Рис.1. Четырёхступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной
Термоакустический двигатель с бегущей волной — это двигатель с внешним подводом тепла. Двигатель преобразует тепловую энергию в акустическую, благодаря совершению термодинамического цикла, наиболее близкого к циклу Стирлинга. Далее, акустическую энергию можно преобразовать в электроэнергию с помощью двунаправленной турбины, подключённой к электрогенератору и таким образом получить тепловой генератор с минимумом движущихся частей и электрическим КПД равным 30 — 50 % от КПД цикла Карно.
Каков принцип работы двигателя ?
Гифка. 1. Двигатель Стирлинга альфа типа
Для начала рассмотрим двигатель Стирлинга альфа типа. Если отбросить все второстепенные детали, то он состоит из: цилиндра, в котором происходят сжатия, расширения и перемещения газа; поршней, которые собственно и осуществляют манипуляции с газом; теплообменников, которые подводят и отводят тепловую энергию; и регенератора, который запасает тепло при прохождении газа из горячего в холодный теплообменник, а затем отдаёт тепло при движении газа обратно.
При разности фаз 90 градусов между движением поршней реализуется термодинамический цикл, который в итоге производит работу над поршнями. Так обычно описывают работу двигателя Стирлинга.
Но можно посмотреть на этот процесс иначе. Несколько суток всматриваясь в гифку 1., можно понять, что сжатия, расширения и перемещения газа — это по сути всё тоже самое, что происходит в акустической волне. А если это тоже самое, значит это и есть акустическая волна.
Гифка. 2 Одноступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной
Таким образом вполне возможно избавиться от поршней и заменить их на акустический резонатор, в котором будет образовываться акустическая волна и производить всю работу поршней.
Данная конструкция — это акустическая автоколебательная система, которую можно сравнить с электрической автоколебательной системой. Здесь есть резонатор (как резонансный контур в электрической схеме) в виде закольцованной трубы и элемент, усиливающий акустические колебания — регенератор (как источник питания, подключаемый в нужный момент времени в электрической схеме). При увеличении разности температур между теплообменниками, увеличивается коэффициент усиления мощности акустической волны, проходящей через регенератор. Когда усиление в регенераторе становиться больше чем затухание при прохождении волны через остальные элементы, происходит самозапуск двигателя.
В самый начальный момент времени, при старте двигателя, происходит усиление шумовых колебаний неизбежно присутствующих в газе. Причём, из всего спектра шума усиливаются в основном только колебания с длиной волны равной длине корпуса двигателя (Длина волны с основной резонансной частотой). И далее, при работе двигателя, подавляющая часть акустической энергии приходится на волну с основной резонансной частотой. Данная акустическая волна представляет собой сумму бегущей и стоячей волн. Стоячая компонента волны возникает по причине отражения части волны от теплообменников и регенератора и наложения этой отражённой волны на основную. Наличие стоячей составляющей волны снижает эффективность, что необходимо учитывать при конструировании двигателя.
Рассмотрим свободную бегущую волну. Такая волна возникает в резонаторе двигателя.
Гифка. 3 Графики температуры и давления в бегущей акустической волне в резонаторе
В резонаторе волна очень слабо взаимодействует со стенками резонатора (гифка. 3), так как диаметр резонатора слишком большой, чтобы оказывать сильное влияние на такие параметры газа как температура и давление. Но влияние всё же есть. Во первых, резонатор задаёт направление движения волны, во вторых волна теряет энергию в резонаторе по причине взаимодействия со стенкой в приграничном слое газа. На анимации можно видеть, что произвольно взятая элементарная порция газа в свободной волне нагревается при сжатии и остывает при расширении, то есть сжимается и расширяется почти адиабатически. Почти адиабатически — это потому, что у газа присутствует теплопроводность, хоть и небольшая. При этом в свободной волне зависимость давления от объёма (PV диаграмма) представляет собой линию. То есть как газ не совершает работу, так и над газом не совершается работа.
Совершенно иная картина наблюдается в регенераторе двигателя
Гифка. 4 Графики температуры и давления в регенераторе
В присутствие регенератора газ расширяется и сжимается уже не адиабатически. При сжатии газ отдаёт тепловую энергию регенератору, а при расширении отбирает энергию и зависимость давления от объёма уже представляет собой овал. Площадь этого овала численно равна работе совершаемой над газом. Таким образом в каждом цикле совершается работа, что приводит к усилению акустических колебаний. На гифке 4 на графике температуры белая линия — температура поверхности регенератора, а синяя — температура элементарной порции газа.
Основные постулаты при взаимодействии волны с регенератором таковы: первый постулат — в регенераторе присутствует градиент температуры с максимумом у горячего теплообменника и минимумом у холодного и второй постулат — это то что газ сильно термически взаимодействует с поверхностью регенератора, то есть моментально принимает локальную температуру регенератора (синяя линия лежит на белой). Для того чтобы добиться хорошего теплового контакта между газом и регенератором необходимо делать поры в регенераторе маленьких размеров — порядка 0.1 мм и меньше (в зависимости от используемого газа и давления в двигателе).
Из чего состоит регенератор? Обычно он представляет собой стопку из стальных сеток. Здесь, в анимации он показан, как набор из параллельно расположенных пластин. Такие регенераторы тоже существуют, но более сложные в изготовлении, чем из сеток.
Из чего состоит термоакустический двигатель с бегущей волной?
