Вход
  1. Главная
  2. Журналы
  3. «Газовая промышленность»
  4. Газовая промышленность 10.2024
Газовая Промышленность 10.2024

Обзорная статья

EDN: IFGKTO

УДК 534.142::66.078
(UDK 534.142::66.078)

Авторизуйтесь

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ (NEW TECHNOLOGIES AND EQUIPMENT)

ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ХОЛОДА: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

(THERMOACOUSTIC COLD GENERATOR: POTENTIAL APPLICATIONS AND DESIGN FEATURES)

В статье представлен обзор научно-исследовательских работ в области термоакустического охлаждения, выполненный в целях выявления преимуществ и недостатков технологии, возможных сфер ее применения. Для этого рассмотрены варианты классификации термоакустических холодильников. Уделено внимание выбору материала регенератора, являющегося важной составной частью любого термоакустического устройства. Анализ научных источников показал, что в качестве материала и для стека (для устройств на стоячей волне), и для регенератора (для устройств на бегущей волне) используют пористые структуры. Наилучших результатов удается достичь при применении стали и керамики. Представлены и такие варианты, как многослойный регенератор и регенератор, наполненный ценосферами.
Интерес к термоакустическим устройствам обусловлен возможностью создания холода в широком диапазоне температур, мобильностью, надежностью за счет малого количества подвижных деталей и отсутствия трения в них. Данная технология может использоваться в бытовых и промышленных холодильниках, морозильных камерах, при производстве полупроводниковых материалов для военных задач, охлаждении астрономических детекторов. Особый интерес представляет охлаждение и сжижение попутных нефтяных газов и сжижение природного газа, что актуально в связи с отдаленностью большинства нефтегазовых месторождений от потребителей и низким уровнем газификации некоторых регионов. Традиционные процессы, основанные на смешанных хладагентах, турбодетандерах и каскадных циклах, как правило, требуют дорогостоящего оборудования и дальнейшего обслуживания. В этом плане термоакустические установки лишены указанных недостатков, в связи с чем делается вывод об актуальности дальнейшего развития данного направления разработок.

The article reviews scientific researches in the field of thermoacoustic cooling to identify pros and contras of the technology and its potential applications. In this regard, it describes various options of classification thermoacoustic refrigerators. Among other issues, it focuses on choosing the material for the regenerator, being a crucial part of any thermoacoustic device. Analysis of the scientific sources has shown that porous structures are used as a material for both the stack (for standing wave devices) and the regenerator (for travelling wave devices). Using steel and ceramics gives the best results. The article also overviews such options as a multilayer generator and a cenosphere filled generator.
The interest in thermoacoustic devices is due to their ability generate cold in a wide range of temperatures, their mobility, and reliability due to a small number of non-friction moving parts. This technology can be used in household and industrial refrigerators, freezers, in the production of semiconductor materials for military applications, and for cooling of astronomical detectors. Cooling and liquefaction of associated petroleum gases, as well as the liquefaction of natural gas, are the areas of particular interest. These are pressing issues because most oil and gas fields are remote from the consumers, and in some regions, the level of gasification is low. Traditional processes based on mixed refrigerants, turbo expanders, and cascade cycles usually require expensive equipment and further maintenance. In this regard, thermoacoustic installations are free from these shortcomings, which makes it clear that further progress in this field is highly desirable.

ТЕРМОАКУСТИКА, ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК, ПОЛУЧЕНИЕ ХОЛОДА, РЕГЕНЕРАТОР, СТЕК, ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

THERMOACOUSTICS, THERMOACOUSTIC REFRIGERATOR, COLD GENERATION, REGENERATOR, STACK, REFRIGERATION CAPACITY

А.С. Сигов, д.ф.-м.н., акад. РАН, ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет» (Москва, Россия)

Ю.М. Аверина, к.т.н., доц., ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева» (Москва, Россия)

А.В. Замрий, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр» (Москва, Россия)

Е.Д. Котикова, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр»

А.А. Папушкина, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр»

Е.С. Панкратова, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр»

A.S. Sigov, DSc in Physics and Mathematics, RAS Academician, MIREA – Russian Technological University (Moscow, Russia)

Yu.М. Averina, PhD in Engineering, Associate Professor, Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia (Moscow, Russia)

A.V. Zamriy, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center (limited liability company) [OOO “Mezhotraslevoj ekspertno-analiticheskij centr”] (Moscow, Russia)

E.D. Kotikova, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center

A.A. Papushkina, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center

E.S. Pankratova, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center

Hofler T.J., Wheatley J.C., Swift G.W., Migliori A. Acoustic cooling engine // The Journal of the Acoustical Society of America. 1988. Vol. 84, No. 1. P. 460. DOI: 10.1121/1.396927.

