Termoacústica. Generando electricidad a partir del sonido usando un altavoz

Fig. 1.- La aparición de un motor termoacústico de 4 velocidades con una onda de desplazamiento.

En artículos anteriores, escribí sobre cómo construir un motor Stirling sin pistones, es decir, cómo construir un motor termoacústico de onda anular con una onda viajera de 1 artículo , 2 artículos , 3 artículos .


Fig. 2. - Diagrama del motor

El motor consta de 4 bloques absolutamente idénticos. Cada uno de los bloques consta de un intercambiador de calor, que consiste en un intercambiador de calor caliente, un intercambiador de calor frío y un regenerador entre ellos. El intercambiador de calor a veces se denomina núcleo del motor. Todo el intercambiador de calor en la carcasa se llama etapa del motor.

Cuando el motor está funcionando, hay una onda acústica de muy alta intensidad dentro de toda la carcasa anular. ¿Cuál es la distribución típica de fluctuaciones de presión, velocidad de vibración y potencia acústica en el interior? Para averiguarlo, simulé los procesos que ocurren en el motor utilizando un programa especial desarrollado en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (es decir, en el mismo lugar que la bomba atómica) llamado DeltaEC. A continuación están los gráficos para el motor bajo carga. Es decir, para tal caso:

Fig. 3. - Motor bajo carga

En los casos en que el motor tiene una carga, incluso cuatro cargas que se encuentran cerca de los intercambiadores de calor calientes.

El gráfico de la distribución de la amplitud de las fluctuaciones de presión en uno de los cuatro bloques del motor se ve así:

Fig. 4.- Distribución de la amplitud de las fluctuaciones de presión a lo largo de uno de los bloques.

Aquí se muestra una cuarta parte del motor. Puede ver que el gráfico alcanza una longitud de aproximadamente 1,5 m, esta es la longitud de un bloque. Resulta que la longitud de toda la carcasa del motor anular es de aproximadamente 6 metros. En todos los bloques, todos los parámetros son los mismos, así que solo considere uno de ellos.

El intercambiador de calor en el gráfico está a la izquierda, comenzando desde cero en el eje horizontal. Se ve que en el regenerador, debido a la pérdida de viscosidad y al reflejo de parte de la onda, disminuye la amplitud de las fluctuaciones de presión. Luego viene la carga, donde la presión disminuye aún más. Además, la presión aumenta hasta el valor inicial en el resonador, debido a una disminución en la velocidad vibratoria del gas en el resonador


Fig. 5.- Distribución de la amplitud de las oscilaciones del caudal volumétrico a lo largo de la longitud del bloque.

En termoacústica, es habitual en los cálculos utilizar no la velocidad vibratoria del gas, sino las fluctuaciones en el flujo volumétrico, es decir, la velocidad vibratoria multiplicada por el área de la sección transversal de la carcasa. Las fluctuaciones en el caudal volumétrico son proporcionales a las fluctuaciones de velocidad con un área de sección transversal constante de la carcasa.

En la fig. La Figura 5 muestra que un aumento brusco, un aumento brusco en la amplitud de las fluctuaciones en el flujo volumétrico, ocurre en el regenerador (aproximadamente cero a lo largo del eje horizontal). Solo este fuerte aumento en las fluctuaciones del caudal volumétrico o las fluctuaciones de la velocidad del gas (para quienes es más conveniente) es el efecto termoacústico de la amplificación de una onda acústica. El caudal volumétrico luego disminuye ligeramente, pasando a través de la carga, y finalmente disminuye a su valor original, pasando a través del resonador. Debido a esta disminución en las fluctuaciones en la velocidad de flujo volumétrico en el resonador, se produce un aumento en las fluctuaciones de presión en el resonador, que se mencionó en la descripción del gráfico anterior.

¿De qué están hablando estos dos gráficos? Dicen que en todo el motor, que se llama un motor de onda de funcionamiento, nunca ha habido y nunca habrá una onda de funcionamiento puro. Se observa una onda de desplazamiento en este motor solo en el área del intercambiador de calor. Es decir, en la zona del regenerador, la diferencia de fase entre las fluctuaciones de presión y velocidad del gas es aproximadamente cero. En todas las otras partes del motor, la ola está lejos de correr, pero es una mezcla de una onda estacionaria y de viaje.

