ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014 Adrian Chmielewski 1, Stanisław Radkowski 2 BADANIA SILNIKA TERMOAKUSTYCZNEGO NA STANOWISKU DYDAKTYCZNYM 1. Wstęp Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną, wymagania środowiskowe [1, 2, 3] wymusza efektywniejsze jej wykorzystanie poprzez m.in.: zastosowanie układów kogeneracyjnych [4-10]. Rozwijane są również układy trigeneracyjne (wytwarzające energię elektryczną przy jednoczesnym ogrzewaniu bądź chłodzeniu powierzchni mieszkalnej) [11]. W ujęciu kogeneracyjnym mogą być również stosowane urządzenia termoakustyczne: chłodziarki, pompy ciepła lub silniki, które szczegółowo przedstawiono w pracach [12-17]. Urządzenia termoakustyczne cechuje mała liczba elementów elektronicznych oraz prostota budowy [12]. 2. Przegląd urządzeń termoakustycznych 2.1. Informacje ogólne Urządzenia termoakustyczne można podzielić na maszyny działające w oparciu o falę stojącą [13] (pobudzenie fali akustycznej w rurce Rijka przedstawiono na rysunku 1) oraz falę biegnącą [13]. Aby fale akustyczne były pobudzane a ich oscylacje utrzymane ciepło powinno być dostarczone do czynnika roboczego w momencie jego największej kompresji, a odebrane w chwili jego największej ekspansji. Szczegółowe omówienie zjawisk falowych można znaleźć w [13-18]. Rys. 1. Schemat powstawania fali akustycznej w rurce Rijka [12, 13] 1 mgr inż. Adrian Chmielewski, doktorant, Instytut Pojazdów, SiMR, Politechnika Warszawska, 2 prof. dr hab. inż. Stanisław Radkowski, profesor, Instytut Pojazdów, Dziekan Wydziału SiMR, Politechnika Warszawska 5
Z silnikiem termoakustycznym mamy do czynienia, gdy odpowiednio wytworzony gradient temperatury staje się źródłem generacji fali akustycznej. Z pompą ciepła lub chłodziarką mamy do czynienia, gdy za pomocą specjalnie skonstruowanego głośnika (który jest źródłem fali akustycznej) otrzymuje się określony gradient temperatury (w przypadku pompy ciepła- wzrost temperatury, natomiast w przypadku chłodziarki obniżenie temperatury). Dodatkowo ze względu na możliwość odbioru energii (źródłem energii jest zmiana ciśnienia) z silnika termoakustycznego można wydzielić mechanizm tłokowo-korbowy oraz bezkorbowy (piezoelektryk). Rys. 2. Podział urządzeń termoakustycznych [12] a) b) Rys. 3. Przykład silnika termoakustycznego z czterema wymiennikami ciepła a), zobrazowanie umieszczenia dodatkowych objętości w przypadku parzystej nieparzystej liczby wymienników ciepła w silniku termoakustycznym b) [18] Źródłem ciepła dla silnika termoakustycznego mogą być: spaliny (układ wylotowy), kominy (domy mieszkalne), kotły centralnego ogrzewania oraz wszystkie te miejsca gdzie istnieje odpadowy i niewykorzystany strumień ciepła, który jest bezpowrotnie tracony. Bardziej złożone są urządzenia termoakustyczne, które działają w oparciu o falę biegnącą. Według [18] dla urządzeń termoakustycznych działających w oparciu o falę 6