Галимова Л.В., Седойкин И.Е. Абсорбционная холодильная машина в системе разделения воздуха для получения медицинского кислорода // Холодильная техника. 2020. № 6. С. 25–29. EDN: TPFJMJ.

Фролкин А.А., Краснов М.И. Применение АБХМ THERMAX в пищевой промышленности // Холодильная техника. 2016. № 2. С. 51–54. EDN: VPLIFJ.

Крысанов К.С. Разработка и исследование вакуумно-испарительных холодильных машин с использованием воды как холодильного агента: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: Московский гос. ун-т инж. экологии, 2007. 16 с.

Хисамеев И.Г., Мифтахов А.А., Сафиуллин A.Г. Разработка и освоение холодильных машин на базе многовальных мультипликаторных компрессоров для предприятий нефтяной, газовой и химической промышленности // Холодильная техника. 2007. № 1. С. 38–44. EDN: JTLZHX.

Босюк О.С., Купцов С.М. Сочетание тепловой изоляции трубопровода и холодильных машин при транспорте углеводородов в северных районах // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 6. С. 102–105. EDN: ZAGRMJ.

Галимова Л.В., Веденеева А.И. Совершенствование процесса абсорбции водоаммиачной холодильной машины в системе синтеза аммиака // Холодильная техника. 2013. № 12. С. 18–25. EDN: SMJKAZ.

Sharify E.M., Hasegawa S. Traveling-wave thermoacoustic refrigerator driven by a multistage traveling-wave thermoacoustic engine // Appl. Therm. Eng. 2017. Vol. 113. P. 791–795. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.11.021.

Radebaugh R. Development of the pulse tube refrigerator as an efficient and reliable cryocooler // Thermodynamics Research Center: офиц. сайт. URL: https://trc.nist.gov/cryogenics/Papers/Review/1999-Development_of_the_Pulse_Tube_Refrigerator.pdf (дата обращения: 18.10.2024).

Воротников Г.В. Методика моделирования рабочего процесса термоакустического двигателя на установившемся режиме: дис. … канд. техн. наук. Самара: Самарский нац. исслед. ун-т им. акад. С.П. Королева, 2019. 208 с.

Патент № 2435113 Российская Федерация, МПК F25B 23/00 (2006.01). Термоакустическое холодильное устройство: № 2010126569/06: заявл. 30.06.2010: опубл. 27.11.2011 / Миронов М.А., Пятаков П.А.; заявитель Министерство промышленности и торговли Российской Федерации // Yandex.ru: патенты. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2435113C1_20111127 (дата обращения: 18.10.2024). EDN: HDRBJY.

Пулькина А.Ю. Сравнение энергетических балансов термоакустических холодильников // Динамика и виброакустика. 2020. Т. 6, № 3. С. 11–15. DOI: 10.18287/2409-4579-2020-6-3-11-15. EDN: FRDFSH.

Довгялло А.И., Зиновьев Е.А., Воротников Г.В. К оценке показателей эффективности рабочего процесса термоакустического двигателя // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2011. № 2 (7). С. 139–145. EDN: WFQZUB.

Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Тоцкий Е.Е. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.

Herman C. Thermoacoustic refrigeration: Low-temperature applications and optimization // Low temperature and cryogenic refrigeration / ed. by S. Kakaç et al. Dordrecht, Netherlands: Springer, 2003. P. 327–348. DOI: 10.1007/978-94-010-0099-4_19.

Bertucco A., Vetter G. High pressure process technology: Fundamentals and applications. Amsterdam: Elsevier, 2001. 684 p.

Rosle N.D.A., Mohd S.F.A.Z., Raja O.R.N.F.K., et al. The effect of porous materials on temperature drop in a standing wave thermoacoustic cooler // International Journal of Nanoelectronics and Materials. 2022. Vol. 15. P. 405–414.

Rosle N.D.A., Mohd S.F.A.Z., Raja O.R.N.F.K., Abd R.I. The impact of stack parameters on the temperature difference of a thermoacoustic cooler // Thermal Science. 2022. Vol. 26, No. 6A. P. 4535–4546. DOI: 10.2298/TSCI211018073R.

