Çin Bilimler Akademisi bünyesinde çalışan araştırmacılar, 200 derecenin üzerinde çıkış sıcaklığına ulaşabilen Stirling tabanlı termoakustik bir ısı pompası prototipi geliştirdi. Tanıtılan bu sistem, özellikle yüksek sıcaklık gerektiren sanayi uygulamaları için önemli bir alternatif olarak görülürken, petrokimya ve metalurji gibi alanlarda sıfır karbonlu ısıtma çözümlerinin önünü açabilecek bir teknoloji olarak değerlendiriliyor.
Stirling tabanlı termoakustik ısı pompası geliştiriliyor
Geleneksel ısı pompalarından farklı bir çalışma prensibine sahip olan termoakustik sistemler, mekanik kompresörler yerine ses dalgalarından yararlanıyor. Özel olarak tasarlanmış bir boru içinde oluşturulan güçlü akustik dalgalar, gaz moleküllerini titreştirerek basınç farkları yaratıyor ve bu sayede ısının bir noktadan diğerine taşınması sağlanıyor. Hareketli parça içermemesi sayesinde daha sessiz ve uzun ömürlü olan bu sistemler, bugüne kadar yüksek maliyet ve sınırlı performans nedeniyle yaygın ticari kullanıma ulaşamamıştı.
CAS bünyesindeki ekip, bu sorunları aşmak amacıyla termoakustik Stirling ısı pompası mimarisine dayanan yeni bir prototip geliştirdi. Kapalı bir gaz çevrimi içinde çalışan sistem, ses dalgalarıyla ısı transferi gerçekleştiriyor ve çalışma mantığı bakımından Stirling motorlarını andırıyor. Stirling motorları, kapalı bir çevrimde bulunan gazın ısı etkisiyle sıkışıp genleşmesi üzerinden enerji dönüşümü sağlayan rejeneratif sistemler olarak biliniyor.
Yeni prototipin en dikkat çekici yeniliği ise faz anahtarlama mekanizması oldu. Bu sistem sayesinde ses dalgalarının yönü kontrol edilebiliyor ve akustik enerjinin ters yönde iletilmesi mümkün hale geliyor. Böylece yüksek ve düşük sıcaklık ısı eşanjörlerinin rolleri değiştirilebiliyor, kompresör daha düşük sıcaklıklarda çalıştırılabiliyor ve ultra yüksek sıcaklıklara dayanıklı kompresör ihtiyacı ortadan kalkıyor.
Araştırmacılar, bu tasarımla birlikte 200 derecenin üzerinde pompalama sıcaklığına ulaşabilen dünyanın ilk çift etkili ve serbest pistonlu termoakustik Stirling ısı pompası prototipini geliştirdiklerini ifade ediyor. Deneysel sistemin, yaklaşık 14 derecelik düşük seviyedeki ısıyı 270 derecenin üzerindeki bir sıcaklığa başarıyla taşıyabildiği belirtiliyor.
Deney sonuçları, sistemin 25 dereceden 166 dereceye kadar etkili bir sıcaklık artışı sağlayabildiğini ortaya koyuyor. Yaklaşık 74 derecelik sıcaklık farkında en yüksek performans katsayısı 1,68 olarak ölçülürken, ortam sıcaklığının 67 dereceye ulaştığı koşullarda sistemin 214 derecelik bir çıkış sıcaklığı sunduğu ve bu noktada göreli Carnot verimliliğinin yüzde 45,2 seviyesine ulaştığı aktarılıyor.
Araştırma ekibi, önümüzdeki aşamada bu teknolojiyi petrokimya, metalurji ve seramik üretimi gibi yüksek sıcaklık gereksinimi olan endüstriyel süreçlere uyarlamayı hedefliyor. Çalışmanın başyazarı Luo Ercang, basınçlı su reaktörlerinde yaklaşık 300 derece, parabolik oluklu güneş kolektörlerinde ise 400 ila 500 derece seviyesindeki ısı kaynaklarının, süper yüksek sıcaklıklı termoakustik ısı pompası teknolojisiyle 500 ila 800 derece aralığına yükseltilebileceğini vurguluyor.