Термоакустические холодильники и двигатели с пористыми структурами

Будет ли термоакустическое устройство работать как двигатель или как холодильник (тепловой насос), зависит от относительной фазы движения и направления теплопередачи

Термоакустика - это междисциплинарная наука, которая изучает преобразование тепловой энергии в акустическую. Выражение «термоакустика» было впервые предложено в 1970-х годах Н. Роттом, который и вывел линейную теорию термоакустики. Первые исследования термоакустического эффекта проводились более 200 лет назад, когда в 1777 году Б. Хиггинс связал акустические колебания с водородным пламенем внутри трубы.

В 1850 году Сондхаусс исследовал звуковой феномен, который веками наблюдался стеклодувами, когда они надували горячее стекло на конце холодной узкой трубки. Всего девять лет спустя, в 1859 году, Райке поместил проволочный экран с подогревом в нижнюю часть трубки Хиггинса с открытым концом и наблюдал сильные акустические колебания.

В 1962 году Картер с коллегами и далее Фельдман усовершенствовали устройство Сондхаусса, поместив в него пористую структуру - стек, что привело к созданию первого термоакустического двигателя, который производил 27 Вт акустической мощности из 600 Вт тепла. Это был один из важнейших шагов в развитии современной термоакустической технологии.

В термоакустическом устройстве происходит тепловое взаимодействие между рабочей средой, испытывающей акустические колебания, которую сжимают, и пористой структурой, помещенной в резонатор. Когда в пористой структуре колеблется среда, она движется, меняется ее давление и температура. Изменение температуры происходит, с одной стороны, из-за адиабатического расширения и сжатия среды акустической волной, а с другой - в результате теплопередачи между средой и пористой структурой.

Существует два основных типа пористой структуры, которые нужны для обмена теплом с рабочей средой: стек и регенератор. В стеке гидравлический радиус (r_h) средней поры в структуре больше, чем глубина теплового проникновения (δ_k) - расстояние, на котором тепло может распространяться через среду за время периода акустического колебания (T = 2π/ω).

В стеке, где r_h/δ_k ≥ 1, одна часть среды просто сжимается и изотермически расширяется акустической волной, а другая на расстояниях в несколько величин теплового проникновения сжимается и расширяется адиабатически. В стеке также содержится часть среды, где радиус примерно равен глубине проникновения. В этом случае имеется достаточный тепловой контакт для обмена некоторого количества тепла с пористым материалом, и недостаточный, чтобы получился временной сдвиг между колебаниями температуры и давления.

Работа термоакустических устройств со стеком требует давления и фазового смещения частиц среды, поэтому их также называют двигателями со стоячей волной или холодильниками. Будет ли термоакустическое устройство работать как двигатель или как холодильник (тепловой насос), зависит от относительной фазы движения и направления теплопередачи. Двигатель преобразует тепловую энергию в акустическую, а холодильник использует акустическую энергию для передачи тепла от низкотемпературного источника к высокотемпературному.

В последние годы к термоакустическим устройствам растет интерес из-за возможности применения экологически чистых рабочих сред, использования возобновляемых источников энергии, наличия небольшого количества движущихся компонентов, простоты конструкции и высокой надежности. Например, основными компонентами типичного термоакустического холодильника являются стек, источник акустического сигнала (в большинстве случаев электродинамический громкоговоритель) и теплообменники для высокотемпературных и низкотемпературных источников тепла. Однако широкое применение термоакустических устройств в промышленности все еще ограничено их низкой эффективностью. Поэтому экспериментальное и теоретическое изучение термоакустических холодильников и двигателей продолжается.

Большинство текущих исследований термоакустических устройств со стоячей волной проводилось при изменении геометрии стека, его положения и длины. Стек может состоять из спиральных или параллельных пластин, круглых или треугольных пор, массивов штифтов. Два первых типа изучаются и анализируются чаще.

Было изучено влияние на термоакустический эффект расстояния между пластинами в стеке термоакустического холодильника, работающего с рабочей частотой 400 Гц на гелии под давлением 10 бар. Исследователи обнаружили, что расстояние между пластинами около 2,5δ_k было оптимальным для охлаждающей способности, 3δ_k давало наивысшую производительность, а 4δ_k - самую низкую температуру. Аналогичные результаты температурной зависимости были получены и для существенно иной конфигурации холодильника, работающего на воздухе при атмосферном давлении с частотой 107–86 Гц.

Было изучено влияние на разницу температур в стеке другой геометрической формы, имеющей спиральные, круглые поры и массивы штифтов. Термоакустическая система охлаждения работала с постоянной частотой 720 Гц и в качестве рабочего тела использовала гелий при давлении, которое менялось от 1 до 4 бар. Результаты показали, что температура холодного конца стека из массива штифтов была ниже, чем у стека со спиральной и круглой формой пор.

Другие сравнили влияние свойств стека с одинаковыми и нет пористыми структурами на производительность термоакустического теплового насоса. Их устройство работало с частотой около 350 Гц и заполнялось воздухом при атмосферном давлении. Результаты показали, что разница температур, возникающая в стеке из сетчатого стекловидного углеродного (ССУ) материала, увеличивается по мере увеличения пористости, достигая максимального значения и затем уменьшается, когда пористость увеличивается еще. Однако во всех случаях разница температур для стеков из ССУ была ниже, чем для стеков с постоянной геометрией пор. Также были исследованы стеки с нестандартной геометрией, представляющие из себя волокна нержавеющей стали, медные мочалки и углеродная пена.

Тестовое устройство состояло из полуволнового резонатора, заполненного воздухом при атмосферном давлении, который работал на основной резонансной частоте 72 Гц. Среди нетипичных материалов стеки из стальной ваты достигли максимальной охлаждающей способности, самой низкой температуры и самого высокого коэффициента преобразования энергии, однако этот тип хуже стеков из параллельных пластин.

Экспериментальные исследования ССУ в качестве материала стека проводились в термоакустическом устройстве, заполненном чистым неоном, а также в термоакустическом холодильнике с гелием в качестве рабочего тела. В обоих случаях эффективность зависела от пористости ССУ и была ниже, чем эффективность стеков из параллельных пластин. Тем не менее, ССУ является недорогим и простым в изготовлении материалом, который можно использовать в термоакустических устройствах. Многослойные стеки, состоящие из разных материалов, потребляют меньше энергии и работают с более высоким КПД, чем их однородные аналоги.

Источник: MDPI. Energies

Ссылки: https://doi.org/10.3390/en14010083