hier die gesamte übersetzung!
Thermoacoustic Kühlraum-Projekt
Jared H. Crossley & Robert J. Koegler, Jr.
Physik 411, Dr. Watts
Intro
Als älteres waagerecht ausgerichtetes Nichtgraduiertthermodynamikexperiment entwerfen wir, konstruieren und prüfen einen thermoacoustic Kühlraum. Wenn wir unser Design entwickeln, beraten wir Journalartikel, Kursteilnehmer, die das gleiche Projekt in der Vergangenheit versuchten, und zwei akustische Physiktexte. Im Interesse der Zeit konzentrieren wir auf die thermoacoustic Kühlraumdesigns, die in der Literatur beschrieben werden, die gründeten auf vorsichtiger Analyse der thermischen und akustischen betroffenen Physik, beim Betrachten der umfangreichen Theorie, in den meisten Fällen, qualitativ verursacht worden sind. Der Aufbau ist die Materialien verwendend erfolgt, die an den lokalen Kleinteilen vorhanden sind und Elektronik speichert, wenn zwei Ausnahmen Plastik und kupfernes Ineinandergreifen, sowie die Werkzeuge sind, die in jeder möglicher Maschinenwerkstatt vorhanden sind. Die Prüfung des Kühlraums bezieht grundlegend Maß einer Temperatursteigung über dem Stapel oder einem Senken der Temperatur des kalten Wärmeaustauschers unterhalb der umgebenden Temperatur mit ein.
Theorie der thermoacoustic Abkühlung
Ein thermoacoustic Kühlraum ist grundlegend eine Wärmepumpe, die durch Ton angetrieben wird. Das einfachste Design (das wir hier versuchen), besteht aus einem beiliegenden Schlauch, bekannt als Resonator, mit einem Lautsprecher bei einem Ende und einem "Stapel", der zwischen Druck und Geschwindigkeit Antinodes, mit Wärmeaustauschern auf jede Seite in Position gebracht wird.
Der Lautsprecher produziert eine akustische Welle mit Frequenz so, daß eine stehende Welle innerhalb des Resonators mit Druck Antinodes an jedem Ende hergestellt wird. Die akustische Welle ist in Ermangelung des Stapels (schnelles 1988, p1150) adiabatisch, aber mit dem Stapelgeschenk, wird eine Grenzbedingung an der Oberfläche des Stapels, so auferlegt, daß die Temperaturpendelbewegung wegen der Welle bis null gehen muß. Diese Grenzbedingung dient, eine Temperaturpendelbewegung Phasenverschiebung nahe der thermischen Durchgrifftiefe (schnelles 1988, p1152), das Nettohitzefluß ergibt, und folglich einer Temperatursteigung entlang dem Stapel zu produzieren, wenn Durchschnitt berechnete Überzeit.
Für einen thermoacoustic Kühlraum ist die Temperatursteigung über dem Stapel unterhalb der ' kritischen ' Temperatursteigung, und produziert Hitzefluß in Richtung zum Druck Antinode.
SieIST wert, die zu merken, wenn eine Temperatursteigung, die als die kritische Temperatursteigung grösser ist, , dem Stapel auferlegt wird, der Nettohitzefluß wird aufgehoben und Wärmeflüsse weg vom Druck Antinode. Dieses ist die Bedingung gerade, die in einer thermoacoustic Maschine erzielt wird . Im Allgemeinen werden bestimmte Temperaturen den Wärmeaustauschern auferlegt, resultierend in einer Temperatursteigung über dem Stapel. Die Temperatursteigung stellt eine stehende Welle innerhalb des Resonators her, von dem die Energie über einen electroacoustic Signalumformer (schnelles 1995, p23) extrahiert werden kann.
Zum Kühlraum zurückgehen, sobald der Temperatursteigung die Wärmeaustauscher den üblichen, Zweck zu dienen verursacht worden ist. Der heiße Austauscher treibt Abwärme zum heißen Vorratsbehälter weg, während der kalte Austauscher in Hitze vom kalten Vorratsbehälter holt. So wird Abkühlung hergestellt.
