Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Горшков И. Б., Петров В. В. Численный расчёт влияния количества ступеней кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга на его характеристики // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2021. Т. 21, вып. 2. С. 133-144. DOI: 10.18500/1817-3020-2021-21-2-133-144

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
31.05.2021
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 75)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
621.486

Численный расчёт влияния количества ступеней кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга на его характеристики

Авторы: 
Горшков Илья Борисович, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Петров Владимир Владимирович, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Термоакустический двигатель с бегущей волной является разновидностью семейства двигателей Стирлинга. При увеличении количества ступеней кольцевого термоакустического двигателя с бегущей волной с одной до четырёх наблюдается улучшение характеристик акустической волны в зоне регенератора, уменьшается разность температур между теплообменниками, необходимая
для старта двигателя, и увеличивается КПД. По этой причине важно исследовать закономерности изменения характеристик двигателя при дальнейшем увеличении количества ступеней. Целью работы было исследование влияния количества ступеней на характеристики акустической волны в двигателе. Был проведён численный расчёт восьми моделей двигателей с числом ступеней от трёх до десяти в программе Delta EC. Рабочее тело – аргон под давлением 1.5 МПа, диаметр теплообменных аппаратов 160 мм, диаметр акустического резонатора 41.2 мм, длина кольцевого корпуса двигателя у всех моделей была равна 8 метрам. Ступени во всех двигателях были конструктивно одинаковые. В ходе расчётов изменялось количество ступеней и количество акустических нагрузок при сохранении неизменной суммарной длины корпуса. Для каждой из восьми исследуемых моделей была проведена оптимизация величины акустической нагрузки, для достижения максимума КПД двигателя. Было показано, что при увеличении количества ступеней с трёх до десяти происходит постепенное увеличение разности фаз между колебаниями давления и скорости газа, т.е. приближение волны к параметрам стоячей во всей полости резонатора. При этом максимум мощности акустической нагрузки и КПД наблюдался при количестве ступеней равном пяти. При увеличении количества ступеней с пяти до десяти мощность каждой отдельной ступени снизилась на 15.8%, а КПД понизился на 8%.

