Termoakustik motor för återvinning av spillvärme

Transkript

1 Termoakustisk motor för återvinning av spillvärme Mikael Karlsson, KTH CCGEx Projekt: Parter: Termoakustik motor för återvinning av spillvärme Scania CV & CCGEx Projektledare: Ragnar Glav, Scania Löptid: Program: Energi & Miljö Bidrag: 1,1 MSEK

2 Termoakustisk motor - princip Lord Rayleigh, The theory of sound (1877): - heating and cooling can create acoustic (mechanical) power if heat be given to the air at the moment of greatest condensation, or be taken from it at the moment of greatest rarefaction Ideala gaslagen pv = nrt

3 Principillustration från G. Swift, Thermoacoustic engines and refrigerators, Phys. Today 48(7), 22, 1995

4 Implementering Från: S. Backhaus and G. Swift, A thermoacoustic Stirling heat engine, Nature, 399, 1999 Enkla komponenter Nuvarande rekordhållare >50% Carnot

5 Återvinning av spillvärme Vanligaste teknikerna: - Rankine-maskiner - Termoelektriska generatorer Varför Termoakustik? Enkla komponenter Hög verkningsgrad

6 Fordonstillämpningar Lastbil Personbil J. Fritszsche, J. Drückhammer, C. Käppner, E. Hassel, et al., Thermoacoustics as an Alternative Technology for Waste HEat Recovery in Automotive and (Heavy) Duty Applications, 24th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology, Aachen, R.M. Keolian, "Truck Thermoacoustic Generator and Chiller - Final Report", DOE project DE-FC26-04NT42113, 2011,

7 Projektbeskrivning och mål Syfte: Öka den grundläggande förståelsen för tekniken samt utvärdera tillämpligheten i fordon. Mål, leveranser: Litteraturstudie Fungerande labb-demonstrator Modelleringsverktyg

8 1D Termoakustisk teori: N.Rott (1980) Grundläggande termoakustiska ekvationer (linjäriserat och utan medelflöde): dp dx = iωρ m 1 f v A U du dx = iωa γpm 1 + γ 1 f 1 + ε k p + β x f k f v dtm U 1 f v 1 σ 1 + ε x dx G G är den termoakustiska förstärkningsfaktorn som beror av temperaturgradienten

9 Men räcker inte hela vägen Olinjära processer begränsar effektiviteten

10 Olinjära fenomen. De flesta saknar bra kvantifiering eller ens förståelse

11 Vår ansats på problemet Akustisk nätverksmodel (linjär + enkel model för olinjäriteter - Beräkningseffektiv - Man kan studera enskilda komponenter (t.ex. kärnan för sig) - Optimera och beräkna arbetsfrekvensen Vi måste karaktärisera och lägga till olinjära förluster

12 Testrigg karakterisera kärnan Elektrisk värmare ~1 kw Regenerator. Tätt packad wire mesh Vattenkyld värmeväxlare Högtalare Mikrofoner p v + Termoakustisk kärna p k + p k p v p v + Akustisk spridningsmatris + p = R v T k v p v k T v k R k p k Karaktärisera motorn. Vi får dess potential att förstärka eller dämpa oberoende av ränderna. Sen kan vi simulera vilket system som helst.

13 Karaktärisera olinjära parametrar från tillgängliga mätningar Backhaus, S. and Swift, G. W., A thermoacoustic-stirling heat engine: Detailed study, J. Acoust. Soc. Am. 107(6), , Reference Pressure ratio p 1,ref /p amb = CHX Regenerator HHX Heat Leak Other sources CHX Regenerat or Reference Pressure ratio p 1,ref /p amb = 0.1 HHX Heat Leak Other sources Load Load X 2 = T 0 T m E T 0 T m H 2 H 2 1 f k f v Re pu 1 dt m dx = σ 1 f v ρ m c p U 2 2ωA 1 σ 1 f 2 Im f v + f k f v v 1 + σ Ak A sk s

14 Validera modellen

15 Simulering - systemnivå Vattenkylare & pump Operating point Mass flow [kg/h] Temperature [ºC] Heat [kw] Weighting [%] Från en given körcykel utvärdera utvunnen nettoeffekt - D.v.s. Inkludera pumpförluster, kylning o.s.v.

16 Akustiska kärnan vid driftspunkterna Värme (behov) Genererad effekt

17 Effektivitet på systemnivå Levererad effekt Termisk verkningsgrad

18 Över en körcykel Konstant R: 14 W Variera R: 237 W M. Karlsson, M. Lalit, M. Åbom and R. Glav, A Noute on the Applicability of Thermo-Acoustic Engines for Automotive WHR, SAE World Congress 2016

19 Sammanfattning System-modellering - Validerad beräkningseffektiv model - Verktyg för design av system Valideringsmätningar vid olika temperaturgradienter - Rigg byggd - Blandade resultat... Utvärdering av tekniken - Vi ser en stor potential - Men fortfarande tidigt skede

20 Kontakt Scania: CCGEx, Mikael Karlsson: