شكل 1. الثلاجة الحرارية الصوتية THEAC-25 مع موجة متحركة (يسار) وثلاجة صوتية حرارية مع موجة دائمة Triton C-10c (يمين)الأجزاء السابقة:
"مقالة واحدة" ،
"مقالة 2" .
1) محرك الحرارية ، الثلاجة ومضخة الحرارة1.1) المحركفي محرك حراري صوتي ، يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة صوتية. وتسمى هذه العملية تأثير صوت حراري مباشر.
شكل 2. تضخيم قوة الموجة الصوتية في المبادل الحراري للمحركعند إدخال المبادل الحراري ، تصل موجة من الطاقة الصغيرة Win ويتم تضخيمها ، ويمر عبر المبادل الحراري للمحرك إلى قيمة Wout. من أجل تضخيم الموجة ، من الضروري إنفاق الطاقة الحرارية. يتم توفير دبوس الطاقة الحرارية في درجة حرارة التدفئة Tnag. لا يمكن تحويل كل الطاقة الحرارية إلى طاقة صوتية ، لأن الحد الأقصى لكفاءة التحويل لأي محرك حراري محدود بفعالية دورة Carnot. لذلك ، فمن الضروري تفريغ جزء من الطاقة الحرارية العبوس في البيئة. درجة الحرارة التي يتم عندها إزالة الحرارة تساوي - إلى. يرجى ملاحظة أنه في المحرك ، يزداد اتجاه درجة الحرارة في المبادل الحراري والاتجاه الذي تنمو به الطاقة الصوتية.
1.2) ثلاجةفي الثلاجة ، يتحقق التأثير الحراري الصوتي العكسي. أي أن العكس يحدث ، مقارنة بالمحرك. تصل الموجة الصوتية القوية Win إلى مدخلات جهاز المبادل الحراري للثلاجة ، والذي يضعف في المبادل الحراري إلى قيمة Wout. فقدان قوة الموجة هو خلق فرق في درجة الحرارة بين المبادلات الحرارية.
شكل 3. خلق فرق في درجة الحرارة خلال توهين الموجةيبدأ أحد المبادلات الحرارية في التسخين ، والآخر يبدأ في البرودة. أي أن الموجة الصوتية تسلب الحرارة من مبادل حراري وتنقلها إلى أخرى. في هذه الحالة ، من الضروري تفريغ الطاقة الحرارية Pout من المبادل الحراري للتسخين في البيئة ، كما يدخل دبوس الطاقة الحرارية ، وهو الطاقة الحرارية المفيدة للثلاجة ، في المبادل الحراري البارد. الثلاجة يبرد كائن إلى درجة حرارة Tohl.
1.3) مضخة الحرارةالمضخة الحرارية هي في الأساس مثل الثلاجة ، مع وجود الفرق الوحيد في أن الحرارة في الثلاجة تعتبر طاقة حرارية مأخوذة من البيئة ، وفي المضخة الحرارية ، تُعطى الطاقة للبيئة (لتلبية الاحتياجات المختلفة).
شكل 4. أيضا إنشاء اختلاف في درجة الحرارة أثناء التوهين الموجي ، تعتبر طاقة التدفئة فقط ، وليس التبريد ، قوة مفيدةيرجى ملاحظة أنه في كل من الثلاجة وفي المضخة الحرارية ، يكون الاتجاه الذي تنخفض فيه درجة الحرارة في المبادل الحراري عكس الاتجاه الذي تنخفض فيه طاقة الموجة الصوتية ، مما يشير إلى أن التأثير الحراري الصوتي العكسي قد تحقق. يمكن إنشاء الموجة الصوتية التي تدخل الإدخال باستخدام المحرك ، أو باستخدام مكبر صوت قوي أو مكبس متصل بمحرك كهربائي خطي.
2) الأجهزة مع موجة دائمة والأجهزة مع موجة السفروفقًا لنوع الموجة في الرنان ، تنقسم الأجهزة الصوتية الحرارية إلى نوعين: الأجهزة ذات الموجة المتحركة والأجهزة ذات الموجة الدائمة.
دعونا نرى ما هي الاختلافات بين السفر والموجة الصوتية الدائمة.
