Duran dalga termoakustik soğutucularda yığın malzemesi termofiziksel özelliklerinin termoakustik dönüşüme etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical analysis of the effects of the thermophysical properties of stack material on thermoacoustic conversion in standing wave thermoacoustic refrigerators
Yazar: BİRCE NİL UZAY
Danışman: PROF. DR. HAŞMET TÜRKOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Akustik dalga enerjisini kullanarak ısı pompalayan cihazlara termoakustik soğutucular adı verilir. Termoakustik soğutucular, hareketli parçalar ve doğaya zararlı akışkanlar içermezler ve uzun süre bakım gerektirmezler. Buna karşın, geleneksel soğutma çevrimlerinin yerini alacak performansa henüz sahip değildirler. Termoakustik soğutucularda akustik ve termal enerjiler arasındaki dönüşüm yığın adı verilen elemanda gerçekleşir. Dolayısıyla yığınların tasarımı termoakustik soğutma performansı bakımından kritiktir. Literatürde yığın malzemesi üzerine çalışmalar sınırlı sayıdadır. Bu tez çalışmasında yığın malzemesi termofiziksel özelliklerinin (yoğunluk, özgül ısı, ısıl iletkenlik, efüzivite ve difüzivite) akış alanına ve termoakustik dönüşüm performansına etkileri incelenmiştir. Bu araştırma için paralel plakalı yığına sahip, duran dalga termoakustik soğutucu göz önüne alınmıştır. Tek bir yığın plakası ve etrafındaki akışın matematik modeli oluşturulmuş ve sayısal olarak çözülmüştür. Yığın malzemesi olarak, PVC, naylon, polietilen, polyamid ve polipropilen olmak üzere beş farklı malzeme incelenmiştir. Sayısal çözümlerden elde edilen sonuçlar literatürden iki farklı çalışma ve tez kapsamında önerilen yeni bir yöntem ile doğrulanmıştır. Önerilen yeni yöntemde, doğrusal akustik teorisinden elde edilen basınç dağılımı doğrulama referansı olarak kullanılmıştır. Yeni doğrulama yöntemi, çözüm alanı uzunluğunun, termoakustik soğutucuların sayısal çözümlerinin doğruluğuna etki eden bir parametre olduğunu göstermiştir. Termofiziksel özelliklerinin termoakustik dönüşüm performansına etkilerini ortaya koymak için soğutma performansının termofiziksel özelliklere bağlı olarak değişimi analiz edilmiştir. Isıl iletkenlik, soğutma performansı üzerinde birinci sırada etkiye sahipken, ısıl iletkenlik ve özgül ısının bir arada değişimi ikinci sırada yer almıştır. Yığın malzemesinin efüzivitesi ve difüzivitesi arasındaki ilişkinin performans bakımından önemli olduğu gözlenmiştir. Yüksek soğutma performansı için efüzivite/difüzivite oranının optimum değeri olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
The devices that pump heat using acoustic waves are called thermoacoustic refrigerators. Thermoacoustic refrigerators do not have any moving parts and they work without ecologically harmful gases. However, their cooling performance is still low relative to the conventional systems. The conversion between acoustic and thermal energies occur in a component called stack. Therefore, the design of the stack is crucial for thermoacoustic devices. In this dissertation, the effects of thermophysical properties (density, specific heat, thermal conductivity, effusivity and diffusivity) of the stack material on the flow field and the thermoacoustic conversion were studied. For this study, a standing wave thermoacoustic cooler with a parallel plate stack was considered. A mathematical model for a single stack plate was developed and solved numerically. Five different materials that consist of PVC, polyamide, nylon, polyethylene and polypropylene were studied. The results obtained from numerical solutions were verified with two similar studies from the literature and with a newly proposed verification technique in the dissertation. In this new technique, the pressure field for standing wave obtained from linear acoustics theory was used as the reference. The new verification study showed that, the length of the solution domain affects the numerical results. Hence, the optimum value of the computational domain length should be determined before the simulations. To put forward the effects of thermophysical properties of the stack on the cooling performance, the variation in the COP with the thermophysical properties was analyzed. The analyses showed that thermal conductivity of the stack has the strongest effect on the COP, whilst, the change in both conductivity and specific heat together has the second most importance on the COP. Also, it was found that the relation between the effusivity and the diffusivity is also crucial for the cooling performance, and there is an optimum value for the effusivity/diffusivity ratio to obtain the maximum cooling performance.