Китайская академия наук разрабатывает термоакустический тепловой насос для промышленного применения

Аккумулятор TROJAN T145

Исследователи разработали термоакустический тепловой насос, который, предположительно, может повышать температуру на 125 °C. В нём используется термоакустический тепловой насос для стабильного отвода тепла от двигателя. Система также включает в себя термоакустический двигатель и акустические резонаторы.

Исследовательская группа под руководством учёных из Китайской академии наук (КАН) разработала новый термоакустический тепловой насос (HDTAHP), который, как сообщается, способен обеспечивать более высокий температурный подъём и более высокие температуры подачи тепла, чем современные абсорбционные тепловые насосы и абсорбционные тепловые трансформаторы.

«Эта работа представляет собой многообещающее решение для высокотемпературного промышленного теплоснабжения, — заявили в группе. — Важно отметить, что одноступенчатый HDTAHP работает без движущихся частей, что делает его идеальным для высокотемпературных операций. В дальнейшем мы сосредоточимся на оптимизации конструкции системы, чтобы обеспечить её интеграцию с реальными источниками и приёмниками тепла, повысить коэффициент полезного действия при нагреве и ещё больше расширить перспективы её практического применения».

Сначала учёные спроектировали систему в программе Sage, которая обычно используется для разработки термоакустических систем. Система состоит из трёх блоков: термоакустического двигателя, термоакустического теплового насоса и акустических резонаторов. В двигателе низкотемпературный теплообменник использует два термосифона для отвода тепла через воду. Во всей системе гелий колеблется, передавая энергию в виде звука.

С помощью Sage они дополнительно оптимизировали систему: диаметр регенератора в моторном блоке составил 110 мм, длина — 45 мм, а толщина стенок — 5 мм. Регенератор в блоке теплового насоса имел размеры 110 мм, 35 мм и 5 мм соответственно. Комплайнс-камеры в акустическом резонаторе имели диаметр 120 мм, длину 270 мм и толщину стенок 4 мм, а резонансная камера — 44 мм, 9000 мм и 4 мм соответственно.

«При температуре на выходе из двигателя 350 °C и среднем давлении 5 МПа система обеспечивает температуру подачи 270 °C с повышением температуры на 125 °C, что является самым высоким показателем среди всех тепловых насосов», — пояснили учёные. «При этом достигается коэффициент полезного действия при нагреве (COPh) 0,41 и относительный КПД по Карно (COPR) 33 %, что соответствует подаче тепла в 1903 Вт».

Исследовательская группа также обнаружила, что благодаря использованию термосифонов на «холодном» конце двигателя количество выделяемого тепла стабильно растёт с 3566 Вт до 4202 Вт. То есть при увеличении среднего давления температура на «холодном» конце остаётся стабильной и составляет около 50 °C. Они также пришли к выводу, что при диаметре компенсационной трубки 120 мм система достигает оптимального состояния. В этом состоянии температура начала кипения достигает минимума в 74,5 °C, а коэффициент COPh — максимума в 0,36.

«Повышение температуры нагнетания теплового насоса снижает его теплопроизводительность, что приводит к уменьшению как подачи тепла, так и коэффициента теплопередачи. Однако для поддержания температуры на выходе из холодного конца требуется больше поглощаемого тепла», — заключили они. «Большая разница температур в двигателе улучшает термоакустическое преобразование, увеличивая подачу тепла и коэффициент теплопередачи. Кроме того, повышение среднего давления увеличивает теплоемкость рабочей жидкости, что приводит к увеличению подачи тепла и первоначальному росту коэффициента теплопередачи. Однако чрезмерно высокое среднее давление (превышающее 5 МПа) приводит к снижению коэффициента полезного действия из-за более быстрого увеличения количества тепла, поглощаемого двигателем».