Thermoakustische-Wärmepumpen und Kältemaschinen

Eine Gruppe von Ingenieuren der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat sich nun auch für die Entwicklung von Thermoakustischen Wärmepumpen und Kälteanlagen aufgemacht. Dies nachdem entsprechende Forschungsprojekte der EU bereits im Jahr 2016 injiziert wurden. Mit dem FHDTAR/HDTAHP-System für Wärmepumpen wurde ein Projekt ausgelegt das auf hohe Heiztemperaturen ausgelegt ist.

Das neue System wird als “vielversprechende Technologie für kohlenstoffarmes, hocheffizientes und zuverlässiges Kühlen und Heizen” bezeichnet.

Das HDTAR/HDTAHP-System nutzt den umgekehrten thermoakustischen Effekt, um Kälte oder Wärme zu erzeugen. Als Arbeitsmedium wird Helium oder Stickstoff verwendet. Eine eingebettete thermoakustische Maschine (TAE) nutzt die Resonanz einer stehenden Welle im Arbeitsmedium, um Wärme in akustische Energie umzuwandeln.

Kombination mit PV-Energie
Das System kann leicht mit PV-Energie kombiniert werden. Beispielsweise kann bei der photovoltaischen Stromerzeugung eine beträchtliche Menge an Abwärme erzeugt werden, die als Kältequelle in unserem thermoakustischen Wärmepumpensystem genutzt werden kann und deren Temperatur angehoben werden kann, um verschiedene Heizanforderungen zu erfüllen”, sagt Ercang Luo, der korrespondierende Autor der Studie.

Technik
Das Gerät ist mit einem Stufenkolben ausgestattet, der dazu dient, die Ausgangsschallleistung der direkt gekoppelten Einheit zu trennen. Außerdem soll er einen Teil der Schallleistung in den Regenerator der TAE-Untereinheit und den Rest in die TAR/TAHP-Untereinheit leiten, um eine akustische Leistungsanpassung zu ermöglichen.

„Sowohl die Ausgangsschallleistung der TAE-Untereinheit als auch die umgeleitete Schallleistung gelangen in die TAR/TAHP-Untereinheit. In der TAR/TAHP-Untereinheit wird die akustische Leistung verbraucht und die Wärme kontinuierlich aus dem kälteseitigen Wärmetauscher gepumpt“, so die Forscher, „die aus der TAR/TAHP austretende akustische Leistung wird über einen Resonator zum Eingang der Direktkopplungseinheit zurückgeführt. Insofern schließt das System hier einen vollständigen Kreislauf“.
Mit Hilfe der Berechnungssoftware Sage simulierten die Wissenschaftler die Leistung des SP-basierten Systems im Vergleich zu einem Referenzgerät mit konventionellem mechanischem Kolben. Die Ergebnisse zeigten, dass das System mit dem SP einen COP von 1,694 erreichte, während das Referenzgerät nur auf einen Wert von 0,6825 kam.

Den Forschern zufolge ist der große Unterschied auf die Heiztemperatur des Referenzsystems zurückzuführen, die „stark“ durch die Umgebungs- und Kaltseitentemperaturen begrenzt ist. „Eine Änderung der Heiztemperatur führt zu einem Missverhältnis zwischen der Schallleistungserzeugung in der TAE-Untereinheit und dem Schallleistungsverbrauch in der TAR/TAHP-Untereinheit und schließlich zu einer Verschlechterung der Gesamtkühlleistung.“

Bei einer Heiztemperatur von etwa 500 °C sollte das System eine dreimal höhere Effizienz erreichen können, so die Wissenschaftler. Verantwortlich für die verbesserte Kühlleistung bei höheren Heiztemperaturen sei die verbesserte Wärme-zu-Schall-Umwandlungseffizienz in der TAE-Untereinheit. „Die neue Konfiguration weist aufgrund der Bypasskomponente unterschiedliche Schallfeldverteilungen auf und kann die Energieverluste im Motorregenerator deutlich reduzieren.“
​
„Wir haben die Kosten nicht abgeschätzt und mit dem herkömmlichen Absorptionskühlsystem verglichen, aber es wird erwartet, dass dieses Kälte-Wärmepumpensystem in Zukunft kostengünstig sein wird“, sagte Luo zu den Kosten.