Lo que también es interesante aquí es que el efecto termoacústico no aumenta la amplitud de las fluctuaciones de presión, sino que solo aumenta la amplitud de las fluctuaciones en el caudal volumétrico de gas.

Ahora veamos cómo cambia el poder de una onda acústica.

Fig. 6. - Distribución de la energía de las olas sobre la longitud del bloque

Se puede ver que en el regenerador, la potencia aumenta abruptamente debido al efecto termoacústico, luego se pierde un poco de potencia cuando la onda pasa a la carga, luego hay un salto brusco en la potencia hacia abajo, asociado con la pérdida de energía en la carga, y la atenuación de la onda continúa en la parte restante del resonador al valor original.

Ahora pensemos en cómo determinar la eficiencia del proceso.

En general, ¿cómo calcular la eficiencia? Es necesario dividir el poder útil por el consumido. Con la potencia gastada, todo está claro aquí: esta es la potencia térmica de entrada, la potencia de calentamiento del motor. Pero, ¿qué se considera potencia acústica útil?

En la fig. 6, la potencia acústica alcanza un máximo inmediatamente después del regenerador y alcanza un valor de 82 W. ¿Es este poder el que debería considerarse útil aquí? En realidad no La potencia acústica útil aquí, este es el aumento de la potencia acústica en el regenerador, y un valor de aproximadamente 46 W en relación con el cual comienza el aumento, se puede llamar un nivel de referencia. Más bien, incluso yo llamaría una onda con una potencia de 46 W aquí, una onda de referencia, ya que es precisamente eso lo que amplifica el regenerador del motor. Entonces, este aumento de potencia en el regenerador va parcialmente a la carga y se disipa parcialmente, pasando a través del resonador. Al diseñar el motor para lograr la máxima eficiencia del sistema, debe intentar hacer que la potencia que se disipa en el resonador sea mucho menor que la potencia que se disipa en la carga, de modo que la mayor parte de la ganancia de potencia en el regenerador recaiga en la carga, y no solo se disipe.

De lo anterior se deduce que la eficiencia acústica del motor siempre será mayor que la eficiencia de todo el sistema con una carga, ya que la potencia disipada en la carga es parte del aumento de potencia en el regenerador.

Entonces, ¿cómo se convierte la energía del sonido en electricidad?

Con un motor Stirling con generación de energía, todo está claro. Si hay un cigüeñal, se le puede conectar un generador eléctrico giratorio. Si el motor Stirling resuena, puede conectar el imán al pistón de trabajo y colocarlo en el estator del generador lineal. Pero, ¿qué hacer en el caso de un motor termoacústico? ¿Cómo obtener electricidad en un motor donde no hay cigüeñal o pistones? ¿Cómo convertir energía acústica de alta intensidad a electricidad? Hasta la fecha, se han ideado dos formas de hacer esto.

La primera forma es usar convertidores lineales.

Aquí hay un video en mi canal donde estoy experimentando con un convertidor lineal:




Fig. 7. - Woofer

Un altavoz común es un ejemplo de transductor lineal. Por lo general, durante la operación, convierte la energía eléctrica, que le es suministrada por la entrada en sonido, es decir, en energía acústica. Pero puede funcionar muy bien en la dirección opuesta y convertir las vibraciones acústicas en electricidad. Los altavoces ordinarios no están diseñados para una intensidad de sonido extremadamente alta como en los dispositivos termoacústicos (160-180 dB.), Por lo tanto, tienen grandes pérdidas de energía asociadas con un factor de baja calidad del sistema oscilatorio, un gran coeficiente de absorción de la membrana de onda debido a su rigidez insuficiente y también insuficiente La rueda libre de la membrana no permite el uso de toda la potencia disponible. Por lo tanto, fabrican altavoces especiales: alternadores lineales, que según el principio de funcionamiento no son diferentes del altavoz, pero tienen una membrana adaptada a la alta intensidad de sonido o reemplazan la membrana con un pistón en general.


Fig. 8. - Alternador lineal Q-Drive

La eficiencia de convertir la energía acústica en energía eléctrica utilizando dicho convertidor puede alcanzar hasta el 80%.

El segundo método de conversión es utilizar un generador de turbina bidireccional.

