CC BY
38
УДК 628.8:534.8:629
И.В. Карагусов, I.V. Karagusov В.И. Карагусов, V.I. Karagusov
B.Л. Юша, V.L. Yusha
C.Н. Литунов, S.N. Litunov
И.В. Маянков, I.V. Majankov, e- mail: [email protected]
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ КОНДИЦИОНЕР НА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ THERMOACOUSTIC CONDITIONER ON SOLAR ENERGY
В настоящее время термоакустические охладители находят всё более широкое применение. Они имеют ряд неоспоримых преимуществ. Современное состояние развития термоакустических систем позволяет использовать их для создания теплоиспользующих термоакустических систем кондиционирования воздуха.
(Now thermoacoustic refrigerators find more and more broad application. They have a number of indisputable advantages. The current state of development of thermoacoustic systems allows to use them for creation of heatusing thermoacoustic systems of air conditioning.)
Ключевые слова: термоакустика, кондиционирование, солнечная энергетика.
Keywords: thermoacoustics, conditioning, solar power
Современные жилые помещения предполагают наличие развитой инфраструктуры, которая должна включать в себя комплекс средств обеспечения оптимальных, наиболее комфортных для людей, метеорологических условий. Помимо отопления и вентиляции в этот комплекс может входить система кондиционирования воздуха (СКВ).
В настоящее время большинство (СКВ), применяемых в бытовых помещениях, работают по парокомпрессионному циклу с фреонами (хладонами) в качестве рабочего тела. Эти системы используют хладагенты, неблагоприятно воздействующие на окружающую среду, и требуют периодической дозаправки. Для работы компрессора парокомпрессионных СКВ используется электроэнергия. Компрессор имеет подвижные, трущиеся детали, что в итоге приводит к износу механизмов.
В настоящее время термоакустические охладители находят всё более широкое применение [1]. Они имеют ряд неоспоримых преимуществ, таких как: отсутствие движущихся частей, сравнительно низкое давление рабочего тела, отсутствие механических вибраций, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании. Эти факторы делают термоакустические охладители наиболее перспективными среди всех теплоиспользующих охладителей.
Современное состояние развития термоакустических систем позволяет использовать их для создания теплоиспользующих термоакустических СКВ, требующих использование
93
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
электроэнергии только для систем управления и создания вынужденной конвекции. Энергия для непосредственной работы самого термоакустического охладителя будет при помощи солнечного концентратора.
Термоакустический охладитель не требует обслуживания, не имеет подвижных частей, следовательно, не подвержен механическому износу и имеет высокий ресурс работы, а Солнце является неисчерпаемым, экологически чистым источником энергии.
На рис. 1 представлена схема термоакустического охладителя. Рабочим телом в охладителе является газ. Давление рабочего тела не превышает трёх атмосфер. Термоакустический генератор состоит из двух теплообменников 2 и 4, горячего стека 3, и акустических объёмов 1 и 5. Теплота подводится к горячему теплообменнику 2. На горячем стеке 3 должен поддерживаться градиент температур, поэтому на теплообменнике 4 производится отвод теплоты. Термоакустический охладитель состоит так же из двух теплообменников 6 и 8, хо-
лодного стека 7 и акустических объёмов 1, 5 и 9. Акустическая волна, проходя через холодный стек 7 создаёт градиент температур. На холодном теплообменнике производится отвод теплоты от объекта охлаждения. На теплообменнике 8 происходит выделение теплоты, которою необходимо отводить, например, в окружающую среду [2]. В коаксиальной схеме используется перепускное отверстие 10 для создания акустической прозрачности между теплообменниками 4 и 8, и акустическим объёмом 5.
1234 5 6 7 8 9
(2 г (2 т Ох От
Рис. 1. Схема термоакустического охладителя: 1, 5, 9 - акустический объём, 2 - горячий теплообменник, 3 - горячий стек, 4,6 - теплообменник отвода теплоты, 7 - холодный стек, 8 - холодный теплообменник.
Мощность такой установки зависит от мощности светового потока в зоне использования, площади солнечного концентратора, КПД солнечного концентратора и КПД термоакустического охладителя. Следует отметить, что недостаточную мощность светового потока можно компенсировать увеличением площади концентратора. На входе в атмосферу мощность потока равна солнечной постоянной, на экваторе около 70 % этого значения, а на некотором удалении от экватора может составлять 50 % и менее. Это означает, что для получения одной и той же мощности в разных условия и регионах солнечный концентратор может отличаться по площади в несколько раз.
Концепция солнечного термоакустического охладителя позволяет разработать СКВ, как в виде моноблока, так и в виде сплит системы. Однако применение конструкции сплит системы предпочтительнее с точки зрения отвода теплоты от теплообменников термоакустического охладителя.
На рис. 2 представлена схема термоакустической СКВ. Световой поток фокусируется солнечным концентратором 1, затем происходит нагрев и передача теплоты по теплопроводу 2. Теплота подводится к теплоиспользующему термоакустическому охладителю 4, который располагается во внешнем блоке СКВ 3. Далее произведённый холод передаётся с помощью холодопровода 5 к теплообменнику 8 во внутреннем блоке СКВ 7. При такой компоновке элементов системы внешний блок не требует подвода электроэнергии.
94
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Рис. 2. Термоакустическая СКВ на солнечной энергии: 1 - солнечный концентратор, 2 - теплопровод, 3 - корпус внешнего блока СКВ, 4 - теплоиспользующий термоакустический охладитель, 5 - холодопровод, 6 -стена здания, 7 - внутренний блок СКВ, 8 - теплообменник
8
Площадь солнечного концентратора зависит от мощности светового потока и требуемой мощности СКВ. При требуемой холодопроизводительности 1,5-4,5 кВт и мощности светового потока 600-1200 Вт можно сказать диаметр солнечного концентратора будет варьироваться от 1 до 5 метров, что сопоставимо с размером современной спутниковой тарелки. При необходимости круглосуточного кондиционирования возможна интеграция в схему аккумуляторов теплоты и холода, для поддержания режимов работы термоакустического охладителя в тёмное время суток.
Использование термоакустических СКВ имеет ряд преимуществ перед традиционными парокомпрессионными СКВ: отсутствие движущихся частей и механического износа; отсутствие неблагоприятных для окружающей среды хладагентов и необходимости регулярного квалифицированного обслуживания; использование бесплатной энергии солнца для получения холода. Применение термоакустических СКВ позволяет перейти к экологически чистым технологиям климатехники и повысить потребительские свойства бытовых СКВ.
Библиографический список
1. Карагусов, В. И. Термоакустический ожижитель природного газа для заправки речных судов / В. И. Карагусов, В. Л. Юша, И. В. Карагусов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 2 (32). - С. 66-68.
2. Swift, G. W. Thermoacoustic: A unifying perspective for some engines and refrigerators / G. W. Swift // Published by the Acoustical Society of America through the American Institute of Physics, 2002. - P. 300.
