Зарождение термоакустики. Поющее пламя Хиггинса. Трубка Рийке

Зарождение термоакустики. Поющее пламя Хиггинса. Трубка Рийке

Термоакустический эффект был открыт стеклодувами несколько веков назад. Когда стеклодувы надували разогретый до высокой температуры стеклянный шар, расположенный на конце трубки, то со стороны открытого конца трубки самопроизвольно появлялся монотонный звук. Первую научную работу в данном направлении провел Хиггинс в 1777 году.

Рис. 1. Поющее пламя Хиггинса слева и трубка Рийке справа

Он создал немного другое, нежели у стеклодувов устройство, а именно «поющее пламя», поместив пламя водородной горелки примерно в середину металлической трубы, открытой с обоих концов. Позже в 1859 году Пауль Рийке продолжил эти эксперименты. Он заменил пламя на разогретую металлическую сетку. Он двигал сетку внутри вертикально расположенной трубы и обнаружил, что при помещении сетки на 1/4 части длины трубы с нижнего конца, наблюдается максимальная громкость звука.

Как это выглядит, можно увидеть в этом видео:

 

Список использованных источников

[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
[2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Теги:

• термоакустика
• двигатель Стирлинга
• тепловой электрогенератор

Хабы:

Создание и первый запуск термоакустического двигателя с бегущей волной

· Развитие стартапа,

· Разработка под Arduino,

· Научно-популярное,

· Физика

Вот в этой статье — «Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней», я писал о том, как двигатель Стирлинга совершенствовался и дошёл до состояния термоакустического двигателя. В этой статье я расскажу о том как построить и испытать свой собственный термоакустический двигатель.

Рис.1. Четырёхступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной

Термоакустический двигатель с бегущей волной — это двигатель с внешним подводом тепла. Двигатель преобразует тепловую энергию в акустическую, благодаря совершению термодинамического цикла, наиболее близкого к циклу Стирлинга. Далее, акустическую энергию можно преобразовать в электроэнергию с помощью двунаправленной турбины, подключённой к электрогенератору и таким образом получить тепловой генератор с минимумом движущихся частей и электрическим КПД равным 30 — 50 % от КПД цикла Карно.

Создание двигателя

Двигатель, который я буду описывать — это тестовый мини прототип. Не планируется, что он будет вырабатывать электроэнергию. Он нужен для отработки технологии преобразования тепловой энергии в акустическую, и слишком мал, для того чтобы встроить в него турбину и вырабатывать электроэнергию. Для выработки электроэнергии готовиться более крупный прототип.

Рис. 4. Корпус

Итак, изготовление я начал с корпуса. Он состоит из 4 — х ступеней и 4 — х резонаторов и топологически представляет собой полый бублик согнутый два раза пополам на 180 градусов. Ступени соединяются с резонаторами при помощи фланцев. Весь корпус сделан из меди. Это нужно для того чтобы иметь возможность быстро впаять что либо в корпус и так же быстро выпаять. Резонаторы изготовлены из медной трубки внешним диаметром 15 мм и внутренним 13 мм. Ступень из трубы внешним диаметром 35 мм и внутренним 33 мм. Длина ступени от фланца до фланца — 100 мм. Суммарная длина корпуса — 4 м.

Рис. 5. Горячий (слева) и холодный (справа) теплообменники

Затем сделал теплообменники. Это пластинчатые теплообменники. Основные элементы конструкции данных теплообменников — это вот такие медные пластины и шайбы

Рис. 6. Медная пластина и медная шайба

У горячего теплообменника электрический нагрев осуществляется при помощи установленной в центральное отверстие нихромовой нити. Максимальная тепловая мощность 100 Вт. Как бы не было парадоксально, использовать электричество для запуска электрогенератора, но это очень удобно для тестового прототипа. Использование нагрева электричеством, а не газом ли какой либо другой тепловой энергией избавляет от трудностей с подсчётом входящей тепловой энергии, так как в случае электронагрева достаточно просто умножить напряжение на силу тока и будет точно известна входящая тепловая мощность. Точно измерить входящую тепловую мощность — это важно для подсчёта КПД.

