Термоакустика. Выработка электроэнергии из звука с помощью динамика

· Развитие стартапа,

· Научно-популярное,

· Энергия и элементы питания,

· Физика

 

Рис. 1. – Внешний вид 4-х ступенчатого термоакустического двигателя с бегущей волной

В предыдущих статьях я писал о том, как построить двигатель Стирлинга без поршней, то есть о том, как построить кольцевой термоакустический двигатель с бегущей волной1 статья, 2 статья, 3 статья.

Рис. 2. – Схема двигателя

Двигатель состоит из 4-х абсолютно одинаковых блоков. Каждый из блоков состоит из теплообменного аппарата, состоящего из горячего теплообменника, холодного теплообменника и регенератора между ними. Теплообменный аппарат иногда называют ядром двигателя. Весь теплообменный аппарат в корпусе называют ступенью двигателя.

При работе двигателя внутри всего кольцевого корпуса присутствует акустическая волна крайне высокой интенсивности. Каково же типичное распределение колебаний давления, колебательной скорости и акустической мощности внутри? Для того чтобы это узнать, я смоделировал процессы происходящие в двигателе с помощью специальной программы, разработанной в Лос-Аламосской национальной лаборатории (то есть в том же месте где и атомную бомбу) под названием DeltaEC. Далее идут графики для двигателя под нагрузкой. То есть для вот такого вот случая:

Рис. 3. – Двигатель под нагрузкой

Случая, когда у двигателя есть нагрузка, даже четыре нагрузки, которые расположены недалеко от горячих теплообменников.

График распределения амплитуды колебаний давления по одному из четырёх блоков двигателя выглядит так:

Рис. 4. – Распределение амплитуды колебаний давления по длине одного из блоков

Здесь показана одна четвёртая часть двигателя. Можно видеть, что график идёт до длины корпуса примерно в 1,5 м – это длина одного блока. Получается, что длина всего кольцевого корпуса двигателя около 6 метров. Во всех блоках все параметры одинаковые, поэтому достаточно рассмотреть только один из них.

Теплообменный аппарат на графике находиться слева, начиная от нуля по горизонтальной оси. Видно, что в регенераторе из-за вязкостных потерь и отражения от него части волны, амплитуда колебаний давления уменьшается. Далее идёт нагрузка, где давление ещё намного сильнее уменьшается. Дальше давление увеличивается до первоначального значения в резонаторе, за счёт уменьшения колебательной скорости газа в резонаторе

Рис. 5. – Распределение амплитуды колебаний объёмного расхода по длине блока

В термоакустике принято в расчётах использовать не колебательную скорость газа, а колебания объёмного расхода, то есть колебательную скорость, умноженную на площадь поперечного сечения корпуса. Колебания объёмного расхода пропорциональны колебаниям скорости при неизменной площади поперечного сечения корпуса.

На рис. 5 видно, что резкий прирост, скачкообразное увеличение амплитуды колебаний объёмного расхода происходит в регенераторе (около нуля по горизонтальной оси). Как раз это резкое увеличение колебаний объёмного расхода или же колебаний скорости газа (кому как удобнее) и есть термоакустический эффект усиления акустической волны. Объёмный расход затем немного уменьшается, проходя через нагрузку, и затем окончательно уменьшается до первоначального значения, проходя через резонатор. За счёт этого уменьшения колебаний объёмного расхода в резонаторе и происходит увеличение колебаний давления в резонаторе, о чём было сказано при описании предыдущего графика.

О чём говорят эти два графика? Они говорят о том, что во всём двигателе, который называется двигатель с бегущей волной, никогда не было и не будет чисто бегущей волны. Бегущая волна в этом двигателе наблюдается только в зоне теплообменного аппарата. То есть в зоне регенератора разность фаз между колебаниями давления и скорости газа около нуля. Во всех других частях двигателя волна далеко не бегущая, а представляет собой смесь бегущей и стоячей волны.

Ещё что здесь интересно, так это то, что термоакустический эффект не увеличивает амплитуду колебаний давления, а увеличивает только амплитуду колебаний объёмного расхода газа.

Теперь посмотрим, как изменяется мощность акустической волны.

Рис. 6. – Распределение мощности волны по длине блока

Видно, что в регенераторе мощность скачком возрастает благодаря термоакустическому эффекту, затем немного мощности теряется при прохождении волны до нагрузки, потом происходит резкий скачек мощности вниз, связанный с потерей энергии на нагрузке и дальше затухание волны продолжается в оставшейся части резонатора до первоначального значения.

Давайте теперь подумаем над тем, как определить КПД процесса.

Вообще как рассчитать КПД? Нужно полезную мощность поделить на затрачиваемую. С затрачиваемой мощностью здесь всё понятно – это подводимая тепловая мощность, мощность нагрева двигателя. Но что считать полезной акустической мощностью?

На рис. 6 акустическая мощность достигает максимума сразу за регенератором и достигает значения 82 Вт. Именно эту мощность и нужно здесь считать полезной? На самом деле нет. Полезная акустическая мощность здесь – это прирост акустической мощности в регенераторе, а величина примерно в 46 Вт относительно которой начинается прирост – можно назвать опорным уровнем. Скорее даже я бы назвал волну с мощностью 46 Вт здесь – опорной волной, так как именно её усиливает регенератор двигателя. Затем уже эта прибавка мощности в регенераторе идёт частично на нагрузку, а частично рассеивается, проходя через резонатор. При проектировании двигателя для достижения максимального КПД системы нужно стараться сделать мощность, которая рассеивается в резонаторе гораздо меньше мощности, которая рассеивается на нагрузке, чтобы как можно большая часть прироста мощности в регенераторе попала на нагрузку, а не просто рассеялась.

Из вышесказанного следует, что акустический КПД двигателя всегда будет больше, чем КПД всей системы с нагрузкой, так как мощность рассеиваемая на нагрузке составляет часть от прироста мощности в регенераторе.