezonator
„Chłodnictwo” tom XLIII 2008 r. nr 4
2. Zasada działania termoakustycznego urządzenia chłodniczego
13
dzenie chłodnicze pracujące z powietrzem jako czynnikiem roboczym oraz aparatura
pomiarowa.
2.1. Budowa stanowiska
Schemat stanowiska badawczego został
przedstawiony na rysunku 3. Badane urządzenie składa się z 20 W głośnika (5) podłączonego do komputera typu PC (6). Komputer
poprzez kartę dźwiękową i odpowiednie oprogramowanie wraz z głośnikiem wytwarza
dźwięk o zadanej częstotliwości. Do głośnika przymocowana jest rura rezonansowa (4)
o długości 0,55 m i wewnętrznej średnicy 26
mm, zatkana przesuwnym korkiem (2). Wewnątrz rezonatora znajduje się stos (3). Po obu
stronach stosu umieszczone są termopary (1).
o szerokości 35 mm nawiniętego na rurkę
o średnicy 10 mm. Kolejne warstwy tworzywa oddalone są od siebie o 0,35 mm. Rurka
została wykorzystana do przeciągnięcia przewodów termopary. Po ułożeniu tych przewodów została zatkana silikonem. Na rysunku 4 znajduje się schemat budowy wymiennika stosu.
Dla powietrza szerokość warstwy oddziaływania termicznego wynosi dk=0,203 mm,
a szerokość warstwy oddziaływania lepkościowego dv=0,172 mm. Czyli szerokość
szczeliny w stosie 0,35 mm wydaje się być
odpowiednia.
3. WYNIKI POMIARÓW
Korek przesuwny został ustawiony w odległości 52 cm od początku rezonatora. Zgodnie z równaniem 1 oznacza to, że częstotli-
wość dźwięku, jaki powinien zostać wygenerowany wynosi 165 Hz.
Wyniki pomiarów potwierdzają, że obliczona częstotliwość odpowiada częstotliwości,
przy jakiej została uzyskana maksymalna
różnica temperatury na obu końcach stosu
(rys. 5). Rysunek 5 pokazuje także jak zmienia się maksymalna różnica temperatury
w przypadku, gdy przy tej samej długości rezonatora wytwarzamy dźwięk o innej niż
rezonansowa częstotliwości. Różnica temperatur jest zdecydowanie mniejsza zarówno,
gdy częstotliwość jest za wysoka jak i za niska. Nie jest to zmiana tak drastyczna jak
można byłoby przypuszczać. Efekt chłodniczy jest zauważalny nawet przy częstotliwościach różniących się o 50 Hz od częstotliwości rezonansowej.
Na kolejnym rysunku (nr 6) został przedstawiony wynik pomiarów obrazujących zmia-
3. Stanowisko badawcze: 1– termopary,
2 – przesuwny korek, 3 – stos, 4 – rezonator,
5 – głośnik, 6 –komputer PC
Częstotliwość [Hz]
Badane urządzenie nie posiada gorącego
i zimnego wymiennika ciepła po obu stronach stosu. Nie ma to w tym przypadku znaczenia, gdyż celem doświadczenia było uzyskanie danych obrazujących możliwości
urządzenia z powietrzem jako czynnikiem
roboczym. Czyli przede wszystkim maksymalnej różnicy temperatury, jaką można osiągnąć po obu stronach stosu. Stos zbudowany jest z cienkiego tworzywa sztucznego
4. Wymiennik stos w badanym urządzeniu
14
5. Maksymalne uzyskane różnice temperatury dla różnych częstotliwości przy tej samej długości rezonatora
6. Zmiana różnicy temperatury w funkcji czasu
„Chłodnictwo” tom XLIII 2008 r. nr 4
7. Temperatura po obu stronach wymiennika stosu w funkcji czasu, rozpoczynając od włączenia urządzenia.
Kolor czerwony – ciepły wymiennik ciepła, kolor niebieski – zimny wymiennik ciepła
nę różnicy temperatury w czasie, poczynając od włączenia urządzenia.
Na rysunku 7 natomiast zostały przedstawione wyniki pomiarów temperatury po obu
stronach wymiennika stosu w funkcji czasu.
Z rysunku 7 widać, że różnica temperatury
powstaje przede wszystkim kosztem wzrostu temperatury na wymienniku gorącym.
Wynika to z tego, że w badanym urządzeniu nie ma wymiennika, który by to ciepło
odbierał. A w sposób ciągły dostarczana jest
energia do układu. W doświadczeniu uzyskano obniżenie temperatury powietrza po stronie zimnego wymiennika zaledwie o 2 K.
Taki wynik nie pozwala na wykorzystanie
badanego urządzenia w zastosowaniach
praktycznych. Ale jak już zostało wspomniane, jest to wynikiem tego, że z układu nie
jest odbierane ciepło w ciepłym wymienniku, a energia do układu jest dostarczana
w sposób ciągły, co powoduje, że temperatura wzrasta zarówno po stronie zimnej, jak
i ciepłej.
4. WNIOSKI
Z przeprowadzonej analizy wynika, że powietrze atmosferyczne, bez dodatkowej obróbki nie nadaje się na czynnik roboczy
w termoakustycznym urządzeniu chłodniczym. Jednak już po samym osuszeniu powietrza może być stosowane w urządzeniach
pracujących w okolicach temperatury pokojowej. Rura rezonansowa musi być szczelna, aby do wewnątrz nie dostawało się po-
„Chłodnictwo” tom XLIII 2008 r. nr 4
wietrze wilgotne. Analizowane ciśnienie pracy o wartości ciśnienia atmosferycznego
umożliwia uzyskanie różnicy temperatury
pomiędzy wymiennikami rzędu 20 K. Pamiętając, że musi zajść jeszcze wymiana ciepła pomiędzy gazem roboczym a czynnikiem
przepływającym przez wymienniki, różnica
ta może okazać się zbyt mała, aby znaleźć
praktyczne zastosowanie dla takiej wartości
ciśnienia. W celu osiągnięcia lepszych efektów chłodniczych zalecane jest, aby ciśnienie w rezonatorze było znacznie większe,
nawet do 2MPa [2].
Kolejnym ograniczeniem stosowalności powietrza jako gazu roboczego są ograniczenia temperaturowe. Powietrze nie może być
stosowane w urządzeniach pracujących
w temperaturach kriogenicznych. Przy tak
niskich temperaturach najczęściej wykorzystuje się hel.
LITERATURA
[1] BAO R., CHEN G.B., TANG K., JIA Z., CAO
W.: Influence of resonance tube geometry
shape on performance of thermoacoustic engine. Ultrasonics, 44, 2006, str. 1519–1521.
[2] RUSSELL D.A., WEIBULL P.: Tabletop thermoacoustic refrigerator for demonstrations. Am.
J. Phys., Vol. 70, No. 12, 2002, str. 1231–1233.
[3] TANG K., CHEN G.B., JIN T., BAO R.,
KONG B., QIU L.M.: Influence of resonance tube length on performance of thermoacoustically driven pulse tube refrigerator. Cryogenics, 45, 2005, str 185–191.
[4] TIJANI M.E.H., ZEEGERS J.C.H., de WAELE A.T.A.M.: Design of thermoacoustic refrigerators. Cryogenics, 42, 2002, str. 49–57.
15