Termoakustyczny silnik cieplny - Thermoacoustic heat engine

Schematyczne przedstawienie termoakustycznego silnika na gorące powietrze. Ciepła strona wymiennika ciepła jest podłączona do gorącego zbiornika ciepła, a zimna do zimnego zbiornika ciepła. Nie pokazano przetwornika elektroakustycznego , np. Głośnika.

Silniki termoakustyczne (czasami nazywane „silnikami TA”) to urządzenia termoakustyczne , które wykorzystują fale dźwiękowe o wysokiej amplitudzie do pompowania ciepła z jednego miejsca do drugiego (wymaga to pracy, którą zapewnia głośnik) lub wykorzystują różnicę ciepła do pracy w forma fal dźwiękowych (fale te można następnie przekształcić w prąd elektryczny w taki sam sposób, jak robi to mikrofon ).

Urządzenia te mogą być zaprojektowane do wykorzystywania fali stojącej lub fali bieżącej .

W porównaniu do lodówek parowych, lodówki termoakustyczne nie mają chłodziwa i niewielu ruchomych części (tylko głośnik), dlatego nie wymagają dynamicznego uszczelniania ani smarowania.

Historia

Zdolność ciepła do wytwarzania dźwięku została zauważona przed wiekami przez dmuchaczy szkła.

Doświadczenia z lat pięćdziesiątych XIX wieku wykazały, że za zjawiskiem odpowiada różnica temperatur, a głośność i intensywność akustyczna zmieniają się w zależności od długości rurki i rozmiaru żarówki.

Rijke wykazał, że dodanie podgrzewanego drucianego ekranu w ćwierć wysokości rury znacznie wzmocniło dźwięk, dostarczając energię do powietrza w rurze w punkcie największego ciśnienia. Dalsze eksperymenty wykazały, że chłodzenie powietrza w punktach minimalnego ciśnienia daje podobny efekt wzmacniający. Rijke rur przekształca ciepło w energię akustyczną , przy użyciu naturalnej konwekcji.

Około 1887 roku Lord Rayleigh omówił możliwość pompowania ciepła za pomocą dźwięku.

W 1969 roku Rott wznowił temat. Korzystając z równań Naviera-Stokesa dla płynów, wyprowadził równania specyficzne dla termoakustyki.

Opracowano liniowe modele termoakustyczne, aby uzyskać podstawowe informacje ilościowe oraz modele numeryczne do obliczeń.

Swift kontynuował te równania, wyprowadzając wyrażenia na moc akustyczną w urządzeniach termoakustycznych.

W 1992 roku podobne termoakustyczne urządzenie chłodnicze zostało użyte na pokładzie promu Space Shuttle Discovery .

Orest Symko z University of Utah rozpoczął w 2005 roku projekt badawczy o nazwie Thermal Acoustic Piezo Energy Conversion (TAPEC).

Zastosowania niszowe, takie jak zastosowania kriogeniczne na małą i średnią skalę . Firma Score Ltd. otrzymała 2 miliony funtów w marcu 2007 roku na badanie kuchenki, która dostarcza również energię elektryczną i chłodzenie do użytku w krajach rozwijających się.

System termoakustyczny ogrzewany radioizotopem został zaproponowany i opracowany przez firmę Airbus na potrzeby misji eksploracji kosmosu . System ma niewielkie teoretyczne zalety w porównaniu z innymi systemami generatorów, takimi jak istniejące systemy oparte na termoparach lub proponowany silnik Stirlinga zastosowany w prototypie ASRG .

SoundEnergy opracowało system THEAC, który zamienia ciepło, zwykle ciepło odpadowe lub ciepło słoneczne, w chłodzenie bez innego źródła zasilania. Urządzenie wykorzystuje argon . Urządzenie wzmacnia dźwięk wytwarzany przez ciepło odpadowe, przetwarza powstałe ciśnienie z powrotem na inną różnicę ciepła i wykorzystuje cykl Stirlinga, aby uzyskać efekt chłodzenia.

Operacja

Urządzenie termoakustyczne wykorzystuje fakt, że w paczkach fal dźwiękowych gazu adiabatycznie naprzemiennie kompresują się i rozszerzają, a ciśnienie i temperatura zmieniają się jednocześnie; temperatura osiąga maksimum lub minimum, gdy ciśnienie osiąga maksimum lub minimum. Zasadniczo składa się z wymienników ciepła , rezonatora i stosu (w urządzeniach z falą stojącą) lub regeneratora (w urządzeniach z falą bieżącą). W zależności od typu silnika w sterowniku lub głośnik może być używany do generowania fal dźwiękowych.

W rurze zamkniętej na obu końcach mogą wystąpić interferencje między dwiema falami poruszającymi się w przeciwnych kierunkach na określonych częstotliwościach. Interferencja powoduje rezonans i tworzy falę stojącą. Stos składa się z małych równoległych kanałów. Kiedy stos zostanie umieszczony w określonym miejscu w rezonatorze z falą stojącą, na całym stosie powstaje różnica temperatur. Umieszczając wymienniki ciepła po obu stronach komina, ciepło można przenosić. Możliwa jest również sytuacja odwrotna: różnica temperatur w kominie wytwarza falę dźwiękową. Pierwszy przykład to pompa ciepła, a drugi to główny napęd.

