Принципи термоакустичних двигунів

Термоакустичні двигуни використовують явище спочатку описане математично в 19 столітті, але тільки практично реалізовані в останньому половині 20-го. При градієнті температури встановлюються через щільний стека паралельних пластин або пористого матеріалу ( "стака" або "регенератор"), розміщеного в герметичному обсязі газу, акустичні коливання можуть бути спонтанно сформовані. Нагрів, що застосовується до гарячого боку стека, викликає сусідний газ для розширення і компресу, створюючи подорож або стоячу хвилю, яка пропагує через робочу рідину. Ця акустична хвиля несе енергію, яка може бути видобута через лінійний генератор, поршень або виробляти механічну турбіну енергію на робочу або електрику.

Дві первинні конфігурації існують: стоячі і дорожні двигуни. Стелажні двигуни простіші, спираючись на одну трубку з стеком біля одного кінця. Дорожні конструкції, такі як термоакустичний двигун для стирання, використовують петлю зворотного зв'язку для створення безперервного коливань, досягнення більшої ефективності шляхом змикання термодинамічного циклу двигуна, що стерлінгів без необхідності розсмоктування диска. Робочий газ—затонний геліум, аргон або повітря—досвідчена багаторазовий термодинамічний цикл, який тісно підійде до ідеального ліміту Карно при оптимізованому.

Порівняння традиційних технологій пропуляції

Звичайні пропульсні системи—внутрішня згоряння, газотурбіни, ракетні двигуни, що знаходяться на прямій згорянням викопних палив, щоб генерувати тиск і тепло. Ці системи включають високотемпературні камери згоряння, складні клапани, обертаючи турбомашину, і складні системи охолодження, всі з яких страждають зносом, тепловим стресом і втомою. Термоакустичні двигуни, на відміну від, мають фундаментально різну архітектуру. Єдині рухомі частини зазвичай є поршневі або генератори, підключені до акустичної схеми; ядро стека і теплообмінники залишаються стаціонарними. Це знімає необхідність змащувальних підшипників, ущільнювачів, що гермети, традиційні частини служби.

Порівняння ефективності залежать від умов експлуатації. Сучасні внутрішні двигуни згоряння досягають пікових теплових коефіцієнтів близько 40–45%, при цьому великі дизельні двигуни морського морського морського морського двигуна можуть досягати 50%. Термоакустичні двигуни демонстрували ефективні коефіцієнти, що перевищує 30% у лабораторних прототипах, а також моделі з використанням хвильових хвиль підіймали 40% з оптимізованими регенераторами та теплообмінниками. Більш важливим чином, вони можуть приймати тепло практично з будь-якого джерела—сонячними концентраторами, ядерними реакторами, відходами тепла від промислових процесів, або згоряння біомаси або водню без необхідності використання паливно-специфічних інжекторів або контролю викидів.

Ключові переваги в докладному режимі

Зменшена механічна складність

З кількома або не рухомими частинами в гарячому розділі, термоакустичні двигуни усунути режими збою, загальними для звичайних двигунів: липка клапана, поршневі кільця зносу, підшипник втоми та турбіна леза creep. Це перекладається на більш тривалий термін служби і більша надійність в безпілотних або віддалених додатках, таких як проби, глибоко-морські занурення, або дугові електростанції.

Переваги палива та екологічності

Оскільки нагрів надходить з зовнішнього джерела, двигун декупується з процесу згоряння палива. Він може працювати на сонячному вогні, геотермальна енергія, концентрований відходи тепла від промислових печей, або навіть радіоізотопедних термоелектричних генераторів. При згоранні використовується камера згоряння може бути оптимізована окремо для низьких викидів, використовуючи худий опік, без полум'яне окислення або захоплення вуглецю. Сам акустичний двигун виробляє не прямі викиди; тільки джерело тепла.

Операція з кіптявою

Акустичні коливання генерують звук на одночастотній або вузькій смугі, яка може бути легко заглушена або навіть загартоване. На відміну від широкоспектрного шуму зцілення двигунів або швидкісних турбін, термоакустичні двигуни властиво тихому, що є основною перевагою для підводних човнів, електромобільних лінійних ширдераторів або міського живлення.

Скальбільність та модульність

Фізика термоакустичних ваг вигідно переповнена широким діапазоном розмірів. Мікромасштабні пристрої можуть виробляти ватт потужності для портативної електроніки, при цьому багатотомегова установка були використані для виробництва побутової ємності електроенергії. Кілька одиниць можна влаштувати в масивах без комплексної синхронізації, так як акустична муфта природно-фазолокно їх розблокує.

Використання додатків в пропульсних системах

Профілактика простору

Традиційна пропульсна космічних апаратів спирається на хімічні ракети або іонні тяги, як з яких мають високий специфічний імпульс, але вимагають важкого пропелентних резервуарів. Термоакустичні двигуни можуть бути інтегровані з радіоізотопними обігрівачами або концентрованими сонячними потужністю, щоб генерувати невеликі рівні тяги для стаціонарного очисника, орбіти регулювання, або міжпланетарні місії CubeSat. Відсутність рухомих частин в гарячій зоні знижує ризик невдачі після багаторічної роботи. Науково-дослідний центр НАСА та Національна лабораторія Лос Аламос вивчали термоакусні системи живлення для глибоких просторових зон, де надійність і паливна гнучкість є параmount.

