Зачем гудят трубы
Способы возбуждения звука c помощью тепла были описаны ещё в 1877 г. английским физиком Джоном Рэлеем в его фундаментальном труде «Теория звука». В середине прошлого века интерес к изучению термоакустических колебаний возобновился - учёным нужно было исследовать неустойчивые процессы в камерах сгорания энергетических установок с большими перепадами температур, таких как реактивные двигатели.
Термоакустические колебания долго считались сугубо паразитным явлением, которое старались только подавлять. Типичный пример - «поющие» водопроводные трубы. Однако в середине 1960-х американский учёный венгерского происхождения Николас Ротт открыл, что звуковое поле может формировать однонаправленный поток тепла. В настоящее время на основе термоакустического эффекта создаются криогенные холодильники и тепловые двигатели.
От открытия до применения
Различают прямой и обратный термоакустические эффекты. Прямой термоакустический эффект впервые был сформулирован ещё Джоном Рэлеем: «Если газу в момент наибольшего сжатия передавать тепло, а в момент наибольшего разрежения тепло отбирать, то это стимулирует акустические колебания». Таким образом, прямой термоакустический эффект описывает условия преобразования тепловой энергии в акустическую.
Обратный термоакустический эффект - это преобразование энергии акустической волны в градиент температур, происходящее в пористой среде. В 1964 г. американцы Гиффорд и Лонгсворт подробно исследовали этот эффект, после чего успешно применили его для создания холодильника на основе стоячей звуковой волны, получившего название пульсационной трубы.
Тепловой насос
С коммерческой точки зрения среди всевозможных термоакустических устройств наиболее востребованны криогенные мини-холодильники. Практически все крупные производители криогенных систем перешли на пульсационные трубы, когда выяснили, что традиционный компрессор можно заменить на более долговечный электрический виброгенератор. Пульсационные трубы настолько надёжны, что работают в сложнейших условиях космоса по 10 лет и более.
Пульсационная труба устроена очень просто. Её часть с одного конца заполнена пенообразным легкопроницаемым материалом. Попадая в этот материал, колеблющийся газ сжимается и ускоряется в своём движении. И если в трубе поддерживается стоячая акустическая волна, с одной стороны пенообразной вставки всё время поддерживается область повышенного разрежения рабочего газа, а с другой - повышенного сжатия, откуда и возникает необходимая разница температур.
Поскольку пульсационные трубы не требуют смазки и позволяют обойтись без фреона, ущерб окружающей среде сводится к минимуму. Недаром акустическая технология охлаждения всё чаще привлекает внимание производителей бытовых холодильников и морозильных камер.
Двигатель
Примечательно, что создатели термоакустических двигателей идут двумя разными путями. Одни дорабатывают пульсационную трубу таким образом, чтобы она наиболее эффективно действовала в обратном режиме, то есть преобразовывала разницу температур в пульсации давления газа. Другие - отталкиваются от двигателей Стирлинга.
Исследования в последнем направлении ускорились благодаря буму в области возобновляемой энергии. Дело в том, что двигатель Стирлинга предусматривает внешний подвод тепла. А это очень удобно, если необходимо использовать солнечную, геотермальную энергию, органическое топливо с переменным химическим составом, а также сбросное тепло различных производственных предприятий.
В двигателе Стирлинга a-типа имеются холодный и горячий цилиндры (см. рис. 1). При вращении вала поршни перегоняют газ из одного цилиндра в другой, обеспечивая термодинамический цикл.
«Ядро» двигателя включает два теплообменника (горячий и холодный), а также регенератор (многослойную металлическую сетку) в канале между цилиндрами. Регенератор - это тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор, который запасает тепловую энергию. Когда газ движется обратно, он подогревается в регенераторе. Хороший регенератор увеличивает КПД двигателя в разы.
Работая над упрощением конструкции a-двигателя Стирлинга, исследователи обнаружили, что синфазные синусоидальные колебания давления и скорости газа в канале между цилиндрами практически не отличаются от колебаний давления и скорости газа в бегущей звуковой волне. И это наблюдение натолкнуло их на идею построить двигатель Стирлинга, который вообще не будет иметь поршней (см. рис. 2). И он заработал!
цилиндров – закольцованная труба
Как видите, термоакустический двигатель на бегущей волне имеет точно такое же «ядро», как и двигатель Стирлинга a-типа. Только вместо поршней и шатунов здесь применена закольцованная труба, по сути - резонатор.
Шорох-стартёр
Звуковая волна в кольце возникает после того, как между теплообменниками появится достаточная разница температур. Система, обладающая положительной акустической обратной связью, усилит любой посторонний внешний звук, вернее - его спектральную составляющую, близкую к резонансной частоте кольцевой трубы. Громкость звука внутри двигателя будет увеличиваться до тех пор, пока нарастающие потери не уравновесят мощность теплового звукоусилителя.
Термоакустические двигатели устойчиво работают при разницах температур свыше 100 °C, обеспечивая КПД порядка 10%. Уменьшить требования к источнику тепла можно путём установки нескольких наборов теплообменников и регенераторов (см. рис. 3).
Для снятия мощности с термоакустического двигателя нужен какой-либо механический элемент, например, колеблющаяся мембрана, соединённая с линейным электрогенератором (в простейшем случае - динамик).
Интересное решение предложили в 2014 г. сотрудники исследовательской компании Aster Thermoacoustics (Нидерланды). Они разработали импульсную турбину, ротор которой всегда вращается в одном направлении, не зависящем от направления движения рабочего газа (см. рис. 4). Подобная турбина помогла увеличить амплитуду воздушных колебаний и преодолеть массогабаритные ограничения линейных генераторов, которые при мощности свыше 10 кВт становятся слишком громоздкими для практического применения.
