Термоакустический двигатель

Способность тепла производить звук была замечена стеклодувами много веков назад^[2].

В 1850-х годах эксперименты показали, что это явление обусловлено разницей температур и что громкость и интенсивность звука зависят от длины трубки и размера колбы.

Рейке продемонстрировал, что добавление нагретого проволочного экрана на четверть пути вверх по трубке значительно усиливает звук, передавая энергию воздуху в трубке в точке наибольшего давления. Дальнейшие эксперименты показали, что охлаждение воздуха в точке минимального давления даёт аналогичный эффект усиления^[2]. Трубка Рейке преобразует тепло в акустическую энергию^[3], используя естественную конвекцию.

Примерно в 1887 году лорд Рэйли обсуждал возможность перекачки тепла с помощью звука.

В 1969 году Ротт вновь открыл эту тему^[4]. Используя уравнения Навье-Стокса для жидкостей, он вывел уравнения, характерные для термоакустики^[5].

Были разработаны линейные термоакустические модели для формирования базового количественного понимания и численные модели для вычислений.

Свифт продолжил работу с этими уравнениями, выведя выражения для акустической мощности в термоакустических устройствах^[6].

В 1992 году аналогичное термоакустическое охлаждающее устройство было использовано на космическом челноке Дискавери^[2].

В 2005 году Орест Симко из Университета штата Юта начал исследовательский проект под названием «Thermal Acoustic Piezo Energy Conversion» (TAPEC)^[7].

Нишевые применения, такие как криогенные установки малого и среднего масштаба. В марте 2007 года компания Score Ltd. получила 2 млн фунтов стерлингов на исследование кухонной плиты, которая также обеспечивает электричество и охлаждение для использования в развивающихся странах^[8][9].

Компания Airbus предложила и создала прототип термоакустической системы с радиоизотопным нагревом для миссий по исследованию дальнего космоса. Система имеет небольшие теоретические преимущества перед другими генераторными системами, такими как существующие системы на основе термопар или предложенный двигатель Стирлинга, используемый в прототипе ASRG^[10].

Компания SoundEnergy разработала систему THEAC, которая превращает тепло, обычно отработанное или солнечное, в охлаждение без какого-либо другого источника энергии. В устройстве используется газ аргон. Устройство усиливает звук, создаваемый отработанным теплом, преобразует возникающее давление обратно в другой тепловой дифференциал и использует цикл Стирлинга для получения эффекта охлаждения^[2].

Термоакустическое устройство использует тот факт, что в звуковой волне частицы газа адиабатически попеременно сжимаются и расширяются, а давление и температура изменяются одновременно; когда давление достигает максимума или минимума, изменяется и температура. В основном устройство состоит из теплообменников, резонатора и стека (в устройствах со стоячей волной) или регенератора (в устройствах с бегущей волной). В зависимости от типа двигателя для генерации звуковых волн может использоваться динамик или громкоговоритель.

В трубе, закрытой с обоих концов, может возникнуть интерференция между двумя волнами, идущими в противоположных направлениях на определённых частотах. Интерференция вызывает резонанс и создаёт стоячую волну. Стек состоит из маленьких параллельных каналов. Когда стек помещается в определённое место в резонаторе со стоячей волной, по всему стеку возникает разность температур. Размещая теплообменники с каждой стороны стека, можно перемещать тепло. Возможна и обратная ситуация: разность температур в штабеле создаёт звуковую волну. Первый пример — это тепловой насос, а второй — тяговый электродвигатель.

Для создания или перемещения тепла из холодного резервуара в тёплый требуется работа. Акустическая энергия обеспечивает эту работу. В стеке создаётся перепад давления. Интерференция между входящей и отражённой акустическими волнами теперь несовершенна. Разница в амплитуде заставляет стоячую волну двигаться, придавая ей акустическую силу.

Перекачка тепла вдоль стека в устройстве со стоячей волной происходит по циклу Брайтона.

Цикл Брайтона в холодильнике против часовой стрелки состоит из четырёх процессов, которые воздействуют на часть газа между двумя пластинами стека.

1. Адиабатическое сжатие газа. Когда часть газа перемещается из крайнего правого положения в крайнее левое, она адиабатически сжимается, повышая свою температуру. В крайнем левом положении часть газа теперь имеет более высокую температуру, чем тёплая пластина.

1. Изобарный теплообмен. Более высокая температура части газа заставляет её передавать тепло пластине при постоянном давлении, охлаждая газ.
2. Адиабатическое расширение газа. Газ перемещается из крайнего левого положения в крайнее правое. В результате адиабатического расширения газ охлаждается до температуры ниже, чем температура холодной пластины.
3. Изобарный теплообмен. Понижение температуры газа приводит к передаче тепла от холодной пластины к газу при постоянном давлении, в результате чего температура газа возвращается к исходному значению.

Устройства с бегущей волной можно описать с помощью цикла Стирлинга.

В термодинамике наивысшим достижимым КПД является КПД Карно. КПД термоакустических двигателей можно сравнить с КПД Карно, используя оператор температурного градиента.

КПД термоакустического двигателя определяется следующим образом

${\displaystyle \eta ={\frac {\eta _{c}}{\mathrm {I} }}}$

Коэффициент полезного действия термоакустического теплового насоса определяется следующим образом

${\displaystyle COP=\mathrm {I} \cdot COP_{c}}$

Наиболее эффективные термоакустические устройства имеют КПД, близкий к 40 % от предела Карно, или около 20-30 % от общего (в зависимости от температуры теплового двигателя)^[11].

Более высокие температуры горячего тела могут быть возможны в термоакустических устройствах, поскольку в них нет движущихся частей, что позволяет увеличить КПД Карно. Это может частично компенсировать их более низкую эффективность по сравнению с обычными тепловыми двигателями в процентах от Карно.

Идеальный цикл Стирлинга, аппроксимируемый устройствами с бегущей волной, по своей сути более эффективен, чем идеальный цикл Брейтона, аппроксимируемый устройствами со стоячей волной. Однако более узкие поры, необходимые для обеспечения хорошего теплового контакта в устройствах с бегущей волной, по сравнению с устройствами со стоячей волной, которые требуют заведомо несовершенного теплового контакта, также приводят к большим потерям на трение, что снижает практическую эффективность. Тороидальная геометрия, часто используемая в устройствах с бегущей волной, но не требуемая для устройств со стоячей волной, также может увеличивать потери из-за потоков Гедеона вокруг петли.