Thermoakustische Motoren wandeln Wärme in die Energie einer Schallwelle um. In Kombination mit einem akustisch-elektrischen Wandler lassen sie sich nutzen, um aus einem niedertemperierten Wärmestrom höherwertige elektrische Leistung zu generieren. Sie besitzen einen einfachen Aufbau und können dabei einen relativ hohen Wirkungsgrad erreichen.
Als wesentliche Voraussetzung praktischer Anwendungen gilt die Verwertbarkeit niedertemperierter Wärmeströme. Die Entwicklung mehrstufiger thermoakustischer Motoren auf Basis eines λ-Resonators hat gezeigt, dass dieses Kriterium erfüllbar ist. Störungen der Schallwelle, welche eine effiziente Umsetzung des thermoakustischen Prozesses erschweren, gleichen sich in mehrstufigen Systemen inhärent aus. Mit Hilfe eines zusätzlichen akustisch wirksamen Elements können diese Störungen auch in einstufigen Aufbauten gemindert werden.
Obwohl die Methode prinzipiell bekannt ist, fand eine systematische Analyse bisher lediglich rudimentär statt. Mit Ausnutzung der sich ergebenden Möglichkeiten wäre eine der am wenigsten komplexen Formen thermoakustischer Motoren mit geringer Temperaturdifferenz betreibbar. Parallel kann die innovative Anwendung zusätzlicher akustischer Elemente auch in mehrstufigen Anlagen förderlich sein und beschriebene geometrische Restriktionen auflösen.
In Form numerischer Studien, gelingt ein Wirksamkeitsnachweis der vorgestellten Methoden. Die Option zur vergleichbaren Justierung des akustischen Feldes in ein- und mehrstufigen Systemen mittels wirksamer Elemente lässt erstmals eine objektive Beurteilung der Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit der Systemkomplexität zu. Durch eine strukturierte Variation einer Vielzahl geometrischer, akustischer und thermischer Parameter ist zudem die Darstellung sich überlagernder Abhängigkeiten auf Systemebene durchführbar. Die Betrachtungen erlauben einen tieferen Einblick in die Funktionsweisen und erweitern das generelle Verständnis grundlegend.
Mit der Nutzung eines eigens entwickelten thermoakustischen Versuchsstandes erfolgt eine experimentelle Validierung der verwendeten Simulationsmodelle am Beispiel des einstufigen Motors. Dieser kommt auch für weiterführende Untersuchungen zur Unterdrückung schadhafter konvektiver Strömungen zum Einsatz. Mit der Implementierung einer vollbetriebsfähigen bidirektionalen Turbine zur akustisch-elektrischen Wandlung erfolgt ein erster Funktionsnachweis eines thermoakustisch-elektrischen Generators nach besprochener Bauform.
Die umfassenden Analyseergebnisse lassen sich als Entwurfsvorlage für die optimierte Umsetzung nachfolgender thermoakustischer Systeme nutzen. Unter Berücksichtigung der vorgestellten Methoden zeigt die Arbeit mögliche Wege auf, wie sich zukünftig niedertemperierte Wärme für den Betrieb eines elektrischen Verbrauchers verwerten ließe.:Kurzfassung
Danksagung
Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Aufbau der Arbeit
2 Thermoakustik
2.1 Geschichtlicher Hintergrund
2.1.1 Frühe Entwicklung
2.1.2 Moderne Entwicklung
2.2 Funktionsprinzip
2.2.1 Richtung der Energieübertragung
2.2.2 Thermodynamischer Vergleichsprozess
2.3 Theorie der linearen Thermoakustik
2.3.1 Verlustloser Kanal
2.3.2 Viskose und thermische Randschichteffekte
2.3.3 Berücksichtigung eines Temperaturgradienten
2.3.4 Akustische Leistung
2.4 Anwendungen
2.4.1 Anwendungen nach dem Prinzip einer stehenden Welle
2.4.2 Anwendungen nach dem Prinzip einer Wanderwelle
2.4.3 Anwendungen für die Nutzung von Niedertemperatur-Wärme
3 Parameterstudie an einem einstufigen System
3.1 Zugrunde liegender Aufbau und DeltaEC-Modell
3.2 Untersuchte Parameter
3.2.1 Akustische Bedingungen im Regenerator
3.2.2 Geometrie des Regenerators
3.2.3 Geometrie der Wärmeübertrager
3.2.4 Flächenverhältnis und Länge der Hohlräume
3.2.5 Akustische Last und Wirkungsgrad
3.2.6 Prozessparameter - Druck, Gas, Resonanzfrequenz und Temperatur