biegnącą uzyskiwane są wyższe sprawności ponieważ występuje pętla buforowa, którą przedstawiono na rysunku 3. W takich silnikach istnieje możliwość stosowania gazu roboczego pod ciśnieniem nawet do 2 MPa. Podobnie jak w silnikach Stirlinga spalania zewnętrznego [4] stosowane są gazy robocze: hel, azot, argon. W pętli buforowej część fali akustycznej jest wzmocnione ponieważ fala cały czas biegnie wewnątrz zamkniętej pętli. Dodatkowo (rysunek 3a) rozmieszczone co λ = 0.25L wymienniki ciepła powodują wzmocnienie biegnącej fali akustycznej. W połowie odległości między wymiennikami są urządzenia, które odbierają wytwarzane zmiany ciśnienia (drgania cząsteczek) przez falę akustyczną np.: przez użycie piezoelektryka. Dla rury o skończonej długości L występują według [13] następujące długości fal λ: gdy oba końce są otwarte lub zamknięte to 2 L, gdy jeden koniec jest zamknięty a drugi otwarty L, dla wirtualnie kończonej długości rury (pętla) 4 L. W przypadku stosowania nieparzystej liczby regeneratorów stosowana jest dodatkowa objętość-odcinek rury (umieszczona przed ostatnim gorącym wymiennikiem ciepła w odległości około λ = 0.1 w celu zmniejszenia impedancji akustycznej. W jednowymiarowych kanałach o przekroju A impedancję akustyczną można określić zależnością [13]: Z p p w A W (1) gdzie: W - wydatek objętościowy w - prędkość cząstki, A - przekrój przez który rozchodzi się fala akustyczna, p - ciśnienie akustyczne Chwilową moc akustyczna fali dźwiękowej propagującej w jednym wymiarze [13] można opisać: P ( A p( w( ) (2) 12 t gdzie: w( - prędkość cząstki w czasie i przestrzeni, p( - ciśnienie cząstki w czasie i przestrzeni. Średnia moc akustyczną fali można opisać zależnością zgodnie z [13]: 1 P 12( A p( w( (3) 2 2. Badania na stanowisku dydaktycznym z silnikiem termoakustycznym Na rysunku 4 przedstawiono schemat stanowiska dydaktycznego z silnikiem termoakustycznym (model bryłowy stanowiska wykonano w programie SolidWorks). Badania miały charakter poznawczy i wstępny. Do badań użyto oprogramowanie LabView, które umożliwiło rejestrację wybranych parametrów: sygnały z czujnika pojemnościowego (prędkość obrotowa), temperatury grzałki oraz temperatury wewnątrz rurki (termopary typu K o średnicy 0.5 mm). 7
Rys. 4. Schemat stanowiska dydaktycznego z silnikiem termoakustycznym Zmiany temperatury grzałki uzyskano przy pomocy grupowego regulatora mocy (regulacja mocy w zakresie od 10 do 100% mocy znamionowej grzałki). Moc znamionowa grzałki wynosiła 215 Wat. a) b) Rys. 5. Wpływ temperatury grzałki na prędkość obrotową a) oraz częstotliwość fali akustycznej silnika termoakustycznego b) dla wymiarów rurki: L = 90 mm, D w = 12 mm, D z = 15 mm Badania wykonano dla różnych położeń grzałki elektrycznej na długości rurki szklanej (rezonatora). Zbadano jak wpływa umiejscowienie źródła ciepła na pobudzenie 8
fali akustycznej i w konsekwencji rozruch silnika termoakustycznego. Na rysunku 5 a, b) przedstawiono wyniki badań dla grzałki umieszczonej w połowie długości rurki o wymiarach: długość - L = 90 mm, średnica wewnętrzna - D w = 12 mm, średnica zewnętrzna - D z = 15 mm. Z przeprowadzonych badań wynika, że wraz ze wzrostem temperatury grzałki wzrasta prędkość obrotowa silnika termoakustycznego oraz częstotliwość fali akustycznej. Wzrosła także temperatura wewnątrz rurki. Na rysunku 6 przedstawiono zmianę prędkości obrotowej silnika termoakustycznego w funkcji temperatury wewnątrz rurki (L = 120 mm, D w = 12.5 mm, D z = 15.5 mm). Wraz ze wzrostem temperatury wewnątrz rurki wzrasta prędkość obrotowa silnika termoakustycznego do blisko 700 obr/min. Rys. 6. Wpływ temperatury wewnątrz rurki na prędkość obrotową silnika termoakustycznego L = 120 mm, D w = 12.5 mm, D z = 15.5 mm Na rysunku 7 a, b) przedstawiono zmianę prędkości obrotowej silnika termoakustycznego w funkcji temperatury