Design
Aus praktischen Gründen folgen wir den Designempfehlungen, die in der Literatur erwähnt werden. Wir entscheiden willkürlich auf einer Resonatorlänge von 1m. Wie durch Tijani und Al (200à) empfohlen benutzen wir Helium als unser Arbeitsgas. Helium ist eine gute Wahl wegen seiner hohen stichhaltigen Geschwindigkeit, guten Wärmeleitfähigkeit und niedrigen Kosten. Wir benutzen einen gewundenen Stapel von Plastik (Tijani und Al 2002b) und gebrauchen Mylar?s niedrige Wärmeleitfähigkeit.
Vor gegründet auf Rat Starke, das dieses gleiche Projekt einem Jahr versuchte, beschließen wir, den Durchmesser des Stapels herabzusetzen, um, Aufbauzeit verkürzend. Folglich benutzen wir einen PVC Resonatorschlauch mit einem nur 2 inch Durchmesser. Weiter benutzen wir einen 0,5 inch Durchmesser PVC Schlauch, verstopft an beiden Enden, als um die Stange, zum sich zu winden die Plastik. (Tijani und Al 2002b)
Lautsprechervorwähler
Wir finden von Stephens und von den Beizbruehen (1966) denen die Geschwindigkeit des Tones in einem Gas der Relation folgt . Von diesem und unseren Druck anzunehmen ist in der Strecke 1 bis 5 ATMS, der gewünschte Lautsprecher, das Frequenzbereich leicht festgestelltes Verwenden ist .
1
1000
1000
2
1414
1414
3
1732
1732
4
2000
2000
5
2236
2236
Wir erhalten einen 4-Ohm Lautsprecher von RadioShack, das während dieser Strecke funktioniert.
Wie von Swift (1995) empfohlen, wählen wir Stapeldistanzscheiben so, daß der Abstand zwischen jeder Plastik Schicht viermal die thermische Durchgrifftiefe ist. Die thermische Durchgrifftiefe wird vorbei gegeben
Wo die Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsgases ist, ist die Frequenz, an der der Lautsprecher gefahren wird, die Massendichte des Gases ist und die isobare spezifische Hitze pro Maßeinheit Masse ist.
Wir finden für Helium und . Bei 1atm erhalten wir . So wünschen wir einen Raum von Breite 1mm.
Wie von Tijani (2002b) empfohlen, wählen wir Kupfer für unsere Wärmeaustauscher. Anstatt, die komplizierte Spule aus kupfernen Blättern konstruierend, beschließen wir, kupfernes Ineinandergreifen zu benutzen. Eine kupferne Leitung, die zum Ineinandergreifen angebracht wird, läuft zum Äußeren des Resonators, um Temperaturmaß und/oder Wärmeaustausch mit dem Klima zuzulassen.
Aufbau
Aufbau des Kühlraums folgt ein "einfaches, mit" Philosophie zu experimentieren. Dieses hat Aufbau, damit Zerlegung des Kühlraums, zwecks Hauptbestandteile beizubehalten einfach ist, d.h. der Stapel und die Wärmeaustauscher zur Folge. Um dieses zu erzielen führten wir 3 Phasen durch: Gehäuseaufbau, Verdrahtung und Druckprüfung, Stapel und Wärmeaustauscheraufbau.
