Prinsippene for termoakustiske motorer

Termoakustiske motorer utnytter et fenomen som først er beskrevet matematisk i det 19. århundre, men som bare er praktisk talt realisert i den siste halvdelen av det 20.. Når en temperaturgradient er etablert over en tett stabel av parallelle plater eller et porøst materiale («stack» eller «generator») plassert i et forseglet volum av gass, kan akustisk oscillasjon bli spontant generert. Varmen som brukes på den varme siden av stabelen, fører til at den tilstøtende gassen ekspanderer og komprimerer, skaper en reisende eller stående bølge som forplanter seg gjennom arbeidsfluidet. Denne akustiske bølgen bærer energi som kan ekstraheres via en lineær vekselstrøm, et stempel eller en turbin for å produsere mekanisk arbeid eller elektrisitet.

To primærkonfigurasjoner eksisterer: stående bølge- og reisebølgemotorer. Stående bølgemotorer er enklere, avhengig av et enkelt rør med en stabel nær en ende. Reisebølgedesign, som termoakustisk stimuleringsmotor, bruker en tilbakemeldingssløyfe for å skape kontinuerlig oscillatorisk strømning, oppnå høyere effektivitet ved å etterlikne den termodynamiske syklusen til Stirling motoren uten å kreve et forskyvningssstempel. Den arbeidsgassen ⁇ ofte helium, argon eller luft ⁇ erfaring en reversibel termodynamisk syklus som nærmer seg den ideelle Carnot-grense når optimalisert.

Sammenligning med tradisjonelle propulsjonsteknologier

Konvensjonelle fremdriftssystemer ⁇ indre forbrenningsmotorer, gassturbiner og rakettmotorer ⁇ på direkte forbrenning av fossile brensler for å generere trykk og varme. Disse systemene involverer høytemperaturforbrenningskammer, komplekse ventiltog, roterende turbomaskineri og intrikate kjølesystemer, som alle lider av slitasje, termisk stress og tretthet. Termoakustiske motorer har derimot en fundamentalt annerledes arkitektur. De eneste bevegelige delene er vanligvis stempel eller vekselstrømsdeler som er forbundet med den akustiske kretsen; kjernestakken og varmevekslere forblir stasjonære. Dette fjerner behovet for smørte lager, forseglinger og reciprocatering deler som begrenser levetiden til tradisjonelle motorer.

Effektivitetssammenligning avhenger av driftsforhold. Moderne forbrenningsmotorer oppnår topp termisk effektivitet rundt 40 ⁇ 45%, mens store marine dieselmotorer kan nå 50%. Termoakustiske motorer har vist effektivitet over 30% i laboratorieprototyper, og reisebølgedesign har nådd 40% med optimale regeneratorer og varmevekslere. Viktigere er det at de kan godta varme fra nesten alle kilder ⁇ solare konsentratorer, kjernereaktorer, avfallsvarme fra industrielle prosesser, eller forbrenning av biomasse eller hydrogen ⁇ uten å kreve drivstoffspesifikke injektorer eller utslippskontroller.

Fordeler i detalj

Redusert mekanisk kompleksitet

Med få eller ingen bevegelige deler i den varme delen, fjerner termoakustiske motorer feilmoduser som er vanlige for konvensjonelle motorer: ventil stikk, stempelring slitasje, bære tretthet og turbinblad kryp. Dette oversetter til lengre vedlikeholdsintervaller og større pålitelighet i ubemannede eller fjernbruk som romsonder, dyphavs undergravningsstasjoner eller arktiske kraftstasjoner.

Drivstoffleksibilitet og miljømessige fordeler

Fordi oppvarming kommer fra en ekstern kilde, blir motoren avkoblet fra drivstoffforbrenningsprosessen. Den kan operere på solvarme, geotermisk energi, konsentrert avfallsvarme fra industrielle ovner, eller til og med radioisotop termoelektriske generatorer. Når forbrenning brukes, kan forbrenningskammeret optimaliseres separat for lave utslipp, ved hjelp av magert brenne, flammeløs oksidasjon eller karbonfangst. Den akustiske motoren selv produserer ingen direkte utslipp; bare varmekilden gjør.