2.1) موجة الجريGIF 1. الرسم البياني للضغط وسرعة الغاز وصورة النزوح في موجة السفرموجة متحركة تمر عبر مرنان على GIF 1 إلى اليمين. في موجة متحركة ، تقلبات الضغط وسرعة الغاز في المرحلة. في هذه الحالة ، يتم نقل الطاقة في اتجاه حركة الموجة. تصف الأشكال البيضاوية الوردية في الصورة 1 الرسوم البيانية لاعتماد الضغط على إحداثيات أجزاء الغاز الأولية في نقاط مختلفة داخل الرنان. القوة الصوتية التي تحملها الموجة إلى اليمين تساوي عدديًا مساحة البيضاوي الوردي ، أي مساحة مخطط PX. كما ترون ، الأشكال البيضاوية في نقاط مختلفة هي نفسها ، مما يدل على أن قوة الموجة لا تتغير عند التحرك على طول مرنان. بمعنى أن التخفيف من الموجة عندما تتحرك على طول الرنان لا يؤخذ في الاعتبار هنا.
يمكن للموجة المتحركة أن تنتشر في مرنان ، وهو أنبوب محلق. في هذه الحالة ، فإن طول الموجة المطابق لتردد الرنين لمثل هذا الرنان سيكون مساوياً لطول الأنبوب نفسه.
GIF 2. جهاز موجة السفر2.2) موجة دائمةالموجة الدائمة هي مجموع موجتين متجولتين تنتشران في اتجاهين متعاكسين. يمكن أن تحدث مثل هذه الموجة أثناء الانعكاس ، من أي كائن والعودة إلى مصدر الصوت.
GIF 3. الرسم البياني للضغط وسرعة الغاز وصورة النزوح في موجة دائمةيُظهر GIF 3 موجة دائمة في مرنان نصف الموجة ، أي في مرنان بطول يساوي نصف طول الموجة. يمكن تخيل أن المرنان أدناه على GIF 3 عبارة عن أنبوب موصول بمقابس من كلا الجانبين. في هذه الحالة ، شخص ما ، على سبيل المثال ، يهز الأنبوب ، ويعلق الغاز الموجود داخل طرفي الأنبوب. نظرًا لأن نهايات الأنابيب متصلة ، فإن سرعة الغاز على سطح المقابس لا يمكن أن تكون سوى صفر (كما يمكن رؤيته على الرسم البياني للسرعة). وهذا هو ، تظهر العقد السرعة في نهاية الأنبوب. في الوقت نفسه ، من الواضح أن أكبر تقلبات الضغط في السعة (العقد المضادة أو العقد المضادة للضغط) ستتم ملاحظتها على المقابس ، وستكون وحدة الضغط (النقطة التي لا توجد فيها اهتزازات) في منتصف الأنبوب.
في موجة دائمة ، يكون فرق الطور بين تقلبات الضغط وتقلبات السرعة 90 درجة. في هذه الحالة ، تكون مخططات PX في جميع نقاط المرنان خطوطًا ، أي أشكال ليس لها مساحة. وفقًا لذلك ، لا يحدث نقل الطاقة في موجة دائمة ، سواء إلى اليمين أو اليسار. لكن الموجة نفسها لديها طاقة طبيعية.
يمكن إنشاء موجة دائمة في مرنان نصف الموجة عن طريق وضع مكبر صوت أو مكبس في أحد نهايته ، مما ينتج تذبذبات عند تردد الرنان من الرنان. وعن طريق وضع مبادل حراري إضافي في الرنان ، يمكنك إنشاء ثلاجة صوتية حرارية.
GIF 4. موجة دائمة في مرنان نصف الموجة. على يسار مرنان هو المكدس ما يسمى - التناظرية من المجدد في محرك موجة السفرنظرًا لتشتت الطاقة الصوتية في المرنان وفي المبادل الحراري ، لن تكون الموجة الناتجة ثابتة تمامًا. ستكون هناك حاجة لتنشيط مستمر من المكبس. في GIF 4 ، يمكن ملاحظة أنه ، منذ أن يتأرجح المكبس ، يتأرجح الغاز عند المكبس به. هناك نقل للطاقة الصوتية من المكبس إلى مرنان ، والذي يعوض عن فقدان الطاقة في مرنان. وبالتالي ، على الرغم من أن الموجة الناتجة قريبة جدًا من الموجة الدائمة ، فهي عبارة عن مجموعة من الموجة الدائمة والموجهة عند فحصها بدقة أكبر.
في الأجهزة الصوتية الحرارية الحقيقية ، لا توجد أبدًا موجة سفر بحتة أو دائمة. دائمًا ما تكون الموجة متوسطة ، ولكن إذا كانت الموجة الموجودة في الجهاز تشبه إلى حد بعيد الموجة الدائمة ، فسيتم تسمية الجهاز بجهاز ذي موجة ثابتة ، وإذا كانت الموجة مشابهة لموجة مسافرة ، فسيتم استدعاؤها باسم جهاز مع موجة متحركة.
