Введение
Исследование теплозвуковых взаимодействий
Термоакустика – это взаимодействие между изменениями температуры, плотности и давления акустических волн. Термоакустические тепловые двигатели могут быть легко приведены в действие с использованием солнечной энергии или вторичного тепла и могут управляться с помощью пропорционального регулирования. Они способны использовать тепло, доступное при низких температурах, что делает их идеальными для рекуперации тепла и маломощных применений. Компоненты, входящие в состав термоакустических двигателей, обычно значительно проще, чем в традиционных двигателях. Устройством легко управлять и обслуживать его. Термоакустические эффекты можно наблюдать при соединении частично расплавленных стеклянных трубок со стеклянными сосудами. Иногда спонтанно возникает громкий и монотонный звук. Подобный эффект наблюдается, если одна сторона трубы из нержавеющей стали находится при комнатной температуре (293 К), а другая – в контакте с жидким гелием при 4,2 К. В этом случае наблюдаются спонтанные колебания, известные как «колебания Такониса». Математическую основу термоакустики заложил Николаус Ротт. Позднее развитие области было вдохновлено работами Джона Уитли и Свифта с коллегами. Технологически термоакустические устройства обладают преимуществом отсутствия движущихся частей, что делает их привлекательными для применений, где надежность играет ключевую роль.
Thermoacoustics is the interaction between temperature, density and pressure variations of acoustic waves. Thermoacoustic heat engines can readily be driven using solar energy or waste heat and they can be controlled using proportional control. They can use heat available at low temperatures which makes it ideal for heat recovery and low power applications. The components included in thermoacoustic engines are usually very simple compared to conventional engines. The device can easily be controlled and maintained. Thermoacoustic effects can be observed when partly molten glass tubes are connected to glass vessels. Sometimes spontaneously a loud and monotone sound is produced. A similar effect is observed if one side of a stainless steel tube is at room temperature (293 K) and the other side is in contact with liquid helium at 4.2 K. In this case, spontaneous oscillations are observed which are named "Taconis oscillations". The mathematical foundation of thermoacoustics is by Nikolaus Rott. Later, the field was inspired by the work of John Wheatley and Swift and his co workers. Technologically thermoacoustic devices have the advantage that they have no moving parts, which makes them attractive for applications where reliability is of key importance.
Системы с перемещающимися волнами
На рисунке 3 представлена схематическая иллюстрация двигателя с тепловой акустической волной. Он состоит из резонаторной трубы и контура, включающего регенератор, три теплообменника и обходной контур. Регенератор – это пористая среда с высокой теплоемкостью. При движении газа взад и вперед через регенератор он периодически накапливает и отдает тепло материалу регенератора. В отличие от стека, поры в регенераторе значительно меньше глубины теплового проникновения, что обеспечивает очень хороший тепловой контакт между газом и материалом. В идеальном случае, поток энергии в регенераторе равен нулю, поэтому основной поток энергии в контуре проходит от горячего теплообменника через импульсную трубу и обходной контур к теплообменнику на противоположной стороне регенератора (основному теплообменнику). Энергия в контуре переносится посредством движущейся волны, как показано на рисунке 1c, отсюда и название – системы с движущейся волной. Отношение объемных расходов на концах регенератора равно TH/Ta, поэтому регенератор выступает в роли усилителя объемного расхода. Подобно системе с стоячей волной, машина "самопроизвольно" генерирует звук, если температура TH достаточно высока. Возникающие колебания давления могут быть использованы различными способами, например, для выработки электроэнергии, охлаждения и теплового насоса.