Термоакустические двигатели (иногда называемые «Двигатели ТА») — это термоакустические устройства, которые используют звуковые волны высокой амплитуды для перекачки тепла из одного места в другое (для этого требуется работа, совершаемая громкоговорителем) или используют разницу тепла для совершения работы в форме звуковых волн (эти волны затем можно преобразовать в электрический ток так же, как это делает микрофон ).
Эти устройства могут быть спроектированы для использования как стоячей , так и бегущей волны .
По сравнению с паровыми холодильниками , термоакустические холодильники не имеют охлаждающей жидкости и имеют мало движущихся частей (только громкоговоритель), поэтому не требуют динамического уплотнения или смазки. [1]
Способность тепла производить звук была отмечена стеклодувами много веков назад. [2]
В 1850-х годах эксперименты показали, что причиной этого явления является перепад температур и что акустический объем и интенсивность меняются в зависимости от длины трубки и размера колбы.
Рийке продемонстрировал, что добавление нагретого проволочного экрана на четверть высоты трубки значительно усиливает звук, передавая энергию воздуху в трубке в точке наибольшего давления. Дальнейшие эксперименты показали, что охлаждение воздуха в точках минимального давления дает аналогичный усиливающий эффект. [2] Трубка Рийке преобразует тепло в акустическую энергию , [3] используя естественную конвекцию.
Примерно в 1887 году лорд Рэлей обсудил возможность накачки тепла звуком.
В 1969 году Ротт вновь открыл эту тему. [4] Используя уравнения Навье-Стокса для жидкостей, он вывел уравнения, характерные для термоакустики . [5]
Линейные термоакустические модели были разработаны для формирования базового количественного понимания, а также числовые модели для вычислений.
Свифт продолжил эти уравнения, выведя выражения для акустической мощности в термоакустических устройствах. [6]
В 1992 году подобное термоакустическое холодильное устройство использовалось на космическом корабле «Дискавери» . [2]
Орест Симко из Университета Юты в 2005 году начал исследовательский проект под названием «Теплоакустическое пьезоэлектрическое преобразование энергии» (TAPEC). [7]
Нишевые приложения, такие как криогенные приложения малого и среднего масштаба. В марте 2007 года Score Ltd. получила грант в размере 2 миллионов фунтов стерлингов на исследование кухонной печи, которая также обеспечивает электричество и охлаждение для использования в развивающихся странах. [8] [9]
Термоакустическая система с радиоизотопным нагревом была предложена и прототипирована для миссий по исследованию дальнего космоса компанией Airbus . Система имеет небольшие теоретические преимущества перед другими генераторными системами, такими как существующие системы на основе термопар или предлагаемый двигатель Стирлинга, используемый в прототипе ASRG . [10]
Компания SoundEnergy разработала систему THEAC, которая превращает тепло, обычно отходящее тепло или солнечное тепло, в охлаждение без использования другого источника энергии. В устройстве используется аргон . Устройство усиливает звук, создаваемый отходящим теплом, преобразует полученное давление обратно в другой перепад тепла и использует цикл Стирлинга для создания охлаждающего эффекта. [2]
Термоакустическое устройство использует тот факт, что в звуковой волне пакеты газа адиабатически попеременно сжимаются и расширяются, а давление и температура изменяются одновременно; Когда давление достигает максимума или минимума, то же самое происходит и с температурой. Он в основном состоит из теплообменников , резонатора и батареи (в устройствах со стоячей волной) или регенератора (в устройствах с бегущей волной). В зависимости от типа двигателя для генерации звуковых волн может использоваться динамик или громкоговоритель .
В трубке, закрытой с обоих концов, может возникать интерференция между двумя волнами, бегущими в противоположных направлениях на определенных частотах. Интерференция вызывает резонанс и создает стоячую волну. Стек состоит из небольших параллельных каналов. Когда стопка размещается в определенном месте резонатора, имеющего стоячую волну, поперек стопки возникает перепад температур. Размещая теплообменники на каждой стороне батареи, можно перемещать тепло. Возможно и обратное: разница температур поперек батареи создает звуковую волну. Первый пример — это тепловой насос, а второй — тягач.
Создание или перемещение тепла из холодного резервуара в теплый требует работы. Акустическая мощность обеспечивает эту работу. Стек создает перепад давления. Интерференция между приходящими и отраженными акустическими волнами теперь несовершенна. Разница в амплитуде заставляет стоячую волну двигаться, создавая акустическую мощность волны.
Перекачка тепла вдоль стопки в устройстве стоячей волны происходит по циклу Брайтона .
Цикл Брайтона против часовой стрелки для холодильника состоит из четырех процессов, которые воздействуют на порцию газа между двумя пластинами стопки.
Устройства бегущей волны можно описать с помощью цикла Стирлинга .
И в двигателях, и в тепловых насосах обычно используются дымовые трубы и теплообменники. Граница между первичным двигателем и тепловым насосом определяется оператором температурного градиента, который представляет собой средний градиент температуры, разделенный на критический температурный градиент.
Средний градиент температуры представляет собой разницу температур поперек стопки, деленную на длину стопки.
Критический градиент температуры — это величина, которая зависит от характеристик устройства, таких как частота, площадь поперечного сечения и свойства газа.
Если оператор температурного градиента превышает единицу, средний температурный градиент больше критического температурного градиента, и пакет работает как первичный двигатель. Если оператор температурного градиента меньше единицы, средний температурный градиент меньше критического градиента, и стек работает как тепловой насос.
В термодинамике наивысшим достижимым КПД является КПД Карно . КПД термоакустических двигателей можно сравнить с КПД Карно с помощью оператора температурного градиента.
КПД термоакустического двигателя определяется выражением
Коэффициент полезного действия термоакустического теплового насоса определяется выражением
Наиболее эффективные термоакустические устройства имеют КПД, приближающийся к 40% предела Карно , или от 20% до 30% в целом (в зависимости от температуры теплового двигателя ). [11]
Более высокие температуры горячего конца могут быть возможны при использовании термоакустических устройств, поскольку они не имеют движущихся частей , что позволяет повысить эффективность Карно. Это может частично компенсировать их более низкий КПД по сравнению с обычными тепловыми двигателями в процентах по Карно.
Идеальный цикл Стирлинга, аппроксимируемый устройствами бегущей волны, по своей сути более эффективен, чем идеальный цикл Брайтона, аппроксимируемый устройствами стоячей волны. Однако более узкие поры, необходимые для обеспечения хорошего теплового контакта в устройстве с бегущей волной, по сравнению со стоячей волной, которая требует намеренно несовершенного теплового контакта, также приводят к большим потерям на трение, снижая практическую эффективность. Тороидальная геометрия , часто используемая в устройствах с бегущей волной, но не обязательная для устройств со стоячей волной, также может увеличить потери из-за потока Гедеона по контуру. [ нужны дальнейшие объяснения ]