Холодный теплообменник охлаждается пропусканием сквозь центральный канал охлаждающей жидкости, в данном случае воды. Нагретая в теплообменнике вода поступает во внешний охладительный радиатор, в качестве которого используется радиатор от печки такого суперкара как «Жигули»

Рис. 7. Медный радиатор отопителя от ВАЗ-2101-8101050

После прохождения через охладительный радиатор вода возвращается в холодный теплообменник. Циркуляцию воды осуществляет циркуляционный насос постоянного тока Topsflo Solar DC Circulation Pump 5 PV.

Рис. 8. Циркуляционный водяной насос 12В

Рис. 9. Одна из сеток регенератора

Рис. 10. Детали, входящие в состав одной ступени

Рис. 11. Ступень в разрезе

На данных рисунках можно видеть, что кроме теплообменников и регенератора, внутри ступени присутствуют алюминиевые вставки. Они нужны просто для того чтобы можно было вывести провода для горячего теплообменника и штуцеры для холодного теплообменника через стенку трубы. Без этих вставок выводить пришлось бы через фланцы, что очень неприятно или даже невозможно. Так что в каждой из вставок имеется отверстие диаметром 13 мм, точно такое же как диаметр резонатора и таким образом вставка по акустическим свойствам ничем не отличается от резонатора — то есть является его продолжением.

Рис. 12. Алюминиевая вставка в корпусе

Так выглядит холодный теплообменник внутри корпуса:

Рис. 13. Впаянный теплообменник

Первый запуск

 

 

Рис. 22. Красивое свечение датчиков при работе двигателя в темноте

Первая попытка запуска двигателя состоялась с готовой одной из четырёх ступеней. Остальные ступени были пустыми (без теплообменников и регенератора). При нагреве горячего теплообменника вплоть до максимальной температуры 250 градусов по Цельсию, запуска не произошло.

Затем состоялась вторая попытка запуска на двух ступенях. Ступени были расположены на расстоянии в половину длины корпуса друг от друга. Снова, при нагреве горячих теплообменников до 250 градусов, двигатель не запустился. Температура холодных теплообменников во всех экспериментах была около 40 градусов по Цельсию, рабочее тело во всех экспериментах — воздух, имеющий атмосферное давление.

Первый успешный запуск состоялся при работе всех 4-х ступеней. Температура горячих теплообменников в момент запуска составила 125 градусов. При работе на максимальной тепловой мощности 372 Вт (то есть по 93 Вт на один горячий теплообменник), температура горячих теплообменников составила 175 градусов, холодных 44. Измеренная частота колебаний — 74 Гц. Мощность акустической волны в резонаторе — 27,6 Вт. КПД преобразования тепловой энергии в акустическую пока не был измерен, так как для этого нужны дополнительные датчики давления, которые должны располагаться до и после ступени, для измерения увеличения акустической мощности на ступени. К тому же, для экспериментов по определению КПД нужно поместить внутрь двигателя нагрузку, но это уже тема следующей истории…

На 3-х из 4-х ступеней двигатель тоже работает. Температура трёх горячих теплообменников при запуске при этом составляет около 175 градусов. Четвёртая — незадействованная ступень при этом работает в режиме теплового насоса или же холодильника (это зависит от точки зрения, от того что нам нужно, нагрев или охлаждение). То есть холодный теплообменник незадействованной ступени имеет температуру как и у всех остальных холодных теплообменников, а горячий теплообменник начинает охлаждаться, так как акустическая волна от него отводит тепловую энергию. В эксперименте максимальное полученное охлаждение таким путём составило 10 градусов.

