Хабрахабр

Создание и первый запуск термоакустического двигателя с бегущей волной

Вот в этой статье —«Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней», я писал о том, как двигатель Стирлинга совершенствовался и дошёл до состояния термоакустического двигателя. В этой статье я расскажу о том как построить и испытать свой собственный термоакустический двигатель.

image

Рис.1. Четырёхступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной
Термоакустический двигатель с бегущей волной — это двигатель с внешним подводом тепла. Двигатель преобразует тепловую энергию в акустическую, благодаря совершению термодинамического цикла, наиболее близкого к циклу Стирлинга. Далее, акустическую энергию можно преобразовать в электроэнергию с помощью двунаправленной турбины, подключённой к электрогенератору и таким образом получить тепловой генератор с минимумом движущихся частей и электрическим КПД равным 30 — 50 % от КПД цикла Карно.

image

Гифка. 1. Двигатель Стирлинга альфа типа

Если отбросить все второстепенные детали, то он состоит из: цилиндра, в котором происходят сжатия, расширения и перемещения газа; поршней, которые собственно и осуществляют манипуляции с газом; теплообменников, которые подводят и отводят тепловую энергию; и регенератора, который запасает тепло при прохождении газа из горячего в холодный теплообменник, а затем отдаёт тепло при движении газа обратно.
При разности фаз 90 градусов между движением поршней реализуется термодинамический цикл, который в итоге производит работу над поршнями. Для начала рассмотрим двигатель Стирлинга альфа типа. Так обычно описывают работу двигателя Стирлинга.

Несколько суток всматриваясь в гифку 1., можно понять, что сжатия, расширения и перемещения газа — это по сути всё тоже самое, что происходит в акустической волне. Но можно посмотреть на этот процесс иначе. А если это тоже самое, значит это и есть акустическая волна.

image

Гифка. 2 Одноступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной

Таким образом вполне возможно избавиться от поршней и заменить их на акустический резонатор, в котором будет образовываться акустическая волна и производить всю работу поршней.

Здесь есть резонатор (как резонансный контур в электрической схеме) в виде закольцованной трубы и элемент, усиливающий акустические колебания — регенератор (как источник питания, подключаемый в нужный момент времени в электрической схеме). Данная конструкция — это акустическая автоколебательная система, которую можно сравнить с электрической автоколебательной системой. Когда усиление в регенераторе становиться больше чем затухание при прохождении волны через остальные элементы, происходит самозапуск двигателя. При увеличении разности температур между теплообменниками, увеличивается коэффициент усиления мощности акустической волны, проходящей через регенератор.

Причём, из всего спектра шума усиливаются в основном только колебания с длиной волны равной длине корпуса двигателя (Длина волны с основной резонансной частотой). В самый начальный момент времени, при старте двигателя, происходит усиление шумовых колебаний неизбежно присутствующих в газе. Данная акустическая волна представляет собой сумму бегущей и стоячей волн. И далее, при работе двигателя, подавляющая часть акустической энергии приходится на волну с основной резонансной частотой. Наличие стоячей составляющей волны снижает эффективность, что необходимо учитывать при конструировании двигателя. Стоячая компонента волны возникает по причине отражения части волны от теплообменников и регенератора и наложения этой отражённой волны на основную.

Такая волна возникает в резонаторе двигателя. Рассмотрим свободную бегущую волну.

image

Гифка. 3 Графики температуры и давления в бегущей акустической волне в резонаторе

3), так как диаметр резонатора слишком большой, чтобы оказывать сильное влияние на такие параметры газа как температура и давление. В резонаторе волна очень слабо взаимодействует со стенками резонатора (гифка. Во первых, резонатор задаёт направление движения волны, во вторых волна теряет энергию в резонаторе по причине взаимодействия со стенкой в приграничном слое газа. Но влияние всё же есть. Почти адиабатически — это потому, что у газа присутствует теплопроводность, хоть и небольшая. На анимации можно видеть, что произвольно взятая элементарная порция газа в свободной волне нагревается при сжатии и остывает при расширении, то есть сжимается и расширяется почти адиабатически. То есть как газ не совершает работу, так и над газом не совершается работа. При этом в свободной волне зависимость давления от объёма (PV диаграмма) представляет собой линию.

