Дыбыс қуатымен жұмыс істейтін жылу сорғысы

Кіріспе

Дыбыс қуатымен жұмыс істейтін жылу сорғысы. Термоакустикалық қозғалтқыштар (кейде "TA қозғалтқыштары" деп аталады) – бұл жылуды бір жерден екінші жерге сору үшін жоғары амплитудалы дыбыс толқындарын пайдаланатын термоакустикалық құрылғылар (мұндай жұмысқа динамик күш береді) немесе дыбыс толқындары түрінде күш өндіру үшін жылудың айырмасын пайдаланады (бұл толқындар микрофон сияқты электр тогына түрлендірілуі мүмкін). Бұл құрылғылар тұрған толқын немесе жүретін толқынды пайдалану үшін жасалуы мүмкін. Бумен жұмыс істейтін тоңазытқыштармен салыстырғанда, термоакустикалық тоңазытқыштарда салқындатқыш жоқ және аз қозғалмалы бөліктері бар (тек динамик), сондықтан динамикалық тығыздау немесе майлау қажеттілігі туындамайды.

Тарих

Жылудың дыбыс тудыру қабілетін ғасырлар бұрын шыны өңдеушілер байқаған. 1850 жылдары жасалған тәжірибелер температура айырмашылығының осы құбылыстың себебін көрсеткенін, ал акустикалық көлем мен қарқындылығы түтіктің ұзындығы мен шамның көлеміне байланысты өзгеретінін анықтады. Рийке түтіктің төрттен бір бөлігіне орналасқан қыздырылған сым торды қосудың дыбысты күшейтетінін көрсетті, бұл түтіктегі ауаға ең жоғары қысымда энергия жеткізеді. Келесі тәжірибелер ауаның ең төменгі қысым нүктелерін салқындатудың да сондай күшейткіш әсер беретінін көрсетті, бұл табиғи конвекция арқылы жүзеге асты. 1887 шамасында Лорд Рейли дыбыс арқылы жылуды айырбастау мүмкіндігін талқылады. 1969 жылы Ротт осы тақырыпты қайта қарастырды. Ол сұйықтарға қатысты Navier-Stokes теңдеулерін қолданып, термоакустикаға арналған ерекше теңдеулерді тудырды. Негізгі түсінікті қалыптастыру үшін сызықты термоакустикалық модельдер және есептеулер үшін сандық модельдер жасалды. Свифт осы теңдеулерді дамытып, термоакустикалық құрылғылардағы акустикалық қуатты сипаттайтын формулаларды шығарды. 1992 жылы осыған ұқсас термоакустикалық салқындатқыш жүйе ғарыш кемесі Discovery-де қолданылды. Бұл құрылғы шағын және орта масштабты криогендік қолданымдар сияқты арнайы салаларда қолданылады. 2007 жылдың наурыз айында Score Ltd. компаниясы дамып келе жатқан елдерде пайдалануға арналған электр энергиясын және салқындатуды қамтамасыз ететін пешті зерттеу үшін 2 миллион фунт стерлинг көлемінде қаржыландырылды. Airbus компаниясы әртүрлі ғарыш зерттеу миссиялары үшін радиоизотоппен қыздырылатын термоакустикалық жүйені ұсынды және оның прототипін жасады. Бұл жүйе қазіргі термоэлектрлік жүйелерге немесе ASRG прототипінде қолданылатын Стирлинг қозғалтқышына қарағанда теориялық артықшылықтарға ие. SoundEnergy THEAC жүйесін әзірледі, ол әдетте ысырапты жылу немесе күн жылуын қосымша қуат көзі болмайынша салқындатуға айналдырады. Бұл құрылғыда аргон газы қолданылады. Құрылғы ысырапты жылудан туындаған дыбысты күшейтеді, нәтижесіндегі қысымды басқа жылу айырмашылығына айналдырады және салқындату әсерін тудыру үшін Стирлинг циклін пайдаланады. Термоакустикалық құрылғылардың қозғалмалы бөліктері болмағандықтан, олардағы ыстық температура жоғары болуы мүмкін, бұл Карно тиімділігінің артуына мүмкіндік береді. Бұл олардың дәстүрлі жылу машиналарына қарағанда төмен тиімділігін Карно тиімділігінің пайызы ретінде толықтай өтеуі мүмкін. Саяхатшы толқынмен жұмыс істейтін құрылғылармен жуықталған идеалды Стирлинг циклі, тұрақты толқынмен жұмыс істейтін құрылғылармен жуықталған идеалды Брейтон циклінен тиімдірек. Дегенмен, саяхатшы толқын құрылғысында жақсы жылулық байланыс үшін қажетті тар тесіктер, тұрақты толқын стегінде қажетті әдейі кемелсіз жылулық байланысқа қарағанда, үлкен сүргіштік шығындарға әкеледі, бұл практикалық тиімділікті төмендетеді. Саяхатшы толқын құрылғыларында жиі қолданылатын, бірақ тұрақты толқын құрылғыларында қажет емес тороидтік геометрия, цикл айналасындағы Gedeon ағынынан туындаған шығындарды арттыруы мүмкін.

The ability of heat to produce sound was noted by glassblowers centuries ago. In the 1850s experiments showed that a temperature differential drove the phenomenon, and that acoustic volume and intensity vary with tube length and bulb size. Rijke demonstrated that adding a heated wire screen a quarter of the way up the tube greatly magnified the sound, supplying energy to the air in the tube at its point of greatest pressure. Further experiments showed that cooling the air at its points of minimal pressure produced a similar amplifying effect. using natural convection. In about 1887, Lord Rayleigh discussed the possibility of pumping heat with sound. In 1969, Rott reopened the topic. Using the Navier Stokes equations for fluids, he derived equations specific for thermoacoustics. Linear thermoacoustic models were developed to form a basic quantitative understanding, and numeric models for computation. Swift continued with these equations, deriving expressions for the acoustic power in thermoacoustic devices. In 1992 a similar thermoacoustic refrigeration device was used on Space Shuttle Discovery. Niche applications such as small to medium scale cryogenic applications. Score Ltd. was awarded £2M in March 2007 to research a cooking stove that also delivers electricity and cooling for use in developing countries. A radioisotope heated thermoacoustic system was proposed and prototyped for deep space exploration missions by Airbus. The system has slight theoretical advantages over other generator systems like existing thermocouple based systems, or a proposed Stirling engine used in ASRG prototype. SoundEnergy developed the THEAC system that turns heat, typically waste heat or solar heat into cooling with no other power source. The device uses argon gas. The device amplifies sound created by the waste heat, converts the resulting pressure back into another heat differential and uses a Stirling cycle to produce the cooling effect. Higher hot end temperatures may be possible with thermoacoustic devices because they have no moving parts, thus allowing the Carnot efficiency to be higher. This may partially offset their lower efficiency, compared to conventional heat engines, as a percentage of Carnot. The ideal Stirling cycle, approximated by traveling wave devices, is inherently more efficient than the ideal Brayton cycle, approximated by standing wave devices. However, the narrower pores required to give good thermal contact in a travelling wave device, as compared to a standing wave stack which requires deliberately imperfect thermal contact, also gives rise to greater frictional losses, reducing practical efficiency. The toroidal geometry often used in traveling wave devices, but not required for standing wave devices, can also boost losses due to Gedeon streaming around the loop.