Рис.2. Обозначения элементов одноступенчатого двигателя
Про теплообменники, регенератор и резонатор уже всё понятно. Но обычно в двигатель ставят ещё вторичный холодный теплообменник. Его основная цель — не допустить прогрева полости резонатора горячим теплообменником. Высокая температура газа в резонаторе плоха тем, что у горячего газа выше вязкость, а значит выше и потери в волне, затем высокая температура снижает прочность резонатора и ещё зачастую есть необходимость поставить в резонатор далеко не жаропрочную аппаратуру, как например пластиковый турбогенератор, который не выдержит нагрева. Полость между горячим теплообменником и вторичным холодным называют термальной буферной трубкой. Она должна быть такой длины, чтобы тепловое взаимодействие между теплообменниками не было существенным.
Наибольшая эффективность достигается при установке турбины в резонатор со стороны горячего теплообменника, то есть сразу за вторичным холодным.
Одноступенчатый двигатель изображённый на рис.2 называется двигателем Цеперли, так как его конструкцию впервые придумал Питер Цеперли.
Рис.3. Схема четырёхступенчатого двигателя
Одноступенчатую конструкцию можно улучшить. Де Блок в 2010 году предложил вариант четырёхступенчатого двигателя (рис. 3). Он увеличил диаметр теплообменников и регенератора относительно диаметра резонатора, для того чтобы уменьшить скорость газа в области регенератора и тем самым снизить трение газа о регенератор, а также увеличил количество ступеней до четырёх. Увеличение количества ступеней приводит к уменьшению потерь акустической энергии. Во первых сокращается длина резонатора для каждой ступени и потери энергии в резонаторе уменьшаются. Во вторых уменьшается разность между фазами скорости и давления в зоне регенератора (убирается стоячая компонента волны). При этом уменьшается минимальная разность температур, необходимая для запуска двигателя.
Так — же можно построить двигатель с двумя, с тремя и более чем с четырьмя ступенями. Выбор количества ступеней — это дискуссионный вопрос.
При прочих равных, мощность двигателя определяется диаметром ступени, чем он больше, тем больше мощность. Длину корпуса двигателя следует выбирать такую, чтобы частота колебаний желательно была менее 100 Гц. При слишком коротком корпусе — то есть, при слишком высокой частоте колебаний потери акустической энергии увеличиваются.
Далее я опишу постройку такого двигателя.
Создание двигателя
Двигатель, который я буду описывать — это тестовый мини прототип. Не планируется, что он будет вырабатывать электроэнергию. Он нужен для отработки технологии преобразования тепловой энергии в акустическую, и слишком мал, для того чтобы встроить в него турбину и вырабатывать электроэнергию. Для выработки электроэнергии готовиться более крупный прототип.
Рис. 4. Корпус
Итак, изготовление я начал с корпуса. Он состоит из 4 — х ступеней и 4 — х резонаторов и топологически представляет собой полый бублик согнутый два раза пополам на 180 градусов. Ступени соединяются с резонаторами при помощи фланцев. Весь корпус сделан из меди. Это нужно для того чтобы иметь возможность быстро впаять что либо в корпус и так же быстро выпаять. Резонаторы изготовлены из медной трубки внешним диаметром 15 мм и внутренним 13 мм. Ступень из трубы внешним диаметром 35 мм и внутренним 33 мм. Длина ступени от фланца до фланца — 100 мм. Суммарная длина корпуса — 4 м.
Рис. 5. Горячий (слева) и холодный (справа) теплообменники
Затем сделал теплообменники. Это пластинчатые теплообменники. Основные элементы конструкции данных теплообменников — это вот такие медные пластины и шайбы
Рис. 6. Медная пластина и медная шайба
Размеры теплообменников: диаметр около 32,5 мм, толщина пластин 0.5 мм, расстояние между пластинами 0.5 мм, внешний диаметр шайбы 10 мм, внутренний 7 мм, длина холодного теплообменника 20 мм, горячего 15 мм
У горячего теплообменника электрический нагрев осуществляется при помощи установленной в центральное отверстие нихромовой нити. Максимальная тепловая мощность 100 Вт. Как бы не было парадоксально, использовать электричество для запуска электрогенератора, но это очень удобно для тестового прототипа. Использование нагрева электричеством, а не газом ли какой либо другой тепловой энергией избавляет от трудностей с подсчётом входящей тепловой энергии, так как в случае электронагрева достаточно просто умножить напряжение на силу тока и будет точно известна входящая тепловая мощность. Точно измерить входящую тепловую мощность — это важно для подсчёта КПД.
Холодный теплообменник охлаждается пропусканием сквозь центральный канал охлаждающей жидкости, в данном случае воды. Нагретая в теплообменнике вода поступает во внешний охладительный радиатор, в качестве которого используется радиатор от печки такого суперкара как «Жигули»
Рис. 7. Медный радиатор отопителя от ВАЗ-2101-8101050
После прохождения через охладительный радиатор вода возвращается в холодный теплообменник. Циркуляцию воды осуществляет циркуляционный насос постоянного тока Topsflo Solar DC Circulation Pump 5 PV.
Рис. 8. Циркуляционный водяной насос 12В
Рис. 9. Одна из сеток регенератора
Регенератор — стопка из 20 штук нержавеющих сеток с диаметром проволоки — 0.2 мм и расстоянием между проволоками в сетке — 0.71 мм
Рис. 10. Детали, входящие в состав одной ступени
Рис. 11. Ступень в разрезе
На данных рисунках можно видеть, что кроме теплообменников и регенератора, внутри ступени присутствуют алюминиевые вставки. Они нужны просто для того чтобы можно было вывести провода для горячего теплообменника и штуцеры для холодного теплообменника через стенку трубы. Без этих вставок выводить пришлось бы через фланцы, что очень неприятно или даже невозможно. Так что в каждой из вставок имеется отверстие диаметром 13 мм, точно такое же как диаметр резонатора и таким образом вставка по акустическим свойствам ничем не отличается от резонатора — то есть является его продолжением.
