هنا في هذا المقال - "المحرك الصوتي - محرك ستيرلنج بدون مكابس" ، كتبت عن كيفية تحسين محرك ستيرلنغ ووصل إلى حالة المحرك الصوتي الحراري. في هذه المقالة سأتحدث عن كيفية بناء واختبار المحرك الصوتي الحراري الخاص بك.


الشكل 1. محرك صوتي موجه بأربع مراحل

المحرك الصوتي الحراري الموجي المتنقل هو محرك ذو مدخلات حرارة خارجية. يقوم المحرك بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة صوتية بسبب اكتمال الدورة الديناميكية الحرارية الأقرب إلى دورة Stirling. علاوة على ذلك ، يمكن تحويل الطاقة الصوتية إلى كهرباء باستخدام توربين ثنائي الاتجاه متصل بمولد كهربائي وبالتالي الحصول على مولد حراري مع الحد الأدنى من الأجزاء المتحركة وكفاءة كهربائية تساوي 30 - 50 ٪ من كفاءة دورة كارنوت.

ما هو مبدأ تشغيل المحرك؟

GIF 1. محرك ستيرلينغ نوع ألفا

أولاً ، ضع في اعتبارك نوع محرك Stirling ألفا. إذا تخلصنا من جميع التفاصيل الصغيرة ، فإنها تتكون من: أسطوانة يضغط فيها الغاز ويتوسع ويتحرك ؛ المكابس ، التي تقوم بالفعل بمعالجة بالغاز ؛ المبادلات الحرارية التي تزود بالطاقة الحرارية وتزيلها ؛ ومنشئ يعمل على تخزين الحرارة عندما يمر الغاز من المبادل الحراري الساخن إلى البارد ، ثم يطلق الحرارة عندما يتحرك الغاز مرة أخرى.
مع اختلاف طور 90 درجة بين حركة المكابس ، يتم تنفيذ دورة ديناميكية حرارية ، والتي تنتج في نهاية المطاف العمل على المكابس. هذه هي الطريقة التي يوصف بها محرك ستيرلينغ عادة.

ولكن يمكنك النظر إلى هذه العملية بشكل مختلف. النظر في GIF 1 لعدة أيام ، يمكن للمرء أن يفهم أن ضغط الغاز والتوسع والحركة هي في الأساس نفس الشيء الذي يحدث في الموجة الصوتية. وإذا كان هذا هو نفسه ، فهذه موجة صوتية.


GIF 2 محرك صوتي بموجة واحدة

وبالتالي ، من الممكن تمامًا التخلص من المكابس واستبدالها بمرنان صوتي ، حيث تتشكل موجة صوتية وتنتج جميع أعمال المكابس.

هذا التصميم عبارة عن نظام صوتي ذاتي التأرجح يمكن مقارنته بنظام كهربائي ذاتي التأرجح. يوجد مرنان (مثل دارة رنين في دائرة كهربائية) على شكل أنبوب حلقي وعنصر يضخم الاهتزازات الصوتية - مُجدد (كمصدر طاقة متصل في الوقت المناسب في الدائرة الكهربائية). عندما يزيد فرق درجة الحرارة بين المبادلات الحرارية ، يزداد اكتساب طاقة الموجة الصوتية التي تمر عبر المجدد. عندما يصبح الكسب في المجدد أكبر من التوهين أثناء مرور الموجة من خلال العناصر المتبقية ، يبدأ المحرك تلقائيًا.

في اللحظة الأولى من الزمن ، عندما يبدأ المحرك ، يحدث تضخيم تذبذبات الضوضاء الموجودة حتمًا في الغاز. علاوة على ذلك ، من طيف الضوضاء بأكمله ، يتم فقط تضخيم التذبذبات ذات الطول الموجي الذي يساوي طول غلاف المحرك (الطول الموجي مع تردد الرنين الرئيسي). علاوة على ذلك ، عندما يعمل المحرك ، تقع الغالبية العظمى من الطاقة الصوتية على الموجة مع تردد الرنين الرئيسي. هذه الموجة الصوتية هي مجموع موجات السفر والوقوف. ينشأ المكون الدائم للموجة بسبب انعكاس جزء من الموجة من المبادلات الحرارية والمُجدد وتراكب هذه الموجة المنعكسة على الموجة الرئيسية. إن وجود مكون دائم للموجة يقلل من الكفاءة ، والتي يجب أخذها في الاعتبار عند تصميم المحرك.

