Мы привыкли к тому, что зоны сжатия и разряжения, распространяющиеся в воздушной среде, используются нами в обыденной жизни для коммуникации друг с другом — попросту говоря, мы слышим речь друг друга и шумы окружающего мира, благодаря атмосфере.

Но, как ни странно, есть один способ, который позволяет применять энергию звуковой волны для несколько необычных целей: для использования в холодильниках, двигателях и даже генераторах электричества!

И интересным способом такого применения энергии звуковой волны являются устройства, которые носят в одном случае название термоакустического холодильника, а в другом — двигателя.

Предыстория

Термоакустические эффекты стали известны не вчера — первыми наблюдали этот интересный эффект ещё стеклодувы XVIII века: если длинную стеклянную трубку (у которой один конец закрыт наподобие пробирки), — нагреть в пламени горелки, а потом резко охладить открытый конец, например, с помощью обдувания его воздухом, то начинал генерироваться достаточно громкий звук, частота которого могла достигать 1000 Гц — и это явление получило название «пение стекла».

Причём, если изначально этот эффект был открыт случайно, то в дальнейшем, уже в XVIII веке, этот эффект использовался целенаправленно, например, немецкими мастерами-стеклодувами он применялся для проверки качества стекла, так как некачественное стекло при такой проверке издавало дребезжащий звук.

Принцип действия таких поющих трубок был следующим: разогретый воздух выталкивался наружу из трубки, где сжимался, и втягивался обратно.

Так как разница температур между горячей трубкой и относительно низкой температурой окружающей среды сохранялись в течение некоторого времени (пока трубка не остыла окончательно), это приводило к возникновению самоподдерживающихся колебаний, с частотой, определяющейся по формуле f= V/4L, где V — скорость звука, L — длина трубы.

В дальнейшем этот эффект исследовался рядом учёных, из которых в XIX веке Лорд Рэлей впервые сформулировал в своём труде «Теория Звука», что акустические волны могут служить и для переноса тепла.

Тут из интересного можно упомянуть ещё то, что в те же годы, в XIX веке профессором Лейденского университета Rijke был открыт способ генерации звуковых колебаний в открытой с двух сторон цилиндрической трубе, куда помещается металлическая сетка и нагревается — в результате это приводит к генерации весьма громкого звук одного и того же тона, — это устройство получило название трубка Рийке.

В целом можно сказать, что основное развитие технологий термоакустических устройств приходится на период с 1960-х гг 20 века — по настоящее время, и, если первые аппараты были достаточно скромными, работая в пределах КПД менее 1%, то в дальнейшем, их эффективность росла, и, в данный момент находится в пределах 20-25%, тогда как скажем, широко распространённые компрессионные холодильники показывают КПД в районе 30-35%, а абсорбционные — 15-20%.

Тем не менее, несмотря на несколько меньшую эффективность, по сравнению со стандартными компрессионными холодильниками, термоакустические холодильники могут работать более 20 лет, ввиду крайней простоты устройства, являются очень экологичными, так как не используют в своей конструкции вредных газов.

Тем не менее, несмотря на свои плюсы, у них есть и минусы, одним из которых является высокая стоимость, в виду малого масштаба производства.
И тут мы подошли к самому главному: а какова всё-таки конструкция таких устройств?

Конструкция

В конце статьи будет интересное видео, где термоакустические устройства показаны в виде собранных самостоятельно небольших работающих макетов, на которых наглядно видно как это всё функционирует.

Все картинки ниже можно увеличить, кликнув на них.

Среди типовых конструкций термоакустических устройств можно выделить три варианта:

Двигатель:



Как видно на схеме, устройство представлено закрытой с одной стороны трубой, где левая часть трубы нагревается пламенем горелки, после которой следует находящаяся прямо в трубе пачка горизонтальных пластин, в качестве материала которых может применяться, например, нержавеющая сталь или металлическая вата, после которой, следует секция охлаждения (но это ещё не собственно холодильник, так как единственное назначение этого теплообменника — поддерживать градиент температур на блоке пластин), на которую можно одеть радиатор, для усиления эффекта.

После правого радиатора следует, так называемый «резонатор», в котором и возникают стоячие волны, а звук излучается из правого открытого конца трубы.

Холодильник:



Здесь мы уже видим, что всё стало существенно интереснее: если в варианте выше мы излучали звук, то здесь мы уже заставляем установку поглощать звук: в открытый конец трубы вставлен самый настоящий звуковой динамик (наподобие того, который используется в звуковых колонках) и мы излучаем звук прямо внутрь трубы.

После динамика, мы видим, что также внутри трубы расположен блок пластин или стальной ваты, где с левой стороны от которого располагается радиатор для излучения тепла в пространство, а вот уже справа, тот самый радиатор, который нам нужен — это самый натуральный холодильник, который будет поглощать тепло из окружающего пространства; после радиатора-холодильника следует также труба резонатора, заглушенная с правой стороны.

