Электроника и измерительное оборудование

Основным напряжением всей системы я выбрал 12 В, так как можно легко найти дешёвый и достаточно мощный блок питания — блок питания для компьютера. Я выбрал блок питания Aerocool VX 650W, так как максимальная необходимая электрическая мощность должна составлять чуть больше 400 Вт.

 

Рис. 14. Блок питания Aerocool VX 650W

В качестве контроллера системы использовал Arduino Mega 2560. К ней подключал все датчики и регуляторы

 

Рис. 15. Arduino Mega 2560

А мощность нагрева горячих теплообменников регулируется с помощью Широтно Импульсной Модуляции. Для этого я использовал четырёхканальный драйвер транзисторов IRF 520 для Arduino.

Рис. 16. Четырёхканальный драйвер транзисторов IRF 520 для Arduino

Транзисторы пришлось разместить на радиатор, так как они выходили из строя от перегрева уже при мощности свыше 10 Вт через транзистор.

Управление мощностью насоса осуществлялось так же с помощью ШИМ, но только через модуль — силовой ключ Troyka-Mosfet V3.

 

Рис. 17. Troyka-Mosfet V3 — силовой ключ на основе IRLR8113 для Arduino

Измерение силы тока, проходящего через горячие теплообменники, происходит при помощи датчика тока 20 А для Ардуино.

Рис. 18. Датчик тока 20 A (слева) и модуль для термопар типа K — MAX6675 (справа)

Так же, необходимо измерить температуру теплообменников, для этого используются термопары типа К и модуль для термопар типа K — MAX6675, который оцифровывает напряжение с термопар, ведь оно слишком мало, чтобы подавать его напрямую на Ардуино.

 

Рис. 19. Термопары типа К в медной трубке

Термопары вклеены в медные трубки при помощи высокотемпературного герметика со стороны спая и при помощи эпоксидной смолы со стороны провода. Это сделано для того, чтобы впаять их в медный корпус двигателя

Теперь остаётся только измерить давление в двигателе и акустические колебания, то есть колебания давления, чтобы узнать акустическую мощность двигателя. С одной стороны, можно измерять и среднее за цикл давление в двигателе (опорное давление) и синусоидальные колебания давления одним и тем же датчиком абсолютного давления. Но в таком случае, большая часть диапазона измерения датчика будет не задействована, так как амплитуда колебаний давления в 10 и более раз меньше, чем само опорное давление. То есть на измерение именно колебаний давления остаётся небольшое разрешение. По этому была необходимость разделить опорное давление и колебания давления, чтобы измерять колебания давления другим датчиком — датчиком с диапазоном измерения подходящем к амплитуде колебаний в волне. Для этих целей была сделана небольшая буферная ёмкость и соединена с полостью двигателя через очень тонкую капиллярную трубку. Трубка настолько тонкая, что заполнение ёмкости через неё давлением 1 атм происходит около 3 секунд.

Рис. 20. Буферная ёмкость для измерения колебаний давления в резонаторе

Для чего это всё сделано? А для того, что благодаря капиллярной трубке в буферной ёмкости образуется среднее за цикл давление, ведь типичная частота колебаний в двигателе 80 Гц, то есть период равен 0,0125 секунды, а повышение давления на величину амплитуды колебаний займёт порядка секунды. Таким образом, колебания давления в ёмкости исключены, но в то же время там присутствует среднее давление за цикл и можно уже измерять относительное давление между этой ёмкостью и двигателем. Как раз это нам и требовалось.

Давление в двигателе можно повышать до 5 атм с помощью ножного автомобильного насоса.

Для измерения среднего давления за цикл, к буферной ёмкости был подключён датчик абсолютного давления MPX5700AP, а для измерения колебаний давления был подключён дифференциальный датчик давления MPX5050DP между ёмкостью и резонатором двигателя.

Рис. 21. Датчик абсолютного давления MPX5700AP (слева) и дифференциальный датчик давления MPX5050DP (справа)

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)