Principii ale motoarelor termoacustice

Motoarele termoacustice exploatează un fenomen descris mai întâi matematic în secolul al XIX-lea, dar numai practic realizat în ultima jumătate a secolului XX. Atunci când o gradiență de temperatură este stabilită pe un teanc dens de plăci paralele sau un material fosile (Stack

Există două configuraţii primare: motoare cu unde în picioare şi motoare cu unde de călătorie. Motoarele cu unde permanente sunt mai simple, bazându-se pe un singur tub cu un stiva aproape de un capăt. Design-uri cu unde de călătorie, cum ar fi motorul cu Stirling termoacustic, utilizează o buclă de feedback pentru a crea flux oscilator continuu, obţinând o eficienţă mai mare prin imitarea ciclului termodinamic al motorului Stirling fără a necesita un piston dislocator. Gazul de lucru [de multe heliu, argon, sau aer], experienţă un ciclu termodinamic reversibil care se apropie îndeaproape de limita ideală a Carnot atunci când este optimizat.

Comparație cu tehnologiile tradiționale de propulsie

Sistemele convenţionale de propulsie, motoarele cu ardere internă, turbinele cu gaz şi motoarele de rachetă, care se află în contact direct cu combustibilii fosili pentru a genera presiune şi căldură. Aceste sisteme implică camere de ardere la temperatură înaltă, trenuri complexe de valvă, turbomaşini rotative şi sisteme complicate de răcire, toate care suferă de uzură, stres termic şi oboseală. Motoarele termoacustice, prin contrast, au o arhitectură fundamental diferită. Singurele componente mobile sunt de obicei pistoanele sau alternatoarele conectate la circuitul acustic; stiva de bază şi schimbătoarele de căldură rămân staţionare. Aceasta elimină necesitatea rulmenţilor lubrifiaţi, focile şi piesele de schimb care limitează durata de viaţă a motoarelor tradiţionale.

Comparaţiile de eficienţă depind de condiţiile de funcţionare. Motoarele moderne cu ardere internă ating o valoare maximă a suprafeţei termice de aproximativ 40 ian.45%, în timp ce motoarele diesel mari marine pot atinge 50%. Motoarele termoacustice au demonstrat o eficienţă mai mare de 30% în prototipurile de laborator, iar modelele cu unde de călătorie au atins 40% cu regeneratoare optimizate şi schimbătoare de căldură. Mai important, ele pot accepta căldură de la aproape orice sursă de energie, reactoare nucleare, căldură reziduală din procesele industriale sau arderea biomasei sau hidrogenului fără a necesita injectoare specifice combustibilului sau controale ale emisiilor.

Avantaje cheie în detaliu

Complexitate mecanică redusă

Cu puține sau deloc piese în mișcare în secțiunea fierbinte, motoarele termoacustice elimină modurile de funcționare comune motoarelor convenționale: lipirea valvei, uzura inelului pistonului, oboseala rulmentului și firul turbinei. Aceasta se traduce la intervale mai lungi de întreținere și fiabilitate mai mare în aplicații fără pilot sau la distanță, cum ar fi sonde spațiale, submersibile de adâncime sau centralele electrice arctice.

Flexibilitatea combustibilului și beneficiile ecologice

Deoarece încălzirea vine dintr-o sursă externă, motorul este decuplat de la procesul de ardere a combustibilului. Poate funcționa pe căldură solară, energie geotermală, căldură reziduală concentrată din cuptoare industriale sau chiar generatoare termoelectrice radioizotopi. Când se utilizează arderea, camera de ardere poate fi optimizată separat pentru emisii scăzute, folosind arsuri slabe, oxidare fără flacără sau captarea carbonului. Motorul acustic nu produce emisii directe; numai sursa de căldură produce.

Operaţiune liniştită

Oscilaţiile acustice generează sunete la o singură frecvenţă sau o bandă îngustă, care pot fi uşor înăbuşe sau chiar valorificate. Spre deosebire de zgomotul cu spectru larg al motoarelor alternative sau turbinelor de mare viteză, motoarele termoacustice sunt mai liniştite în mod inerent, un avantaj major pentru submarine, extensoare de vehicule electrice sau generarea de energie urbană.

Calabilitate și modaritate

Fizica termoacustica scale favorabil pe o gamă largă de dimensiuni. Microscale dispozitive pot produce wați de putere pentru electronice portabile, în timp ce instalații multi-megawatt au fost prevăzute pentru generarea de energie electrică la scară utila. Unități multiple pot fi aranjate în rețele fără sincronizare complexă, deoarece cuplarea acustică natural-le faze-blocare.

Aplicații emergente în sistemele de propulsie

Propulsie spațială

Propulsia spațială tradițională se bazează pe rachete chimice sau propulsoare ionice, ambele având impulsuri specifice ridicate, dar necesită rezervoare grele de combustibil. Motoarele termoacustice pot fi integrate cu instalații de încălzire cu radioizotopi sau energie solară concentrată pentru a genera niveluri mici de propulsie pentru întreținerea stațiilor, ajustări ale orbitei sau misiuni interplanetare cubeSat. Lipsa pieselor în mișcare în zona fierbinte reduce riscul de eșec după ani de funcționare. NASA Glenn Research Center și Los Alamos National Laboratory au studiat sistemele de putere termoacustică pentru sondele de adâncime-spațiu, unde fiabilitatea și flexibilitatea combustibilului sunt esențiale.