Авіація

У літаках термоакустичні двигуни можуть служити допоміжними блоками живлення (АПУ) або як діапазони, що розширюються в гібридно-електричних пропульсних архітектурах. При спалювання стійкого авіаційного палива в зовнішній гребінець, акустичний двигун приводить генератор, який заряджає акумулятори або електродвигуни. Низькі вібрації і рівень шуму є привабливими для міських транспортних засобів для мобільності повітря. Кілька європейських дослідницьких програм слідують легкий термоакустичний генератор для поширення пропульсії на крилахих вентиляторах.

Морська пропульсія

Корабельи є першокласними кандидатами, оскільки шумові обмеження менш важкі і відходи тепла від головного двигуна можуть бути відновлені. Термоакустичний нижній цикл може підвищити загальну ефективність шляхом перетворення вихлопних тепла в допоміжну потужність для насосів, електроніки або навіть пропелерного валу. Можливість спалювати важку паливну олію, LNG або майбутні біопаливо без модифікації теплового двигуна, що спрощує паливне перемикання як правила, затягувати.

наземні перевезення

Для вантажних автомобілів, поїздів та позашляхових транспортних засобів, термоакустичних генераторів можуть замінити звичайні генератори або забезпечити додаткову потужність для холодильних, гідравлічних систем, а також контроль клімату кабіни. У гібридних поїздах двигун може працювати на постійній оптимальній навантаження, а електричний привід ручить пікові вимоги, зменшуючи споживання палива і викиди. Системи прототипу на локомотивних платформах демонструють економії палива в 15-20% при використанні в якості витяжних пристроїв для відновлення тепла.

Поточні виклики та дослідження напрямів

Незважаючи на переваги комп’ютерних технологій, необхідно подолати декілька технічних перешкод перед термоакустичним поширенням, що стає основною

Щільність живлення

Частота акустичної потужності струмових термоакустичних двигунів зазвичай нижче, ніж у компаратно негабаритних двигунів внутрішнього згоряння або турбін. Робочий газ повинен коливатися по теплообмінникам з великими площами поверхні, збільшенням слідів. Дослідники досліджують роботу високотемпературної роботи (до 100 бар) і використовують легкий матеріал, такі як керамічна матриця композитів для підвищення потужності за одиницю маси.

Дизайн теплообмінника

Продуктивність термоакустичних петлях двигуна на ефективність своїх теплообмінників. Вони повинні перенести велику кількість тепла з мінімальним тиском і термічною інерцією. Додаткові методи виробництва добавки тепер дозволяють виготовлення складових решіток, які покращують теплопередачі при зниженні ваги. Національна лабораторія Лос Аламос опублікувала рекомендації по дизайну для компактних теплообмінників, які підвищують ефективність двигуна на 10–15%.

Матеріали та вартість

Теплий теплообмінник і стека повинні витримати високі температури (типово 500–1000 °C) і повторне теплове вело. Недорогі нержавіючі сталі адекватні для відновлення низьких температурних відходів, але аерокосмічні та космічні застосувань вимагають суперлегатів або кераміки, які підвищують вартість. Дослідження проводяться в рефрактори сплавів і теплових бар'єрних покриттів, які можуть продовжити термін служби при зниженні параситичного втрати тепла.

Акустичні втрати та стабільність

Акустичні втрати в трубці резонатора і ефективність шийного носу. Можливості дорожніх хвиль можуть бути розроблені з низькоакустичними мережами, але вони чутливі до умов експлуатації. Системи керування активами з використанням мікрофонів зворотного зв'язку та змінних акустичних навантажень були продемонстровані для підтримки стабільної коливання через широкий спектр джерел живлення.

Шлях вперед

Значний прогрес був виготовлений з 2010-х. Компанії, такі як Etalim (Канада) та SoundEnergy (Нідерланди), що комерцізовані термоакустичні пристрої для відновлення відходів та сонячних теплових додатків, досягнення рівнів потужності в діапазоні 1–10 кВт. Департамент енергетики США фінансував багаторічний проект для розробки термоакустичних генераторів мегават-класу для промислової комбінованої теплоти та потужності. У пропустилі, провідний університет з питань теплопостачання Берліна, що досягають 30%, що відносний стека в Берліні, сьогодні є більш ефективними для зменшення палива в порівнянні з попередніми даними, що стосуються 30%

Удосконалюється зниження витрат на виробництво та ефективність, перші виробничі системи термоакустичних пропульсних систем можуть з'явитися на УАВ та невеликих супутниках протягом п'яти років, з більшими морських і залізничних додатків за декапією. Продовжені досягнення в добавці, високотемпературних матеріалах, акустична модельна модельна модельна модель прискорить прийняття.

Висновок

Термоакустичні двигуни пропонують принципово різні способи перетворення тепла в механічну роботу, що спирається на акустичні хвилі замість обертальної або репрокатної техніки. Їх простота, паливна гнучкість, низькі викиди і тиха операція робить їх виключно привабливими для майбутніх прогулянок систем по всій площі, повітря, землі і море. Хоча щільність енергії і вартість залишаються викликами, активні дослідження і інженерне розробки стабільно закривають проміжок зі звичайними технологіями. Термоакустичні двигуни не замінять всіх двигунів на ніч, але для додатків, де надійність, довговічність і багаторівнева здатність є параmount, вони представляють трансформаційний підхід, який вже бере форму в лабораторіях і прототипні установки.