Что меня удивило при запуске, так это то, что для работы девайса не критична абсолютная герметичность. То есть, при первых запусках, трубки, к которым должны подсоединяться буферная ёмкость и датчик давления, были ничем не заглушены. Диаметр каждого из двух отверстий был около 2,5 мм. То есть двигатель был абсолютно не герметичен, и это всё равно не помешало ему запуститься и успешно работать. Можно было даже поднести к трубкам палец и почувствовать колебания воздуха. При затыкании трубок значительно (на 20 — 30 градусов) начинала падать температура горячих теплообменников и на 5- 10 градусов возрастала температура холодных. Это прямое свидетельство того, что при герметизации увеличивается акустическая энергия внутри корпуса и таким образом увеличивается теплообмен между теплообменниками, вызванный термоакустическим эффектом.

Потом, многие волновались, что двигатель при работе будет очень громким. И действительно, можно так подумать, ведь измеренная громкость звука в резонаторе составила 171,5 Децибел. Но всё дело в том, что вся волна заключена внутри двигателя и на деле он оказался настолько бесшумным, что его работу внешне можно определить лишь по небольшой вибрации корпуса.

Теги:

• Термоакустика
• цикл Стирлинга
• термоакустический двигатель
• регенератор
• бегущая акустическая волна

Хабы:

• Развитие стартапа
• Разработка под Arduino
• Научно-популярное
• Физика

 

Основы термоакустики

· Научно-популярное,

· Энергия и элементы питания,

· Физика

Рис. 1. Термоакустический холодильник THEAC-25 с бегущей волной (слева) и термоакустический холодильник со стоячей волной Triton C-10c (справа)

Холодильник

В холодильнике реализуется обратный термоакустический эффект. То есть происходит всё наоборот, по сравнению с двигателем. На вход теплообменного аппарата холодильника поступает мощная акустическая волна Wвх, которая затухает в теплообменном аппарате до величины Wвых. Потеря мощности волны идёт на создание разности температур между теплообменниками.

 

Рис. 3. Создание разности температур при затухании волны

Один из теплообменников начинает нагреваться, а другой начинает охлаждаться. То есть акустическая волна отбирает тепло у одного теплообменника и передаёт его другому. С нагревающегося теплообменника при этом необходимо сбрасывать в окружающую среду тепловую мощность Pвых, а на холодный теплообменник поступает тепловая мощность Pвх, которая и является полезной тепловой мощностью холодильника. Холодильник охлаждает какой либо объект до температуры Tохл.

Тепловой насос

Тепловой насос это, по сути, то же самое, что и холодильник, только с той лишь разницей, что в холодильнике полезной считается тепловая мощность, отбираемая у окружающей среды, а в тепловом насосе мощность, отдаваемая в окружающую среду (на различные нужды).

 

Рис. 4. Тоже создание разности температур при затухании волны, только полезной мощностью считается мощность нагрева, а не охлаждения

Обратите внимание, что как в холодильнике, так и в тепловом насосе направление в котором уменьшается температура в теплообменном аппарате противоположно направлению, в котором уменьшается мощность акустической волны, что свидетельствует о том, что реализуется обратный термоакустический эффект. Акустическую волну, поступающую на вход можно создавать при помощи двигателя, либо при помощи мощного динамика или поршня, подключённого к линейному электродвигателю.

Бегущая волна

 

Гифка 1. График давления, скорости газа и изображение его смещения в бегущей волне

Бегущая волна бежит по резонатору на гифке 1 вправо. В бегущей волне колебания давления и скорости газа находятся в фазе. При этом происходит перенос энергии в направлении движения волны. Розовыми овалами на гифке 1 изображены диаграммы зависимости давления от координаты элементарных порций газа в различных точках внутри резонатора. Акустическая мощность, переносимая волной вправо численно равна площади розового овала, то есть площади PX диаграммы. Как видно, овалы в разных точках одинаковые, что говорит о том, что мощность волны при движении по резонатору не меняется. То есть, здесь не учитывается затухание волны при движении по резонатору.

Бегущая волна может распространяться в резонаторе, представляющем собой закольцованную трубу. При этом длина волны, соответствующая резонансной частоте такого резонатора будет равна длине самой трубы.