فكر في موجة سفر مجانية. تحدث مثل هذه الموجة في مرنان المحرك.


GIF 3 مؤامرات درجة الحرارة والضغط في موجة صوتية متنقلة في مرنان

في الرنان ، تتفاعل الموجة بشكل ضعيف جدًا مع جدران الرنان (GIF. 3) ، لأن قطر الرنان كبير جدًا بحيث لا يكون له تأثير قوي على معلمات الغاز مثل درجة الحرارة والضغط. ولكن لا يزال هناك تأثير. أولاً ، يحدد الرنان اتجاه الموجة ، وثانيًا ، تفقد الموجة الطاقة في الرنان بسبب التفاعل مع الجدار في الطبقة الحدية للغاز. في الرسوم المتحركة ، يمكنك أن ترى أن الجزء الأولي المأخوذ بشكل تعسفي من الغاز في موجة حرة يسخن أثناء الضغط ويبرد أثناء التوسع ، أي أنه يتقلص ويتوسع بشكل ثابت تقريبًا. يكاد يكون ثابتًا - لأن الغاز له موصلية حرارية ، وإن كانت صغيرة. في هذه الحالة ، في الموجة الحرة ، يكون اعتماد الضغط على الحجم (مخطط PV) خطًا. أي ، لأن الغاز لا يعمل ، لذا لا يعمل على الغاز.

لوحظت صورة مختلفة تمامًا في مُجدد المحرك


GIF 4 مخططات لدرجة الحرارة والضغط في المجدد

في وجود مُجدد ، يتوسع الغاز ولا يتقلص بشكل ثابت. عند الضغط ، يعطي الغاز طاقة حرارية للمولد ، وأثناء التوسع يأخذ الطاقة ويعتمد الضغط على الحجم على شكل بيضاوي بالفعل. مساحة هذا الشكل البيضاوي تساوي عدديًا العمل المنجز على الغاز. وبالتالي ، يتم تنفيذ العمل في كل دورة ، مما يؤدي إلى زيادة الاهتزازات الصوتية. في GIF 4 ، على الرسم البياني لدرجات الحرارة ، يكون الخط الأبيض هو درجة حرارة سطح التجديد ، والأزرق هو درجة حرارة جزء أولي من الغاز.

الافتراضات الرئيسية في تفاعل الموجة مع المجدد هي كما يلي: الافتراض الأول - في المجدد يوجد تدرج درجة حرارة بحد أقصى للمبادل الحراري الساخن والحد الأدنى للمفترض البارد والثاني - أن الغاز يتفاعل بشدة حراريًا مع سطح المجدد ، أي أنه يأخذ على الفور درجة الحرارة المحلية للمولد (أزرق الخط يقع على أبيض).

مما يتكون مجدد؟ عادة ما يكون كومة من شبكات الصلب. هنا ، في الرسوم المتحركة ، يتم عرضها كمجموعة من اللوحات المتوازية. توجد مثل هذه المولدات أيضًا ، ولكن يصعب تصنيعها أكثر من الشبكات.

مما يتكون محرك الموجة الصوتية الحرارية؟

الشكل 2. تسميات عناصر محرك أحادي المرحلة

فيما يتعلق بالمبادلات الحرارية ، ومُجدد ، ومرنان ، كل شيء واضح. ولكن عادة في المحرك وضعوا مبادل حرارة بارد ثانوي آخر. الغرض الرئيسي منه هو منع تسخين تجويف الرنان بواسطة مبادل حراري ساخن. درجة الحرارة المرتفعة للغاز في الرنان رديئة حيث أن الغاز الساخن له لزوجة أعلى ، وبالتالي فقدان أعلى للموجات ، ثم تقلل درجة الحرارة المرتفعة من قوة الرنان وغالبًا ما تكون هناك حاجة للابتعاد عن المعدات المقاومة للحرارة في الرنان ، مثل مولد توربو بلاستيكي لا يمكن أن يتحمل تسخين. يسمى التجويف بين المبادل الحراري الساخن والبرد الثانوي أنبوب عازل حراري. يجب أن يكون بهذا الطول بحيث لا يكون التفاعل الحراري بين المبادلات الحرارية كبيرا.