Kajurek J., Rusowicz A. Experimental investigation on the thermoacoustic effect in easily accessible porous materials // Energies (Basel, Switz.). 2020. Vol. 14, No. 1. Article ID 83. DOI: 10.3390/en14010083.

Abduljalil A S., Yu Z., Jaworski A.J. Selection and experimental evaluation of low-cost porous materials for regenerator applications in thermoacoustic engines // Materials & Design. 2011. Vol. 32, No. 1. P. 217–228. DOI: 10.1016/j.matdes.2010.06.012.

Saechan P., Dhuchakallaya I. Design and experimental evaluation of a travelling wave thermoacoustic engine // Energy Reports. 2020. Vol. 6. P. 1456–1461. DOI: 10.1016/j.egyr.2020.11.002.

Ikeya Y., Li R., Numazawa T. Improvement of 4K GM cooling performance with a new regenerator material // Cryocoolers 12 / ed. by R.G. Ross. Boston, MA, USA: Springer, 2003. P. 403–410. DOI: 10.1007/0-306-47919-2_53.

Патент № 2528407 Российская Федерация, МПК H01L 39/16 (2006.01), H01F 13/00 (2006.01). Способ активации высокотемпературных сверхпроводников в области криогенных температур ниже критического значения и устройство для его осуществления: № 2012139673/07: заявл. 17.09.2012: опубл. 20.09.2014 / Антонов Ю.Ф.; заявитель Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова // Yandex.ru: патенты. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2528407C2_20140920 (дата обращения: 18.10.2024). EDN: YPFTPB.

Патент № 4398398 США, МПК F25B 21/02. Acoustical heat pumping engine: № 292979: заявл. 14.08.1981: опубл. 16.08.1983 / Wheatley J.C., Swift G.W., Migliori A.; заявитель U.S. Department of Energy // FreePatentsOnline.com: сайт. URL: https://www.freepatentsonline.com/4398398.pdf (дата обращения: 18.10.2024).

Lavrenchenko G.K., Kravchenko M.B. The characteristics of a 4K Gifford-McMahon cryocooler with a second stage-regenerator packed with cenospheres // Low Temp. Phys. 2019. Vol. 45, No. 4. P. 452–464. DOI: 10.1063/1.5093526.

Российская Федерация. Правительство. План мероприятий («дорожная карта») по развитию рынка малотоннажного сжиженного природного газа и газомоторного топлива в Российской Федерации на период до 2025 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 13.02.2021 № 350-р // Правительство Российской Федерации: офиц. сайт. URL: http://government.ru/docs/all/132870/ (дата обращения: 18.10.2024).

Hofler TJ, Wheatley JC, Swift GW, Migliori A. Acoustic cooling engine. The Journal of the Acoustical Society of America. 1988; 84(1): 460. https://doi.org/10.1121/1.396927.

Galimova LV, Sedoykin IE. Absorption refrigeration machine in air separation system for medical oxygen production. Refrigeration Technology [Kholodil’naya tekhnika]. 2020; (6): 25–29. (In Russian)

Frolkin AA, Krasnov MI. Application of THERMAX lithium bromide refrigeration machines in the food industry. Refrigeration Technology. 2016; (2): 51–54. (In Russian)

Krysanov KS. Research and development of vacuum-evaporative refrigeration machines using water as a refrigerant. PhD thesis. Moscow State University of Environmental Engineering; 2007. (In Russian)

Khisameyev IG, Miftakhov AA, Safiullin AG. Development and implementation of refrigeration machines on the basis of multi-shaft, multiplicatory compressors for enterprises of oil, gas and chemical industry. Refrigeration Technology. 2007; (1): 38–44. (In Russian)

Bosyuk OS, Kuptsov SM. Combining thermal insulation of pipeline and refrigerating machines in transport of hydrocarbons in the northern regions. Oil and Gas Territory [Territoriya “NEFTEGAZ”]. 2017; (6): 102–105. (In Russian)

Galimova LV, Vedeneeva AI. Improving the absorption process of a water-ammonia refrigeration machine in the ammonia synthesis system. Refrigeration Technology. 2013; (12): 18–25. (In Russian)

Sharify EM, Hasegawa S. Traveling-wave thermoacoustic refrigerator driven by a multistage traveling-wave thermoacoustic engine. Appl. Therm. Eng. 2017; 113: 791–795. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.021.