 

Гифка. 2. Устройство с бегущей волной

Стоячая волна

Стоячая волна – это сумма двух бегущих волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Такая волна может возникнуть при отражении, от какого либо предмета и возвращении к источнику звука.

 

Гифка 3. График давления, скорости газа и изображение его смещения в стоячей волне

На гифке 3 изображена стоячая волна в полуволновом резонаторе, то есть в резонаторе с длиной, равной половине длины волны. Можно мысленно представить, что резонатор внизу на гифке 3 представляет собой трубу, заглушенную с двух сторон заглушками. При этом кто то, допустим, трясёт трубу, и газ внутри болтается между двух концов трубы. Так как концы трубы заглушены, то скорость газа на поверхности заглушек может быть только нулевая (что и видно на графике velocity). То есть на концах трубы возникают узлы скорости. Одновременно с этим видно, что на заглушках будут наблюдаться наибольшие по амплитуде колебания давления (антиузлы или пучности давления), а узел давления (точка, где нет колебаний) будет в середине трубы.

В стоячей волне разность фаз между колебаниями давления и колебаниями скорости составляют 90 градусов. При этом PX диаграммы во всех точках резонатора представляют собой линии, то есть фигуры, не имеющие площади. Соответственно переноса энергии в стоячей волне не происходит, ни в правую, ни в левую сторону. Но у самой волны естественно энергия при этом есть.

Стоячую волну в полуволновом резонаторе можно создать, поместив динамик или поршень на одном из его концов, производя колебания на резонансной частоте резонатора. А поместив дополнительно в резонатор теплообменный аппарат, можно создать термоакустический холодильник.

 

Гифка 4. Стоячая волна в полуволновом резонаторе. Слева в резонаторе расположен так называемый стек – аналог регенератора в двигателе с бегущей волной

Из-за рассеяния акустической энергии в резонаторе и в теплообменном аппарате получившаяся волна не будет чисто стоячей. Будет нужна постоянная подпитка энергией от поршня. На гифке 4 видно, что, так как поршень колеблется, то и газ у поршня колеблется вместе с ним. Возникает перенос акустической энергии от поршня в резонатор, который компенсирует потери энергии в резонаторе. Таким образом, хоть получившаяся волна очень близка к стоячей, но при более тонком рассмотрении представляет собой сумму стоячей и бегущей волны.

В реальных термоакустических устройствах тоже никогда не бывает чисто бегущей либо чисто стоячей волны. Волна всегда представляет собой нечто промежуточное, но при этом, если волна в устройстве очень похожа на стоячую, то устройство называют устройством со стоячей волной, а если волна похожа на бегущую, то называют устройством с бегущей волной.

Основные размеры

3.1) Длина корпуса
Длина корпуса — резонатора термоакустического устройства определяется длиной волны. Даже лучше сказать наоборот, что длина корпуса-резонатора определяет длину волны в резонаторе.

В устройствах со стоячей волной длина корпуса обычно равна половине длины волны. Например, для типичной для данного вида устройств частоты колебаний 300 Гц, длина корпуса при работе на воздухе составит около 0,56 метра, а при работе на гелии 1,65 метра.

 

Рис. 5.Основные размеры устройства со стоячей волной

В устройствах с бегущей волной длина волны примерно равна длине корпуса. Типичная частота колебаний в таких устройствах – 100 Гц, при этом длина корпуса при работе на воздухе составит 3,4 метра, а при работе на гелии – 10 метров.

 

Рис. 6. Основные размеры устройства с бегущей волной

3.2) Диаметр корпуса
Диаметр корпуса определяется исходя из необходимой мощности устройства. Мощность растёт с увеличением диаметра устройства пропорционально площади поперечного сечения корпуса, так как пропорционально площади поперечного сечения растёт мощность теплообменного аппарата.

Резонатор представляет собой обычную трубу, желательно с гладкими стенками.