3.3 Ergebnisse und Diskussion
3.3.1 Akustische Bedingungen im Regenerator
3.3.2 Geometrie des Regenerators
3.3.3 Geometrie der Wärmeübertrager
3.3.4 Flächenverhältnis und Länge der Hohlräume
3.3.5 Akustische Last
3.3.6 Prozessparameter – Druck, Gas, Resonanzfrequenz und Temperatur
3.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
4 Alternative Varianten zur Manipulation der akustischen Bedingungen
4.1 Bauformen einstufiger Systeme
4.2 Übergeordnete Position des Stutzens
4.3 Kompressibel und träge wirkende Rohrabschnitte
4.3.1 Funktionsweise der wirksamen Rohrabschnitte
4.3.2 Abhängigkeit von der Länge der wirksamen Rohrabschnitte
4.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
5 Mehrstufige Systeme
5.1 Zweistufige Systeme
5.1.1 Symmetrisches zweistufiges System mit gesonderter Impedanzanpassung
5.1.2 Zweistufiges System mit natürlicher Selbstanpassung
5.2 Drei-, vier- und fünfstufige Systeme
5.2.1 Akustische Bedingungen bei natürlicher Selbstanpassung
5.2.2 Beeinflussung der Selbstanpassung durch akustisch wirksame Elemente
5.2.3 Beeinflussung der Selbstanpassung durch unterschiedlich lange Hohlräume
5.3 Leistungsvergleich bezüglich Wirkungsgrad und Temperatur
5.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
6 Auslegung, Entwurf und Aufbau des thermoakustischen Versuchsstandes
6.1 Anforderungen an den thermoakustischen Versuchsstand
6.2 Thermoakustischer Motor
6.2.1 Struktureller Rohrleitungsbau
6.2.2 Regenerator
6.2.3 Wärmeübertrager
6.2.4 Gesamtsystem des thermoakustischen Motors
6.3 Kontrolle der Gedeon-Strömung
6.3.1 Theorie der Gedeon-Strömung
6.3.2 Membran
6.3.3 Strömungsdiode
6.4 Helmholtz-Resonator als akustische Last
6.4.1 Theoretische Grundlagen
6.4.2 Entwurf und Aufbau
6.5 Bidirektionale Turbine als akustisch-elektrischer Wandler
6.5.1 Theoretische Grundlagen
6.5.2 Entwurf und Aufbau
6.6 Wärmezufuhr
6.7 Wärmeabfuhr
6.8 Gasversorgung
6.9 Messtechnik, Datenerfassung und -auswertung
6.9.1 Temperaturmessung
6.9.2 Messung der akustischen Parameter
6.9.3 Steuerung der elektrischen Heizpatronen
6.9.4 Belastung und Vermessung der Turbine-Generator Einheit
6.10 Halterung
7 Versuchsdurchführung und Auswertung
7.1 Bildung des numerischen Modells
7.1.1 Modellbildung des thermoakustischen Motors
7.1.2 Methodik zum Abgleich des akustischen Feldes von Experiment und Simulation
7.1.3 Modellbildung des Helmholtz-Resonators als akustische Last
7.2 Variation der Stutzenparameter bei 1 bar
7.2.1 Umfangskorrektur und Abgleich der Stutzenparameter
7.2.2 Unbelastetes System
7.2.3 Belastetes System
7.3 Variation der Stutzenparameter bei 20 bar
7.3.1 Umfangskorrektur und Abgleich der Stutzenparameter
7.3.2 Unbelastetes System
7.3.3 Belastetes System
7.4 Temperaturabhängigkeit des Leistungsvermögens
7.4.1 Einsetztemperatur der akustischen Schwingung
7.4.2 Temperaturabhängiges Leistungsvermögen
7.5 Untersuchungen am Helmholtz-Resonator
7.5.1 Abhängigkeit der Lastimpedanz von den Stutzenparametern
7.5.2 Variation der Lastposition
7.5.3 Temperaturabhängigkeit der Leistungsfähigkeit
7.5.4 Variation der Halslänge
7.6 Thermalmodell und Wärmeverluste
7.6.1 Thermale Randbedingungen im Modell
7.6.2 Überprüfung der kaltseitigen Wärmeübertragung
7.6.3 Wärmeverluste bei unterbundener thermoakustischer Wandlung
7.6.4 Betriebsabhängige konvektive Wärmeverluste
7.7 Untersuchungen zur Gedeon-Strömung
7.7.1 Einfache Bauart
7.7.2 Geviertelte Bauart
7.7.3 Membran
7.8 Bidirektionale Turbine
7.9 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
8 Zusammenfassung und Ausblick
8.1 Einstufige Systeme
8.2 Mehrstufige Systeme
8.3 Experimentelle Versuchsergebnisse
8.4 Ausblick
Anhang
Literaturverzeichnis
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:32689 |
| Date | 11 January 2019 |
| Creators | Kruse, Alexander |
| Contributors | Tajmar, Martin, Thess, André, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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