Рис. 12. Алюминиевая вставка в корпусе
Так выглядит холодный теплообменник внутри корпуса:
Рис. 13. Впаянный теплообменник
Электроника и измерительное оборудование
Основным напряжением всей системы я выбрал 12 В, так как можно легко найти дешёвый и достаточно мощный блок питания — блок питания для компьютера. Я выбрал блок питания Aerocool VX 650W, так как максимальная необходимая электрическая мощность должна составлять чуть больше 400 Вт.
Рис. 14. Блок питания Aerocool VX 650W
В качестве контроллера системы использовал Arduino Mega 2560. К ней подключал все датчики и регуляторы
Рис. 15. Arduino Mega 2560
А мощность нагрева горячих теплообменников регулируется с помощью Широтно Импульсной Модуляции. Для этого я использовал четырёхканальный драйвер транзисторов IRF 520 для Arduino.
Рис. 16. Четырёхканальный драйвер транзисторов IRF 520 для Arduino
Транзисторы пришлось разместить на радиатор, так как они выходили из строя от перегрева уже при мощности свыше 10 Вт через транзистор.
Управление мощностью насоса осуществлялось так же с помощью ШИМ, но только через модуль — силовой ключ Troyka-Mosfet V3.
Рис. 17. Troyka-Mosfet V3 — силовой ключ на основе IRLR8113 для Arduino
Измерение силы тока, проходящего через горячие теплообменники, происходит при помощи датчика тока 20 А для Ардуино.
Рис. 18. Датчик тока 20 A (слева) и модуль для термопар типа K — MAX6675 (справа)
Так же, необходимо измерить температуру теплообменников, для этого используются термопары типа К и модуль для термопар типа K — MAX6675, который оцифровывает напряжение с термопар, ведь оно слишком мало, чтобы подавать его напрямую на Ардуино.
Рис. 19. Термопары типа К в медной трубке
Термопары вклеены в медные трубки при помощи высокотемпературного герметика со стороны спая и при помощи эпоксидной смолы со стороны провода. Это сделано для того, чтобы впаять их в медный корпус двигателя
Теперь остаётся только измерить давление в двигателе и акустические колебания, то есть колебания давления, чтобы узнать акустическую мощность двигателя. С одной стороны, можно измерять и среднее за цикл давление в двигателе (опорное давление) и синусоидальные колебания давления одним и тем же датчиком абсолютного давления. Но в таком случае, большая часть диапазона измерения датчика будет не задействована, так как амплитуда колебаний давления в 10 и более раз меньше, чем само опорное давление. То есть на измерение именно колебаний давления остаётся небольшое разрешение. По этому была необходимость разделить опорное давление и колебания давления, чтобы измерять колебания давления другим датчиком — датчиком с диапазоном измерения подходящем к амплитуде колебаний в волне. Для этих целей была сделана небольшая буферная ёмкость и соединена с полостью двигателя через очень тонкую капиллярную трубку. Трубка настолько тонкая, что заполнение ёмкости через неё давлением 1 атм происходит около 3 секунд.
Рис. 20. Буферная ёмкость для измерения колебаний давления в резонаторе
Для чего это всё сделано? А для того, что благодаря капиллярной трубке в буферной ёмкости образуется среднее за цикл давление, ведь типичная частота колебаний в двигателе 80 Гц, то есть период равен 0,0125 секунды, а повышение давления на величину амплитуды колебаний займёт порядка секунды. Таким образом, колебания давления в ёмкости исключены, но в то же время там присутствует среднее давление за цикл и можно уже измерять относительное давление между этой ёмкостью и двигателем. Как раз это нам и требовалось.
Давление в двигателе можно повышать до 5 атм с помощью ножного автомобильного насоса.
Для измерения среднего давления за цикл, к буферной ёмкости был подключён датчик абсолютного давления MPX5700AP, а для измерения колебаний давления был подключён дифференциальный датчик давления MPX5050DP между ёмкостью и резонатором двигателя.
Рис. 21. Датчик абсолютного давления MPX5700AP (слева) и дифференциальный датчик давления MPX5050DP (справа)
Первый запуск
Рис. 22. Красивое свечение датчиков при работе двигателя в темноте
Первая попытка запуска двигателя состоялась с готовой одной из четырёх ступеней. Остальные ступени были пустыми (без теплообменников и регенератора). При нагреве горячего теплообменника вплоть до максимальной температуры 250 градусов по Цельсию, запуска не произошло.
Затем состоялась вторая попытка запуска на двух ступенях. Ступени были расположены на расстоянии в половину длины корпуса друг от друга. Снова, при нагреве горячих теплообменников до 250 градусов, двигатель не запустился. Температура холодных теплообменников во всех экспериментах была около 40 градусов по Цельсию, рабочее тело во всех экспериментах — воздух, имеющий атмосферное давление.
Первый успешный запуск состоялся при работе всех 4-х ступеней. Температура горячих теплообменников в момент запуска составила 125 градусов. При работе на максимальной тепловой мощности 372 Вт (то есть по 93 Вт на один горячий теплообменник), температура горячих теплообменников составила 175 градусов, холодных 44. Измеренная частота колебаний — 74 Гц. Мощность акустической волны в резонаторе — 27,6 Вт. КПД преобразования тепловой энергии в акустическую пока не был измерен, так как для этого нужны дополнительные датчики давления, которые должны располагаться до и после ступени, для измерения увеличения акустической мощности на ступени. К тому же, для экспериментов по определению КПД нужно поместить внутрь двигателя нагрузку, но это уже тема следующей истории…
На 3-х из 4-х ступеней двигатель тоже работает. Температура трёх горячих теплообменников при запуске при этом составляет около 175 градусов. Четвёртая — незадействованная ступень при этом работает в режиме теплового насоса или же холодильника (это зависит от точки зрения, от того что нам нужно, нагрев или охлаждение). То есть холодный теплообменник незадействованной ступени имеет температуру как и у всех остальных холодных теплообменников, а горячий теплообменник начинает охлаждаться, так как акустическая волна от него отводит тепловую энергию. В эксперименте максимальное полученное охлаждение таким путём составило 10 градусов.
