Termoakustisten moottoreiden periaatteet

Termoakustiset moottorit hyödyntää ilmiötä, joka on kuvattu ensimmäisen kerran matemaattisesti 18 th century, mutta vain käytännössä toteutettu jälkipuoliskolla 20. Kun lämpötila kaltevuus on perustettu yli tiheä pino rinnakkaisia levyjä tai huokoinen materiaali (Austicack . tai ...REGENERAL...) sijoitettu suljetun tilavuus kaasua, akustiset värähtelyt voidaan spontaanisti luoda. Lämpöä sovelletaan kuuma puoli pino aiheuttaa vieressä kaasu laajentaa ja pakata, luoda liikkuva tai seisova aalto, joka leviää työnesteen. Tämä akustinen aalto kuljettaa energiaa, joka voidaan uutetaan lineaarisen generaattorin, mäntä, tai turbiini tuottaa mekaanista työtä tai sähköä.

Kaksi ensisijaista kokoonpanoa on olemassa: seisova-aalto- ja matka-aalto-aaltomoottorit. Seisova-aaltomoottorit ovat yksinkertaisempia, tukeutuen yhteen putkeen pino lähellä yhtä päätä. Matka-aalto suunnittelee, kuten termoakustinen Stirling moottori, käyttää takaisinkytkentäsilmukka luoda jatkuva oskillaattorin virtaus, saavuttaa korkeampi tehokkuus jäljittelemällä termodynaaminen sykli Stirling moottori ilman, että tarvitaan displaceer mäntä. Työskentelykaasu.Ten helium, argon, tai ilma Kokemuksia palautuva termodynaaminen sykli, joka lähestyy ihanteellinen Carnot rajoittaa optimoitu.

Vertailu perinteisiin käyttövoimatekniikoihin

Tavanomaiset käyttövoimajärjestelmät............................................................................................................................................................................................................................................................

Tehokkuusvertailut riippuvat käyttöolosuhteista. Nykyaikaiset polttomoottorit saavuttavat huippulämpötehokkuudet noin 40.45%, kun taas suuret meridieselmoottorit voivat saavuttaa 50%. Termoakustiset moottorit ovat osoittaneet tehokkuusetuja yli 30% laboratorioprototyypeissä, ja matka-aaltomallit ovat lähestyneet 40% optimoiduilla regeneraattoreilla ja lämmönvaihtimilla. Mikä tärkeintä, ne voivat hyväksyä lämmön lähes mistä tahansa lähteestä.

Tärkeimmät edut yksityiskohtaisesti

Mekaanisen kompleksisuuden väheneminen

Hot-osassa on vain vähän tai ei lainkaan liikkuvia osia, termoakustiset moottorit poistavat tavanomaisille moottoreille tavallisia vikatiloja: venttiilin kiinnityksen, männän kulumisen, laakeriväsymisen ja turbiinin terän hyypiön. Tämä tarkoittaa pidempiä huoltovälejä ja suurempaa luotettavuutta miehittämättömissä tai kaukokäyttösovelluksissa, kuten avaruusluotaimissa, syvänmeren veden alla olevissa laitteissa tai arktisissa voimalaitoksissa.

Polttoaineen joustavuus ja ympäristöhyödyt

Koska lämmitys tulee ulkoisesta lähteestä, moottori irrotetaan polttoainepolttoprosessista. Se voi toimia aurinkolämpöön, geotermiseen energiaan, teollisuusuunien hukkalämpöön tai jopa radioisotooppisiin lämpösähkögeneraattoreihin. Polttokammio voidaan optimoida erikseen pienipäästöisiin, käyttämällä vähäpoltinta, liekehtimätöntä hapettumista tai hiilidioksidin talteenottoa. Akustinen moottori ei tuota suoria päästöjä, vaan ainoastaan lämmönlähde tuottaa.

Hiljainen operaatio

Akustiset värähtelyt tuottavat ääntä yhdellä taajuudella tai kapealla kaistalla, joka voidaan helposti vaimentaa tai jopa valjastaa. Toisin kuin iskumoottoreiden tai suurnopeusturbiinien laaja-alainen ääni, termoakustiset moottorit ovat luonnostaan hiljaisempia, mikä on suuri etu sukellusveneille, sähköajoneuvon lisälaitteille tai kaupunkisähköntuotannolle.

