Prinsip - Prinsip Mesin Termakmoak

Mesin termoakosatik memanfaatkan sebuah fenomena yang pertama kali dijelaskan secara matematis pada abad ke-19 tetapi hanya dapat direalisasikan pada paruh akhir abad ke-20. Ketika sebuah gradien suhu ditancapkan di tumpukan padat pelat paralel atau bahan berpori (yang ” tergetar\") atau \"regenerator\") yang ditempatkan dalam volume termeterai gas, osilasi akustik dapat dihasilkan secara spontan. Panas yang diterapkan pada sisi panas tumpukan (stack) menyebabkan gas yang berdekatan mengembang dan mengkompres, menciptakan gelombang keliling atau berdiri yang mendorong melalui cairan. Energi gelombang akustik ini dapat diekstrak melalui pengubah, atau mesin, atau mesin, atau mesin, atau mesin.

Dua konfigurasi primer yang ada: standing-wave dan mesin jelajah. Mesin gelombang-berdiri lebih sederhana, mengandalkan tabung tunggal dengan tumpukan dekat satu ujung. Desain gelombang-jelajah, seperti mesin Stirling termoakustik, menggunakan loop umpan balik untuk menciptakan aliran oscillatory yang terus menerus, mencapai efisiensi yang lebih tinggi dengan meniru siklus termodinamika mesin Stirling tanpa memerlukan piston displacer. Gas kerja ⁇ often helium, argon, atau udara ⁇ mecoba siklus termodinamika reversibel yang mendekati erat batas ideal Carnotd ketika dioptimalkan.

Perbandingan dengan Teknologi Propulsi Tradisional

Sistem propulsi konvensional (convenional propulsion systems ⁇ internal combustion engine, gas turbin, dan motor roket ⁇ hanya pada pembakaran langsung bahan bakar fosil untuk menghasilkan tekanan dan panas . Sistem ini melibatkan mesin pembakaran suhu tinggi, turbin gas, kereta katup kompleks, mesin turbo berputar, dan sistem pendingin yang rumit, yang semuanya menderita dari pemakaian, tekanan termal, dan kelelahan. Mesin termoakoustic, secara kontras, memiliki arsitektur yang berbeda secara mendasar. Bagian yang bergerak adalah bagian-bagian yang biasanya piston atau alternator yang terhubung ke sirkuit akustik; dan stack inti tetap bertukar stasiun panas. Ini perlu dibuang untuk bantalan lubric, dan penyegelan, dan penyegelan, dan penyadapan mesin tradisional.

Perbandingan efisiensi cooficiency coason tergantung pada kondisi operasi. Mesin pembakaran internal modern mencapai eficiiciencys termal puncak sekitar 40 ⁇ 45%, sementara mesin diesel laut besar dapat mencapai 50%. Mesin pembakaran internal modern telah mendemonstrasikan efficiencys melebihi 30% dalam prototipe laboratorium, dan desain gelombang-jelajah telah mendekati 40% dengan regenerator yang dioptimasi dan penukar panas. Lebih penting lagi, mereka dapat menerima panas dari hampir semua sumber ⁇ penyusunir, reaktor nuklir, panas buangan dari proses industri, atau pembakaran biomassa atau hidrogen ⁇ tanpa bahan bakar yang dibutuhkan dalam efek spesifik atau emisi.

Keuntungan Kunci di Detail

Kompleksitas Mekanis yang Kurangi

Dengan beberapa atau tidak ada bagian bergerak di bagian panas, mesin termoakustik menghilangkan mode kegagalan yang umum untuk mesin konvensional: valse sticking, piston ring aus, bearing weekness, dan turbin blade creep. Ini diterjemahkan ke interval pemeliharaan yang lebih lama dan keandalan yang lebih besar dalam aplikasi tak berawak atau remote seperti probe ruang angkasa, submersibles laut dalam, atau stasiun listrik arctic.

Fleksibilitas Bahan Bakar Bahan Bakar dan Manfaat Lingkungan

Karena pemanas berasal dari sumber eksternal, mesin didecoupled dari proses pembakaran bahan bakar. Dapat beroperasi pada panas matahari, energi panas panas panas bumi, panas limbah terkonsentrasi dari tungku industri, atau bahkan generator termoelektrik radioisotop.Ketika pembakaran digunakan, ruang pembakaran dapat dioptimalkan secara terpisah untuk emisi rendah, menggunakan pembakaran ramping, oksidasi tanpa nyala, atau penangkapan karbon.Isi mesin akustik sendiri tidak menghasilkan emisi langsung; hanya sumber panas yang melakukan.