Pompa ciepła

Tworzenie lub przenoszenie ciepła z zimnego do ciepłego zbiornika wymaga pracy. Pracę tę zapewnia moc akustyczna. Komin powoduje spadek ciśnienia. Interferencja między przychodzącymi i odbitymi falami akustycznymi jest teraz niedoskonała. Różnica amplitud powoduje przemieszczanie się fali stojącej, dając jej moc akustyczną.

Pompowanie ciepła wzdłuż stosu w urządzeniu z falą stojącą odbywa się zgodnie z cyklem Braytona .

Cykl Braytona w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara dla lodówki składa się z czterech procesów, które wpływają na paczkę gazu między dwiema płytami stosu.

1. Adiabatyczna kompresja gazu. Kiedy paczka gazu przesuwa się z pozycji skrajnej prawej do skrajnej lewej, paczka jest ściskana adiabatycznie, zwiększając jej temperaturę. W skrajnym lewym położeniu paczka ma teraz wyższą temperaturę niż ciepła płyta.
2. Izobaryczny transfer ciepła. Wyższa temperatura paczki powoduje, że przenosi ona ciepło na płytę przy stałym ciśnieniu, chłodząc gaz.
3. Adiabatyczna ekspansja gazu. Gaz jest przemieszczany z powrotem z pozycji skrajnej lewej do skrajnej prawej. W wyniku rozszerzania adiabatycznego gaz schładza się do temperatury niższej niż temperatura płyty zimnej.
4. Izobaryczny transfer ciepła. Niższa temperatura paczki powoduje, że ciepło jest przenoszone z zimnej płyty do gazu przy stałym ciśnieniu, przywracając pierwotną wartość temperatury paczki.

Urządzenia z falą wędrującą można opisać za pomocą cyklu Stirlinga .

Gradient temperatury

Zarówno silniki, jak i pompy ciepła zwykle wykorzystują kominy i wymienniki ciepła. Granicę między głównym napędem a pompą ciepła określa operator gradientu temperatury, który jest średnim gradientem temperatury podzielonym przez krytyczny gradient temperatury.

${\ displaystyle \ mathrm {I} = {\ frac {\ nabla T_ {m.}} {\ nabla T_ {kryt.}}}}$

Średni gradient temperatury to różnica temperatur w całym kominie podzielona przez długość stosu.

${\ Displaystyle \ nabla T_ {m.} = {\ Frac {\ Delta T_ {m.}} {\ Delta x_ {stos}}}}$

Krytyczny gradient temperatury to wartość, która zależy od właściwości urządzenia, takich jak częstotliwość, pole przekroju poprzecznego i właściwości gazu.

Jeśli operator gradientu temperatury przekracza jeden, średni gradient temperatury jest większy niż krytyczny gradient temperatury, a komin działa jako główny czynnik poruszający. Jeśli operator gradientu temperatury jest mniejszy niż jeden, średni gradient temperatury jest mniejszy niż gradient krytyczny, a komin działa jako pompa ciepła.

Wydajność teoretyczna

W termodynamice najwyższą możliwą do osiągnięcia sprawnością jest sprawność Carnota . Efektywność silników termoakustycznych można porównać do sprawności Carnota przy użyciu operatora gradientu temperatury.

Sprawność silnika termoakustycznego podaje

${\ displaystyle \ eta = {\ Frac {\ eta _ {c}} {\ mathrm {I}}}}$

Współczynnik wydajności z termoakustyczny pompy ciepła jest przez

${\ displaystyle COP = \ mathrm {ja} \ cdot COP_ {c}}$

Praktyczna wydajność

Najbardziej wydajne urządzenia termoakustyczne mają sprawność zbliżoną do 40% limitu Carnota lub około 20% do 30% ogółem (w zależności od temperatury silnika cieplnego ).

Wyższe temperatury po stronie gorącej mogą być możliwe w przypadku urządzeń termoakustycznych, ponieważ nie mają one części ruchomych , co pozwala na wyższą wydajność Carnota. Może to częściowo zrównoważyć ich niższą wydajność, w porównaniu z konwencjonalnymi silnikami cieplnymi, wyrażoną jako procent Carnota.

Idealny cykl Stirlinga, aproksymowany przez urządzenia z falą bieżącą, jest z natury bardziej wydajny niż idealny cykl Braytona, aproksymowany przez urządzenia fali stojącej. Jednak węższe pory wymagane do zapewnienia dobrego kontaktu termicznego w urządzeniu z falą bieżącą, w porównaniu do stosu fali stojącej, który wymaga celowo niedoskonałego kontaktu termicznego, również powodują większe straty tarcia, zmniejszając praktyczną wydajność. Toroidalny geometria często stosowany w podróże urządzeń wykorzystujących fale, ale nie jest wymagane dla urządzeń stojących fal, może również zwiększyć straty spowodowane Gedeon strumieniowe wokół pętli.

Zobacz też

• Wzmocnienie dźwięku poprzez stymulowaną emisję promieniowania (SASER)

Bibliografia

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

• Los Alamos National Laboratory, Nowy Meksyk, USA
• Thermoacoustics, University of Adelaide, Australia , archiwum internetowe, kopia zapasowa: Forum dyskusyjne
• Uniwersytet Adelaide
• Usłyszeć, że? Lodówka jest Chilling , Magazyn Wired artykuł
• „Eksperymenty z silnikiem termoakustycznym z falą stojącą”