بررسي عددي تاثير فركانس، نسبت فشار مولدصوتي و اختلاف دماي مبدل‌هاي حرارتي در يخچال‌هاي ترموآكوستيك

Numerical investigation on effects of frequency, driver pressure ratio and heat exchangers temperature differencing on performance of thermoacoustic refrigerator

يخچال‌ ترموآكوستيك با استفاده از امواج صوتي، گرما را از منبع دما پايين به منبع دما بالا منتقل مي‌كند. به دليل عدم استفاده از قطعات متحرك، مواد سمي و آلاينده يخچال‌هاي ترموآكوستيك مورد توجه بسياري از محققان قرار گرفته است. در اين مقاله، از كدهاي اپن‌فوم براي شبيه‌سازي يخچال‌ ترموآكوستيك استفاده شده است. معادلات ناويراستوكس تراكم‌پذير گذرا و معادله حالت در الگوريتم پيمپل به‌طور هم‌زمان حل شده اند. تاثير پارامترهايي چون نسبت فشار مولدصوتي، اختلاف دماي مبدل‌هاي حرارتي و فركانس مولدصوتي براي دو سيال هوا و هليوم بررسي شده است. در اين تحليل طول مبدل‌هاي حرارتي و استك ثابت درنظر گرفته شده است. نتايج نشان مي‌دهند كه با افزايش نسبت فشار توان سرمايش يخچال افزايش پيدا مي‌كند اما ضريب عملكرد آن كاهش پيدا مي‌كند. هليوم توان سرمايش بيشتري نسبت به هوا داراست اما به دليل توان ورودي بيشتر ضريب عملكردي برابر با هوا خواهد داشت. همچنين با افزايش اختلاف دماي مبدل‌هاي حرارتي از توان سرمايش يخچال‌ كاسته مي‌شود و ضريب عملكرد يخچال براي هوا كاهش و براي هليوم افزايش مي‌يابد. كاهش فركانس باعث افزايش طول دستگاه و كاهش توان سرمايش و ضريب عملكرد مي‌شود. با افزايش فركانس، طول مبدل حرارتي سرد از جا‌به‌جايي ذرات هوا بيشتر شده و مبدل حرارتي سرد به جاي دفع گرما، گرما را از سيال جذب مي‌كند و ضريب عملكرد صفر خواهد شد.

A thermoacoustic refrigerator is a device that transfers heat from a low temperature reservoir to a high temperature reservoir by utilizing acoustic wave. Due to using no moving parts, no exotic and poisonous materials, Thermoacoustic refrigerators have been considered by many researchers. In this paper, the OpenFOAM package is used to simulate a thermoacoustic refrigerator. The unsteady compressible Navier-Stokes equations and equation of state are solved with PIMPLE algorithm. The effects of driver pressure ratio, frequency and heat exchangers temperature differencing for air and helium have been studied. Length of heat exchangers and stack remains constant throughout the analysis process. The results show that the coefficient of performance (COP) is decreased and cooling power is increased due to rise of driver pressure ratio. Helium cooling power is greater than air, but their COP is equal because of its need for greater input power. The cooling power for both air and helium are increased with the enhanced temperature difference of heat exchangers. Also, COP of air refrigerator is decreased, but COP of helium refrigerator is increased. The longer the device length, the smaller the COP and cooling power are a result of the reduction in driver frequency. When frequency is increased, the length of cold heat exchanger will be greater than gas particle displacement of air. Therefore, cold heat exchanger absorbs heat from the air instead of heat transfer to it and COP will be zero.