Die erste Phase des Aufbaus besteht aus Ausschnitt 2 inch Durchmesser PVC in 3 Bestandteile: Lautsprechergehäuse (5 Zentimeter, von der Frontseite des Lautsprechers), Stapelgehäuse (30 Zentimeter) und Resonatorgehäuse (60 Zentimeter). Der Lautsprecher (4 inch Durchmesser, 20 Watt, 4 Ohm) wird in 4 inch Abwärts bis 2 Zoll angebracht. PVC Verbindung mit verlegen-bringen Schutzträger an. Dieser Schritt unten wird dann dauerhaft zum Lautsprechergehäuse mit PVC Kleber hinzugefügt. Das Lautsprechergehäuse, das Stapelgehäuse und der Resonator werden dann dauerhaft mit PVC Kleber, zu verlegten Verbindungen so daß das ein Ende der Stapelgehäuseschrauben in das Lautsprechergehäuse und das andere zum Resonatorgehäuse hinzugefügt. 3 O-Ringe werden dann zu jeder männlichen Verbindung (die unten festgeklemmt werden), angebracht um eine feste Dichtung zur Verfügung zu stellen, wenn alle 3 Bestandteile zusammen angebracht werden. Das geöffnete Ende des Resonatorgehäuses wird dann dauerhaft mit PVC Kleber, zu einer Kappe hinzugefügt, die mit einem Druckfreigabeventil gepaßt wird (erhalten von Virginia Starke). Verlegen-bringen Sie Schutzträger des Lautsprechers, den Gehäuse likewise mit einem Druckfreigabeventil gepaßt wird an, aber einen veranschlagenen Druckanzeiger auch enthalten von 0 bis 100 P/in (erhalten von Virginia Starke). Teilen Sie ein ein, das aus 4 Beschäftigtenstunden bestanden wird.
Tabelle 1. Lautsprecher- und Einlaßventilende.
Tabelle 2. Stapelteil, mit entferntem Wärmeaustauscher.
Tabelle 3. Auslaßventilende.
Die zweite Phase des Aufbaus besteht aus dem Verdrahten des Lautsprechers und der Wärmeaustauscherstecker, sowie Druckprüfungen. Um die Lautsprecher zu verdrahten bohren wir 2 Bohrungen im Lautsprechergehäuse, hinter den Lautsprecher und löten 2 Leitungen bis die Lautsprecheranschlüsse, einen zu + Anschluß und einen zu? Anschluß. Um die Bohrung zu versiegeln tragen wir Abendessenkleber an beiden das Innere und die Außenseite der Bohrung auf. Zum Stapelgehäuse bohren wir 2 Bohrungen an jedem Ende, um die Ausführung kupferne Leitung von den Wärmeaustauschern zu den Thermoelementen zu erlauben. Wie mit der Lautsprecherleitung, werden die Bohrungen mit Superkleber versiegelt. Druckprüfungen decken einige kleine Leckstellen auf, die mit Superkleber, O-Ringen und Schlauchklemmen örtlich festgelegt sind. Phase zwei bestand aus den sechzehn-Beschäftigtenstunden.
Tabelle 4. Inneres Lautsprecherende.
Tabelle 5. Externe Leitung des Wärmeaustauschers.
Der Third und die Endrunde, Phase des Aufbaus besteht aus dem Errichten des Stapels. Wir schnitten zuerst ½ inch Durchmesser PVC Stange zu einer Länge von 30 Zentimeter, die Länge des Stapelgehäuses. Dieses wird dann dauerhaft mit Superkleber, zur Plastik hinzugefügt, die 0,05 Zentimeter stark ist, und Breite von 30 Zentimeter, die Länge des Stapelgehäuses hat. Wir treffen dann, Ähnlichkeit auf die Breite der Plastik, 1mm beschichtete Leitung zu. Dieses wird in çm Abständen für ungefähr Hälfte der Stapellänge gesperrt und gesperrt dann in den 2 Zentimeter Abständen für die letzte Hälfte der Stapellänge. Dieses wird dann fest oben gerollt und gelegt in das Stapelgehäuse. Die Wärmeaustauscher, die identisch sind, werden mit 0,018 inch kupfernem Ineinandergreifen, mit einem 50% geöffneten Bereich gebildet. Drei Schichten werden 2 Zentimeter Durchmesser in die Kreise, die "genäht" werden mit den Thermoelementsteckern geschnitten, sowie gelötet. Die Länge der Steckerkupferleitung ist so, daß Wärmeaustauscher verlegt werden können, dennoch, damit der Stapel entfernt werden kann, während die Wärmeaustauscher dauerhaft, über die kupferne Steckerleitung, zum Stapelgehäuse hinzugefügt bleiben. Die Wärmeaustauscher werden auch in die PVC Stange geschraubt, um maximale exchanger/stack Koppelung zu erlauben. Phase 3 bestand aus 16 Beschäftigtenstunden.