Aviație

În cazul aeronavelor, motoarele termoacustice ar putea servi drept unități de alimentare auxiliare (APO) sau ca dispozitive de extindere a intervalului în arhitecturile de propulsie hibrid-electrică. Prin arderea combustibilului durabil de aviație într-un combustor extern, motorul acustic activează un generator care încarcă baterii sau alimentează motoare electrice. Nivelurile scăzute de vibrații și zgomot sunt atractive pentru vehiculele de mobilitate aeriană urbană. Mai multe programe europene de cercetare investighează generatoare termoacustice ușoare pentru propulsie distribuită pe ventilatoarele montate pe aripi.

Propulsie marină

Navele sunt candidate pentru prima dată deoarece constrângerile de zgomot sunt mai puțin severe și căldura reziduală de la motorul principal poate fi recuperată. Un ciclu de fund termoacustic ar putea spori eficiența globală prin transformarea căldurii de evacuare în energie auxiliară pentru pompe, electronice sau chiar pentru axul elicei. Capacitatea de a arde ulei de combustibil greu, GNL sau viitori biocombustibili fără modificarea motorului termic însuși simplifică schimbarea combustibilului ca reglementări stricte.

Transporturi terestre

Pentru camioane, trenuri și vehicule de teren, generatoarele termoacustice pot înlocui alternatoarele convenționale sau pot furniza energie auxiliară pentru refrigerare, sisteme hidraulice și controlul climatic al cabinei. În trenurile hibride, motorul poate funcționa la o sarcină optimă constantă în timp ce motorul electric gestionează cerințele de vârf, reducând consumul de combustibil și emisiile. Sistemele de prototipare de pe platformele locomotive au demonstrat economii de combustibil de 15 țiglă până la 15 țiglă atunci când sunt utilizate ca dispozitive de recuperare a căldurii prin evacuare.

Provocările actuale și direcțiile de cercetare

În ciuda beneficiilor convingătoare, mai multe obstacole tehnice trebuie depășite înainte ca propulsie termoacustică să devină mainstream.

Densitatea puterii

Densitatea de putere acustică a motoarelor termoacustice actuale este în general mai mică decât cea a motoarelor cu ardere internă sau turbinelor cu dimensiuni comparabile. Gazul de lucru trebuie să oscileze în schimbătoarele de căldură cu zone de suprafață mari, crescând amprenta. Cercetătorii explorează funcționarea la presiune înaltă (până la 100 bari) și folosind materiale ușoare, cum ar fi compozitele din matrice ceramică pentru a stimula puterea pe masă unitară.

Design schimbător de căldură

Performanţa unui motor termoacustic depinde de eficienţa schimbătoarelor de căldură la cald şi rece. Ei trebuie să transfere cantităţi mari de căldură cu scăderea minimă a presiunii şi inerţie termică. Tehnicile avansate de fabricare aditivă permit acum fabricarea de structuri complicate de lattice care îmbunătăţesc transferul de căldură în timp ce reducerea greutăţii. Los Alamos National Laboratory a publicat orientări de proiectare pentru schimbătoare compacte de căldură care îmbunătăţesc eficienţa motorului cu 10 rii.

Materiale și costuri

Schimbătorul de căldură la cald și stiva trebuie să reziste la temperaturi ridicate (de obicei 500

Pierderile acustice și stabilitatea

Pierderile acustice din tubul de rezonanţă şi eficienţa eroziunii stack-ului. Cavitățile cu unde de călătorie pot fi proiectate cu reţele impedante cu pierderi de intensitate mică, dar sunt sensibile la condiţiile de funcţionare. S-au demonstrat sisteme de control activ folosind microfoane de feedback şi sarcini acustice variabile pentru a menţine oscilaţii stabile într-o gamă largă de ieşiri de energie.

Calea înainte

S-au realizat progrese semnificative începând din 2010. Companiile precum Etalim (Canada) și SoundEnergy (Țările de Jos) au realizat dispozitive termoacustice comerciale pentru recuperarea căldurii reziduale și aplicații solare-termale, atingând niveluri de putere în gama 1 2016/1310 kW. Departamentul de Energie al SUA a finanțat proiecte multi-an pentru a dezvolta generatoare termoacustice de megawați pentru căldură și energie combinate industriale. În propulsie, Uniunea Europeană ]ULTIMATE proiect explorează un tren electric hibrid termoacustic-electric pentru aeronave regionale, care vizează o reducere de 30% a arsurilor de combustibil în raport cu astăzi [turboprops. Între timp, cercetătorii de la Universitatea din Twente și Universitatea Tehnică din Berlin exfigurează geometrii de stivă folosind regeneratoare 3D-imprimate care realizează un transfer de căldură aproape de IDE.

Pe măsură ce costurile de fabricație scad și eficiența se îmbunătățește, primele sisteme de propulsie termoacustică pregătite pentru producție ar putea apărea pe UAV-uri și sateliți mici în termen de cinci ani, cu aplicații mai mari în domeniul marin și feroviar în urma unui deceniu. Progresele continue în ceea ce privește fabricarea aditivă, materialele de temperatură ridicată și modelarea acustică vor accelera adoptarea.

Concluzie

Motoarele termoacustice oferă o modalitate fundamental diferită de a transforma căldura în muncă mecanică, una care se bazează pe unde acustice în loc de maşini rotative sau alternative. Simplitatea lor, flexibilitatea combustibilului, emisiile scăzute şi funcţionarea liniştită le fac extrem de atractive pentru sistemele de propulsie viitoare din spaţiu, aer, pământ şi mare. În timp ce densitatea şi costul rămân provocări, cercetarea activă şi dezvoltarea ingineriei închid constant decalajul cu tehnologiile convenţionale. Motoarele termoacustice nu vor înlocui toate motoarele peste noapte, ci pentru aplicaţiile în care fiabilitatea, longevitatea şi capacitatea multicombustibilă sunt primordiale, ele reprezintă o abordare transformativă care se conturează deja în laboratoare şi instalaţii prototip din întreaga lume.