Совершенно иная картина наблюдается в регенераторе двигателя

image

Гифка. 4 Графики температуры и давления в регенераторе

При сжатии газ отдаёт тепловую энергию регенератору, а при расширении отбирает энергию и зависимость давления от объёма уже представляет собой овал. В присутствие регенератора газ расширяется и сжимается уже не адиабатически. Таким образом в каждом цикле совершается работа, что приводит к усилению акустических колебаний. Площадь этого овала численно равна работе совершаемой над газом. Для того чтобы добиться хорошего теплового контакта между газом и регенератором необходимо делать поры в регенераторе маленьких размеров — порядка 0. На гифке 4 на графике температуры белая линия — температура поверхности регенератора, а синяя — температура элементарной порции газа.
Основные постулаты при взаимодействии волны с регенератором таковы: первый постулат — в регенераторе присутствует градиент температуры с максимумом у горячего теплообменника и минимумом у холодного и второй постулат — это то что газ сильно термически взаимодействует с поверхностью регенератора, то есть моментально принимает локальную температуру регенератора (синяя линия лежит на белой). Обычно он представляет собой стопку из стальных сеток. 1 мм и меньше (в зависимости от используемого газа и давления в двигателе).
Из чего состоит регенератор? Такие регенераторы тоже существуют, но более сложные в изготовлении, чем из сеток. Здесь, в анимации он показан, как набор из параллельно расположенных пластин.

image

Рис.2. Обозначения элементов одноступенчатого двигателя

Но обычно в двигатель ставят ещё вторичный холодный теплообменник. Про теплообменники, регенератор и резонатор уже всё понятно. Высокая температура газа в резонаторе плоха тем, что у горячего газа выше вязкость, а значит выше и потери в волне, затем высокая температура снижает прочность резонатора и ещё зачастую есть необходимость поставить в резонатор далеко не жаропрочную аппаратуру, как например пластиковый турбогенератор, который не выдержит нагрева. Его основная цель — не допустить прогрева полости резонатора горячим теплообменником. Она должна быть такой длины, чтобы тепловое взаимодействие между теплообменниками не было существенным. Полость между горячим теплообменником и вторичным холодным называют термальной буферной трубкой.

Наибольшая эффективность достигается при установке турбины в резонатор со стороны горячего теплообменника, то есть сразу за вторичным холодным.

2 называется двигателем Цеперли, так как его конструкцию впервые придумал Питер Цеперли. Одноступенчатый двигатель изображённый на рис.

image

Рис.3. Схема четырёхступенчатого двигателя

Де Блок в 2010 году предложил вариант четырёхступенчатого двигателя (рис. Одноступенчатую конструкцию можно улучшить. Он увеличил диаметр теплообменников и регенератора относительно диаметра резонатора, для того чтобы уменьшить скорость газа в области регенератора и тем самым снизить трение газа о регенератор, а также увеличил количество ступеней до четырёх. 3). Во первых сокращается длина резонатора для каждой ступени и потери энергии в резонаторе уменьшаются. Увеличение количества ступеней приводит к уменьшению потерь акустической энергии. При этом уменьшается минимальная разность температур, необходимая для запуска двигателя. Во вторых уменьшается разность между фазами скорости и давления в зоне регенератора (убирается стоячая компонента волны).

Выбор количества ступеней — это дискуссионный вопрос. Так — же можно построить двигатель с двумя, с тремя и более чем с четырьмя ступенями.

Длину корпуса двигателя следует выбирать такую, чтобы частота колебаний желательно была менее 100 Гц. При прочих равных, мощность двигателя определяется диаметром ступени, чем он больше, тем больше мощность. При слишком коротком корпусе — то есть, при слишком высокой частоте колебаний потери акустической энергии увеличиваются.

Далее я опишу постройку такого двигателя.

Двигатель, который я буду описывать — это тестовый мини прототип. Не планируется, что он будет вырабатывать электроэнергию. Он нужен для отработки технологии преобразования тепловой энергии в акустическую, и слишком мал, для того чтобы встроить в него турбину и вырабатывать электроэнергию. Для выработки электроэнергии готовиться более крупный прототип.

image

Рис. 4. Корпус

Он состоит из 4 — х ступеней и 4 — х резонаторов и топологически представляет собой полый бублик согнутый два раза пополам на 180 градусов. Итак, изготовление я начал с корпуса. Весь корпус сделан из меди. Ступени соединяются с резонаторами при помощи фланцев. Резонаторы изготовлены из медной трубки внешним диаметром 15 мм и внутренним 13 мм. Это нужно для того чтобы иметь возможность быстро впаять что либо в корпус и так же быстро выпаять. Длина ступени от фланца до фланца — 100 мм. Ступень из трубы внешним диаметром 35 мм и внутренним 33 мм. Суммарная длина корпуса — 4 м.

5.
Рис. Горячий (слева) и холодный (справа) теплообменники

Это пластинчатые теплообменники. Затем сделал теплообменники. Основные элементы конструкции данных теплообменников — это вот такие медные пластины и шайбы

image

Рис. 6. Медная пластина и медная шайба

5 мм, расстояние между пластинами 0. Размеры теплообменников: диаметр около 32,5 мм, толщина пластин 0. 5 мм, внешний диаметр шайбы 10 мм, внутренний 7 мм, длина холодного теплообменника 20 мм, горячего 15 мм

Максимальная тепловая мощность 100 Вт. У горячего теплообменника электрический нагрев осуществляется при помощи установленной в центральное отверстие нихромовой нити. Использование нагрева электричеством, а не газом ли какой либо другой тепловой энергией избавляет от трудностей с подсчётом входящей тепловой энергии, так как в случае электронагрева достаточно просто умножить напряжение на силу тока и будет точно известна входящая тепловая мощность. Как бы не было парадоксально, использовать электричество для запуска электрогенератора, но это очень удобно для тестового прототипа. Точно измерить входящую тепловую мощность — это важно для подсчёта КПД.