 

Гифка 5. Взаимодействие колеблющегося газа со стенкой резонатора

Если рассмотреть распространение акустической волны в резонаторе достаточно крупного диаметра (примерно от сантиметра и более), то выясняется, что газ в волне взаимодействует со стенкой резонатора далеко не во всём своём объёме, а только в небольшом приграничном слое, расположенном у стенки резонатора. На гифке 5 показано, что при колебаниях газа у стенки резонатора образуется необычная деформация скорости газа из-за трения о стенку. На поверхности стенки скорость газа нулевая, что обычно принято как граничное условие в большинстве гидродинамических задач.

Глубина вязкостного проникновения
Вертикальная ось на графике размечена в так называемых величинах вязкостного проникновения δν.

Глубина вязкостного проникновения является оценкой величины слоя, активно взаимодействующего со стенкой корпуса. Например, для акустической волны, распространяющейся в воздухе с нормальными условиями, с частотой 70 Гц, глубина вязкостного проникновения составляет 0,27 мм. На гифке 5 видно, что взаимодействие стенки и газа наблюдается при величинах и больших, чем глубина вязкостного проникновения, но, тем не менее, область достаточно активного взаимодействия волны со стенкой имеет величину только порядка 1 мм. В центре резонатора наблюдаются обычные акустические колебания, точно такие же, как если бы резонатора вообще бы не было. Соответственно рассеяние акустической энергии по причине трения о стенки происходит только в узком пограничном слое у стенки.

Глубина термического проникновения
В акустической волне происходят сжатия и расширения газа, при этом происходят колебания температуры газа из-за попеременного адиабатического нагрева и охлаждения. Так происходит в волне, распространяющейся в свободном пространстве. При движении волны в резонаторе, происходит взаимодействие волны со стенкой резонатора, и температура стенки начинает влиять на колебания температуры газа в акустической волне.

Точно так же как и для вязкостного взаимодействия со стенкой, для термического взаимодействия тоже есть величина, которая характеризует величину слоя газа, активно термически взаимодействующего со стенкой. Эта величина называется – глубина термического проникновения δκ. Колебания температуры газа у стенки деформируются точно так же как и скорость газа в предыдущем примере. Так что если просто сказать, что теперь на гифке 5 происходят колебания не скорости газа, а температуры и что теперь вертикальная ось размечена не в глубинах вязкостного проникновения, а в глубинах термического, то гифка 5 будет верна и для колебаний температуры. Численно глубина термического проникновения всегда больше, чем глубина вязкостного. Например для того же воздуха при нормальных условиях и при частоте колебаний 70 Гц глубина термического проникновения составит примерно 0,32 мм, что всего лишь в 1,185 раза больше чем глубина вязкостного в предыдущем примере.

Какие можно из всего этого сделать выводы?

Ну во первых, при достаточно крупном диаметре резонатора, волна почти никак ни вязкостно, ни термически не взаимодействует с резонатором. Резонатор только задаёт направление волны и тип волны. Отсюда следует, что для того чтобы передавать и отнимать у газа тепловую энергию, величина каналов (пор, отверстий, щелей) в теплообменном аппарате должна быть где то в районе величины термического проникновения, но ни в коем случае не намного больше этой величины.

Затем, так как глубины вязкостного и термического проникновения почти равны для любых газов и для любых частот, то термоакустические устройства обречены на то чтобы иметь потери связанные с трением газа о поверхность теплообменного аппарата.

3.3) Размеры каналов в теплообменном аппарате
У устройств с бегущей волной, для достижения максимальной эффективности, гидравлический радиус пор в теплообменном аппарате должен быть меньше, чем глубина термического проникновения Rh<δk, для того чтобы обеспечить хороший тепловой контакт между газом и поверхностью теплообменного аппарата. Это условие следует из уравнений термоакустики. Для регенератора это условие особенно важно. Обычно оптимальная величина гидравлического радиуса пор регенератора, где то от 3,5 до 6 раз меньше, чем глубина термического проникновения. Величина пор в теплообменниках влияет на устройство гораздо меньше, чем величина пор в регенераторе, по этому, обычно предпочитают увеличить размеры пор (каналов) в теплообменниках, относительно пор в регенераторе, для простоты изготовления.