Radebaugh R. Development of the pulse tube refrigerator as an efficient and reliable cryocooler. Available from: https://trc.nist.gov/cryogenics/Papers/Review/1999-Development_of_the_Pulse_Tube_Refrigerator.pdf [Accessed: 18 October 2024].

Vorotnikov GV. Methodology for modeling the working process of a thermoacoustic engine in steady state. PhD thesis. Samara National Research University; 2019. (In Russian)

Mironov MA, Pjatakov PA. Thermo-acoustic cooling device. RU2435113 (Patent) 2011.

Pulkina AYu. Comparison of energy balances thermoacoustic refrigerators. Journal of Dynamics and Vibroacoustics [Dinamika i vibroakustika]. 2020; 6(3): 11–15. https://doi.org/10.18287/2409-4579-2020-6-3-11-15. (In Russian)

Dovgyallo AI, Zinoviev EA, Vorotnikov GV. Towards an assessment of the performance indicators of the working process of a thermoacoustic engine. Modern Science: Research, Ideas, Results, Technologies [Sovremennaya nauka: issledovaniya, idei, rezul’taty, tekhnologii]. 2011; 7(2): 139–145. (In Russian)

Vargaftik NB, Filippov LP, Tarzimanov AA, Totskiy EE. Handbook of Thermal Conductivity of Liquids and Gases. Moscow: Energoatomizdat; 1990. (In Russian)

Herman C. Thermoacoustic refrigeration: Low-temperature applications and optimization. In: Kakaç S, Smirnov HF, Avelino MR (eds.) Low Temperature and Cryogenic Refrigeration. Dordrecht, Netherlands: Springer; 2003. p. 327–348. https://doi.org/10.1007/978-94-010-0099-4_19.

Bertucco A, Vetter G. High Pressure Process Technology: Fundamentals and Applications. Amsterdam: Elsevier; 2001.

Rosle NDA, Saat FAZM, Raja ORNFK, Sukri MF, Saechan P. The effect of porous materials on temperature drop in a standing wave thermoacoustic cooler. International Journal of Nanoelectronics and Materials. 2022; 15: 405–414.

Rosle NDA, Mohd SFAZ, Raja ORNFK, Abd RI. The impact of stack parameters on the temperature difference of a thermoacoustic cooler. Thermal Science. 2022; 26(6A): 4535–4546. https://doi.org/10.2298/TSCI211018073R.

Kajurek J, Rusowicz A. Experimental investigation on the thermoacoustic effect in easily accessible porous materials. Energies (Basel, Switz.). 2020; 14(1): article ID 83. https://doi.org/10.3390/en14010083.

Abduljalil AS, Yu Z, Jaworski AJ. Selection and experimental evaluation of low-cost porous materials for regenerator applications in thermoacoustic engines. Materials & Design. 2011; 32(1): 217–228. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.06.012.

Saechan P, Dhuchakallaya I. Design and experimental evaluation of a travelling wave thermoacoustic engine. Energy Reports. 2020; 6: 1456–1461. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.11.002.

Ikeya Y, Li R, Numazawa T. Improvement of 4K GM cooling performance with a new regenerator material. In: Ross RG (ed.) Cryocoolers 12. Boston, MA, USA: Springer; 2003. p. 403–410. https://doi.org/10.1007/0-306-47919-2_53.

Antonov JuF. Method to activate high-temperature superconductors in range of cryogenic temperatures below critical value and device for its implementation. RU2528407 (Patent) 2014.

Wheatley JC, Swift GW, Migliori A. Acoustical heat pumping engine. RU4398398 (Patent) 1983.

Lavrenchenko GK, Kravchenko MB. The characteristics of a 4K Gifford-McMahon cryocooler with a second stage-regenerator packed with cenospheres. Low Temp. Phys. 2019; 45(4): 452–464. https://doi.org/10.1063/1.5093526.

The Russian Government. Decree No. 350-r dated 13 February 2021. Action plan (“road map”) for the development of the market for small-scale liquefied natural gas and gas engine fuel in the Russian Federation for the period up to 2025. Available from: http://government.ru/docs/all/132870/ [Accessed: 18 October 2024]. (In Russian)

Перевод выполнен Moscow Translation Agency

Назад к журналу
ТЕРРИТОРИЯНЕФТЕГАЗ

Внимание к деталям — от идеи
до воплощения! Только актуальная информация и свежие новости.

Журналы

Контент

О нас

Контакты