Skaalattavuus ja mukautuvuus

Termoakustisten vaakojen fysiikka on suotuisaa monissa eri kokoluokissa. Mikromittalaitteet voivat tuottaa wattitehoa kannettavaan elektroniikkaan, kun taas monimegawattisia laitteita on suunniteltu sähkötekniseksi tuotantovälineeksi. Useita yksiköitä voidaan järjestää rakenteisiin ilman monimutkaista synkronointia, koska akustinen kytkentä luonnollisesti sulkee ne.

Käyttövoimajärjestelmien uudet sovellukset

Avaruusvoima

Perinteiset avaruusalusten käyttövoima perustuu kemiallisiin raketteihin tai ionipotkureihin, joilla molemmilla on suuri spesifinen impulssi, mutta jotka vaativat raskaita polttoainesäiliöitä. Termoakustiset moottorit voidaan integroida radioisotooppilämmittimiin tai aurinkovoimaan, jotta saadaan aikaan pieniä työntövoimatasoja aseman ylläpitämiseen, kiertoradalla tapahtuviin säätöihin tai planeettojen välisiin kuutionohjaimiin. Liikkuvien osien puuttuminen kuumalta vyöhykkeeltä vähentää vikariskiä vuosien käytön jälkeen. NASA. Glenn Research Center ja Los Alamos National Laboratory ovat tutkineet termoakustisia voimajärjestelmiä syvä-avaruusluotaimille, joissa luotettavuus ja polttoainejoustavuus ovat ensisijaisen tärkeitä.

Ilmailu

Ilma-aluksissa termoakustiset moottorit voisivat toimia apuvoimayksikköinä (APU) tai hybridisähköisten propulsioarkkitehtuurien kantomatkan jatkeina. Polttamalla kestävää ilmailupolttoainetta ulkoisessa polttomoottorissa akustinen moottori ajaa generaattoria, joka lataa akkuja tai käyttää sähkömoottoreita. Alhainen tärinä ja melutaso ovat houkuttelevia kaupunkikäyttöön tarkoitetuille ilmakuljetusajoneuvoille. Useat eurooppalaiset tutkimusohjelmat tutkivat kevyitä termoakustisia generaattoreita, jotka tuottavat hajautettua käyttövoimaa siipiin asennettaville tuulettimille.

Merivoima

Alukset ovat pääkohteita, koska melunrajoitteet ovat lievempiä ja päämoottorin hukkalämpö voidaan ottaa talteen. Termoakustinen pohjalämmitys voi parantaa kokonaishyötysuhdetta muuntamalla pakokaasulämpöä aputehoksi pumppuihin, elektroniikkaan tai jopa potkuriakseliin. Kyky polttaa raskasta polttoöljyä, nesteytettyä maakaasua tai tulevia biopolttoaineita ilman, että lämpömoottoria itse muutetaan, yksinkertaistaa polttoaineen vaihtoa sääntelyn kiristyessä.

Maaliikenne

Kuorma-autoissa, junissa ja maantien ulkopuolella olevissa ajoneuvoissa termoakustiset generaattorit voivat korvata tavanomaiset vaihtovirtageneraattorit tai tarjota aputehoa jäähdytys-, hydrauliikka- ja matkustamon ilmastonhallintaan. Hybridijunissa moottori voi kulkea vakioidummalla kuormalla, kun taas sähkökäyttö hoitaa huippuvaatimuksia, vähentää polttoaineen kulutusta ja päästöjä. Veturin alustoilla on osoitettu polttoaineen säästö olevan 15...20%, kun moottoria käytetään pakokaasun lämmön talteenottolaitteissa.

Nykyiset haasteet ja tutkimussuuntaukset

Vaativista eduista huolimatta on voitettava useita teknisiä esteitä ennen kuin termoakustisesta käyttövoimasta tulee valtavirtaan.

Tehotiheys

Nykyisten termoakustisten moottoreiden akustinen tehotiheys on yleensä pienempi kuin verrattain suurikokoisten polttomoottoreiden tai turbiinien. Työskentelykaasun on värähtelevä lämmönvaihtimien läpi suurilla pinta-alueilla, mikä lisää jalanjälkeä. Tutkijat tutkivat korkeapaineista toimintaa (jopa 100 bar) ja käyttävät kevyitä materiaaleja, kuten keraamisia matriisikomposiitteja, lisätäkseen tehoa yksikkömassaa kohti.