Благодарности: 
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта No 19-32-90127.
Список источников: 
  1. 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: 10.1038/s41598-017-08124-5
  2. 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. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2018-18-4-285-296
  3. Backhaus S., Swift G. A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study // J. Acoust. Soc. Am. 2000. Vol. 107. P. 3148 – 3166. https://doi.org/10.1121/1.429343
  4. Abdoulla-Latiwish K., Jaworski A. Two-stage travelling-wave thermoacoustic electricity generator for rural areas of developing countries // Appl. Acoust. 2019. Vol. 151. P. 87–98. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2019.03.010
  5. Xu J., Hu J., Zhang L., Dai W., Luo E. Effect of coupling position on a looped three-stage thermoacoustically-driven pulse tube cryocooler // Energy. 2015. Vol. 93. P. 994–998. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2015.09.099
  6. Douglas A., Wilcox Jr. Experimental investigation of thermoacoustic-Stirling engine electric generator with Gedeon streaming suppression : A thesis submitted to the Pennsylvania state university for the degree of doctor of philosophy in the faculty of engineering and physical sciences. Pennsylvania, 2011. 107 p. URL: https://etda. libraries.psu.edu/fi les/fi nal_submissions/1323 (дата обращения: 18.01.2021).
  7. Hamood А., Jaworski А. Experimental investigations of the performance of a thermoacoustic electricity generator // E3S Web Conf. International Conference on Advances in Energy Systems and Environmental Engineering (ASEE19). 2019. Vol. 116. P. 1–8. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201911600025
  8. Bi T., Wu Z., Zhang L., Yu G., Luo E., Dai W. Development of a 5 kW traveling-wave thermoacoustic electric generator // Appl. Energy. 2017. Vol. 182. P. 1355–1361. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.12.034
  9. 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: 10.1115/FEDSM-ICNMM2010-30527
  10. Zhang X., Chang J. Onset and steady-operation features of low temperature differential multi-stage travelling wave thermoacoustic engines for low grade energy utilization // Energy Convers. Manage. 2015. Vol. 105. P. 810–816. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2015.08.032
  11. Lewis M., Kuriyama T., Kuriyama F., Radebaugh R. Measurement of heat conduction through stacked screens // Adv. Cryogenic Eng. 1998. Vol. 43. P. 1611– 1618. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4757-9047-4_202 (дата обращения: 18.01.2021).
  12. Swift G., Gardner D., Backhaus S. Acoustic recovery of lost power in pulse tube refrigerators // J. Acoust. Soc. Am. 1999. Vol. 105, iss. 2. P. 711–724. https://doi.org/10.1121/1.426262
  13. Al-Kayiem A., Yu Z. Using a side-branched volume to tune the acoustic fi eld in a looped-tube travelling-wave thermoacoustic engine with a RC load // Energy Convers. Manage. 2017. Vol. 150. P. 814–821. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.03.019
  14. Wang H., Yu G., Hu J., Wu Z., Hou M., Zhang L., Luo E. A novel looped low-temperature heat-driven thermoacoustic // Energy Procedia. 10th International Conference on Applied Energy (ICAE2018), 22–25 August 2018. Hong Kong, 2019. Vol. 158. P. 1653–1659. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.386
  15. Tartibu L. Developing more effi cient travelling-wave thermo-acoustic refrigerators : A review // Sustain. Energy Technol. Assess. 2019. Vol. 31. P. 102–114. https://doi.org/10.1016/j.seta.2018.12.004
  16. Jin T., Yang R., Wang Y., Feng Y., Tang K. Acoustic fi eld characteristics and performance analysis of a looped travelling-wave thermoacoustic refrigerator // Energy Convers. Manage. 2016. Vol. 123. P. 243–251. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.06.041
  17. Zhang X., Chang J., Cai S., Hu J. A multi-stage travelling wave thermoacoustic engine driven refrigerator and operation features for utilizing low grade energy // Energy Convers. Manage. 2016. Vol. 1114. P. 224–233. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.02.035
  18. Matveev K., Backhaus S., Swift G. The effect of gravity on heat transfer by Rayleigh streaming in pulse tubes and thermal buffer tubes // Proceedings of IMECE04 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Anaheim, California USA, 2004. P. 7–12. https://doi.org/10.1115/IMECE2004-59076
  19. Matveev K., Swift G., Backhaus S. Analytical solution for temperature profi les at the ends of thermal buffer tubes // Int. J. Heat Mass Tran. 2007. Vol. 50. P. 897–901. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.08.004
  20. Ward B., Clark G., Swift G. Design environment for low-amplitude thermoacoustic energy conversion, version 6.4b27, users guide. Los Alamos : Los Alamos National Laboratory, 2012. 288 p. URL: https://www.lanl.gov/org/ddste/aldps/materials-physics applications/condensed-matter-magnet science/thermoacoustics/_assets/docs/UsersGuide.pdf (дата обращения: 18.01.2021).
  21. Swift G. W. Thermoacoustic engines and refrigerators : A short course. Los Alamos : Los Alamos National Laboratory, 1999. 179 p. URL: https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc708875/ (дата обращения 18.01.2021).
  22. Hamood A., Jaworski A., Mao X. Model and Design of a Four-Stage Thermoacoustic Electricity Generator with Two Push-Pull Linear Alternators // Proceedings of ASEE17. International Conference on Advances in Energy Systems and Environmental Engineering (ASEE17). (02–05 July 2017). Wroclaw, Poland. URL: http://eprints.whiterose.ac.uk/116886/7/Hamood%20reviewed%20corrected.pdf (дата обращения: 18.01.2021).
  23. Wanga K., Qiu L. Numerical analysis on a four-stage looped thermoacoustic Stirling power generator for low temperature waste heat // Energy Convers. Manage. 2017. Vol. 150. P. 830–837. https://doi.org/10.1016/j.encon-man.2017.03.023
  24. Zhanga L., Chena Y., Luo E. A novel thermoacoustic system for natural gas liquefaction // Energy Procedia. The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014. 2014. Vol. 61. P. 1042–1046. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.1020
  25. Abduljalil A. S. Investigation of thermoacoustic processes in a travelling-wave looped-tube thermoacoustic engine : A thesis submitted to the university of Manchester for the degree of doctor of philosophy in the faculty of engineering and physical sciences. Manchester, 2012. 180 p. URL: https://search.proquest.com/openview/4cbb8002bb5130e9991b53f1358aef2d/1?... (дата обращения: 27.01.2021).
  26. Blok K. 4-stage thermo acoustic power generator // Aster Thermoacoustic, 2010. URL: https://www.bioenergyforumfact.org/sites/default/files/2018-06/52.%204-s... (дата обращения: 27.01.2021).
Поступила в редакцию: 
27.08.2020
Принята к публикации: 
12.03.2021
Опубликована: 
31.05.2021