Что меня удивило при запуске, так это то, что для работы девайса не критична абсолютная герметичность. То есть, при первых запусках, трубки, к которым должны подсоединяться буферная ёмкость и датчик давления, были ничем не заглушены. Диаметр каждого из двух отверстий был около 2,5 мм. То есть двигатель был абсолютно не герметичен, и это всё равно не помешало ему запуститься и успешно работать. Можно было даже поднести к трубкам палец и почувствовать колебания воздуха. При затыкании трубок значительно (на 20 — 30 градусов) начинала падать температура горячих теплообменников и на 5- 10 градусов возрастала температура холодных. Это прямое свидетельство того, что при герметизации увеличивается акустическая энергия внутри корпуса и таким образом увеличивается теплообмен между теплообменниками, вызванный термоакустическим эффектом.
Потом, многие волновались, что двигатель при работе будет очень громким. И действительно, можно так подумать, ведь измеренная громкость звука в резонаторе составила 171,5 Децибел. Но всё дело в том, что вся волна заключена внутри двигателя и на деле он оказался настолько бесшумным, что его работу внешне можно определить лишь по небольшой вибрации корпуса.
Приглашение присоединиться к проекту
Я созидаю посредством термоакустики в г. Энгельсе, в инженерном клубе Сол-Эн. Те, кого так же вдохновляет это направление творчества и кто хотел бы в будущем присоединиться, пишите в личные сообщения из какого вы города.
Комментарии (101)
Scratch
25.08.2018 22:12До последнего надеялся на видео
vassabi
25.08.2018 22:29+1если поискать по заголовку — то на ютубе первым же
Заголовок спойлераSabubu
25.08.2018 22:32Если там колебания мощностью 26 Ватт то наверно, эта штука очень громко гудит?
Rapasantra Автор
25.08.2018 22:35+1В видосе в конце статьи как раз работающий двигатель. Даже с открытыми штуцерами под датчики он не шумит. Просто эти 26 Ватт заключены внутри корпуса
vasimv
25.08.2018 23:37+4От двигателя ожидается, что он будет что-то двигать. А так даже не видно что газ внутри движется, не наглядно.
Rapasantra Автор
25.08.2018 23:48+2Согласен, по этому делаю следующую, более наглядную модель
lv333
26.08.2018 00:52-3Как по мне было бы интереснее не модель, которая бы потребляла в несколько раз больше чем электрической энергии чем способна выдать(скорее всего), а рабочий генератор работающий от какого либо внешнего источника тепла и который бы выдавал на гора хотя бы с 10-к ватт электрической мощности. Просто то что оно может работать в принципе и гудеть само по себе и так понятно, если немного вникнуть в теорию. Если уж так хотите показать наглядную модельку(на которой можно просто продемонстрировать принцип работы), то она делается намного проще, просто таки несравнимо проще чем то что вы тут наваяли…
Rapasantra Автор
26.08.2018 00:58+9Ну я ваял не просто же так. Во всём есть смысл. Основная цель этого прототипа — научные исследования преобразования тепловой энергии в акустическую. Нельзя сразу строить большой и мощный аппарат, так как если он будет работать не так как ожидалось (а первый образец сто процентов будет работать не так как ожидалось), то уйдёт огромное количество сил, времени и материалов на изменение конструкции. Все разработки нужно делать постепенно. От простого к сложному. Именно так я и действую. 3-х киловатный девайс будет, но после того как я полностью разработаю его конструкцию, а для этого нужны испытания мини прототипа.
Конструкция прототипа довольно сложная, так как нужно проводить измерения. Демонстрационная модель гораздо проще по конструкцииlv333
26.08.2018 01:15+2Еще есть вопрос. А не проще ли(а возможно даже эффективнее) вместо предполагаемой турбины установить тонкие стальные мембраны с закрепленными на них неодимовыми магнитами? Которые в свою очередь будут двигаться внутри катушек с которых непосредственно будет сниматься переменный электрический ток. Ну и разумеется часть трубок резонатора с мембранами должна быть из диэлектрика. Такой себе динамик наоборот, а точнее микрофон. Просто суть в том что турбина волной будет вращаться сначала в одну сторону, а потом тормозится и в противоположную. Чисто интуитивно предполагаю, что это не самый лучший режим работы для турбины. В случае же с мембраной, она по сути не теряет ничего. С материалом и формой можно поэкспериментировать, но на первый взгляд это намного проще турбин.