يتم تحقيق أكبر قدر من الكفاءة عند تثبيت التوربين في الرنان من جانب المبادل الحراري الساخن ، أي مباشرة بعد البارد الثانوي.

يُطلق على المحرك أحادي المرحلة الموضح في الشكل 2 اسم محرك Zeperli ، حيث جاء بيتر Zeperli لأول مرة بتصميمه.


الشكل 3. مخطط محرك بأربع سرعات

يمكن تحسين تصميم المرحلة الواحدة. اقترح دي بلوك محركًا بأربع سرعات في عام 2010 (الشكل 3). قام بزيادة قطر المبادلات الحرارية والمُجدد بالنسبة لقطر المرنان لتقليل سرعة الغاز في منطقة المُجدد وبالتالي تقليل احتكاك الغاز بالمُجدد ، وزاد أيضًا عدد المراحل إلى أربع مراحل. تؤدي الزيادة في عدد الخطوات إلى انخفاض في فقدان الطاقة الصوتية. أولاً ، يتم تقليل طول التجويف لكل مرحلة ، ويتم تقليل فقدان الطاقة في التجويف. ثانيًا ، ينخفض ​​الفرق بين أطوار السرعة والضغط في منطقة التجديد (يتم إزالة المكون الثابت للموجة). هذا يقلل من الحد الأدنى لفرق درجة الحرارة المطلوب لتشغيل المحرك.

لذا - يمكنك بناء محرك من خطوتين ، بثلاث خطوات أو أكثر من أربع خطوات. إن اختيار عدد الخطوات مسألة قابلة للنقاش.

عندما تكون الأشياء الأخرى متساوية ، يتم تحديد قوة المحرك من خلال قطر المرحلة ، وكلما كانت أكبر ، زادت القوة. يجب اختيار طول غلاف المحرك بحيث يفضل أن يكون تردد التذبذب أقل من 100 هرتز. إذا كان الغلاف قصيرًا جدًا - أي إذا كان تردد التذبذب مرتفعًا جدًا ، فإن فقدان الطاقة الصوتية يزيد.

بعد ذلك ، سأصف بناء مثل هذا المحرك.

إنشاء المحرك

المحرك الذي سأصفه هو نموذج أولي مصغر للاختبار. ليس من المخطط أن تولد الكهرباء. هناك حاجة لتطوير التكنولوجيا لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة صوتية ، وهي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن دمج التوربين فيها وتوليد الكهرباء. يجري إعداد نموذج أولي أكبر لتوليد الكهرباء.


التين. 4. الحالة

لذلك ، بدأت في التصنيع مع القضية. يتكون من 4 درجات و 4 رنانات ويمثل طوبوغرافيًا مجوفًا منحنيًا مرتين في النصف بمقدار 180 درجة. ترتبط الخطوات بالرنانات باستخدام الشفاه. الجسم كله مصنوع من النحاس. هذا ضروري لكي تكون قادرًا على لحام شيء ما في الجسم بسرعة وبسرعة لحام. تصنع الرنانات من أنبوب نحاسي بقطر خارجي 15 ملم و 13 ملم داخلي. خطوة من أنبوب بقطر خارجي 35 ملم و 33 ملم داخلي. يبلغ طول الخطوة من الحافة إلى الحافة 100 مم. الطول الكلي للبدن 4 م.