grzałki. Podobnie jak dla rurki krótszej (L = 90 mm) wraz ze wzrostem temperatury grzałki wzrasta prędkość obrotowa silnika termoakustycznego. Prędkość obrotowa rośnie do chwili gdy szkło nie zacznie się topić (następuje zmiana stanu na sprężysty i giętki), wówczas prędkość obrotowa silnika termoakustycznego zaczyna spadać. Porównując otrzymane wyniki dla rurki dłuższej oraz krótszej można stwierdzić, że dla rurki krótszej, której temperatura nie była mierzona wewnątrz, nie zachodziły w niej również chwilowe zmiany ciśnienia związane z nieszczelnością uszczelnienia termopary i zaburzenia propagacji fali akustycznej wewnątrz rurki, uzyskane zostały wyższe prędkości obrotowe silnika termoakustycznego niż dla rurki dłuższej, gdzie wymienione zjawiska zachodziły. W tabeli 1 przedstawiono wyniki stymulacji pobudzenia fali akustycznej dla dwóch rozważanych rurek przy różnych położeniach grzałki na długości rurki. Największe pobudzenie fali (tabela 1) uzyskiwane było dla grzałki umieszczonej w połowie rurki. Na końcach rurek (grzałka umieszczona na początku x = 0L oraz na końcu x - L) układ nie został uruchomiony. W przyszłości autorzy pracy będą kontynuować badania z układem mikrokogeneracyjnym w skład, którego wchodzi silnik termoakustyczny. 9
a) b) Rys. 7.Wpływ temperatury grzałki na prędkość obrotową oraz częstotliwość fali akustycznej silnika termoakustycznego dla rurki o wymiarach: L=120 mm, D w =12.5mm, D z =15.5 mm Położenie grzałki Długość rurki Pobudzenie fali Tab. 1. Wyniki pobudzenia fali akustycznej x=0l x=0.35l x=0.5l X=0.75L x=l 90 120 90 120 90 120 90 120 90 120 Nie Nie Tak Tak Tak max Tak max Nie Nie Nie Nie 3. Podsumowanie Przedstawione wyniki wstępnych badań na stanowisku dydaktycznym z silnikiem termoakustycznym dają podstawowe informacje o zachodzącym zjawisku pobudzenia fali akustycznej i konwersji ciepła na zmianę ciśnienia. Badania miały charakter poznawczy zarówno z punktu widzenia naukowego jak i też dydaktycznego. Literatura: [1] Directive 2009/28/EC of the council of 23 april 2009, on the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC. [2] Directive 2012/27/EU of the European Parliment and of the Council of 25 October 2012 on energy efficiency, amending Directives 2009/125/EC and 2010/30/EU and repealing Directives 2004/8/EC and 2006/32/EC. 10
[3] Dyrektywa 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii oraz zmieniająca dyrektywę 92/42/EWG. [4] Chmielewski A. et al: Thermodynamic analysis and experimental research on cogeneration system with Stirling engine, Wulfenia Journal, Vol. 21, No. 4, 2014. [5] Chmielewski A., Gumiński R., Małecki A., Mydłowski T., Radkowski S.: Wykorzystanie pary ultra nadkrytycznej w energetyce, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 2(98)/2014. [6] Renzi M., Brandoni C.: Study and application of a regenerative Stirling cogeneration device based on biomass combustion, Applied Thermal Engineering, Vol. 67, pp. 341 351, 2014. [7] Szczerbowski R., Chomicz W.: Generacja rozproszona oraz sieci Smart Grid w budownictwie przemysłowym niskoenergetycznym, Polityka Energetyczna, Tom 15, Zeszyt 4, 2012 [8] Li T., DaWei Tang, Li Z., Du J., Zhou T., Jia Y.: Development and test of a Stirling engine driven by waste gases for the micro CHP system. Applied Thermal Engineering Vol. 33 34, pp. 119 123, 2012. [9] Billewicz K.: Microgeneration aspects