Stille operasjon

De akustiske oscillasjonene genererer lyd ved én frekvens eller et smalt bånd som lett kan muffles eller til og med seles. I motsetning til den brede spektrumstøyet fra reciprocatering motorer eller høyhastighetsturbiner, er termoakustiske motorer iboende roligere, en stor fordel for ubåter, elektriske kjøretøyområde forlengere eller urban kraftproduksjon.

Skalerbarhet og modularitet

Fysikken i termoakustikk skalerer positivt over et bredt spekter av størrelser. Mikroskala enheter kan produsere watt av kraft for bærbar elektronikk, mens multi-megawatt installasjoner har blitt vist for bruks-skala elektrisitetsproduksjon. Flere enheter kan arrangeres i rekker uten kompleks synkronisering, siden akustisk kobling naturlig fase - låser dem.

Utvikling av applikasjoner i propulsjonssystemer

Space Propulsion

Tradisjonell romfartøy fremdrift er avhengig av kjemiske raketter eller ion drivere, som begge har høy spesifikk impuls, men krever tunge drivstofftanker. Termoakustiske motorer kan integreres med radioisotopvarmere eller konsentrert solenergi for å generere små trykknivå for stasjon-bevaring, banejusteringer eller interplanetary CubeSat-oppdrag. Fraværet av bevegelige deler i den varme sonen reduserer risikoen for svikt etter år med drift. NASAs Glenn Research Center og Los Alamos National Laboratory har studert termoakustiske kraftsystemer for dype romsonder, der pålitelighet og drivstofffleksibilitet er avgjørende.

Aviation

I fly kan termoakustiske motorer tjene som hjelpekraftenheter (APUs) eller som rekkevidde i hybridelektriske fremdriftsarkitekturer. Ved å brenne bærekraftig flybrensel i en ekstern brennmotor, kjører den akustiske motoren en generator som lader batterier eller driver elektriske motorer. De lave vibrasjonene og støynivået er attraktive for urbane luft mobilitetskjøretøy. Flere europeiske forskningsprogrammer undersøker lette termoakustiske generatorer for distribuert fremdrift på vingmonterte fans.

Marine Propulsion

Skip er prime kandidater fordi støybegrensninger er mindre alvorlige og avfallsvarme fra hovedmotoren kan gjenopprettes. En termoakustisk bunnsyklus kan øke den totale effektiviteten ved å konvertere eksosvarme til hjelpekraft for pumper, elektronikk eller til og med propellakseler. Evnen til å brenne tung drivstoffolje, LNG eller fremtidige biodrivstoff uten å endre varmemotoren selv forenkler drivstoffbryter som reguleringsssstempel.

Transport til grunnen

For lastebiler, tog og av-høyveis kjøretøy kan termoakustiske generatorer erstatte konvensjonelle vekselverkere eller gi hjelpekraft for kjølekraft, hydrauliske systemer og hytte klimakontroll. I hybridtog kan motoren kjøres med konstant optimal belastning mens den elektriske drivenheten håndterer toppkrav, redusere drivstofforbruk og utslipp. Prototype systemer på lokomotivplattformer har demonstrert drivstoffbesparelser på 15-20% når den brukes som eksosvarmegjenvinningsinnretninger.

Nåværende utfordringer og forskningsveiledninger

Til tross for overbevisende fordeler, må flere tekniske hindringer overvinnes før termoakustisk fremdrift blir mainstream.

Strømtetthet

Den akustiske krafttettheten til strøm termoakustiske motorer er generelt lavere enn for komparerbar størrelsesmotorer eller turbiner. Arbeidsgassen må oscillere over varmevekslere med store overflateområder, øke fotavtrykket. Forskere utforsker høytrykksoperasjon (opp til 100 bar) og bruker lette materialer som keramiske matrisekompositter for å øke kraften per enhetsmasse.