Rapasantra Автор
26.08.2018 01:33+3Хороший вопрос. Линейные альтернаторы (поршень либо мембрана с линейным генератором) — это наиболее распространённый способ получения электроэнергии в подобных устройствах на сегодняшний день. Действительно, это на первый взгляд это более простой способ генерации, чем турбогенератор. Но у турбогенератора есть преимущества. Во первых, при больших мощностях — несколько киловатт, турбина гораздо меньше по габаритам и дешевле по стоимости, затем у турбогенератора есть возможность масштабирования на мощность более 10 кВт (линейные альтернаторы изготовить на такую мощность невозможно) и третье — это независимость турбогенератора от рабочей частоты (генератор колебательного типа нужно настраивать на рабочую частоту, а она немного меняется на разных режимах работы двигателя). А турбина будет использоваться двунаправленная, то есть направление её вращения не зависит от направления потока. В предыдущей моей статье об этом написано более подробно
lv333
26.08.2018 01:44Да спасибо, перечитал вашу предыдущую статью. Чисто технически, частоту можно подобрать играя размерами резонаторов, но тем не менее не зависеть от нее вообще конечно куда приятнее. Ну и если замахиваться та такие мощности, то конечно да, тут альтернативы турбинам нет.
lv333
26.08.2018 01:29Еще как вариант, вместо турбины или мембраны, поставить поршень в который будет интегрирован тот же магнит.
giron77
27.08.2018 14:44Мне хотелось бы хоть 20 ватт выкроить а тут сразу 3 квт. Вот пример от астры подводится 100 квт бросового тепла температурой до 150 С а снимается линейными генераторами в сумме 5квт. Можно оценить габарит, степень материалоемкости и сложности. Без спонсора такое не поднять. Конечно вы можете поднять температуру и повысить термический кпд, уменьшив габарит но для себя пришел к выводу что на такие мощности целесообразно строить на органическом цикле, все просчитывается, все делается из серийных деталей и повторимо, подглядеть можно ютубе. www.aster-thermoacoustics.com/wp-content/uploads/2013/02/Multi-stage-traveling-wave-feedback-thermoacoustics-in-practice-Kees-de-Blok.pdf
Rapasantra Автор
27.08.2018 22:11Aster-thermoacoustics это на мой взгляд сейчас лучшая компания на земле, которая занимается термоакустикой. Это как раз та компания, которая придумала 4-х ступенчатую конструкцию. Турбины использовать правда не они придумали, но за то активно продвигают эту идею
giron77
28.08.2018 11:52www.youtube.com/watch?v=Nv3nD0uRJY8
Ранее я давал ссылку на критику четырех ступенчатой системы. Не понятно на сколько она лучшая. У вас опыта и знаний кончено больше, есть действующая модель. Но если здраво рассудить, воздух перемещается на четверть волны, по этому для увеличения мощности логичнее применить четыре ядра, раз воздух движется то всякое образование вихрей забирает энергию у акустической волны, на что можно тыкнуть пальцем в схеме на резкий переход волновод — теплообменики, также по законам гидравлики всякий поворот на 90 гр съедает свою долю мощности. Астратермоакустик так же признала что рационально применять импульсные двунаправленные турбины с диаметра 300 мм, там возникает приемлемый кпд, но тут возможно возникнет другая засада, к продольным акустическим волнам добавятся и поперечные, не приятным довеском повышение массы турбины что скажется не лучшем образом на около резонансных режимах работы установки.
Rapasantra Автор
26.08.2018 01:08+3Ну и что подобный двигатель может работать, думаю это не для всех так уж очевидно
lv333
26.08.2018 01:20Для неверующих, берется пробирка и пламя свечи или спиртовки, этих компонентов достаточно что бы показать эффект. Что то вроде этого. А вообще подобных «двигателей» на просторах ютуба пруд пруди.
Rapasantra Автор
26.08.2018 01:45+5Рекомендую канал Игоря Белецкого. Именно он изначально вдохновил меня. Респектую ему
giron77
27.08.2018 13:04Рекомендую так же форум по стирлингам, где он модератор. На этой странице указываются недостатки четырех ступенчатого акустического двигателя stirlingengine.ukrainianforum.net/t71-topic
Gryphon88
26.08.2018 01:14Нагреватель и охладитель можно сделать на солнечной энергии: пара зеркал-концентраторов и абсорбционный холодильник, новизны особо никакой.
Rapasantra Автор
26.08.2018 01:17Ну да, есть абсорбционный холодильник. А почему нет новизны? Это же не холодильник.
Gryphon88
26.08.2018 01:42+1Электричество «едят» только нагревать горячего теплообменника и насос холодного. Если идти на принцип, греть можно просто собирающей линзой/зеркалом, а охлаждать от абсорбционного холодильника (который греть другой линзой). Первый абсорбционный холодильник сделали в начале XIX века и конструктивно он не сложнее описанной модели, вполне пристойные фокусирующие зеркала были в Древней Греции и набрать параболическое зеркало из обрезков тоже несложно. Из электроники там останутся управляемые заслонки для создания необходимого светового потока.
Rapasantra Автор
26.08.2018 01:49Естественно, нагрев с помощью солнечной энергии возможен и с помощью геотермальной и с помощью ядерной и дровами можно топить при желании
timka05
27.08.2018 16:10Я в Краснодарском крае, все хочу сделать охлаждение дома на основе абсорбционного холодильника (солнечного тепла благо у нас завались), аммиака в стране тоже недостатка нет — ткните, плиз, где почитать про постройку абсорбционного своими руками. Т.к. да, хочется немного прохлады за счет солнечного тепла. Куда рыть?
giron77
27.08.2018 21:50есть альтернатива компрессионым и абсорбционным установкам для охлаждения. Уже все давно придумано за нас на востоке в том же Иране Багдиры pikabu.ru/story/badgiryi__drevnie_konditsioneryi_kotoryie_yeffektivnee_sovremennyikh_4655484
есть и современное решение кондиционеры косвенно испарительного типа
lavent.ru/kondicionery-coolerado
для повторения конструкции лучше не придумаешьGryphon88
27.08.2018 22:56Вода расходуется, ну и холодильник на минусовые температуры так не сделать.
giron77
28.08.2018 07:38недостатки есть продолжение достоинств — Блез Паскаль. У каждого технического решения есть границы экономической эффективности. Краснодарцев интересовало как задешево охладиться. Вода материал дешевый, капитальные затраты на косвенно испарительный кондиционер не большие и тем более безопасен чем аммиак. Про заморозку речи не было а так же использовать как тепловой насос.