which are not included in polish legislation, Rynek energii, No.3, Vol.112, 2014. [10] Chmielewski A., Lubikowski K., Radkowski S., Szczurowski S.: Research and simulation work of TEG in cogeneration task of the Exhaust System, Journal of KONES Powertrain and Transport,Vol. 20, No. 2, pp.41-48, 2013. [11] Puig-Arnavat, Bruno J. C., Coronas A.: Modeling of trigeneration configurations based on biomass gasification and comparison of performance, Applied Energy, Vol. 114, pp. 845-856, 2014. [12] Rulik S.: Numeryczne modelowanie hałasu generowanego podczas niestacjonarnych zjawisk przepływowych oraz cieplnych, rozprawa doktorska, Gliwice 2011. [13] Collard S., Design and Assembly of a Thermoacoustic Engine Prototype, Helsinki Metropolia University of Applied Sciences, 3 August, 2012. [14] Rayan T. S.: Design and control of a standing-wave thermoacoustic refrigerator, Mater of Science in Mechanical Engineering, University of Pittsburgh, 2009. [15] Petculescu G.: Fundamental measurements in standing-wave and traveling-wave thermoacoustics, Doctor of Philosophy, Ohio University, June, 2002. [16] Trapp A. C., Zink F., Prokopyev O. A., Schaefer L.: Thermoacoustic heat engine modeling and design optimization, Applied Thermal Engineering, No. 31, pp. 2518-2528, 2011. [17] Tijani M. E. H., Vanapalli S., Spoelstra S.: Design of a mechanical resonator to be coupled to a thermoacoustic stirling-engine, Proceedings of ASME, 2010. [18] Blok K.: 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 Streszczenie W pierwszej części pracy przedstawiono i sklasyfikowano urządzenia termoakustyczne. Podzielono je na urządzenia działające o falę biegnącą oraz te, które 11
działają w oparciu o pobudzenie fali stojącej. Podzielono także urządzenia termoakustyczne na maszyny, które działają dzięki wytworzonemu gradientowi temperatury (silniki termoakustyczne) wytwarzają pracę mechaniczną, która zamieniana jest na energię elektryczną oraz urządzenia, które w wyniku pobudzonej fali akustycznej wytwarzają ciepło bądź chłód (pompy ciepła, chłodziarki). W drugiej części pracy przedstawiono stanowisko dydaktyczne, na którym przeprowadzono wstępne badania. Zaprezentowano wyniki wpływu umiejscowienia źródła ciepła na pobudzenie fali akustycznej oraz wpływu temperatury grzałki na prędkość obrotową silnika termoakustycznego. Słowa kluczowe: Silnik termoakustyczny, stanowisko dydaktyczne, mikrokogeneracja THERMOACOUSTIC ENGINE RESEARCH ON A DIDACTIC TEST BENCH Abstract The first part of this article presents classification of thermoacoustic devices. These devices were divided on machines which running on the wave running and also machines based on the standing wave excitation. Moreover in the article divided thermoacoustic devices on machines which work has been made using a temperature gradient (thermoacoustic engines), those devices produce mechanical work, which is converted to electricity and another devices, as a result of stimulated acoustic waves produce heat or cold (heat pumps, refrigerators). In the second part of the paper presents the didactic test bench at which was conducted primary research. The results of the location of the heat source for the excitation of acoustic waves and the effect of temperature of the heater thermoacoustic engine speed was presented. Keywords: Thermoacoustic engine, test bench, microcogeneration 12