التين. 5. المبادلات الحرارية الساخنة (اليسرى) والباردة (اليمنى)

ثم قام بعمل مبادلات حرارية. هذه مبادلات حرارية. العناصر الهيكلية الرئيسية لهذه المبادلات الحرارية هي لوحات النحاس وغسالات


التين. 6. لوحة النحاس وغسالة النحاس

في المبادل الحراري الساخن ، يتم التسخين الكهربائي باستخدام خيط نيتشروم مثبت في الفتحة المركزية. الطاقة الحرارية القصوى 100 واط. سيكون من المفارقة استخدام الكهرباء لبدء تشغيل المولد ، ولكنه ملائم للغاية للنموذج الأولي للاختبار. إن استخدام التسخين بالكهرباء ، بدلاً من الغاز أو أي طاقة حرارية أخرى ، يزيل صعوبة حساب الطاقة الحرارية الواردة ، لأنه في حالة التسخين الكهربائي يكفي لمضاعفة الجهد بالتيار والطاقة الحرارية الواردة بالضبط. قم بقياس الطاقة الحرارية الواردة بدقة - وهذا أمر مهم لحساب الكفاءة.

يتم تبريد المبادل الحراري البارد بالمرور عبر القناة المركزية للمبرد ، في هذه الحالة الماء. يدخل الماء المسخن في المبادل الحراري مشعاع تبريد خارجي ، يستخدم كمبرد من موقد سيارة خارقة مثل لادا

التين. 7. مشعاع نحاسي لسخان من VAZ-2101-8101050

بعد المرور عبر مشعاع التبريد ، يعود الماء إلى المبادل الحراري البارد. يتم تداول المياه بواسطة مضخة التدوير TOPFL Solar DC 5 PV.

التين. 8. مضخة تداول المياه 12V


التين. 9. إحدى شبكات التجديد


التين. 10. الأجزاء التي هي جزء من مرحلة واحدة


التين. 11. قطع مقطعي

في هذه الأشكال ، يمكن ملاحظة أنه بالإضافة إلى المبادلات الحرارية ومُجدد ، توجد إدخالات الألمنيوم داخل المسرح. إنها مطلوبة ببساطة بحيث يمكن إزالة أسلاك المبادل الحراري الساخن وتركيبات المبادل الحراري البارد من خلال جدار الأنابيب. بدون هذه الإدخالات ، سيكون من الضروري الإخراج من خلال الشفاه ، وهو أمر غير سارٍ للغاية أو حتى مستحيل. لذلك في كل إدراج هناك ثقب بقطر 13 مم ، تمامًا مثل قطر الرنان ، وبالتالي لا يختلف الإدخال في الخصائص الصوتية عن الرنان - أي أنه استمرار له.


التين. 12. إدراج الألومنيوم في السكن

يبدو أن المبادل الحراري البارد داخل العلبة:


التين. 13. مبادل حراري ملحوم

الإلكترونيات ومعدات القياس

اخترت 12 فولت كجهد رئيسي للنظام بأكمله ، حيث يمكنك بسهولة العثور على مورد طاقة رخيص وقوي جدًا - مصدر الطاقة للكمبيوتر. لقد اخترت مزود طاقة Aerocool VX 650W ، حيث يجب أن تكون الطاقة الكهربائية القصوى المطلوبة أكثر بقليل من 400 واط.


التين. 14. مزود الطاقة Aerocool VX 650W

لقد استخدمت Arduino Mega 2560 كوحدة تحكم في النظام ، وقمت بتوصيل جميع أجهزة الاستشعار والمنظمين به


التين. 15. Arduino Mega 2560

ويتم تنظيم قوة التسخين للمبادلات الحرارية باستخدام تعديل عرض النبض. لهذا ، استخدمت محرك الترانزستور IRF 520 رباعي القنوات لـ Arduino.


التين. 16. أربع قنوات IRF 520 سائق الترانزستور لاردوينو

كان يجب وضع الترانزستورات على المبرد ، لأنها فشلت في ارتفاع درجة الحرارة بالفعل بقوة تزيد عن 10 واط عبر الترانزستور.

تم أيضًا التحكم في طاقة المضخة باستخدام PWM ، ولكن فقط من خلال الوحدة - مفتاح الطاقة Troyka-Mosfet V3.


التين. 17. Troyka-Mosfet V3 - مفتاح التشغيل على أساس IRLR8113 لـ Arduino

يتم قياس التدفق الحالي من خلال المبادلات الحرارية الساخنة باستخدام مستشعر تيار 20 أمبير لاردوينو.