Tabelle 6. Nahes hohes des Stapels.
Alle verlegten Befestigungen sind mit PVC Klebeband beschichtet worden und müssen recoated nach jeder zukünftigen Wiederversammlung.
Resultate und Zusammenfassungen
Wir bildeten zwei Versuche, eine Temperatursteigung über dem Stapel zu messen, indem wir gleichzeitig über Thermoelemente die Temperatur jedes Wärmeaustauschers maßen. Dem Lautsprecher wurde eine Resonanzfrequenz mit der maximalen Spannung gefahren, die ohne Abweichung aus einer sinusförmigen Welle zu produzieren möglich ist, 28 Volt Spitzen-Spitzen. Abweichung könnte auf ein Oszillograph offenbar gesehen werden, und wir glauben ihm, um dem Überwältigen des Lautsprechers zuzuschreibend zu sein. Die erhaltenen Werte zeigten einen geringfügigen Temperaturunterschied zwischen der Kälte zu den heißen Austauschern (sehen Sie Diagramm unten). Jedoch fanden wir unerwartet, daß der Lautsprecher eine bedeutende Menge Hitze ausgibt, und seine könnte die Ursache des Temperaturunterschiedes sein, wie der heiße Austauscher näeher an dem Lautsprecher als die Kälte ist.
Zweitens versuchen wir, ein Senken der Temperatur des kalten Austauschers beim Setzen des heißen Austauschers zu messen in Verbindung mit einem Stück Eis (dienend als ein heißer Vorratsbehälter). Wie gesehen werden kann, ist der Temperaturtropfen nur sehr geringfügig.
Versuch \ Austauscher
Zeitbetrieb (mm:ss)
Heiß (C +/- 0,5)
Kalt (C +/- 0,5)
1
Vorher
23,5
23,9
13:35
22,5
21,7
2
Vorher
24,5
23,7
n/a
26,2
24,8
3
Vorher
n/a
26
30:00
n/a
25,1
Wir stellen fest, daß es keinen bedeutenden Hitzefluß entlang unserem Stapel gibt.
Wir merken einige Probleme mit unserem Design und Modell, die in vorsichtige Erwägung in den zukünftigen Versuchen gezogen werden müssen:
Der Lautsprecher erzeugt bedeutende Hitze beim durch das PVC isoliert werden. Diese Hitze hat keinen schnellen Ausweg und trägt sicher zu bei *** TRANSLATION ENDS HERE ***raising the temperature of the helium and heat exchangers.
The copper wires connecting the exchangers to the outside of the resonator do not effectively transfer heat to and from the exchangers. This was observed after the third test, when the exterior copper wire was noticeably cooler than ambient temperature (from being put in thermal contact with ice), but the hot exchanger was approximately at ambient temperature. The cold exchanger was also at ambient temperature.
During construction of the stack we chose a stack spacer such that it met the requirements of having a width of four thermal penetration depths at 1 atm. This gave us stack spacers of roughly 1 mm. However, in the literature (Tijani, 2002b) spacers of .38mm are used. This very large difference in stack layer spacing gave us much less stack surface area, thus allowing for less heat flux.
Bibliography
Starke, Virginia.
Stephens, Bates. Acoustics and Vibrational Physics Edward Arnold Ltd. (1966)
Swift, Gregory W. "Themoacoustic Engines and Refrigerators" Physics Today (July 1995): 22
Swift, Gregory W. "Thermoacoustic Engines" J. Acoust. Soc. Am. 84 (1988): 1146
Tijani, M.E.H., Zeegers J.C.H., de Waele A.T.A.M. "Design of thermoacoustic refrigerators" Cryogenics (2002a): 42, 49
Tijani, M.E.H., Zeegers J.C.H., de Waele A.T.A.M. "Construction and performance of a thermoacoustic refrigerator" Cryogenics (2002b): 42, 59
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für einen Intel schon... :-)
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