Tanatos2020
26.08.2018 00:49-5Прикольно наблюдать за первыми опытами человека который потом за них получит нобелевскую премию
Gryphon88
26.08.2018 01:20+2Я правильно понял, что в эту модель не ставились турбинки, с помощью которых планируется вырабатывать электричество? Когда планируете ставить и из какого материала делать будете?
Tanatos2020
26.08.2018 01:25а зачем? чем вам пельтье не устраивает?
Rapasantra Автор
26.08.2018 01:37Низкий КПД 1-5 %, высокая стоимость
Tanatos2020
26.08.2018 01:538\… у вас ошибочные данные! КПД 57%
статья тут www.rom.by/comment/1394Rapasantra Автор
26.08.2018 01:56Если бы это было правдой, то я бы первый занялся элементами Зеебека
jaiprakash
26.08.2018 08:36+1Так и сравнивать нужно с тепловыми насосами, у них, если так считать, «КПД» оказывается больше 1. Потому выгоднее греться кондиционером, до определённых морозов, до -20 где-то.
А вот наоборот получаются совсем другие цифры. Зеебек выходит в 3-5% рекордно.Rapasantra Автор
26.08.2018 15:00Это не холодильник. Я написал про возможность работы в режиме холодильника, но работать установка будет в режиме генератора, так что не надо сравнивать с тепловыми насосами
jaiprakash
26.08.2018 16:38Так я и не вам отвечал. Я говорю что КПД эффекта Пелетье нельзя приравнять КПД эффекта Зеебека. Одно дело холодильник/тепловой насос и совсем другое — генератор. Вы это знаете лучше меня.
Однако в той статье про Пелетье вполне реалистичные числа. Как для холодильника.
Rapasantra Автор
26.08.2018 01:36+4Да, правильно. Уже следующая — демонстрационная модель будет с турбинами. Турбины в прозрачном корпусе и нагрев газом, для наглядности всех процессов
Gryphon88
26.08.2018 01:46Какой КПД ожидаете? Я понимаю, что размеры смешные и с ростом и увеличением дельты температур, и, соответственно, сменой всех материалов, КПД будет значительно расти.
Rapasantra Автор
26.08.2018 01:51+4При работе на воздухе при давлении 3 атм, при температуре горячих теплообменников 250 градусов ожидается КПД 15 %. На гелии под давлением 6 атм, при аналогичной температуре, ожидается 25 %
lv333
26.08.2018 02:02А более высокие давления, да и температура 250 не так уж и много для такого двигателя, не планируете?
Rapasantra Автор
26.08.2018 02:04Температуру точно буду поднимать до 400 градусов, а давление пока не понятно, есть ли нужда поднимать и каково вообще оптимальное значение. Это будет понятно из расчёта уже итоговой конструкции
DGN
26.08.2018 02:17А если не секрет, зачем он такой? Утилизировать бросовое тепло — слишком большая температура требуется. КПД всяко хуже, нежели у ДВС и тем более турбины. Часть РИТЭГа, вроде NASA стирлинг уже использует. Будет меньше движущихся частей?
Rapasantra Автор
26.08.2018 02:27+4КПД меньше чем у ДВС и турбин, но ожидается увеличение ресурса, надёжности и уменьшение стоимости.
Rapasantra Автор
26.08.2018 02:28+3Можно утилизировать бросовое тепло, использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, ядерную энергию. Но в начале он будет работать на энергии сжигания газа
rPman
26.08.2018 08:56+1Побочный эффект, упомянут в статье вскользь — не подключенная ступень работает как тепловой насос.
А теперь внимание — тепловой насос работающий от перепада температур, без единой движущейся части кроме собственно газа, повторяю — без единой движущейся части! Правда как обычно теплообменники эффективно будут работать при перекачке жидкости через них.
Кпд правда не высокий…zerg59
26.08.2018 10:52+1У меня есть т. н. вихревая трубка. Прекрасно выдаёт холодный и горячий воздух с разных концов при подаче в неё воздуха под давлением. Куплена на али. Но промышленные экземпляры и в России делаются
Rapasantra Автор
26.08.2018 15:14Для вихревой трубки нужен компрессор, который должен питаться от электричества. В общем это разные типы устройств. Единственный полный аналог термоакустического двигателя в режиме холодильника, что я знаю — это абсорбционный холодильник
zerg59
26.08.2018 15:24вихревой трубке нужен только поток газа. А как вы его создадите — ваше дело.
Rapasantra Автор
26.08.2018 15:26Ну я о том же. Компрессор нужен. А он потребляет энергию и получается холодильник работающий от электрической, а не тепловой энергии
zerg59
26.08.2018 18:52Перепад давления тоже может быть «дармовым».
lv333
26.08.2018 22:09Ну есть такое «устройство» называется холодильник для дальнобойщика. Принцип прост: объект который необходимо охладить, обычно бутылка с водой, помещается за борт, а если предворительно бутылку обмотать мокрой тряпкой — эфективность еще сильно повысится. Хотя чисто теретически можно я думаю в одном резонаторе генерить волну за счет тепла, а в друругой сту
lv333
26.08.2018 22:26(чертово мобильное приложение хабра, невовремя кнопку отправить нажал, а редактировань нальзя) так вот во второй ступени можно волну заставить работать в тепловом насосе, вопрос конечно какая эффективность данной конструкции получится?
zerg59
26.08.2018 10:55А тепловой насос перекачает тепла меньше, чем будет потрачено установкой. Иначе получится вечный двигатель.
