Termoakustik soğutucu analizi
Analysis of thermoacoustic cooler
Yazar: İBRAHİM GİRGİN
Danışman: PROF. DR. A. FERİDUN ÖZGÜÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Ses dalgaları içerisindeki basınç salınımları ile birlikte gerçekleşen sıcaklık salınımları sonucu akışkan ve akışkana temas eden katı yüzey arasındaki ısıl etkileşimler termoakustik olarak adlandırılır. Bu çalışmada basit bir termoakustik soğutucu dizayn ve inşa edilmiştir. Daha sonra sistemin rezonans frekansları tespit edilmiş, rezonans frekanslarında rezonatör içerisindeki basınç dağılımları incelenmiştir. Akustik kaynak olarak bir hoparlör kullanıldığından ideal rezonatörden farklı olarak kapalı uçta hız nodunun olmadığı görülmüştür. Daha sonra rezonans frekansında basınç antinod pozisyonunun akustik kaynak genliğine bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Ardından üç farklı uzunlukta yığın kullanılarak farklı yığın pozisyonlarında yığın üzerindeki sıcaklık dağılımları ve yığın uçları arasındaki sıcaklık farkları ölçülmüş ve eksenel yöndeki ısı iletim etkilerini göz önüne alarak ve almadan teoriyle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucu olarak pratikte kullanılabilecek derecede soğutma yapabilen bir termoakustik soğutucuda yığın ve aracı gaz üzerindeki eksenel yöndeki ısı iletimi ihmal edilebilirken soğutma gücünün düşük olduğu sistemlerde eksenel yöndeki ısı iletim etkilerinin önemli olabileceği sonucuna varılmıştır. Daha sonra yapılan çalışmalarda rezonans tüpü içerisinde yığının varlığının ve pozisyonunun sistemin basınç dağılımını ve rezonans frekansını ne şekilde değiştirdiği incelenmiştir. Yığının sistem içinde varlığının ve pozisyonunun sistem çalışma frekansını etkilediği ve basınç antinod pozisyonunu etkilediği sonucuna varılmıştır. Son olarak sistemin çalışma frekansındaki kaymaların sistem performansını ne ölçüde etkilediği araştırılmış, birkaç Hertzlik frekans kaymalarının sistem performansında önemli değişimler meydana getirmediği, fakat daha büyük frekans kaymalarının sistem performansını önemli ölçüde etkilediği görülmüştür.

Abstract:
Acoustic waves consist of pressure, displacement and temperature oscillations as a response to the pressure variations. The interaction of these e ? ects in gas close to a solid surface generates thermoacoustic oscillations. In this study a thermoacoustic cooler was designed and constructed. The resonance frequencies of the system were found out and pressure distributions in the resonator at various resonance frequencies were examined. Since a speaker was used as the acoustic source, it was seen that velocity node does not exist at the closed end of the resonator which is different from the ideal resonator. Changes of pressure antinode position with respect to acoustical source amplitude at resonance frequencies were studied. Three stacks at different lengths were constructed and temperature distributions on the stack at different stack positions were examined and compared to the theoretical results with and without assumption of axial conduction effects. It was concluded that the axial conduction effects are important in a system at low power, but not important at a practical system. Later it was examined how the existence and the position of the stack affects the pressure distribution and the resonance frequency of the system. It was concluded that the existence and the position of the stack in the resonator affects the resonance frequency and pressure antinode position. At the end it was examined how slight frequency changes affects the system performance. It was measured that a few Hertz frequency changes does not affect the system performance much, but there is a sharp decrease at the system performance if the frequency changes are larger than a few Hertz.