التين. 18. مستشعر التيار 20 أمبير (يسار) ووحدة للمزدوجات الحرارية من النوع K - MAX6675 (يمين)

من الضروري أيضًا قياس درجة حرارة المبادلات الحرارية ، لذلك ، يتم استخدام المزدوجات الحرارية من النوع K ووحدة المزدوجة الحرارية من النوع K ، MAX6675 ، التي ترقم الجهد من المزدوجات الحرارية ، لأنها صغيرة جدًا لتزويدها مباشرة إلى Arduino.


التين. 19. المزدوجات الحرارية من النوع K في أنبوب نحاسي

يتم لصق المزدوجات الحرارية في أنابيب نحاسية باستخدام مانع تسرب عالي الحرارة على جانب الوصل واستخدام الإيبوكسي على جانب السلك. يتم ذلك من أجل لحامهم في مبيت المحرك النحاسي

الآن يبقى فقط لقياس الضغط في المحرك والاهتزازات الصوتية ، أي تقلبات الضغط ، من أجل معرفة القوة الصوتية للمحرك. من ناحية ، من الممكن قياس متوسط ​​الضغط لكل دورة في المحرك (الضغط المرجعي) وتقلبات الضغط الجيبي مع نفس مستشعر الضغط المطلق. ولكن في هذه الحالة ، لن يتم تضمين معظم نطاق القياس في المستشعر ، لأن سعة تقلبات الضغط أصغر بعشر مرات أو أكثر من الضغط المرجعي نفسه. أي أنه لا يزال هناك حل صغير لقياس تقلبات الضغط بدقة. لذلك ، كانت هناك حاجة لفصل الضغط المرجعي وتقلبات الضغط من أجل قياس تقلبات الضغط بواسطة جهاز استشعار آخر - جهاز استشعار مع نطاق قياس مناسب لسعة التذبذبات في الموجة. لهذه الأغراض ، تم تصنيع خزان عازل صغير وتوصيله بتجويف المحرك من خلال أنبوب شعري رفيع جدًا. الأنبوب رقيق جدًا لدرجة أن ملء الخزان من خلاله بضغط 1 ضغط جوي يستغرق حوالي 3 ثوانٍ.


التين. 20. خزان عازل لقياس تقلبات الضغط في الرنان

لماذا تم كل هذا؟ ولحقيقة أنه بسبب الأنبوب الشعري في الخزان العازل ، يتم تكوين متوسط ​​الضغط لكل دورة ، لأن تردد التذبذب النموذجي في المحرك هو 80 هرتز ، أي أن الفترة هي 0.0125 ثانية ، وسيستغرق زيادة الضغط من سعة التذبذبات حوالي ثانية. وبالتالي ، يتم استبعاد تقلبات الضغط في الخزان ، ولكن في نفس الوقت يوجد متوسط ​​الضغط لكل دورة ، ويمكن بالفعل قياس الضغط النسبي بين هذا الخزان والمحرك. هذا هو بالضبط ما نحتاجه.

يمكن زيادة الضغط في المحرك إلى 5 ضغط جوي باستخدام مضخة القدم.

لقياس متوسط ​​الضغط لكل دورة ، تم توصيل مستشعر الضغط المطلق MPX5700AP بالخزان الاحتياطي ، وتم توصيل مستشعر الضغط التفاضلي MPX5050DP بين الخزان ومرنان المحرك لقياس تقلبات الضغط.


التين. 21. مستشعر الضغط المطلق MPX5700AP (يسار) ومستشعر الضغط التفاضلي MPX5050DP (يمين)

الإطلاق الأول

التين. 22. وهج جميل من أجهزة الاستشعار عند تشغيل المحرك في الظلام

جرت المحاولة الأولى لتشغيل المحرك مع واحدة من أربع مراحل جاهزة. كانت الخطوات المتبقية فارغة (بدون مبادلات حرارية ومولد). عندما تم تسخين المبادل الحراري الساخن حتى درجة حرارة قصوى 250 درجة مئوية ، لم يبدأ.