Rapasantra Автор
26.08.2018 15:18+1Если у вас есть дома кондиционер, а это и есть тепловой насос, то вы можете себя поразить, если посмотрите на то какая у него электрическая мощность и какая тепловая мощность. Тепловая больше и это не вечный двигатель. В термодинамике об этом говориться
zerg59
26.08.2018 19:04Поразился. Дцать лет назад ;-)
А по теме — можете глянуть статью: sci-hub.tw/10.1016/j.ultras.2004.01.086
там они такую штуку (термоакустический холодильник) сделали и померяли в первом приближении кпд. Оказался 0,13%. На 120Вт нагревателя получилось 0,15Вт холодопроизводительности. Это не считая потерь энергии на охлаждение водой.Rapasantra Автор
26.08.2018 23:11Ну вот как видите у двигателя Цеперли (с постоянным диаметром корпуса) довольно низкая эффективность. Они там ещё регенератор слишком длинный взяли для их перепада температуры. Но на смеси воздуха с гелием удалось даже 1.5 процента КПД выжать
zerg59
27.08.2018 12:43Я смотрю википедию про абсорбционные холодильники: «Относительно низкая энергетическая эффективность — тепловой коэффициент (отношение подведенной тепловой энергий к полученному холоду), равный 0,65-0,8 — для одноступенчатых машин, и 1—1,52 — для двухступенчатых машин.»
Интересно — а есть ли вообще шанс поднять эффективность термоакустического холодильника до этих «низких» показателей?
mrigi
27.08.2018 08:55Т.е. если обычный насос качает бензин по трубам, то он никак не может прокачать больше «енергии», чем нужно генератору на питания этого насоса? Серьезно? Тепловой насос это не про выработку энергии от слова вообще, а про перенос энергии из одного места в другое. И да, переносить он может сильно больше, чем потребляет.
zerg59
27.08.2018 12:29Одна маленькая деталь: Я писал «установка». Т.е. не отдельно тепловой насос, а тепловой насос+тепловой двигатель, который приводит в действие насос.
rPman
26.08.2018 09:02А какими технологиями можно было бы достаточно эффективно снимать энергию с небольшого перепада температур (десяток градусов)? Например вода (+4 градуса) — атмосфера (зимой -20..-10).
Wizard_of_light
26.08.2018 09:20+1Нуу, «достаточно эффективно»-понятие растяжимое… Теоретически предельный КПД для идеальной тепловой машины при такой разности температур — (277-253)/277=0,087. 8,7%, то есть. А для реальной тепловой машины — вообще 4,4%. Если считать, что это достаточно эффективно, то стирлинговский двигатель может и на таком перепаде работать.
stalinets
26.08.2018 10:36Уже давно читал про такие прототипы двигателей Стирлинга, которые представляют собой длинный цилиндр, плавающий вертикально в воде, и работающий на разнице температур воды у поверхности и в глубине, или воды и воздуха. Даже с учётом низкого КПД и явно не копеечной стоимости установки — ну блин, это же дармовая энергия! Тем более, что стирлинги очень долговечны, один раз вложиться в изготовление и будет шуровать десятилетиями. Почему ещё никто не сделал электростанцию на таких установках и не качает деньги, продавая электроэнергию? Ветряки же ставят, чем это хуже?
jaiprakash
26.08.2018 10:52+1Плохая окупаемость. Поэтому остановилось на демонстраторах технологии.
Возможно, вред для экосистемы при массовом применении.
Wizard_of_light
26.08.2018 14:37+2Доступны более высокопотенциальные источники, поэтому всё так. Да и потом, там малый КПД не единственная проблема, низкие температуры — медленный теплообмен — большие радиаторы, так что там уже при киловаттных мощностях получается некислая по материалоемкости конструкция. А если эти радиаторы ещё какая-нибудь форма жизни облюбует, то вообще суши вёсла.
Maxim_Andreev
26.08.2018 12:27+2Спасибо, интересный проект!
И всё-таки, не нашёл в тексте, какова амплитуда колебаний давления в резонаторе? Как измерялась акустическая мощность?
Ещё я не уверен, что в данном случае рассматриваемую волну можно назвать акустической, т.к. в акустике как правило вводится допущение о том, что фактическая плотность среды практически не отличается от невозмущённого значения. Здесь же весь эффект основан на создании волн разрежения и уплотнения посредством нагрева и охлаждения среды. Т.е. волновыми уравнениями акустики эти процессы, как мне кажется, не описать.Rapasantra Автор
26.08.2018 15:10Амплитуда колебаний давления в одном из измерений была 7,5 кПа. Колебания давления измерялись высокоскоростным датчиком давления MPX5050. Было сделано предположение, что волна бегущая и из этого подсчитана мощность, но нужно конечно добавлять второй датчик давления, чтобы без предположений, а непосредственно измерять мощность.
Есть понятие линейная акустика. Это когда колебания давления по амплитуде не превышают 10 % от значения опорного давления, то есть давления среды. Термоакустические устройства работают на грани линейной акустики, так что уравнения акустики всё ещё применимы в большинстве случаев.Maxim_Andreev
26.08.2018 15:48Там дело не только в колебаниях давления. Даже при скромной разнице температур 175 — 44, местная скорость звука будет отличаться почти на 20%. Это уже достаточно весомый аргумент, перейти к уравнениям Эйлера, на мой взгляд. К слову, в ударной волне, выбивающей стёкла в зданиях, скачок давления всего 5-10 кПа, хотя процессы там бесконечно далеки от линейной акустики.
Вообще, если вы хотите извлекать энергию посредством динамической турбины, Вам не имеет смысла зацикливаться именно на давлении, т.к. для турбин важен массовый расход. К тому же, нужно учитывать, что ротор турбины имеет свою инерцию и как минимум сместит собственные частоты системы, а в худшем случае просто будет доминировать, сводя на нет эффект самой трубы.