Lämmönvaihtimen suunnittelu

Termoakustisen moottorin suorituskyky riippuu sen kuuman ja kylmän lämmönvaihtimien tehokkuudesta. Niiden on siirrettävä suuria määriä lämpöä minimaalisella paineen pudotuksella ja lämpöhitaudella. Advanced additive valmistustekniikat mahdollistavat nyt monimutkaisen lattice-rakenteiden valmistuksen, jotka parantavat lämmönsiirtoa samalla kun vähentävät painoa. Los Alamos National Laboratory on julkaissut suunnitteluohjeet kompaktien lämmönvaihtimien, jotka parantavat moottorin tehokkuutta 10.

Materiaalit ja kustannukset

Kuuma lämmönvaihtimen ja pinon on kestettävä korkeita lämpötiloja (tyypillisesti 500.1000 °C) ja toistuvia lämpökiertoja. Edulliset ruostumattomat teräkset soveltuvat matalan lämpötilan hukkalämmön talteenottoon, mutta ilmailu- ja avaruussovellukset vaativat superseoksia tai keramiikkaa, mikä nostaa kustannuksia. Tutkimus jatkuu tulenkestävien seosten ja lämpöestepinnoitteiden parissa, jotka voivat pidentää käyttöikää ja vähentää loislämmön hävikkiä.

Akustiset menetykset ja vakaus

Resonaattoriputken akustiset häviöt ja pinon hajotustehokkuus. Matka-aaltoontelot voidaan suunnitella matala-akustisilla impedanssiverkoilla, mutta ne ovat herkkiä käyttöolosuhteille. Palautemikrofonien ja vaihtelevien akustisten kuormien aktiiviset ohjausjärjestelmät ovat osoittautuneet vakaaksi monilla eri virtalähteillä.

Polku eteenpäin

Etalim (Kanada) ja SoundEnergy (Alankomaat) ovat kaupallistaneet lämpöakustisia laitteita jätteiden ja lämmön talteenottoon ja aurinkolämpösovelluksiin, saavuttaneet tehotasoja 1...10 kW:n alueella. Yhdysvaltain energiaministeriö on rahoittanut useita vuosia hankkeita, joiden tarkoituksena on kehittää megawattiluokan termoakustisia teollisuuden yhdistettyjä lämmön ja sähkön generaattoreita. Euroopan unioni -hankkeessa () tutkitaan termoakustista ja sähköistä hybridivoimaa, joka on tarkoitettu lähes-ideaaaliseen lämmönsiirtoon.

Valmistuskustannusten laskun ja tehokkuuden parantuessa ensimmäiset tuotantovalmis lämpöakustiset käyttövoimajärjestelmät voisivat ilmestyä UAV:iin ja pieniin satelliitteihin viiden vuoden kuluessa, jolloin meri- ja rautatiesovellukset olisivat suurempia kymmenen vuoden kuluessa. Lisäaineiden valmistuksen, korkean lämpötilan materiaalien ja akustisen mallintamisen jatkuva edistyminen nopeuttaa käyttöönottoa.

Päätelmät

Termoakustiset moottorit tarjoavat aivan toisenlaisen tavan muuntaa lämpö mekaaniseksi työksi, joka perustuu akustisiin aaltoihin pyörimisen tai iskun sijaan. Niiden yksinkertaisuus, polttoainejoustavuus, vähäpäästöisyys ja hiljainen toiminta tekevät niistä poikkeuksellisen houkuttelevia tuleville käyttövoimajärjestelmille eri puolilla tilaa, ilmaa, maata ja merta. Vaikka tehotiheys ja kustannukset ovat edelleen haasteita, aktiivinen tutkimus ja tekninen kehitys ovat vakaasti sulkemassa kuilua tavanomaisilla teknologioilla. Termoakustiset moottorit eivät korvaa kaikkia moottoreita yhdessä yössä, vaan sovellutuksissa, joissa luotettavuus, pitkäikäisyys ja monipolttoainekapasiteetti ovat ensisijaisia, ne edustavat jo muotoutuvaa muutosta laboratorioissa ja prototyyppilaitoksissa maailmanlaajuisesti.