Для цитирования:
Горшков И. Б., Петров В. В. Численное моделирование кольцевого четырехступенчатого термоакустического двигателя с бегущей волной // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2018. Т. 18, вып. 4. С. 285-296. DOI: 10.18500/1817-3020-2018-18-4-285-296
Численное моделирование кольцевого четырехступенчатого термоакустического двигателя с бегущей волной
Технология термоакустического преобразования энергии – одна из наиболее перспективных технологий преобразования тепловой энергии в электрическую. В данной работе сделан краткий обзор достижений в области разработки многоступенчатых термоакустических двигателей с бегущей волной. Проведено численное моделирование четырехступенчатого двигателя при работе с нагрузкой. Целью работы было определение параметров двигателя, необходимых для достижения максимума КПД системы с нагрузкой и перепада мощности на нагрузке. Оптимизация параметров двигателя была проведена в программе DeltaEC. Данная программа численно интегрирует дифференциальные уравнения термоакустики. Для расчета был взят двигатель с длиной корпуса 6 м и диаметром ступени 33 мм. Температура горячего и холодного теплообменников во всех расчетах была 600 и 300 К соответственно. Рабочий газ – гелий с давлением 1 МПа. Было показано, что если жертвовать КПД на нагрузке, то существует возможность существенного увеличения выходной мощности на нагрузке двигателя (примерно в 24.5 раза). При настройке параметров на максимум перепада мощности на нагрузке КПД системы оказался в 3.44 раза меньше, чем при настройке на максимум КПД системы. Для заданного в расчете двигателя были определены оптимальное положение нагрузки внутри резонатора, оптимальное соотношение диаметра ступени и диаметра резонатора. Даны рекомендации по выбору длины ступени.
1. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. M. : Мир, 1986. 462 с.
2. Jingyuan X., Guoyao Y., Limin Z., Wei D., Ercang L. Theoretical analysis of two coupling modes of a 300-Hz three-stage thermoacoustically driven cryocooler system at liquid nitrogen temperature range // Appl. Energ. 2016. Vol. 185. P. 2134–2141. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.04.055
3. Довгялло A. И., Шиманов А. А. Возможность использования импульсной двунаправленной турбины в термоакустическом двигателе // Вестн. СГАУ. 2015. Т. 14, № 1. С. 132–138. DOI: https://doi.org/10.18287/1998-6629-2015-14-1-132-138
4. Swift G. W. Thermoacoustic engines and refrigerators : a short course. Los Alamos : Los Alamos National Laboratory, 1999. 179 p. URL: https://www.osti.gov/servlets/purl/756947 (дата обращения: 20.08.2018).
5. Jin T., Yang R., Wang Y., Feng Y., Tang K. Low temperature difference thermoacoustic prime mover with asymmetric multistage loop confi guration // Sci. Rep. UK. 2017. Vol. 7. P. 1–8. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-08124-5
6. Zhanghua W., Wei D., Man M., Ercang L. A solar-powered traveling-wave thermoacoustic electricity generator // Sol. Energy. 2012. Vol. 86. P. 2376–2382. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2012.05.010
7. Yang R., Wang Y., Jin T., Feng Y., Tang K. Development of a three-stage looped thermoacoustic electric generator capable of utilizing heat source below 120 °C // Energ. Convers. Manage. 2018. Vol. 155. P. 161–168. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.10.084
8. Yu Z., Jaworski A., Backhaus S. Travelling-wave thermoacoustic electricity generator using an ultra-compliant alternator for utilization of low-grade thermal energy // Appl. Energ. 2012. Vol. 99. P. 135–145. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.04.046
9. Ceperley P. H. A pistonless Stirling engine ‒ the traveling wave heat engine // J. Acoust. Soc. Am. 1979. Vol. 66, № 5. P. 1508–1513. DOI: https://doi.org/10.1121/1.383505
10. Aster Thermoacoustics. URL: http://www.aster-thermoacoustics.com/wp-content/uploads/2015/01/Presenta... (дата обращения: 20.08.2018).
11. Blok K. Novel 4-stage traveling wave thermoacoustic power generator // Proceedings of ASME 2010 3rd joint US-European fl uids engineering summer meeting and 8th international conference on nanochannels, microchannels, and minichannels. FEDSM-ICNMM2010 (August 1‒5, 2010). Monreal, Canada, 2010. P. 73–79. DOI: https://doi.org/10.1115/FEDSM-ICNMM2010-30527
12. Kruse A., Ruziewicz A., Tajmar M., Gnutek Z. A numerical study of a looped-tube thermoacoustic engine with a single-stage for utilization of low-grade heat // Energ. Convers. Manage. 2017. Vol. 149. P. 206–218. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.07.010
13. Wang K., Qiu L. Numerical analysis on a four-stage looped thermoacoustic Stirling power generator for low temperature waste heat // Energ. Convers. Manage. 2017. Vol. 150. P. 830–837. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.03.023
14. Ward B., Clark G., Swift G. Design environment for lowamplitude thermoacoustic energy conversion, version 6.3b11, users guide. Los Alamos : Los Alamos National Laboratory, 2012. 288 p. URL: https://www.lanl.gov/org/padste/adeps/materials-physics-applications/con... (дата обращения: 20.08.2018).
15. Piccolo A., Pistone G. Estimation of heat transfer coeffi cients in oscillating fl ows : the thermoacoustic case // Int. J. Heat Mass Tran. 2006. Vol. 49. P. 1631–1642. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.11.009
16. Abduljalil A. S., Yu Z., Jaworski A. J. Selection and experimental evaluation of low-cost porous materials for regenerator applications in thermoacoustic engines // Mater. Design. 2011. Vol. 32. P. 217–228. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.06.012
17. Organ A. J. Thermodynamics and gas dynamics of the Stirling cycle machine. Cambridge : Cambridge University Press, 1992. 414 p.
18. Yu Z., Jaworski A. J. Impact of acoustic impedance and fl ow resistance on the power output capacity of the regenerators in travelling-wave thermoacoustic engines // Energ. Convers. Manage. 2010. Vol. 51. P. 350–359. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.09.032
- 1446 просмотров