Нагретая в теплообменнике вода поступает во внешний охладительный радиатор, в качестве которого используется радиатор от печки такого суперкара как «Жигули» Холодный теплообменник охлаждается пропусканием сквозь центральный канал охлаждающей жидкости, в данном случае воды.

image

Рис. 7. Медный радиатор отопителя от ВАЗ-2101-8101050

Циркуляцию воды осуществляет циркуляционный насос постоянного тока Topsflo Solar DC Circulation Pump 5 PV. После прохождения через охладительный радиатор вода возвращается в холодный теплообменник.

image

Рис. 8. Циркуляционный водяной насос 12В

image

Рис. 9. Одна из сеток регенератора

2 мм и расстоянием между проволоками в сетке — 0. Регенератор — стопка из 20 штук нержавеющих сеток с диаметром проволоки — 0. 71 мм

image

Рис. 10. Детали, входящие в состав одной ступени

image

Рис. 11. Ступень в разрезе

Они нужны просто для того чтобы можно было вывести провода для горячего теплообменника и штуцеры для холодного теплообменника через стенку трубы. На данных рисунках можно видеть, что кроме теплообменников и регенератора, внутри ступени присутствуют алюминиевые вставки. Так что в каждой из вставок имеется отверстие диаметром 13 мм, точно такое же как диаметр резонатора и таким образом вставка по акустическим свойствам ничем не отличается от резонатора — то есть является его продолжением. Без этих вставок выводить пришлось бы через фланцы, что очень неприятно или даже невозможно.

image

Рис. 12. Алюминиевая вставка в корпусе

Так выглядит холодный теплообменник внутри корпуса:

image

Рис. 13. Впаянный теплообменник

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.

image

Рис. 14. Блок питания Aerocool VX 650W

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

image

Рис. 15. Arduino Mega 2560

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

image

Рис. 16. Четырёх канальный 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.

image

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.

18.
Рис. 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.

image

Рис. 19. Термопары типа К в медной трубке

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

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. Теперь остаётся только измерить давление в двигателе и акустические колебания, то есть колебания давления, чтобы узнать акустическую мощность двигателя. То есть на измерение именно колебаний давления остаётся небольшое разрешение. 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. Для этих целей была сделана небольшая буферная ёмкость и соединена с полостью двигателя через очень тонкую капиллярную трубку. 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. Трубка настолько тонкая, что заполнение ёмкости через неё давлением 1 атм происходит около 3 секунд.

image

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

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. Для чего это всё сделано? Как раз это нам и требовалось. 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.

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.

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

Первый запуск

image

Рис. 22. Красивое свечение датчиков при работе двигателя в темноте

Остальные ступени были пустыми (без теплообменников и регенератора). Первая попытка запуска двигателя состоялась с готовой одной из четырёх ступеней. Ступени были расположены на расстоянии в половину длины корпуса друг от друга. При нагреве горячего теплообменника вплоть до максимальной температуры 250 градусов по Цельсию, запуска не произошло.
Затем состоялась вторая попытка запуска на двух ступенях. 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. Снова, при нагреве горячих теплообменников до 250 градусов, двигатель не запустился. 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. Температура горячих теплообменников в момент запуска составила 125 градусов. Мощность акустической волны в резонаторе — 27,6 Вт. Измеренная частота колебаний — 74 Гц. 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. 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. 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). Температура трёх горячих теплообменников при запуске при этом составляет около 175 градусов. 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 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. Диаметр каждого из двух отверстий был около 2,5 мм. То есть, при первых запусках, трубки, к которым должны подсоединяться буферная ёмкость и датчик давления, были ничем не заглушены. Можно было даже поднести к трубкам палец и почувствовать колебания воздуха. То есть двигатель был абсолютно не герметичен, и это всё равно не помешало ему запуститься и успешно работать. 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. При затыкании трубок значительно (на 20 — 30 градусов) начинала падать температура горячих теплообменников и на 5- 10 градусов возрастала температура холодных. 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.
И действительно, можно так подумать, ведь измеренная громкость звука в резонаторе составила 171,5 Децибел.

Приглашение присоединиться к проекту

Я созидаю посредством термоакустики в г. Энгельсе, в инженерном клубе Сол-Эн. Те, кого так же вдохновляет это направление творчества и кто хотел бы в будущем присоединиться, пишите в личные сообщения, либо на почту GoshX3@mail.ru, либо во вконтакте vk.com/v_ady_po_vstrechke и я буду знать что вы есть. Пишите «привет» и пишите из какого вы города.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть