محرك صوتي حراري - محرك ستيرلينغ بدون مكابس

محرك ستيرلينغ - محرك مزود بمصدر خارجي للحرارة. يعد مصدر الحرارة الخارجي مناسبًا للغاية عندما تكون هناك حاجة لاستخدام الوقود غير العضوي كمصدر للحرارة. على سبيل المثال ، يمكنك استخدام الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية والحرارة المهدرة من مختلف المؤسسات.


ميزة لطيفة لدورة "ستيرلنغ" هي أن كفاءتها تساوي كفاءة دورة كارنوت [1]. وبطبيعة الحال ، فإن محركات Stirling الحقيقية ذات كفاءة أقل وغالبًا ما تكون أكثر من ذلك بكثير. بدأ محرك Stirling وجوده بجهاز يحتوي على العديد من الأجزاء المتحركة ، مثل المكابس ، وقضبان التوصيل ، وعمود المرفقي ، والمحامل [2]. بالإضافة إلى ذلك ، كان دوار المولد يدور (الشكل 1).


الشكل 1 - نوع ألفا محرك ستيرلينغ

انظر إلى محرك ستيرلنغ ألفا. عندما يدور العمود ، تبدأ المكابس في تقطير الغاز من أسطوانة باردة إلى ساخنة ، أو العكس ، من حار إلى بارد. لكنها لا تقطّر فحسب ، بل تضغط أيضًا وتتوسع. تجري دورة ديناميكية حرارية. يمكنك أن تتخيل في الصورة أنه عندما يدور العمود بحيث يكون المحور الذي يتم تركيب قضبان التوصيل عليه في الأعلى ، ستكون هذه لحظة أكبر ضغط للغاز ، وعندما يكون أدناه ، يتمدد. صحيح ، هذا ليس صحيحًا تمامًا بسبب التوسعات الحرارية وتقلصات الغاز ، ولكن كل هذا صحيح تقريبًا.

قلب المحرك هو ما يسمى القلب ، والذي يتكون من مبادلين حراريين - ساخن وبارد ، وبينهما يوجد مُجدد. عادة ما يتم تصنيع المبادلات الحرارية على شكل صفائح ، وغالبًا ما يكون المجدد كومة من شبكة معدنية. لماذا نحتاج إلى مبادلات حرارية؟ من الواضح - لتسخين الغاز وتبريده ، ولماذا نحتاج إلى مُجدد؟ والمولد هو مركب حراري حقيقي. عندما يتحرك الغاز الساخن إلى الجانب البارد ، فإنه يسخن المُجدد ويقوم المُجدد بتخزين الطاقة الحرارية. عندما ينتقل الغاز من البرد إلى الجانب الحار ، يتم تسخين الغاز البارد في المُجدد ، وبالتالي يتم حفظ هذه الحرارة ، التي بدونها يمكن إعادة إنفاقها بشكل لا رجعة فيه على تسخين البيئة. لذا ، فإن المُجدد هو شيء ضروري للغاية. يعمل المولد الجيد على زيادة كفاءة المحرك بنحو 3.6 مرة.

المشجعين الذين يريدون بناء مثل هذا المحرك بأنفسهم ، أريد أن أخبركم المزيد عن المبادلات الحرارية. معظم محركات Stirling ذاتية الصنع ، من تلك التي رأيتها ، ليس لديها مبادلات حرارية على الإطلاق (أنا أتحدث عن محركات من نوع ألفا). المبادلات الحرارية هي المكابس والأسطوانات نفسها. يتم تسخين أسطوانة واحدة ، ويتم تبريد الأخرى. علاوة على ذلك ، فإن مساحة سطح التبادل الحراري الملامسة للغاز صغيرة جدًا. لذلك ، من الممكن زيادة قوة المحرك بشكل كبير عن طريق وضع المبادلات الحرارية في مدخل الأسطوانات. وحتى في الشكل 1 ، يتم توجيه اللهب مباشرة إلى الأسطوانة ، وهو ليس كذلك في محركات المصانع.

دعونا نعود إلى تاريخ تطور محركات ستيرلنغ. لذا ، دع المحرك يكون جيدًا من نواح عديدة ، لكن وجود حلقات ومحامل مكشطة الزيت قللت من عمر المحرك وكان المهندسون يعملون بجد في التفكير في كيفية تحسينه ، وقد توصلوا إليه.

في عام 1969 ، حقق ويليام بيل في تأثيرات الرنين في تشغيل المحرك وتمكن لاحقًا من صنع محرك لا يحتاج إليه قضيب ربط ولا عمود مرفقي. حدثت مزامنة المكبس بسبب تأثيرات الرنين. أصبح هذا النوع من المحركات يعرف باسم محرك المكبس الحر (الشكل 2).


الشكل 2 - محرك مكبس بدون ستيرلنغ

يوضح الشكل 2 محرك مكبس خالي من بيتا. هنا يمر الغاز من منطقة ساخنة إلى منطقة باردة ، والعكس صحيح ، بفضل أداة الإزاحة (التي تتحرك بحرية) ، ويقوم المكبس العامل بعمل مفيد. يتأرجح النازح والمكبس على نوابض لولبية ، والتي يمكن رؤيتها على الجانب الأيمن من الشكل. تكمن الصعوبة في أن اهتزازاتها يجب أن تكون على نفس التردد وبفارق طور 90 درجة ، وكل ذلك بسبب تأثيرات الرنين. هذا أمر صعب للغاية.

وبالتالي ، تم تقليل عدد الأجزاء ، ولكن في الوقت نفسه تم تشديد متطلبات دقة الحسابات والتصنيع. لكن موثوقية المحرك قد زادت بلا شك ، خاصة في التصاميم التي تستخدم فيها الأغشية المرنة كمزاح ومكبس. في هذه الحالة ، لا يحتوي المحرك على أي أجزاء فرك. يمكن إزالة الكهرباء ، إذا رغبت في ذلك ، من هذا المحرك باستخدام مولد خطي.

لكن هذا لم يكن كافيًا للمهندسين ، وبدأوا في البحث عن طرق للتخلص من أجزاء الاحتكاك ، ولكن الأجزاء المتحركة بشكل عام. ووجدوا مثل هذه الطريقة.

في السبعينيات من القرن العشرين ، أدرك بيتر زيبيرلي أن التذبذبات الجيبية للضغط وسرعة الغاز في محرك ستيرلنغ ، بالإضافة إلى حقيقة أن هذه التذبذبات في الطور ، تذكرنا بقوة بشكل لا يصدق بالتقلبات في ضغط الغاز والسرعة في موجة صوتية متنقلة (الشكل 3). )


الشكل 3 - رسم بياني لضغط وسرعة الموجة الصوتية المتنقلة كدالة للوقت. يظهر أن تقلبات الضغط والسرعة في طور.

لم تأت هذه الفكرة إلى Zeperli عن طريق الصدفة ، لأنه قبله كان هناك الكثير من البحث في مجال الصوتيات الحرارية ، على سبيل المثال ، وصف اللورد Rayleigh نفسه عام 1884 نوعًا ما هذه الظاهرة.

وبالتالي ، اقترح التخلي تمامًا عن المكابس والنزوح ، واستخدام الموجة الصوتية فقط للتحكم في ضغط وحركة الغاز. ينتج عن هذا محرك بدون أجزاء متحركة وقادر نظريًا على تحقيق كفاءة دورة ستيرلنغ ، وبالتالي كارنو. في الواقع ، أفضل المؤشرات هي 40-50٪ من كفاءة دورة كارنوت (الشكل 4).


الشكل 4 - رسم تخطيطي لمحرك صوتي حراري مع موجة متحركة

يمكنك أن ترى أن المحرك الحراري الصوتي الموجي يعمل هو نفس النواة تمامًا ، ويتكون من مبادلات حرارية ومُجدد ، ولكن بدلاً من المكابس وقضبان التوصيل ، يوجد فقط أنبوب محلق يسمى الرنان. ولكن كيف يعمل هذا المحرك إذا لم يكن لديه أجزاء متحركة؟ كيف هذا ممكن؟

أولاً ، أجب على السؤال ، من أين يأتي الصوت؟ والجواب هو أنه ينشأ من تلقاء نفسه عندما يحدث فرق درجة حرارة كاف بين المبادلين الحراريين. يسمح لك تدرج درجة الحرارة في المجدد بتحسين اهتزازات الصوت ، ولكن فقط طول موجة معين يساوي طول الرنان. منذ البداية ، تبدو العملية على هذا النحو: عندما يتم تسخين المبادل الحراري الساخن ، يحدث سرقة دقيقة ، وربما حتى التشقق من التشوه الحراري ، وهذا أمر لا مفر منه. هذه الأصداف عبارة عن ضوضاء لها نطاق واسع من الترددات. من بين كل هذا الطيف الغني للترددات الصوتية ، يبدأ المحرك في تضخيم اهتزاز الصوت ، الذي يساوي طوله الموجي طول أنبوب الرنان. وبغض النظر عن حجم التقلبات الأولية ، فسيتم تضخيمه إلى أقصى قيمة ممكنة. يحدث الحد الأقصى لحجم الصوت داخل المحرك عندما تكون قوة تضخيم الصوت عن طريق المبادلات الحرارية مساوية لقوة الفقد ، أي قوة التخميد لاهتزازات الصوت. وتصل هذه القيمة القصوى في بعض الأحيان إلى قيم ضخمة تبلغ 160 ديسيبل. حتى داخل هذا المحرك بصوت عال حقا. لحسن الحظ ، لا يمكن أن يخرج الصوت ، لأن الرنان محكم وبالتالي فهو يقف بجوار محرك التشغيل ، وهو بالكاد مسموع.

يحدث تضخيم تردد معين من الصوت بسبب نفس الدورة الديناميكية الحرارية - دورة Stirling ، التي تتم في المجدد.


الشكل 5 - مراحل الدورة قاسية ومبسطة.

كما كتبت بالفعل ، في المحرك الصوتي الحراري لا توجد أجزاء متحركة على الإطلاق ، فهي تولد فقط موجة صوتية داخلها ، ولكن للأسف ، من المستحيل إزالة الكهرباء من المحرك دون تحريك الأجزاء.

عادة ، يتم توليد الطاقة من المحركات الصوتية الحرارية باستخدام مولدات خطية. يتأرجح الغشاء المرن تحت ضغط موجة صوتية عالية الكثافة. داخل الملف النحاسي مع القلب ، تهتز المغناطيسات المثبتة على الغشاء. يتم توليد الكهرباء.

في عام 2014 ، أظهر Kees de Blok و Pawel Owczarek و Maurice Francois من Aster Thermoacoustics أن التوربين الدافع ثنائي الاتجاه المتصل بمولد مناسب لتحويل طاقة الموجة الصوتية إلى كهرباء [3].


الشكل 6 - رسم تخطيطي لتوربين نبضي

يدور التوربين الدافع في نفس الاتجاه بغض النظر عن اتجاه التدفق. يوضح الشكل 6 بشكل تخطيطي ريش الجزء الثابت على الجانبين وشفرات الدوار في المنتصف.
وهكذا تبدو التوربينات في الواقع فيها:


الشكل 7 - منظر خارجي لتوربين نبضي ثنائي الاتجاه

من المتوقع أن يقلل استخدام التوربين بدلاً من المولد الخطي بشكل كبير من تكلفة البناء وسيزيد من قوة الجهاز حتى طاقة محطات الطاقة الحرارية النموذجية ، وهو أمر مستحيل مع المولدات الخطية.

أقوم أيضًا بتطوير محركي الصوتي الخاص بي ، والذي يمكن العثور على المزيد عنه في الفيديو أدناه ، وكذلك في هذه المقالة: "إنشاء وبدء تشغيل محرك صوتي حراري"


قائمة المصادر المستخدمة

[1] م. كروغلوف. محركات ستيرلينغ. موسكو "الهندسة" ، 1977.
[2] G. Reader، C. Hooper. محركات ستيرلينغ. موسكو "مير" ، 1986.
(3) Kees de Blok، Pawel Owczarek. تحويل الصوت إلى طاقة كهربائية ، 2014.