Уравнения термоакустики с другой стороны говорят нам о том, что в устройствах со стоячей волной величина гидравлического радиуса пор стека (аналога регенератора в устройствах с бегущей волной), должна быть примерно равна глубине термического проникновения в газе. То есть, в устройстве со стоячей волной, величина пор в стеке должна быть, где то в 3,5-6 раз больше, чем в устройстве с бегущей волной при прочих равных. Величина пор в теплообменниках устройств со стоячей волной не так сильно влияет на эффективность устройства, как величина пор в стеке, так же как и в устройствах с бегущей волной.

3.4) Длина теплообменников и регенератора
В акустической волне каждая элементарная порция газа совершает гармонические колебания относительно своего положения равновесия с амплитудой X1 (см. рис. 5 и рис. 6). Значение оптимальной длины регенератора или стека обычно больше, чем величина смещения газа 2|X1|(больше, чем удвоенная амплитуда отклонения элементарной порции газа из положения равновесия). Если типичное значение для величины смещения — 1 см, то регенератор или стек может иметь длину от 1 см до 5 см, в зависимости от рабочей температуры. Величина длины теплообменников имеет тот же порядок, что и для регенератора.

Двигатель

 

Гифка 6. Термодинамический цикл в двигателе со стоячей волной

На гифке 6. показаны колебания элементарного объёма газа между пластинами стека. Газ, совершая сжатия и расширения, изменяет свою температуру (график в левом нижнем углу). График зависимости температуры от координаты представляет собой фигуру похожую на овал (зелёная линия). Белой линией на графике отмечена температура поверхности стека. Можно видеть, что присутствует температурный градиент вдоль длины стека. То есть температура линейно снижается при движении от левого до правого конца стека.

Если белая линия температуры стека имеет наклон на графике больше, чем наклон овала — графика температуры газа, то устройство работает как двигатель.

В середине справа показана PV диаграмма – зависимость давления от объёма в элементарной порции газа. Площадь овала на диаграмме численно равна работе совершаемой над газом в случае двигателя и работе совершаемой газом в случае холодильника (теплового насоса).

Так как при работе со стоячей волной оптимальная величина размеров каналов стека примерно равна глубине термического проникновения, то термический контакт газа и твёрдой поверхности не идеален и температуры газа и стека, в какой либо конкретной точке стека могут отличаться друг от друга. Если бы тепловой контакт между газом и стеком был бы идеален, то тогда графики температуры газа и стека совпадали, так как газ бы мгновенно принимал температуру поверхности стека, в какой бы точке он ни оказался.

Холодильник

 

Гифка 8. Термодинамический цикл в холодильнике со стоячей волной

Если у температуры стека наклон меньше, чем у овала температуры газа, то устройство работает как холодильник.

Обратите внимание, что вращения зелёной точки на диаграммах двигателя и холодильника идут в противоположных направлениях, что говорит о том, что в одном случае производиться работа над газом, а в другом газ производит работу.

Что нужно сделать, чтобы превратить холодильник в двигатель? Нужно либо увеличить температурный градиент в стеке, при сохранении амплитуды акустической волны, либо уменьшить амплитуду волны при сохранении температурного градиента.

4.2) Двигатель и холодильник с бегущей волной
Термодинамический цикл, реализующийся в регенераторе устройства с бегущей волной наиболее близок к циклу Стирлинга, который реализуется в одноимённом двигателе.

В устройствах с бегущей волной реализуется случай идеального термического контакта между газом и поверхностью регенератора, благодаря маленькому оптимальному размеру пор.

 

Гифка 9. Термодинамический цикл в двигателе с бегущей волной

Здесь температура газа (зелёная линия на графике температуры) совпадает с температурой регенератора во всех его точках (белая линия на графике температуры). PV диаграмма в правом нижнем углу говорит о том, что производиться работа над газом.

