Тепловой насос, работающий на звуке

Введение

Термоакустические двигатели (иногда называемые "ТА-двигателями") – это термоакустические устройства, использующие звуковые волны высокой амплитуды для перекачки тепла из одного места в другое (для этого требуется энергия, обеспечиваемая громкоговорителем) или использующие разницу температур для выработки энергии в виде звуковых волн (эти волны затем могут быть преобразованы в электрический ток аналогично тому, как это делает микрофон). Эти устройства могут быть сконструированы для работы с использованием стоячей или бегущей волны. По сравнению с компрессионными холодильниками, термоакустические холодильники не содержат хладагента и имеют небольшое количество движущихся частей (только громкоговоритель), поэтому не требуют динамической герметизации или смазки.

История

Способность тепла производить звук была замечена стеклодувами много веков назад. В 1850-х годах эксперименты показали, что температурный градиент является причиной этого явления, и что акустический объем и интенсивность изменяются в зависимости от длины трубы и размера баллона. Рике продемонстрировал, что добавление нагретой проволочной сетки на четверти высоты трубы значительно усиливает звук, передавая энергию воздуху в трубе в точке максимального давления. Дальнейшие эксперименты показали, что охлаждение воздуха в точках минимального давления производит аналогичный эффект усиления, используя естественную конвекцию. Около 1887 года лорд Рэлей обсудил возможность перекачки тепла с помощью звука. В 1969 году Ротт вновь поднял эту тему. Используя уравнения Навье-Стокса для жидкостей, он вывел уравнения, специфичные для термоакустики. Были разработаны линейные термоакустические модели для формирования базового количественного понимания, а также численные модели для расчетов. Свифт продолжил работу над этими уравнениями, получив выражения для акустической мощности в термоакустических устройствах. В 1992 году аналогичное термоакустическое холодильное устройство было использовано на космическом шаттле «Дискавери». Нишевые области применения включают криогенные системы малого и среднего масштаба. В марте 2007 года компания Score Ltd. получила 2 миллиона фунтов стерлингов на исследование кухонной плиты, которая также обеспечивает электроэнергией и охлаждением для использования в развивающихся странах. Airbus предложил и создал прототип термоакустической системы с радиоизотопным нагревом для миссий по исследованию дальнего космоса. Система имеет небольшие теоретические преимущества перед другими генераторными системами, такими как существующие термоэлектрические системы или предлагаемый двигатель Стирлинга, используемый в прототипе ASRG. SoundEnergy разработала систему THEAC, которая преобразует тепло, обычно отходящее или солнечное, в охлаждение без использования других источников энергии. Устройство использует аргон. Оно усиливает звук, создаваемый отходящим теплом, преобразует полученное давление обратно в тепловой градиент и использует цикл Стирлинга для получения охлаждающего эффекта. Более высокие температуры горячего конца могут быть достигнуты с термоакустическими устройствами, поскольку они не имеют движущихся частей, что позволяет повысить эффективность Карно. Это может частично компенсировать их более низкую эффективность по сравнению с традиционными тепловыми двигателями, выраженную в процентах от эффективности Карно. Идеальный цикл Стирлинга, аппроксимируемый устройствами с бегущей волной, по своей сути более эффективен, чем идеальный цикл Брэйтона, аппроксимируемый устройствами с стоячей волной. Однако более узкие поры, необходимые для обеспечения хорошего теплового контакта в устройстве с бегущей волной, по сравнению со стопкой стоячей волны, которая требует намеренно неидеального теплового контакта, также приводят к большим потерям на трение, снижая практическую эффективность. Тороидальная геометрия, часто используемая в устройствах с бегущей волной, но не требуемая для устройств с стоячей волной, также может увеличить потери из-за потока Гедеона вокруг контура.

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.