Eine Gruppe Wissenschaftler der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat das HDTAR/HDTAHP-System für Wärmepumpen und Kühlmaschinen entwickelt. Es ist für den Betrieb bei hohen Heiztemperaturen entwickelt worden.
Das neuartige System wird dabei als “eine vielversprechende Technologie für kohlenstoffarme, hocheffiziente und zuverlässige Kühlung und Heizung” bezeichnet.
Das HDTAR/HDTAHP-System nutzt den umgekehrten thermoakustischen Effekt zur Kälte- oder Wärmeerzeugung. Dabei wird Helium oder Stickstoff als Arbeitsmedium verwendet. Eine eingebettete thermoakustische Maschine (TAE) nutzt die Resonanz einer stehenden Welle im Arbeitsmedium, um Wärme in akustische Energie umzuwandeln.
„Das System kann leicht mit PV-Energie kombiniert werden. Zum Beispiel kann bei der PV-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 Heizungsanforderungen zu erfüllen,” so Ercang Luo, der korrespondierende Autor der Studie.
Das Gerät ist mit einem Stufenkolben ausgestattet, welcher den Zweck hat, die Ausgangsschallleistung der Direktkopplungseinheit zu trennen. Zudem soll dieser einen Teil der Schallleistung in den Regenerator der TAE-Untereinheit und den Rest in die TAR/TAHP-Untereinheit leiten und so die akustische Leistungsanpassung ermöglichen.
„Sowohl die Ausgangsschallleistung aus der TAE-Untereinheit als auch die umgangene 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 austretende akustische Leistung des TAR/TAHP wird über einen Resonator zum Eingang der Direktkopplungseinheit zurückkehrt. Insofern schließt das System hier einen vollständigen Kreislaufbetrieb ab.“
Die Wissenschaftler simulierten, mithilfe der Berechnungssoftware Sage, die Leistung des auf dem SP basierenden Systems mit der eines Referenzgerätes mit herkömmlichem mechanischem Kolben.
Die darauffolgenden Ergebnisse zeigten, dass das System mit dem SP einen COP von 1,694 erreichte – das Referenzgerät erzielte hierbei nur einen Wert von 0,6825.
Laut den Forschern ist die starke Diskrepanz dabei auf die Heiztemperatur des Referenzsystems zurückzuführen, welche durch die Umgebungs- und Kälteseitentemperaturen „stark“ 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 globalen Kühlleistung.“
Bei einer Heiztemperatur von ca. 500 °C soll das System einen dreimal höheren Wirkungsgrad erreichen können, so die Wissenschaftler. Die verbesserte Wärme-zu-Schall-Umwandlungseffizienz in der TAE-Untereinheit ist bei höherer Heiztemperatur für die Verbesserung der Kühlleistung verantwortlich, erklärten sie darauf. „Die neuartige Konfiguration weist aufgrund der Bypass-Komponente unterschiedliche Schallfeldverteilungen auf und kann den Energieverlust im Regenerator des Motors erheblich verringern.“
„Wir haben die Kosten nicht geschätzt und mit dem traditionellen Absorptionskältesystem verglichen, aber es wird angenommen, dass dieses Kälte-Wärmepumpen-System in der Zukunft kostengünstig sein wird“, so Luo zum Thema Kosten
Quelle/Bild: Chinesische Akademie der Wissenschaften
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