Термоакустика. Выработка электроэнергии из звука с помощью динамика
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 волной 1 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.
Так как же преобразовать энергию звука в электроэнергию?
У двигателя Стирлинга с выработкой электроэнергии всё понятно. Если есть коленчатый вал, то к нему можно прикрепить вращающийся электрогенератор. Если двигатель Стирлинга резонансный, то можно прикрепить магнит на рабочий поршень и поместить его в статор линейного генератора. Но что делать в случае термоакустического двигателя? Как получить электроэнергию в двигателе, где нет ни коленчатого вала, ни поршней? Как преобразовать акустическую энергию высокой интенсивности в электрическую? На сегодня были придуманы два способа, как это сделать.
Первый способ — это использовать линейные преобразователи.
Вот посмотрите видео на моём канале, где я экспериментирую с линейным преобразователем:
Рис. 7. — Низкочастотный динамик
Обыкновенный динамик — это пример линейного преобразователя. Обычно при работе он преобразует электрическую энергию, которая поступает к нему на вход в звук, то есть в акустическую энергию. Но он вполне может работать и в обратном направлении и преобразовывать акустические колебания в электроэнергию. Обычные динамики не рассчитаны на крайне высокую интенсивность звука как в термоакустических устройствах (160 — 180 дБ.), поэтому имеют большие потери энергии, которые связаны с низкой добротностью колебательной системы, большим коэффициентом поглощения мембраной волны из-за её недостаточной жёсткости, а также недостаточная величина свободного хода мембраны не позволяет использовать всю доступную мощность. Поэтому делают специальные динамики — линейные альтернаторы, которые по принципу работы ничем не отличаются от динамика, но имеют либо адаптированную под высокую интенсивность звука мембрану, либо вообще мембрану заменяют поршнем.
Рис. 8. — Линейный альтернатор фирмы Q-Drive
КПД преобразования акустической энергии в электрическую энергию с помощью такого преобразователя может доходить до 80%.
Второй способ преобразования — это использовать турбогенератор с двунаправленной турбиной.
Звуки, встречающиеся в повседневной жизни большинства людей, такие как речь, звуки проезжающих машин, лай собаки, имеют по меркам термоакустики небольшую интенсивность. Смещения газа из положения равновесия в акустической волне разговорной речи составляют доли миллиметра, так что никто не воспринимает обычно звуковую волну как ветер, который меняет своё направление тысячи раз в секунду, то есть меняет направление с частотой равной частоте колебаний волны. В термоакустике, когда интенсивность колебаний доходит до 180 Децибел, звук становиться уже даже не ветром, который с большой частотой меняет направление, а скорее ураганом с пиковой скоростью, доходящей до 100 км/ч. Поэтому можно использовать турбину для того чтобы преобразовать эту звуковую энергию в электричество. В этом видео я провёл интересные эксперименты на эту тему, чтобы наглядно показать то, как выглядит звуковая волна высокой интенсивности.
Сразу же понятно, что направление вращения ротора турбины для термоакустики не должно зависеть от направления потока входящего и выходящего из турбины, иначе половину периода колебания поток будет разгонять ротор, а вторую половину периода тормозить. Существует два типа двунаправленных турбин, направление вращения которых не зависит от направления потока. Это турбина Уэльса, лопатки ротора которой представляют собой аэродинамические профили расположенные поперёк набегающего потока.
Рис. 9. — Лопатка турбины Уэльса
Аэродинамический профиль отклоняет большую массу набегающего воздуха в одну и ту же сторону независимо от направления движения набегающего воздуха. Импульс воздуха всё время отклоняется, на рис. 9 вправо, значит, по законам Ньютона сила, действующая на лопатки, должна быть направлена в левую сторону. Законы Ньютона в данном случае работают исправно и если закрепить такие лопатки по периметру окружности, а окружность закрепить на вал, то вал начнёт вращаться.
Рис. 10.– Схема турбины Уэльса
Можно улучшить конструкцию и добавить направляющие лопатки, которые будут увеличивать эффект.
Второй тип двунаправленных турбин — это так называемые импульсные турбины. В этом видео показано то, как работает такая турбина:
Рис. 11.– Схема двунаправленной импульсной турбины
Импульсная турбина работает более эффективно, чем турбина Уэльса из-за более совершенной формы лопаток ротора.
Экспериментальная часть
Для первых экспериментов по выработке электроэнергии на моём двигателе я выбрал самый простейший способ и при этом самый не эффективный — использование обыкновенного низкочастотного динамика.
Рис. 12. — Линейный преобразователь из динамика
Вот в этом видео я рассказываю о том, как я создавал и пытался настроить получившийся самодельный линейный альтернатор:
Я прикрепил динамик к резонатору двигателя через вот такой вот переходник, который распечатал на 3D принтере.
