Каков принцип работы двигателя ?

 

Гифка. 1. Двигатель Стирлинга альфа типа

Для начала рассмотрим двигатель Стирлинга альфа типа. Если отбросить все второстепенные детали, то он состоит из: цилиндра, в котором происходят сжатия, расширения и перемещения газа; поршней, которые собственно и осуществляют манипуляции с газом; теплообменников, которые подводят и отводят тепловую энергию; и регенератора, который запасает тепло при прохождении газа из горячего в холодный теплообменник, а затем отдаёт тепло при движении газа обратно.
При разности фаз 90 градусов между движением поршней реализуется термодинамический цикл, который в итоге производит работу над поршнями. Так обычно описывают работу двигателя Стирлинга.

Но можно посмотреть на этот процесс иначе. Несколько суток всматриваясь в гифку 1., можно понять, что сжатия, расширения и перемещения газа — это по сути всё тоже самое, что происходит в акустической волне. А если это тоже самое, значит это и есть акустическая волна.

Гифка. 2 Одноступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной

Таким образом вполне возможно избавиться от поршней и заменить их на акустический резонатор, в котором будет образовываться акустическая волна и производить всю работу поршней.

Данная конструкция — это акустическая автоколебательная система, которую можно сравнить с электрической автоколебательной системой. Здесь есть резонатор (как резонансный контур в электрической схеме) в виде закольцованной трубы и элемент, усиливающий акустические колебания — регенератор (как источник питания, подключаемый в нужный момент времени в электрической схеме). При увеличении разности температур между теплообменниками, увеличивается коэффициент усиления мощности акустической волны, проходящей через регенератор. Когда усиление в регенераторе становиться больше чем затухание при прохождении волны через остальные элементы, происходит самозапуск двигателя.

В самый начальный момент времени, при старте двигателя, происходит усиление шумовых колебаний неизбежно присутствующих в газе. Причём, из всего спектра шума усиливаются в основном только колебания с длиной волны равной длине корпуса двигателя (Длина волны с основной резонансной частотой). И далее, при работе двигателя, подавляющая часть акустической энергии приходится на волну с основной резонансной частотой. Данная акустическая волна представляет собой сумму бегущей и стоячей волн. Стоячая компонента волны возникает по причине отражения части волны от теплообменников и регенератора и наложения этой отражённой волны на основную. Наличие стоячей составляющей волны снижает эффективность, что необходимо учитывать при конструировании двигателя.

Рассмотрим свободную бегущую волну. Такая волна возникает в резонаторе двигателя.

Гифка. 3 Графики температуры и давления в бегущей акустической волне в резонаторе

В резонаторе волна очень слабо взаимодействует со стенками резонатора (гифка. 3), так как диаметр резонатора слишком большой, чтобы оказывать сильное влияние на такие параметры газа как температура и давление. Но влияние всё же есть. Во первых, резонатор задаёт направление движения волны, во вторых волна теряет энергию в резонаторе по причине взаимодействия со стенкой в приграничном слое газа. На анимации можно видеть, что произвольно взятая элементарная порция газа в свободной волне нагревается при сжатии и остывает при расширении, то есть сжимается и расширяется почти адиабатически. Почти адиабатически — это потому, что у газа присутствует теплопроводность, хоть и небольшая. При этом в свободной волне зависимость давления от объёма (PV диаграмма) представляет собой линию. То есть как газ не совершает работу, так и над газом не совершается работа.

Совершенно иная картина наблюдается в регенераторе двигателя

Гифка. 4 Графики температуры и давления в регенераторе

В присутствие регенератора газ расширяется и сжимается уже не адиабатически. При сжатии газ отдаёт тепловую энергию регенератору, а при расширении отбирает энергию и зависимость давления от объёма уже представляет собой овал. Площадь этого овала численно равна работе совершаемой над газом. Таким образом в каждом цикле совершается работа, что приводит к усилению акустических колебаний. На гифке 4 на графике температуры белая линия — температура поверхности регенератора, а синяя — температура элементарной порции газа.

Основные постулаты при взаимодействии волны с регенератором таковы: первый постулат — в регенераторе присутствует градиент температуры с максимумом у горячего теплообменника и минимумом у холодного и второй постулат — это то что газ сильно термически взаимодействует с поверхностью регенератора, то есть моментально принимает локальную температуру регенератора (синяя линия лежит на белой).

Из чего состоит регенератор? Обычно он представляет собой стопку из стальных сеток. Здесь, в анимации он показан, как набор из параллельно расположенных пластин. Такие регенераторы тоже существуют, но более сложные в изготовлении, чем из сеток.