При этом нужно понимать, что хоть графики температур газа и регенератора совпадают, но это не устройство с критическим градиентом температуры в понимании описанном ранее. В устройствах со стоячей волной нужно было подобрать необходимый температурный градиент для данной волны, чтобы он совпал с колебаниями температуры в акустической волне. В устройствах же с бегущей волной из-за того что поры в регенераторе очень маленькие, всегда обеспечивается хороший термический контакт между регенератором и газом. Поэтому критический градиент температуры в устройствах с бегущей волной существует всегда и этот термин здесь теряет какой либо смысл. Как же тогда производиться работа над газом? Ведь при критическом градиенте температур, в случае устройства со стоячей волной, никакой работы не было. Всё дело в том, что при критическом градиенте температур не производиться работы над газом именно в стоячей волне, а в бегущей волне другая разность фаз между колебаниями давления и скорости газа и работа в данном случае наоборот, максимальна.

Для холодильника с бегущей волной графики будут выглядеть точно так же как и на гифке 9, за исключением того, что зелёная точка на PV диаграмме будет вращаться в другую сторону, что будет свидетельствовать о том, что газ совершает работу, а не над газом совершается работа.

В заключение, всем кто хочет по подробнее узнать о термоакустике, хочу порекомендовать книгу Г. Свифта, который внёс огромный вклад в термоакустику, работая в Лос-Аламосской национальной лаборатории:

Swift G.W. Thermoacoustic engines and refrigerators: a short course. Los Alamos: Los Alamos National Laboratory, 1999. 179 p. URL: ссылка для скачивания

Так же, прикрепляю анимации термоакустических процессов, созданные командой Г. Свифта:
ссылка для скачивания. Для просмотра анимаций нужно распаковать архив, поместить его в папку program files на жёстком диске (иначе почему то они не работают). Все анимации для windows находятся в папке EXEs.

В этой статье я пересказал только небольшую часть того что есть в этой книге, при этом не используя математику. В оригинале всё гораздо интереснее.

Теги:

• Термоакустический двигатель
• термоакустический холодильник
• термоакустический тепловой насос
• акустика

Хабы:

• Научно-популярное
• Энергия и элементы питания
• Физика

Экспериментальная часть

Для первых экспериментов по выработке электроэнергии на моём двигателе я выбрал самый простейший способ и при этом самый не эффективный – использование обыкновенного низкочастотного динамика.

 

Рис. 12. – Линейный преобразователь из динамика

Вот в этом видео я рассказываю о том, как я создавал и пытался настроить получившийся самодельный линейный альтернатор:

 

Я прикрепил динамик к резонатору двигателя через вот такой вот переходник, который распечатал на 3D принтере.

 

Рис. 13. – Подсоединение динамика

Прикрепил к резонатору со стороны холодного теплообменника, чтобы высокой температурой не расплавить пластиковый переходник и не повредить сам динамик. Ранее я измерил акустическую мощность двигателя. Мощность составила около 10 Вт. Естественно только часть этой мощности можно преобразовать в электроэнергию. Вспоминая рисунок 6 — распределение акустической мощности, в качестве линейного альтернатора я выбрал динамик YDN-78-1 максимальной мощностью в 2 раза меньше, чем акустическая мощность двигателя, а именно — 5 Вт.

Самое сложное при использовании линейного альтернатора – это настроить систему, состоящую из динамика и переходника на резонансную частоту самого двигателя. Сложность в том, что частота колебаний двигателя различается при различных температурах нагрева горячих теплообменников, то есть при различных уровнях подводимой тепловой мощности. А всё потому, что чем больше тепловой мощности подведёшь, тем больше становиться средняя температура газа внутри и с увеличением температуры газа увеличивается скорость звука в газе, а соответственно и частота колебаний. При этом измерения проведённые фирмой Aster Thermoacoustics показывают, что выходная мощность линейного преобразователя сильно зависит от совпадения его резонансной частоты с резонансной частотой двигателя.

