热声学发动机原理

热声学引擎利用了19世纪数学上首次描述但20世纪后半叶才实际实现的现象。 当一个温度梯度通过密密的平行板块或放入密封气体的多孔材料(“堆”或“再生器 ” ) 建立时,声学振荡可以自发产生。 堆积的热量导致相邻气体膨胀和压缩,形成穿越或固定的波浪,通过工作液传播。 这种声波携带着可以通过线性变换器、活塞或涡轮机提取的能量,从而产生机械工作或电力。

存在两种主要配置:站式波和旅式波引擎. 站式波引擎比较简单,依靠一个单管,堆叠在一端附近. 旅式波设计,如热声波斯图林引擎,使用反馈环来创造连续的振荡流,通过模仿斯图林引擎的热力学循环而无需取代活塞来实现更高的效率. 工作气体——常是氦, ⁇ ,或空气——体验到在优化时接近理想卡诺特极限的可逆热力学循环.

与传统推进技术的比较

常规推进系统—内燃机、燃气涡轮机和火箭发动机—主要依靠化石燃料直接燃烧来产生压力和热量。 这些系统包括高温燃烧室、复杂的阀门列车、旋转涡轮机和复杂的冷却系统,所有这些系统都受到磨损、热力和疲劳。相反,热声学发动机的结构根本不同。 唯一移动的部件通常是与声波电路相连的活塞或转子;核心堆和热交换器保持不变。 从而不再需要润滑轴承、密封装置和循环装置,从而限制了传统发动机的使用寿命。

效率比较取决于运行条件。 现代内燃机在40—45%左右实现了最高热效率,而大型海洋柴油机则可以达到50%。 热声学发动机在实验室原型中表现出了超过30%的效率,旅行波设计也接近了40%的优化再生器和热交换器。 更重要的是,它们可以接受几乎所有源的热量 — — 单一集热器、核反应堆、工业过程产生的废热、或生物质或氢的燃烧 — — 而不需要特定燃料的注入器或排放控制。

详细密钥优势

机械复杂程度降低

热电动发动机在热电区段很少或没有移动部件,因此可以消除常规发动机常见的故障模式:阀门粘贴、活塞环磨损、承载疲劳和涡轮叶片蠕动。 这相当于在无人或远程应用(如空间探测器、深海潜水器或北极电站)中维持间隔更长和可靠性更高。

燃料灵活性和环境效益

由于加热来自外部来源,发动机与燃料燃烧过程脱钩,可以在太阳热,地热能,工业炉的集中废热,甚至放射性同位素热电发电机上运行,在使用燃烧时,燃烧室可以针对低排放分别优化,采用精烧,无火焰氧化,或碳捕获等方法,声学发动机本身不会产生直接排放;只有热源才会产生.

静音行动

声波振荡在单个频率或狭长的波段产生声音,这些波段很容易被搅拌甚至被利用。 与回转发动机或高速涡轮的广谱噪声不同,热声发动机本质上比较安静,是潜艇、电动车辆射程扩展器或城市发电的主要优势。

可缩放性和模块性

热声学的物理尺度优于各种尺寸。微尺度装置可以为便携式电子设备产生瓦特功率,而多兆瓦装置则被设想用于通用的大规模发电。多个单元可以排列在阵列中,而不会发生复杂的同步,因为声学耦合自然会使其相位相位。

推进系统的新应用

空间推进

传统的航天器推进依赖于化学火箭或离子推进器,两者都有高度的特异性冲动,但都需要重型推进剂罐。 热声学发动机可以与放射性同位素加热器或集中的太阳能结合,产生小推力水平,用于保持空间站、轨道调整或行星间立方体卫星任务。 热区没有移动部件,降低了运行多年后故障的风险。 美国航天局的格伦研究中心和洛斯阿拉莫斯国家实验室研究了深空探测器的热声学动力系统,其中可靠性和燃料灵活性是至高的。

航空

在飞机中,热声发动机可以充当辅助动力装置(APU)或混合动力推进架构中的射程延伸器. 通过在外置梳子中燃烧可持续航空燃料,声学发动机驱动一个充电电池或动力电动机的发电机. 低振动和噪音水平对城市空中机动车辆具有吸引力. 欧洲的一些研究计划正在调查轻量级热声发电机,以便在翼翼式风扇上分布推进.