3) الأبعاد الرئيسية3.1) طول القضيةيتم تحديد طول الجهاز الصوتي - المرن الحراري بواسطة الطول الموجي. من الأفضل أن نقول عكس ذلك ، أن طول غلاف الرنان يحدد طول الموجة في الرنان.
في الأجهزة ذات موجة الوقوف ، يكون طول الجسم عادةً مساويًا لنصف طول الموجة. على سبيل المثال ، بالنسبة للتردد النموذجي البالغ 300 هرتز لنوع الجهاز النموذجي ، سيكون طول العلبة عند العمل في الهواء حوالي 0.56 متر ، وعند العمل باستخدام الهليوم 1.65 متر.
شكل 5. الأبعاد الرئيسية للجهاز مع موجة دائمةفي أجهزة الموجة المتحركة ، يكون طول الموجة مساويًا تقريبًا لطول الجسم. تردد التذبذب النموذجي في هذه الأجهزة هو 100 هرتز ، في حين أن طول الحالة عند العمل في الهواء سيكون 3.4 متر ، وعند العمل على الهيليوم - 10 أمتار.
شكل 6. الأبعاد الرئيسية لجهاز موجة السفر3.2) حالة القطريتم تحديد قطر السكن بناءً على الطاقة المطلوبة للجهاز. تزداد الطاقة مع زيادة قطر الجهاز بما يتناسب مع مساحة المقطع المستعرض للإسكان ، نظرًا لأن نسبة المبادل الحراري تزداد مع نسبة المساحة المستعرضة.
الرنان هو أنبوب تقليدي ، ويفضل أن يكون مع جدران ناعمة.
GIF 5. تفاعل الغاز المتذبذب مع جدار التجويفإذا أخذنا في الاعتبار انتشار موجة صوتية في مرنان بقطر كبير بما فيه الكفاية (من حوالي سنتيمتر أو أكثر) ، اتضح أن الغاز في الموجة يتفاعل مع جدار الرنان ليس بكامل حجمه ، ولكن فقط في طبقة حدودية صغيرة تقع بالقرب من جدار الرنان. في gifka 5 ، يتبين أنه خلال تذبذبات الغاز ، يتم تشكيل تشوه غير عادي لسرعة الغاز بسبب الاحتكاك ضد الجدار بالقرب من جدار التجويف. على سطح الجدار ، تكون سرعة الغاز صفرًا ، والتي يتم قبولها عادة كشرط حدّي في معظم مشاكل الهيدروديناميكية.
عمق اللزوجةيتم وضع علامة المحور الرأسي على الرسم البياني في ما يسمى قيم تغلغل لزج δν.
عمق الاختراق اللزج هو تقدير لحجم الطبقة التي تتفاعل بنشاط مع جدار الجسم. على سبيل المثال ، بالنسبة لموجة صوتية تنتشر في الهواء مع ظروف طبيعية بتردد 70 هرتز ، يبلغ عمق الاختراق اللزج 0.27 مم. في GIF 5 ، يمكن ملاحظة أن تفاعل الجدار والغاز يتم ملاحظته بقيم أكبر من عمق الاختراق اللزج ، ولكن ، مع ذلك ، فإن منطقة التفاعل النشط بما فيه الكفاية للموجة مع الحائط تبلغ قيمتها حوالي 1 مم فقط. في وسط المرنان ، يتم رصد الاهتزازات الصوتية العادية ، تمامًا كما لو لم يكن هناك مرنان على الإطلاق. وفقًا لذلك ، لا يحدث تناثر الطاقة الصوتية بسبب الاحتكاك على الجدران إلا في طبقة حدود ضيقة بالقرب من الجدار.
عمق الاختراق الحراريفي الموجة الصوتية ، يضغط الغاز ويتوسع ، في حين تتقلب درجة حرارة الغاز بسبب التبادل الحراري والتبريد اللاإرادي. يحدث هذا في موجة تنتشر في الفضاء الحر. عندما تتحرك الموجة في التجويف ، تتفاعل الموجة مع جدار التجويف ، وتبدأ درجة حرارة الجدار في التأثير على تقلبات درجة حرارة الغاز في الموجة الصوتية.