Los sonidos que se encuentran en la vida cotidiana de la mayoría de las personas, como el habla, los sonidos de los autos que pasan, los ladridos de un perro, tienen una baja intensidad según los estándares de la termoacústica. El desplazamiento del gas desde la posición de equilibrio en la onda acústica del habla conversacional es una fracción de milímetro, por lo que nadie suele percibir una onda de sonido como un viento que cambia su dirección miles de veces por segundo, es decir, cambia de dirección con una frecuencia igual a la frecuencia de la onda. En termoacústica, cuando la intensidad de las oscilaciones alcanza los 180 decibelios, el sonido ya no se convierte en un viento, que cambia de dirección con gran frecuencia, sino en un huracán con una velocidad máxima que alcanza los 100 km / h. Por lo tanto, se puede usar una turbina para convertir esta energía sonora en electricidad. En este video, realicé experimentos interesantes sobre este tema para mostrar visualmente cómo se ve una onda de sonido de alta intensidad.


Está claro de inmediato que la dirección de rotación del rotor de la turbina para termoacústica no debe depender de la dirección del flujo de las turbinas entrantes y salientes, de lo contrario, el flujo acelerará el rotor durante la mitad del período de oscilación y ralentizará la segunda mitad del período. Hay dos tipos de turbinas bidireccionales, cuya dirección de rotación no depende de la dirección del flujo. Esta es una turbina de Gales, cuyas palas del rotor son perfiles aerodinámicos ubicados a través del flujo entrante.


Fig. 9. - Paleta de turbina Gales

El perfil aerodinámico desvía una gran masa de aire entrante en la misma dirección, independientemente de la dirección de movimiento del aire entrante. El impulso de aire se desvía todo el tiempo, en la fig. 9 a la derecha, eso significa que, de acuerdo con las leyes de Newton, la fuerza que actúa sobre los omóplatos debe dirigirse hacia el lado izquierdo. Las leyes de Newton en este caso funcionan correctamente y si arregla tales cuchillas alrededor de la circunferencia del círculo y fija el círculo en el eje, el eje comenzará a girar.


Fig. 10.– Diagrama de la turbina de Gales

Puede mejorar el diseño y agregar paletas de guía, lo que aumentará el efecto.

El segundo tipo de turbinas bidireccionales son las llamadas turbinas de impulso. Este video muestra cómo funciona una turbina de este tipo:




Fig. 11.– Diagrama de una turbina de impulso bidireccional

La turbina de impulso funciona de manera más eficiente que la turbina de Gales debido a la forma más perfecta de las palas del rotor.

Parte experimental

Para los primeros experimentos sobre la generación de electricidad en mi motor, elegí el método más simple y el más ineficaz: usar un woofer normal.


Fig. 12. - Convertidor lineal desde altavoz

Aquí en este video hablo sobre cómo creé e intenté configurar el alternador lineal casero resultante:


Conecté el altavoz al resonador del motor a través de un adaptador que imprimí en una impresora 3D.

Fig. 13. - Conexión de altavoz

Se conecta al resonador desde el lado del intercambiador de calor frío, para no derretir el adaptador de plástico con alta temperatura y no dañar el altavoz. Anteriormente, medí la potencia acústica del motor. La potencia era de unos 10 vatios. Naturalmente, solo una parte de este poder puede convertirse en electricidad. Recordando la Figura 6: distribución de la potencia acústica, como alternador lineal, elegí el altavoz YDN-78-1 con una potencia máxima de 2 veces menos que la potencia acústica del motor, es decir, 5 vatios.

Lo más difícil cuando se usa un alternador lineal es configurar un sistema que consista en un altavoz y un adaptador para la frecuencia de resonancia del motor. La dificultad es que la frecuencia de las vibraciones del motor varía a diferentes temperaturas de calentamiento de los intercambiadores de calor calientes, es decir, a diferentes niveles de entrada de calor. Y todo porque cuanto más potencia térmica aportes, mayor será la temperatura promedio del gas en el interior y al aumentar la temperatura del gas, aumenta la velocidad del sonido en el gas y, en consecuencia, la frecuencia de oscilación. Al mismo tiempo, las mediciones realizadas por Aster Thermoacoustics muestran que la potencia de salida de un convertidor lineal depende en gran medida de la coincidencia de su frecuencia resonante con la frecuencia resonante del motor.


Fig. 14. La dependencia de la potencia de salida relativa de la frecuencia resonante del motor.