Varmeveksler Design

Ytelsen til en termoakustisk motor hengsler på effektiviteten av sine varme og kalde varmevekslere. De må overføre store mengder varme med minimal trykkfall og termisk utmattelse. Avanserte tilsetningsframstillingsteknikker tillater nå produksjon av intrikate gitterstrukturer som forbedrer varmeoverføringen mens de reduserer vekt. Los Alamos National Laboratory har publisert retningslinjer for kompakte varmevekslere som forbedrer motoreffektiviteten med 10-5 %.

Materialer og kostnader

Varmevarmeveksleren og stabelen må tåle høye temperaturer (vanligvis 500 ⁇ 1000 °C) og gjentatt termisk sykling. Billige rustfritt stål er tilstrekkelige til lavtemperaturavfall varmegjenvinning, men rom- og romapplikasjoner krever superlegeringer eller keramiske midler, som øker kostnadene. Forskning pågår i ildfaste legeringer og termisk barrierebelegg som kan forlenge levetiden mens det reduserer parasitisk varmetap.

Akustisk tap og stabilitet

Akustiske tap i resonatorrøret og stabelen erode effektivitet. Reise-bølge hulrom kan utformes med lav ⁇ akustisk ⁇ tap impedans nettverk, men de er følsomme for driftsforhold. Aktive styresystemer ved hjelp av tilbakemelding mikrofoner og variabel akustisk belastning har vist seg å opprettholde stabil oscillasjon over et bredt spekter av strømutganger.

Veien framover

Det har blitt gjort betydelige fremskritt siden 2010-tallet. Selskapet som Etalim (Canada) og SoundEnergy (Nederland) har kommersielt termoakustiske enheter for avfall ⁇ varmegjenvinning og soltermiske anvendelser, oppnår kraftnivå i 1-10 kW-serien. Det amerikanske energidepartementet har finansiert flerårige prosjekter for å utvikle megawatt ⁇ klasse termoakustiske generatorer for industriell kombinert varme og kraft. I fremdrift, Den europeiske union ]ULTIMATE-prosjektet utforsker et termoakustisk ⁇ elektrisk hybridkraftverk for regionale fly, som tar sikte på en 30 % reduksjon i drivstoffbrenn i forhold til dagens turboprops. I mellomtiden, forskere ved University of Twente og det tekniske universitetet i Berlin raffinerer stabelgeometries ved hjelp av 3D ⁇ printed regeneratorer som oppnår nærtide varmeoverføring.

Etter hvert som produksjonskostnadene reduseres og effektiviteten forbedres, kan de første produksjons-klare termoakustiske fremdriftssystemene vises på UAV-er og små satellitter innen fem år, med større marine og jernbaneapplikasjoner etter et tiår. Fortsatt fremskritt i tilsetningsstoffproduksjon, høytemperaturmaterialer og akustisk modellering vil akselerere adopsjon.

Konklusjon

Termoakustiske motorer tilbyr en fundamentalt annerledes måte å konvertere varme til mekanisk arbeid, en som er avhengig av akustiske bølger i stedet for roterende eller reciprocaterende maskiner. Deres enkelhet, drivstofffleksibilitet, lave utslipp og stille drift gjør dem usedvanlig attraktive for fremtidige fremdriftssystemer over plass, luft, land og hav. Mens krafttetthet og kostnader forblir utfordringer, er aktiv forskning og ingeniørutvikling stadig lukker gapet med konvensjonell teknologi. Termoakustiske motorer vil ikke erstatte alle motorer over natten, men for applikasjoner der pålitelighet, lang levetid og multi-drivstoff evne er avgjørende, representerer de en transformativ tilnærming som allerede tar form i laboratorier og prototype fasiliteter over hele verden.