Operasi Diam-diam

Osilasi akustik menghasilkan suara pada frekuensi tunggal atau band sempit, yang dapat mudah diredam atau bahkan dimanfaatkan. Berbeda dengan suara spektrum luas dari recipriting mesin atau turbin berkecepatan tinggi, mesin termoakustik secara inheren lebih tenang, keuntungan utama untuk kapal selam, penular jangkauan kendaraan listrik, atau generasi daya perkotaan.

Keunggulan dan Keberubahan

Fisika skala termoakustik yang menguntungkan dalam berbagai macam ukuran. Perangkat skala mikro dapat menghasilkan watt daya untuk elektronika portabel, sementara instalasi multi ⁇ megawatt telah diimpi untuk utilitas ⁇ generasi listrik skala. Berbagai unit dapat diatur dalam array tanpa sinkronisasi kompleks, karena akustik coupling secara alami fase ⁇ mengunci mereka.

Aplikasi yang Dimanfaatkan dalam Sistem Propulsi

Propulsi Angkasa

Propulsi pesawat ruang angkasa tradisional purgague mengandalkan roket kimia atau pendorong ion, keduanya memiliki impuls spesifik yang tinggi tetapi membutuhkan tangki propelan berat. Mesin propulsi ruang angkasa Thermoacoustic dapat terintegrasi dengan pemanas radioisotop atau daya surya terkonsentrasi untuk menghasilkan tingkat pendorong kecil untuk stasiun ⁇ keeping, penyesuaian orbit, atau pelarasan antarplanet CubeSat. Ketiadaan bagian bergerak di zona panas mengurangi risiko kegagalan setelah bertahun-tahun operasi. Pusat Penelitian Glenn NASA dan Laboratorium Nasional Los Alamos telah mempelajari sistem daya terminakustik untuk probe ⁇ space yang dalam, di mana keandalan dan kehandalan bahan bakar adalah kehandalan.

Amerika/Boiland

Di pesawat, mesin termoakustik dapat berfungsi sebagai unit tenaga tambahan (APU) atau sebagai penambah jangkauan dalam arsitektur propulsi listrik-hybrid. Dengan membakar bahan bakar penerbangan berkelanjutan dalam pembakaran eksternal, mesin akustik menggerakkan generator yang mengenakan baterai atau daya listrik. Tingkat getaran rendah dan kebisingan menarik bagi kendaraan mobilitas udara perkotaan. Beberapa program penelitian Eropa menyelidiki generator termoakustik ringan untuk propulsi yang didistribusikan pada kipas sayap ⁇ mounted.

Propulsi Marinir

Kapal doujing merupakan kandidat utama karena kendala kebisingan yang kurang parah dan panas buangan dari mesin utama dapat pulih.Sesuatu siklus pengosongan termoakustik dapat meningkatkan efisiensi secara keseluruhan dengan mengubah panas knalpot menjadi daya tambahan untuk pompa, elektronik, atau bahkan assist poros baling-baling.Kemampuan untuk membakar minyak bahan bakar berat, LNG, atau biofuel masa depan tanpa memodifikasi mesin panas itu sendiri menyederhanakan switching bahan bakar sebagai regulasi createn.

Transportasi Tanah Air

Untuk truk, kereta api, dan off ⁇ highway kendaraan, generator termoakustik dapat menggantikan alternator konvensional atau menyediakan daya tambahan untuk refrigerasi, sistem hidraulis, dan kontrol iklim kabin. Dalam kereta hibrida, mesin dapat berjalan pada beban optimum konstan sementara penggerak listrik menangani permintaan puncak, mengurangi konsumsi bahan bakar dan emisi.Sistem prototype pada platform lokomotif telah menunjukkan tabungan bahan bakar 15 ⁇ % ketika digunakan sebagai perangkat pemulihan panas buangan.

Tantangan dan Arah Penelitian yang Kini Ada

Meskipun ada manfaat yang menarik, beberapa rintangan teknis harus diatasi sebelum daya tarik termoakustik menjadi arus utama.