В общем, задачка довольно интересная. У меня есть бета-версия одномерной распределённой модели пневматической линии, решаемой методом HLLE (на основе метода Годунова) для программы SimulationX. Можно было бы попробовать сделать модель этого стенда, а заодно попытаться понять, почему работает негерметичная схема.
Maxim_Andreev
26.08.2018 17:17Прочитал внимательнее, при наличии вторичного теплообменника акустическое допущение вполне приемлемо.
vsb
26.08.2018 14:00+1Такая штука была бы интересна для автономного энергообеспечения в суровых климатических зонах. Даже под тучами инфракрасный свет от солнца проходит, поэтому при хорошей изоляции можно зимой даже в пасмурную погоду греть что-нибудь с одной стороны и охлаждать воздухом с другой и получать энергию там, где солнечные батареи пасуют. Не знаю, насколько этого хватит для практических потребностей.
rPman
26.08.2018 14:22+1Если рядом есть вода, даже стоячая или с минимальным током, и суровый холод, то перепады температуры могут быть десятки градусов, по уму в стационарном варианте даже с 4% кпд возможность извлекать энергию есть.
Именно описанный в статье вариант достаточно прост в изготовлении (нет той точности, что требуется в изготовлении стирлинга) и неплохо масштабируется и главное очень долговечный.
Grief
26.08.2018 16:51Это, конечно, оффтоп, но в видео вы рассказываете о термоакустическом двигателе с бегущей волной так же увлеченно, как Роман Михайлов — о группах и теории гомотопий. Но у вас хотя бы понятно что к чему, гораздо лучше объясняете. Хотя некоторые слова вроде «адиабатически» пришлось гуглить.
Porohovnik
26.08.2018 20:40Так это слово из школьного курса физики 10 класса…
Там просто расчитывалось на то, что будут смотреть люди, знакомые с физикой(не в обиду вам)...
frozzzen
26.08.2018 18:55Как влияют на КПД установки физические свойства материала регенератора? Теплоёмкость, теплопроводность, что-то ещё?
Rapasantra Автор
26.08.2018 23:37Идеальный регенератор должен быть с огромной теплоёмкостью, чтобы запасать как можно больше тепловой энергии и с минимальной теплопроводностью, чтобы минимизировать паразитный тепловой поток от горячего теплообменнику к холодному. Больше вроде ничего не влияет, вы всё назвали что влияет
NumLock
26.08.2018 21:32Интересно, можно ли уменьшить двигатель до микроразмеров и изготавливать его фотолитографией. Также интересно, можно ли получить энергию, использовав ионизированный газ?
Rapasantra Автор
26.08.2018 23:51Можно уменьшить.
Rapasantra Автор
27.08.2018 00:39На концах плазмы будет разность потенциалов, то есть напряжение, а не разность напряжений я хотел сказать
SvSh123
27.08.2018 09:22Интересно, если имитировать ионизацию с помощью искрового разрядника в горячем теплообменнике, получится проверить эту идею?
Rapasantra Автор
27.08.2018 22:55Там основная загвоздка не в том будет ли эта концепция работать, а в том, как разместить ядерный реактор внутри двигателя и как создать необходимый поток радиоактивного излучения в нужной зоне двигателя. В этом искровой разрядник не поможет, но идея с разрядником всё равно интересная
artanets1
26.08.2018 23:33По аналогии с электрикой можно применить клапан тесла (как диодный мост).
Раздвоив трубу и поставив две обычные турбины за разно направленными клапанами, тоже отсутствие движущихся частей (возможно если клапаны успеют сработать на таких скоростях).
FransuaMaryDelone
27.08.2018 16:09респект. Каким способом КПД померян?
Rapasantra Автор
27.08.2018 22:16КПД пока не был померян. Для этого нужны дополнительные датчики давления, а мощность волны в резонаторе была измерена датчиком давления
lingvo
27.08.2018 18:24+1ИМХО на данном этапе я бы всерьез задумался над переходом к моделированию, так как работающий прототип и общая теория у вас есть, а какие конкретно он имеет характеристики и главное — от чего они зависят, вы не знаете. А не зная их вы не будете знать что можно и нужно оптимизировать в первую очередь, и в итоге на постройку оптимальных прототипов может не хватить и всей жизни, а окажется, что надо было всего-лишь поменять какой-то винтик.
А с моделированием вы во первых сможете понять как конкретно работает ваша машина, насколько она близка к идеалу и сможете легко и быстро поиграться с механикой, чтобы достичь оптимальных результатов и затем уже строить следующий протототип. Так вы потратите гораздо меньше времени на исправление ошибок.
Не бойтесь времени моделирования. Оно на скромной машине будет медленным, но вам надо всего-лишь моделировать пару периодов колебаний, чтобы получить нужные данные.
Единственное не знаю насчет софта. Что-то из Ansys? Simplorer?
Maxim_Andreev
27.08.2018 19:27Я думаю, что для этой задачки хватило бы одномерного моделирования. Набросал сегодня простенькую модель в SimulationX со стоячей волной, возбуждаемой нагревом объёма жидкости на одном из концов трубы, думаю, этого с головой хватит для первичной оптимизации подобного стенда:
Пуск
Rapasantra Автор
27.08.2018 22:20Я уже давно и активно моделирую. Программа для моделирования термоакустических процессов называется DeltaEC. Она численно интегрирует дифференциальные уравнения термоакустики. По результатам испытаний этого прототипа как раз планирую написать статью в научный журнал, где будет сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования.
DGN
А почему вставки алюминиевые, а не медные?
Rapasantra Автор
В меди там нет нужды. Вставки не нужно впаивать. По этому алюминиевые, так как алюминий гораздо дешевле