Los experimentos con mi motor mostraron que al aumentar la temperatura de los intercambiadores de calor calientes de 120 grados Celsius a 220 grados, la frecuencia de oscilación aumenta de 61 Hz a 64 Hz, es decir, cambia en 3 Hz. En la fig. 14 - en el gráfico Aster Thermoacoustics, la frecuencia del motor está marcada en el eje horizontal, y la potencia eléctrica de salida del convertidor lineal dividida por la potencia máxima del convertidor en todo el rango de frecuencia a lo largo del eje vertical (este es el valor máximo en el gráfico igual a uno). En la fig. 14 se ve que cuando la frecuencia de resonancia del motor se desvía de la frecuencia de resonancia del convertidor en 5 Hz, la potencia de salida disminuye en un factor de 2. Esto significa que un generador termoacústico con un alternador lineal puede funcionar de manera eficiente solo a un cierto nivel de entrada de calor. Si se desvía de este punto óptimo, las características de salida caerán bruscamente.

Entonces, la frecuencia de resonancia de mi motor es 61 - 63 Hz. No encontré altavoces con una frecuencia de resonancia tan baja (es posible que no existan en absoluto para una potencia tan pequeña). La frecuencia de resonancia de mi altavoz era originalmente de 147 Hz. ¿Cómo lo medí?


Fig. 15.- Esquema para determinar la frecuencia de resonancia del hablante

Usé un diagrama de la revista Radio, número 4, 1967, página 45. Este es un circuito de un circuito eléctrico auto-oscilante en el que no hay inductancias o capacitancias, por lo tanto, tal como se concibe, la frecuencia de oscilación de dicho circuito está determinada por la frecuencia de oscilación del sistema oscilatorio mecánico: el diafragma del altavoz.

Luego reduje la frecuencia del altavoz a 61 Hz pegando plastilina en el diafragma. Esto aumentó la masa del diafragma y, por lo tanto, redujo la frecuencia.

Después de eso, inserté el altavoz sintonizado en el adaptador naranja. cuál fue mi sorpresa cuando, en lugar de la frecuencia de oscilación de 63 Hz, encontré la frecuencia de oscilación de 187 Hz, es decir, tres veces más de lo esperado. El tercer armónico estaba emocionado. Tres longitudes de onda comenzaron a encajar en la carcasa del motor, y ninguna. De hecho, los armónicos no fundamentales siempre están presentes en el motor, solo que los dispositivos termoacústicos funcionan en el primer armónico, es decir, en la frecuencia fundamental, y la contribución de los otros armónicos es insignificante. Me sorprendió mucho el efecto de la excitación del 3er armónico en este experimento con el hablante, y comencé a pensar cómo sucedió. Llegué a la conclusión de que este efecto ocurre porque el altavoz está integrado en el resonador del motor a través del adaptador y es necesario considerar la frecuencia de resonancia no del altavoz por separado, sino del altavoz junto con el adaptador. El adaptador aumenta en gran medida la frecuencia de resonancia de todo el ligamento. Por lo tanto, para lograr la operación a la frecuencia fundamental de 63 Hz, es necesario reducir aún más la frecuencia de resonancia del altavoz.


Fig. 16. - Un altavoz con incrustaciones de nueces en el diafragma. (objeto del arte moderno)

Y realmente funcionó, como se esperaba. Fue posible cambiar el modo de funcionamiento del motor para trabajar con la frecuencia principal. Incluso hubo transitorios muy interesantes, cuando con una cierta masa atascada en el diafragma, el motor funcionó a la frecuencia principal y luego, cuando los intercambiadores de calor se enfriaron, comenzó a funcionar a la frecuencia triple. Curiosamente, el motor no puede funcionar a doble frecuencia. Ya sea en el principal o en el triple. Aparentemente, los parámetros de onda a una frecuencia doble no son adecuados para mantener el funcionamiento de este dispositivo.


Cuando se usa un altavoz y un motor con aire a presión atmosférica como fluido de trabajo, la eficiencia de conversión de energía resultó ser insignificante.

Para alcanzar niveles de eficiencia del 20 al 40% del ciclo de Carnot, es necesario aumentar la presión en el motor, reemplazar el gas de trabajo con helio o argón y usar otros métodos de generación de electricidad que un altavoz convencional.