ثم جرت محاولة إطلاق ثانية في خطوتين. تقع الخطوات على مسافة نصف طول السكن عن بعضها البعض. مرة أخرى ، عندما تم تسخين المبادلات الحرارية إلى 250 درجة ، لم يبدأ تشغيل المحرك. كانت درجة حرارة المبادلات الحرارية الباردة في جميع التجارب حوالي 40 درجة مئوية ، وكان مائع العمل في جميع التجارب هو الهواء مع الضغط الجوي.

تم الإطلاق الأول الناجح خلال عمل جميع المراحل الأربع. كانت درجة حرارة المبادلات الحرارية وقت الإطلاق 125 درجة. عند تشغيل الطاقة الحرارية القصوى 372 واط (أي 93 واط لكل مبادل حراري ساخن) ، كانت درجة حرارة المبادلات الحرارية 175 درجة ، بارد 44. تردد التذبذب المقاس هو 74 هرتز. قوة الموجة الصوتية في الرنان هي 27.6 واط. لم يتم بعد قياس كفاءة تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة صوتية ، حيث يتطلب ذلك مستشعرات ضغط إضافية يجب وضعها قبل وبعد المرحلة لقياس الزيادة في الطاقة الصوتية في المرحلة. بالإضافة إلى ذلك ، للتجارب لتحديد الكفاءة ، من الضروري وضع حمل داخل المحرك ، ولكن هذا هو موضوع القصة التالية ...

يعمل المحرك أيضًا في 3 من 4 مراحل.تبلغ درجة حرارة المبادلات الحرارية الثلاثة عند بدء التشغيل حوالي 175 درجة. الرابعة - مرحلة غير مستخدمة في نفس الوقت تعمل في وضع مضخة حرارية أو ثلاجة (تعتمد على وجهة النظر ، على ما نحتاج إليه ، تدفئة أو تبريد). أي أن المبادل الحراري البارد لمرحلة خاملة لديه درجة حرارة مثل جميع المبادلات الحرارية الباردة الأخرى ، ويبدأ المبادل الحراري الساخن في البرود ، حيث أن الموجة الصوتية تزيل الطاقة الحرارية منه. في التجربة ، كان الحد الأقصى للتبريد الذي تم الحصول عليه بهذه الطريقة 10 درجات.

ما فاجأني عند بدء التشغيل هو أن الضيق المطلق ليس حرجًا حتى يعمل الجهاز. أي أنه في البداية ، لم يتم توصيل الأنابيب التي يجب توصيل الخزان العازل ومستشعر الضغط بها. كان قطر كل من الثقوب حوالي 2.5 ملم. أي أن المحرك كان مانعًا للتسرب تمامًا ، وهذا لم يمنعه من البدء والتشغيل بنجاح. يمكن للمرء حتى إحضار إصبع إلى الأنابيب ويشعر اهتزازات الهواء. عندما تم توصيل الأنابيب ، بدأت درجة حرارة المبادلات الحرارية في الانخفاض بشكل كبير (بمقدار 20-30 درجة) وزادت درجة حرارة المبردات بنسبة 5-10 درجات. هذا دليل مباشر على أنه أثناء الختم ، تزداد الطاقة الصوتية داخل الغلاف وبالتالي يزداد انتقال الحرارة بين المبادلات الحرارية ، بسبب التأثير الصوتي الحراري.

ثم ، كان الكثيرون قلقين من أن المحرك سيكون مرتفعًا جدًا أثناء التشغيل. في الواقع ، قد تعتقد ذلك ، لأن حجم الصوت المقاس في الرنان كان 171.5 ديسيبل. لكن الشيء هو أن الموجة بأكملها محاصرة داخل المحرك وفي الواقع تبين أنها صامتة لدرجة أنه لا يمكن تحديد عملها خارجيًا إلا من خلال اهتزاز طفيف للحالة.

دعوة للانضمام إلى المشروع

أقوم بمساعدة الصوتيات الحرارية في إنجلز ، في نادي سول إن للهندسة. أولئك المستوحون أيضًا من هذا الاتجاه من الإبداع والذين يرغبون في الانضمام في المستقبل ، يكتبون في رسائل شخصية من أي مدينة أنت.