Рис. 14. Зависимость относительной выходной мощности от резонансной частоты двигателя

Эксперименты с моим двигателем показали, что увеличивая температуру горячих теплообменников с 120 градусов по Цельсию до 220 градусов, частота колебаний увеличивается с 61 Гц до 64 Гц, то есть изменяется на 3 Гц. На рис. 14 – на графике Aster Thermoacoustics по горизонтальной оси отмечена частота двигателя, а по вертикальной – выходная электрическая мощность линейного преобразователя, поделённая на максимальную мощность преобразователя во всём диапазоне частот (по этому максимальное значение на графике равно единице). На рис. 14 видно, что при отклонении резонансной частоты двигателя от резонансной частоты преобразователя на 5 Гц выходная мощность падает в 2 раза. Это означает то, что термоакустический генератор с линейным альтернатором может работать эффективно только при определенном уровне подводимой тепловой энергии. При отклонении от этой оптимальной точки выходные характеристики будут резко падать.

Итак, резонансная частота моего двигателя 61 – 63 Гц. Динамиков с такой низкой резонансной частотой я не нашёл (возможно что их вообще не существует для такой маленькой мощности). Резонансная частота моего динамика изначально была 147 Гц. Как же я её измерил?

Рис. 15. – Схема для определения резонансной частоты динамика

Я использовал схему из журнала «Радио» выпуск №4 1967г, 45 страница. Это схема автоколебательного электрического контура, в котором нет ни индуктивностей, ни ёмкостей поэтому, по задумке, частота колебаний такого контура определяется частотой колебаний механической колебательной системы – диафрагмы динамика.

Затем я уменьшил частоту динамика до 61 Гц, налепив на диафрагму пластилин. Это увеличило массу диафрагмы и таким образом снизило частоту.

После этого я вставил настроенный динамик в оранжевый переходник. каково же было моё удивление, когда вместо частоты колебаний 63 Гц я обнаружил частоту колебаний 187 Гц, то есть в три раза больше, чем ожидалось. Возбудилась 3-я гармоника. В корпус двигателя начало укладываться 3 длины волны, а не одна. На самом деле в двигателе всегда присутствуют не основные гармоники, просто обычно термоакустические устройства работают на первой гармонике, то есть на основной частоте, а вклад остальных гармоник пренебрежимо мал. Меня очень удивил эффект возбуждения 3-й гармоники в этом эксперименте с динамиком и я начал думать, как же так получилось. Я пришёл к выводу, что этот эффект возникает по причине того, что динамик встроен в резонатор двигателя через переходник и нужно рассматривать резонансную частоту не динамика отдельно, а динамика совместно с переходником. Переходник сильно увеличивает резонансную частоту всей связки. По этому, чтобы добиться работы на основной частоте в 63 Гц нужно ещё сильнее понизить резонансную частоту динамика.

Рис. 16. – Динамик, инкрустированный гайками на диафрагме. (объект современного искусства)

И действительно это сработало, как и ожидалось. Удалось изменить режим работы двигателя на работу с основной частотой. Были даже очень интересные переходные процессы, когда при определённой массе, налепленной на диафрагму, двигатель то работал на основной частоте, то потом по мере остывания горячих теплообменников начинал работать на утроенной частоте. Интересно то, что на удвоенной частоте двигатель работать не может. Либо на основной, либо на утроенной. Видимо параметры волны при удвоенной частоте, не пригодны для поддержания работы этого устройства.

При использовании динамика и двигателя с воздухом под атмосферным давлением в качестве рабочего тела КПД преобразования энергии оказался пренебрежимо мал.

Для того, чтобы добиться уровней КПД в 20 — 40 % от цикла Карно необходимо увеличивать давление в двигателе, заменить рабочий газ на гелий либо аргон и использовать другие способы выработки электроэнергии, нежели обычный динамик.

Теги:

• Термоакустика
• термоакустический двигатель
• термоакустический генератор
• двигатель стирлинга без поршней

Хабы:

• Развитие стартапа
• Научно-популярное
• Энергия и элементы питания
• Физика

 

Решение проблем

Первые две выше обозначенные проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и всеядностью решают установки, построенные на основе двигателей Стирлинга.

Рис. 16. микро-ТЭЦ Viessmann Vitotwin 300-W