بنفس الطريقة بالنسبة للتفاعل اللزج مع الجدار ، هناك أيضًا كمية للتفاعل الحراري الذي يميز حجم طبقة الغاز التي تتفاعل بشكل حراري مع الجدار. وتسمى هذه الكمية - عمق الاختراق الحراري δκ. تقلبات درجة حرارة الغاز بالقرب من الجدار تكون مشوهة بنفس طريقة تشويش سرعة الغاز في المثال السابق. لذلك إذا قلت فقط إن تقلبات GIF 5 تحدث الآن ليس في سرعة الغاز ولكن في درجة الحرارة ، وأن المحور الرأسي الآن ليس في أعماق الاختراق اللزج ، ولكن في الأعماق الحرارية ، فإن GIF 5 سيكون صحيحًا لتقلبات درجة الحرارة. من الناحية العددية ، يكون عمق الاختراق الحراري دائمًا أكبر من عمق اللزوجة. على سبيل المثال ، بالنسبة لنفس الهواء في ظل الظروف العادية ومع تردد التذبذب البالغ 70 هرتز ، سيكون عمق الاختراق الحراري حوالي 0.32 مم ، وهو ما يزيد بمقدار 1.185 مرة فقط عن عمق اللزوجة في المثال السابق.
ما هي الاستنتاجات التي يمكن استخلاصها من كل هذا؟
حسنًا ، أولاً ، بقطر كبير بما يكفي من المرنان ، لا تتفاعل الموجة تقريبًا بشكل حر أو لزج مع الرنان. يقوم مرنان بتعيين اتجاه الموجة ونوع الموجة فقط. ويترتب على ذلك أنه من أجل نقل الطاقة الحرارية من الغاز وسحبها ، يجب أن يكون حجم القنوات (المسام ، الفتحات ، الفتحات) في المبادل الحراري في مكان ما في منطقة الاختراق الحراري ، ولكن في أي حال من الأحوال أكبر من هذه القيمة.
بعد ذلك ، نظرًا لأن أعماق الاختراق اللزج والحراري تساوي تقريبًا أي غازات وأي ترددات ، فإن الأجهزة الصوتية الحرارية محكوم عليها بفقدان مع احتكاك الغاز على سطح المبادل الحراري.
3.3) أبعاد القناة في المبادل الحراريبالنسبة لأجهزة الموجة المتحركة ، من أجل تحقيق أقصى قدر من الكفاءة ، يجب أن يكون نصف قطر المسام الهيدروليكي في المبادل الحراري أقل من عمق الاختراق الحراري Rh <δk لضمان الاتصال الحراري الجيد بين الغاز وسطح المبادل الحراري. يتبع هذا الشرط معادلات الصوتيات الحرارية. بالنسبة إلى المجدد ، هذا الشرط مهم بشكل خاص. عادةً ما تكون القيمة المثلى لنصف القطر الهيدروليكي لمسام المُجدد ، أقل من عمق الاختراق الحراري بمقدار يتراوح بين 3.5 و 6 مرات. يؤثر حجم المسام في المبادلات الحرارية على الجهاز أقل بكثير من حجم المسام في المجدد ، لذلك يفضل عادة زيادة حجم المسام (القنوات) في المبادلات الحرارية ، بالنسبة لمسامات التجديد ، لسهولة التصنيع.
من ناحية أخرى ، تخبرنا المعادلات الصوتية الحرارية أنه في الأجهزة التي لها موجة دائمة ، يجب أن تكون قيمة نصف القطر الهيدروليكي لمسام المكدس (تناظرية المجدد في الأجهزة ذات الموجة المتحركة) مساوية تقريبًا لعمق الاختراق الحراري في الغاز. أي أنه في جهاز به موجة دائمة ، يجب أن يكون حجم المسام الموجودة في الرصة أكبر بمقدار يتراوح ما بين 3.5 إلى 6 أضعاف من حجم الجهاز الذي يحتوي على موجة متنقلة ، مع ثبات باريبوس. لا يؤثر حجم المسام في المبادلات الحرارية للأجهزة ذات الموجة الدائمة على كفاءة الجهاز بقدر تأثير حجم المسام في الحزمة ، وكذلك على الأجهزة التي تحتوي على موجة متحركة.
3.4) طول المبادلات الحرارية وتجديدفي الموجة الصوتية ، يؤدي كل جزء أولي من الغاز التذبذبات التوافقية بالنسبة إلى موضع توازنه مع السعة X1 (انظر الشكل 5 والشكل 6). تكون قيمة الطول الأمثل لجهاز التجديد أو المكدس أكبر عادة من إزاحة الغاز 2 | X1 | (أكبر من السعة المضاعفة لانحراف الجزء الأولي من الغاز عن موضع التوازن). إذا كانت القيمة النموذجية للإزاحة هي 1 سم ، فيمكن أن يتراوح طول وحدة التجديد أو المكدس من 1 سم إلى 5 سم ، وهذا يتوقف على درجة حرارة التشغيل. طول المبادلات الحرارية في نفس الترتيب بالنسبة للمجدد.