海洋推进

船舶是主要候选者,因为噪音限制较小,而且主发动机的废热可以回收。 热声底板循环可以通过将排气热转化为泵、电子设备甚至螺旋桨轴的辅助动力来提升整体效率。 燃烧重燃料油、LNG或未来生物燃料的能力不修改热发动机本身,随着监管的收紧,简化燃料转换。

陆运

汽车、火车和高速公路外的车辆,热声发电机可以取代常规的交流发电机,或者为制冷、液压系统和舱室气候控制提供辅助动力。 在混合式列车中,发动机可以不断优化载荷运行,而电动驱动器则能处理高峰需求,降低燃料消耗和排放。 机车平台上的原型系统在用作排气热回收装置时,已经显示节省了15—20 % 的燃料。

当前的挑战和研究方向

尽管有令人信服的好处,但在热声学推进成为主流之前,必须克服若干技术障碍。

电源密度

电流热声学发动机的声学功率密度一般低于可比较大小的内燃机或涡轮机,工作气体必须横穿表面积大的热交换器,增加足迹,研究人员正在探索高压操作(最多100巴),并使用陶瓷矩阵复合材料等轻量级材料来提升单位质量的功率.

热交换器设计

热声学发动机的性能取决于其热冷热交换器的效能。 它们必须转移大量热量,同时减压和热惯性最小。 先进的添加剂制造技术现在允许制造复杂的丝绸结构,在降低重量的同时改善热转移。 洛斯阿拉莫斯国家实验室已经公布了紧凑热交换器的设计准则,将发动机效率提高10-15 % 。

材料和费用

热交换器和堆栈必须承受高温(通常为500–1000 °C)和重复的热循环。 低温废物热回收成本不高的不锈钢足以满足低温废物的回收,但航空航天和空间应用需要超合金或陶瓷,这提高了成本。 正在研究可延长使用寿命同时减少寄生热损失的可逆合金和热屏障涂层。

音响损失和稳定

共振器管和堆积器的音响损失侵蚀效率. 旅行的 ⁇ 波腔可以设计为低 ⁇ 声波的 ⁇ 损阻力网络,但它们对操作条件敏感. 使用反馈麦克风和可变声荷的主动控制系统已被证明可以维持在广泛的功率输出上的稳定振荡.

前进的道路

2010年代以来,已经取得了显著进展。 Etalim(加拿大)和SoundHennergy(荷兰)等公司已经将热声学装置商业化,用于废物热回收和太阳能热能应用,达到1-10千瓦范围内的电能水平。 与此同时,美国能源部已经资助多年项目,开发用于工业热能和动力结合的巨型瓦特级热声学发电机。 在推进方面,欧盟的 ULTIMATE项目正在探索一种热声学-电力混合动力列车,用于区域飞机,目标是将燃料燃烧量比当今涡轮螺旋桨降低30%。 与此同时,特温特大学和柏林技术大学的研究人员正在利用3D+打印的再生电机进行精炼,从而实现近似热的转移。

随着制造成本的下降和效率的提高,第一个生产好的热声推进系统可以在五年内出现在无人机和小型卫星上,在十年内将出现更大的海洋和铁路应用。 添加剂制造、高温材料和声学建模方面的持续进步将加快采用。

结论

热声学引擎提供了一种完全不同的将热能转化为机械工作的方法,一种依赖于声波而不是旋转或回转机械。 其简洁、燃料灵活性、低排放和静态操作使得它们对未来的空间、空气、陆地和海洋推进系统具有特别的吸引力。 尽管动力密度和成本仍然是挑战,但积极的研究和工程开发正在稳步缩小与传统技术的差距。 热声学引擎不会一夜之间取代所有引擎,而只是对于可靠性、寿命和多燃料能力都至关重要的应用而言,它们代表着一种变革性的方法,它已经在全世界实验室和原型设施中形成。