Термоакустический двигатель, холодильник и тепловой насос

1.1) Двигатель
В термоакустическом двигателе происходит преобразование тепловой энергии в акустическую. Такой процесс называется прямым термоакустическим эффектом.

 

Рис. 2. Усиление мощности акустической волны в теплообменном аппарате двигателя

На вход теплообменного аппарата поступает волна маленькой мощности Wвх и усиливается, проходя через теплообменный аппарат двигателя до величины Wвых. Для того чтобы усилить волну, необходимо затратить тепловую энергию. Тепловая энергия Pвх подводится при температуре нагрева Tнагр. Не вся тепловая энергия может быть преобразована в акустическую энергию, так как максимальная эффективность преобразования любой тепловой машины ограничена КПД цикла Карно. Поэтому приходиться сбрасывать часть тепловой мощности Pвых в окружающую среду. Температура, при которой осуществляется отвод тепла равна — Tо. Обратите внимание, что в двигателе направление роста температуры в теплообменном аппарате и направление в котором растёт акустическая мощность, совпадают.

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.