Предыдущие два варианта конструкций были так называемыми «конструкциями для стоячей волны» и, в противовес этим вариантам, есть третий вариант термоакустических устройств (может работать и как двигатель и как холодильник) — который использует бегущую по кольцу волну:

Электроакустический двигатель* на бегущей (по кольцу) волне:

*Деление на «двигатели» и «холодильники» довольно условно и в электроакустических устройствах, с условным названием «двигатель» присутствует возможность получать или холод или полезную работу (что то одно, в один момент времени и общую абстрактную конструкцию конфигурируют под конкретную задачу). Поэтому, лучше, наверное, назвать «устройство» — но почему то так прижилось.

Как можно заметить, он содержит замкнутый контур, в котором находится участок с мелкой металлической ватой, который с двух сторон окружён двумя теплообменниками, из которых верхний и нижний предназначены для нагрева газа, а средний — для его охлаждения.

Длина трубки-резонатора выбирается для таких термоакустических устройств равной половине или четверти длины звуковой волны.

Для повышения эффективности системы, в настоящее время не используют её работающей под атмосферным давлением, для чего накачивают до давления в 10-30 атмосфер и, в самом простом случае, — может использоваться и атмосферный воздух, тем не менее, для повышения теплопроводности, устройство могут наполнять гелием – так как он проводит тепло в шесть раз лучше чем воздух, в результате чего обеспечивает гораздо лучший теплообмен в стопке пластин или металлической вате (кстати говоря, эта часть устройства называется «регенератором»).

Ещё две причины, почему не воздух: первая — воздух обладает вязкостью, превосходящей гелий в 1,8 раз, что существенно увеличивает потери мощности при работе на больших частотах (на частотах более примерно 100 Гц).

Во-вторых — при нагреве до больших температур, кислород атмосферного воздуха начинает окислять металлические детали устройства, что явно не есть хорошо и скажется на его долговечности и ухудшает в целом теплообмен.

Тем не менее, установки на атмосферном воздухе всё-таки существуют, например, в MIT используется такая для работ студентов, и функционирует под давлением в три атмосферы, где воздух колеблется при частоте в 80 Гц, обеспечивая демонстрационный перепад температур в 15°С.

Также, в виду своей простоты, подобные холодильники получили широкое распространение в Индии.

Например, институтом энергетики и ресурсов Индии (TERI) ещё в 2016 году были опробованы первые версии таких холодильников, установленные в отдалённых деревнях.

Холодильники были построены на базе стальной трубы диаметром 80 мм, заполненной атмосферным воздухом, под давлением в 2 с небольшим атмосферы, где воздух под давлением для закачки был обеспечен с помощью компрессора, снятого с автомобильного кондиционера.

Горячая часть холодильника нагревалась солнцем, с использованием солнечного коллектора — т.е. это «термоакустический холодильник обратного действия», где вместо динамика, возбуждающего звуковую волну в классическом варианте, использован внешний нагрев.

Установка смогла обеспечить перепад температур порядка 30°C, а для достижения минимального значения температур, требовалось, в среднем, порядка трёх часов, при нагреве горячего конца до 180°С.

Стартовав с 20 установок в 2016 году, к 2023 году количество функционирующих установок в рамках проекта насчитывало уже более 400 штук.

При рассмотрении любой конструкции подобного холодильника, наверняка, у читателя возникнет вопрос: а как вообще такая установка может применяться для полезных целей, если она работает на основе звуковых волн, и, по идее, является достаточно шумной?!

Вопрос вполне резонный, но с этой проблемой успешно борются: просто вокруг резонатора сооружают ещё одну трубу, из которой откачивают воздух — таким образом, создаётся вакуумированный объём, который не может передавать звуковые колебания объектам вокруг; дополнительно, все установка может быть установлена на мягкое основание (эластичные ножки) и дополнительно звукоизолирована. Кстати, вакуум вокруг резонатора служит и другой цели – теплоизоляции, что повышает эффективность устройства в целом.

Таким образом, если до всех процедур установка излучала бы шум порядка 70 дБ (на уровне пылесоса), то после них, её шум не превышает 40 дБ (как речь человека).

Перспективным, в направлении которого идёт работа, является перевод таких установок на высокие частоты (более 1 кГц), которые уже являются не такими раздражающими для человека.

В целом, если подытожить, то можно сказать, что несмотря на несколько меньшую эффективность, чем у компрессионных и адсорбционных холодильников, — термоакустические холодильники, «берут», в частности, тем, что у них нет движущихся частей, что увеличивает надёжность, которая, по результатам некоторых исследований, может уменьшать эксплуатационные расходы вплоть до 40%.

Тем не менее, на данный момент они менее распространены чем классические, что увеличивает их стоимость из-за относительно малого объёма производства.

Ну и обещанное видео, где показываются самодельные модели таких холодильников — ниже. Что особенно, на мой взгляд, интересно, в первом видео, с 4:30 показывается вариант электрического генератора, построенного на базе термоакустического двигателя, который работает на обычном атмосферном воздухе, атмосферного давления, от простой свечки. Интересный «гиковский» вариант, для освещения квартиры, когда отключили свет или где то в походных условиях. Светит довольно ярко: