Голландские ученые построили термоакустический тепловой насос

Центр энергетических исследований Нидерландов (ECN) и компания производитель теплового оборудования Bronswerk Heat Transfer (ВНТ) разработали и построили тепловой насос, который использует особую технологию для перекачки тепла: звуковые волны.

Новый термоакустический тепловой насос в настоящее время проходит проверку в ECN. Через несколько лет голландская промышленность должна быть в состоянии экономить значительную часть энергии, используя этот тип теплового насоса. «Голландская промышленность, на долю которой приходится пятая часть потребления энергии в Нидерландах, теряет сотни петаджоулей остаточного тепла в трубу каждый год в виде водяного пара», говорит Антон Веммерс, эксперт в экономии энергии в промышленности на ECN. Если удастся заставить работать эту энергию на заводе или в другом месте, это может принести огромную пользу. При использовании тепла от горелки бытовых газовых котлов, термоакустический тепловой насос может также значительно увеличить получение энергии для домохозяйств.

Прототип термоакустического теплового насоса в процессе разгрузки в ECN

Прототип термоакустического теплового насоса в процессе разгрузки в ECN

Тем не менее, обычные теплообменники, которые в течение многих лет были основной продукцией компании ВНТ, не совсем подходят для этого. Существующие технологии тепловых насосов, в котором хладагент испаряется и конденсируется, например, как в холодильниках или кондиционерах, не подходят для работы при высоких температурах, существующих в промышленности.

Термоакустическое устройство в основном состоит из теплообменников, резонатора и регенератора. В зависимости от типа устройства для генерации звуковых волн может применяться термоакустический генератор или громкоговоритель.

Принцип работы

Рассмотрим обычную трубку закрытую с обоих концов. Случайное воздействие вызывает нарушение спокойного состояния среды и возникновение звуковых колебаний. Воздействие вызывает резонанс, создавая стоячую волну. Резонанс происходит только на определенных частотах, называемых резонансными, и они, в основном, определяются длиной резонатора.

Регенератор является элементом состоящим из мелких параллельных каналов. Когда регенератор помещают в определенном месте в резонаторе, при наличии стоячей волны в резонаторе, в регенераторе возникает разность температур на противоположных краях. Размещая теплообменники с двух сторон регенератора, появляется возможность получения тепла. Существует и обратный эффект. При создании разницы температур на регенераторе, возникает очень мощная звуковая волна. Первый пример представляет собой простой тепловой насос, а второй является основной движущей силой.

Принцип действия термоакустического теплового насоса

(a) Принцип действия обычного теплового насоса: с помощью электродвигателя и компрессора тепло перекачивается от источника к радиаторам (b) Принцип действия термоакустического теплового насоса: термоакустический генератор работает на большой разнице температур. Красным — нагреватель, оранжевый — охладитель (например радиаторы отопления). Голубым — источник геотермального (низкопотенциального) тепла.

Процесс очень похож на цикл Стирлинга, но в отличие от двигателя Стирлинга, здесь не используются движущиеся части. В термоакустическом двигателе, звуковая волна управляет сжатием, смещением и расширением рабочей среды гелия. Рабочее тело, таким образом, проходит цикл, который усиливает звуковую волну.

Конструкция

Основным преимуществом термоакустического теплового насоса является отсутствие движущихся частей.

Схематичное изображение конструкции термоакустического  теплового насоса

Схематичное изображение конструкции термоакустического теплового насоса

Термоакустический тепловой насос состоит их трех основных блоков: резонатор (слева), тепловой насос (посередине), генератор (справа).

Резонатор

Резонатор изготовлен в виде расширяющейся металлической трубы. Слева резонатор закрыт куполообразной металлической крышкой, а справа соединен с термоакустическим тепловым насосом.

Тепловой насос

Тепловой насос состоит из металлической трубы свернутой в кольцо. В разрез кольца установлен горячий теплообменник (HHX), регенератор (REG), холодный теплообменник (CHX), буферная трубка (TBT), вторичный теплообменник (AHX).  Буферная трубка (TBT) обеспечивает теплоизоляцию между холодным и вторичным теплообменником.

Термоакустический тепловой насос

Термоакустический тепловой насос

Термоакустический тепловой насос выполняет функцию акустического аттенюатора. Акустическая мощность генератора используется для перекачки тепла из СНХ в HHX теплообменник. Акустическая система заставляет акустическую волну, сгенерированную в термоакустическом двигателе, распространятся против часовой стрелки от ввода в регенератор через HHX, частично используется для перекачки тепла против градиента температуры вдоль регенератора, а остальная энергия через CHX добавляется к мощности, подаваемой в двигатель на Т-соединение.

В термоакустическом тепловом насосе, разработанном в ECN, тепло промышленных отходов используется для питания термоакустического генератора. Технология ECN может работать в широком диапазоне температур: от -50 до 250 ° С. По словам разработчиков теплового насоса, 10 кВт прототип, который в настоящее время проходит тестирование будет масштабироваться до 1 МВт для использования в промышленности.

Источник: ecn.nl

Добавить комментарий


Почитать ещё по теме:


Топ произодителей тепловых насосов

Template design by Joule Watt © 2014 Домашняя энергетика