4) دورة الديناميكا الحرارية في الأجهزة مع موجة دائمة وفي الأجهزة مع السفر4.1) المحرك والوقوف موجة الثلاجةالدورة الديناميكية الحرارية المنفذة في كومة الجهاز مع موجة دائمة هي الأقرب إلى دورة برايتون ، والتي يتم تنفيذها في محرك التوربينات الغازية.
المحركGIF 6. دورة الديناميكا الحرارية في محرك موجة دائمةيوضح GIF 6 تذبذبات الحجم الأولي للغاز بين ألواح الكومة. الغاز ، عن طريق الضغط والتوسيع ، يغير درجة حرارته (الرسم البياني في الزاوية اليسرى السفلى). الرسم البياني لدرجات الحرارة مقابل الإحداثيات هو رقم مشابه للبيضاوي (الخط الأخضر). يشير الخط الأبيض على الرسم البياني إلى درجة حرارة سطح المكدس. يمكنك أن ترى أن هناك تدرج في درجة الحرارة على طول المكدس. وهذا يعني أن درجة الحرارة تنخفض خطيًا عند الانتقال من اليسار إلى الطرف الأيمن من المكدس.
إذا كان للخط الأبيض لدرجة حرارة المكدس ميل على الرسم البياني أكبر من ميل الرسم البياني لدرجة حرارة الغاز البيضاوي ، فإن الجهاز يعمل مثل المحرك.
يظهر المخطط الكهروضوئي في منتصف اليمين - اعتماد الضغط على الحجم في جزء أولي من الغاز. تساوي مساحة الشكل البيضاوي في الرسم البياني العمل المنجز على الغاز في حالة المحرك والعمل المنجز على الغاز في حالة الثلاجة (مضخة الحرارة).
بما أن الحجم الأمثل لقنوات الرصة عند العمل بموجة دائمة ، يساوي تقريبًا عمق الاختراق الحراري ، فإن التلامس الحراري للغاز والسطح الصلب ليس مثاليًا ويمكن أن تختلف درجة حرارة الغاز والمكدس ، في أي نقطة معينة في المجموعة ، عن بعضها البعض. إذا كان التلامس الحراري بين الغاز والمكدس مثاليًا ، تزامنت الرسوم البيانية لدرجات حرارة الغاز والمكدس ، نظرًا لأن الغاز سيأخذ درجة حرارة سطح المكدس على الفور ، في أي نقطة يظهر فيها.
درجة حرارة التدرج الحرجة في المكدسGif 7. درجة حرارة التدرج الحرجة في المكدسالآن اصطحب المحرك وابدأ في تقليل الفرق في درجة الحرارة على المكدس ، مع الحفاظ على سعة الموجة الصوتية بطريقة ما ، على سبيل المثال ، باستخدام السماعة. في الوقت نفسه ، يكون الوقت قريبًا جدًا أو متأخرًا ، تحدث حالة تبدأ فيها درجة الحرارة في الجزء الأولي من الغاز في الموجة بالتذبذب ، بحيث تبدأ درجة الحرارة بالتزامن مع درجة حرارة سطح الحزمة ، أينما يوجد هذا الجزء من الغاز (GIF 7. الخطوط الخضراء والبيضاء في الرسم البياني لدرجة الحرارة مباراة).
في هذه الحالة ، لا يتم إجراء أي عمل على المجموعة (الرسم التخطيطي الكهروضوئي عبارة عن خط - ليس له مساحة)
يسمى تدرج درجة الحرارة في المكدس الذي تتحقق عنده الحالة الموصوفة أعلاه تدرج درجة الحرارة الحرج لهذه الموجة المعينة. الجهاز ذو التدرج الحرج في درجة الحرارة لا طائل منه للاستخدام العملي. تحتل مكانة بالضبط بين المحرك والثلاجة. ومع ذلك ، من المناسب مقارنة الأجهزة فيما يتعلق بها لمعرفة ما إذا كان محركًا أو ثلاجة.
الثلاجةGIF 8. دورة الحرارية في الثلاجة مع موجة دائمةإذا كان الميل في درجة حرارة المدخنة أقل من درجة حرارة الغاز البيضاوي ، فإن الجهاز يعمل مثل الثلاجة.
, , , , .
, ? , , .
4.2), , .
, .
9.( ) ( ). PV , .
, , . , . - , . . ? , , . , , , .
9, , PV , , , .
, , . , , - :
Swift GW Thermoacoustic engines and refrigerators: a short course. Los Alamos: Los Alamos National Laboratory, 1999. 179 p. URL:
, , . :
. , program files ( ). windows EXEs.
, . .