Ketumpatan Daya Ketumpatan Ketumpatan Daya Kemudi

Kerapatan kekuatan akustik mesin termoakustik arus umumnya lebih rendah daripada mesin pembakaran internal atau turbin yang berukuran cukup besar.Gagas kerja harus berosilasi melintasi penukar panas dengan area permukaan yang besar, meningkatkan jejak kaki.Peneliti menjelajahi operasi tekanan tinggi (hingga 100 bar) dan menggunakan bahan ringan seperti komposit matriks keramik untuk meningkatkan daya per satuan massa.

Desain Penukar Panas Haba Haxi

Kinerja dari mesin termoakustik engsel pada efektivitas penukar panas dan panas dinginnya.Mereka harus mentransfer sejumlah besar panas dengan penurunan tekanan minimum dan inertia termal. Teknik manufaktur aditif lanjutan sekarang memungkinkan pembuatan struktur lattice yang rumit yang meningkatkan transfer panas sementara mengurangi berat badan. Los Alamos National Laboratory telah menerbitkan panduan desain untuk penukar panas kompak yang meningkatkan efisiensi mesin sebesar 10 ⁇ %.

Bahan dan Biaya

Diafudor panas dan tumpukan harus menahan suhu tinggi (biasanya 500 ⁇ 1000 °C) dan sepeda panas berulang. Baja stainless yang tidak mahal memadai untuk pemulihan panas buangan rendah ⁇ temperature, tetapi aplikasi kedirgantaraan dan ruang angkasa membutuhkan superalloy atau keramik, yang meningkatkan biaya. Penelitian sedang menjadi paduan refraktori dan lapisan pelindung termal yang dapat memperpanjang kehidupan layanan sambil mengurangi kehilangan panas parasit.

Kerugian dan Kestabilan Akustik

Kerugian akustik αacoustic ⁇ loss impedance dalam tabung resonator dan efisiensi eroode stack. Traveling ⁇ wave rongga dapat dirancang dengan rendah ⁇ acoustic ⁇ loss impedance jaringan, tetapi mereka sensitif terhadap kondisi operasi. Sistem kontrol aktif menggunakan mikrofon umpan balik dan beban akustik variabel telah ditunjukkan untuk mempertahankan osilasi stabil di berbagai macam keluaran daya.

Jalur Ke Hadapan

Kemajuan significant telah dibuat sejak tahun 2010-an. Perusahaan seperti Etalim (Kanada) dan SoundEnergy (Netherlands) telah komersialisasi perangkat termoakustik untuk limbah ⁇ kesembuhan dan aplikasi tenaga surya, mencapai tingkat daya dalam kisaran 1 ⁇ kW. Departemen Energi Amerika Serikat telah mendanai proyek multi ⁇ tahun untuk mengembangkan megawatt ⁇ kelas generator termoakustik untuk panas dan tenaga gabungan industri. Dalam propulsi, Uni Eropa Proyek multi ⁇ tahun[TFLTTT:1]] adalah eksplorasi tenaga hybridtrikal megawatt ⁇ kelas untuk pengurangan bahan bakar regional 30% untuk pembakaran bahan bakar secara relatif, sementara para peneliti di Universitas Teknologi Internasional, dan juga mencapai peningkatan tenaga panas di Universitas Teknologi Internasional.

Kemudahan produksi yang lebih besar dan efisiensinya, sistem propulsi termoakustik yang sudah siap ⁇ dapat muncul di UAV dan satelit kecil dalam waktu lima tahun, dengan aplikasi kelautan dan rel yang lebih besar mengikuti dalam satu dekade.Teruskan kemajuan dalam manufaktur aditif, material βtemperature tinggi, dan modelling akustik akan mempercepat adopsi.

Kekecualian Kesimpulan

Mesin thermoacoustic menawarkan cara yang sangat berbeda untuk mengubah panas menjadi pekerjaan mekanis, yang mengandalkan gelombang akustik daripada memutar atau membalas mesin. Kesederhanaan mereka, fleksibilitas bahan bakar, emisi rendah, dan operasi tenang membuat mereka sangat menarik untuk sistem propulsi masa depan di seluruh ruang, udara, darat, dan laut. Sementara kepadatan daya dan biaya tetap tantangan, penelitian aktif dan pengembangan teknik yang terus menutup celah dengan teknologi konvensional. Mesin termoaketik tidak akan menggantikan semua mesin dalam semalam, tetapi untuk aplikasi di mana keandalan, kepanjangan, dan kapfuelabilitas ganda adalah daya, mereka mewakili pendekatan yang sudah memiliki bentuk yang lebih baik dan fasilitas di seluruh dunia.