Рис. 13. — Подсоединение динамика
Прикрепил к резонатору со стороны холодного теплообменника, чтобы высокой температурой не расплавить пластиковый переходник и не повредить сам динамик. Ранее я измерил акустическую мощность двигателя. Мощность составила около 10 Вт. Естественно только часть этой мощности можно преобразовать в электроэнергию. Вспоминая рисунок 6 — распределение акустической мощности, в качестве линейного альтернатора я выбрал динамик YDN-78–1 с максимальной мощностью в 2 раза меньше, чем максимальная мощность, а именно — 5 Вт.
Самое сложное при использовании линейного альтернатора — это настроить систему, состоящую из динамика и переходника на резонансную частоту самого двигателя. Сложность в том, что частота колебаний двигателя различается при различных температурах нагрева горячих теплообменников, то есть при различных уровнях подводимой тепловой мощности. А всё потому, что чем больше тепловой мощности подведёшь, тем больше становиться средняя температура газа внутри и с увеличением температуры газа увеличивается скорость звука в газе, а соответственно и частота колебаний. При этом измерения проведённые фирмой Aster Thermoacoustics показывают, что выходная мощность линейного преобразователя сильно зависит от совпадения его резонансной частоты с резонансной частотой двигателя.
Рис. 14. Зависимость относительной выходной мощности от резонансной частоты двигателя
Эксперименты с моим двигателем показали, что увеличивая температуру горячих теплообменников с 120 градусов по Цельсию до 220 градусов, частота колебаний увеличивается с 61 Гц до 64 Гц, то есть изменяется на 3 Гц. На рис. 14 — на графике Aster Thermoacoustics по горизонтальной оси отмечена частота двигателя, а по вертикальной — выходная электрическая мощность линейного преобразователя, поделённая на максимальную мощность преобразователя во всём диапазоне частот (по этому максимальное значение на графике равно единице). На рис. 14 видно, что при отклонении резонансной частоты двигателя от резонансной частоты преобразователя на 5 Гц выходная мощность падает в 2 раза. Это означает то, что термоакустический генератор с линейным альтернатором может работать эффективно только при определенном уровне подводимой тепловой энергии. При отклонении от этой оптимальной точки выходные характеристики будут резко падать.
Итак, резонансная частота моего двигателя 61 — 63 Гц. Динамиков с такой низкой резонансной частотой я не нашёл (возможно что их вообще не существует для такой маленькой мощности). Резонансная частота моего динамика изначально была 147 Гц. Как же я её измерил?
Рис. 15. — Схема для определения резонансной частоты динамика
Я использовал схему из журнала «Радио» выпуск №4 1967 г, 45 страница. Это схема автоколебательного электрического контура, в котором нет ни индуктивностей, ни ёмкостей поэтому, по задумке, частота колебаний такого контура определяется частотой колебаний механической колебательной системы — диафрагмы динамика.
Затем я уменьшил частоту динамика до 61 Гц, налепив на диафрагму пластилин. Это увеличило массу диафрагмы и таким образом снизило частоту.
После этого я вставил настроенный динамик в оранжевый переходник. каково же было моё удивление, когда вместо частоты колебаний 63 Гц я обнаружил частоту колебаний 187 Гц, то есть в три раза больше, чем ожидалось. Возбудилась 3-я гармоника. В корпус двигателя начало укладываться 3 длины волны, а не одна. На самом деле в двигателе всегда присутствуют не основные гармоники, просто обычно термоакустические устройства работают на первой гармонике, то есть на основной частоте, а вклад остальных гармоник пренебрежимо мал. Меня очень удивил эффект возбуждения 3-й гармоники в этом эксперименте с динамиком и я начал думать, как же так получилось. Я пришёл к выводу, что этот эффект возникает по причине того, что динамик встроен в резонатор двигателя через переходник и нужно рассматривать резонансную частоту не динамика отдельно, а динамика совместно с переходником. Переходник сильно увеличивает резонансную частоту всей связки. По этому, чтобы добиться работы на основной частоте в 63 Гц нужно ещё сильнее понизить резонансную частоту динамика.
Рис. 16. — Динамик, инкрустированный гайками на диафрагме. (объект современного искусства)
И действительно это сработало, как и ожидалось. Удалось изменить режим работы двигателя на работу с основной частотой. Были даже очень интересные переходные процессы, когда при определённой массе, налепленной на диафрагму, двигатель то работал на основной частоте, то потом по мере остывания горячих теплообменников начинал работать на утроенной частоте. Интересно то, что на удвоенной частоте двигатель работать не может. Либо на основной, либо на утроенной. Видимо параметры волны при удвоенной частоте, не пригодны для поддержания работы этого устройства.
При использовании динамика и двигателя с воздухом под атмосферным давлением в качестве рабочего тела КПД преобразования энергии оказался пренебрежимо мал.
Для того, чтобы добиться уровней КПД в 20 — 40% от цикла Карно необходимо увеличивать давление в двигателе, заменить рабочий газ на гелий либо аргон и использовать другие способы выработки электроэнергии, нежели обычный динамик.
