التين. 1. - ظهور محرك صوتي حراري بأربعة سرعات مع موجة متحركةفي مقالات سابقة ، كتبت عن كيفية بناء محرك ستيرلينغ بدون مكابس ، أي كيفية بناء محرك صوتي حراري موجه الموجة مع
مقالة موجة
1 مقالة ،
مقال ،
3 مقالة .
التين. 2. - مخطط المحركالمحرك يتكون من 4 كتل متطابقة تماما. تتكون كل من الكتل من مبادل حراري ، يتكون من مبادل حراري ساخن ومبادل حراري بارد ومُجدد بينهما. أحيانًا ما يطلق على المبادل الحراري جوهر المحرك. يسمى المبادل الحراري بالكامل في السكن مرحلة المحرك.
عند تشغيل المحرك ، توجد موجة صوتية عالية الكثافة داخل الغلاف الحلقي بأكمله. ما هو التوزيع النموذجي لتقلبات الضغط والسرعة الاهتزازية والقوة الصوتية في الداخل؟ من أجل معرفة ذلك ، قمت بمحاكاة العمليات التي تحدث في المحرك باستخدام برنامج خاص تم تطويره في مختبر لوس ألاموس الوطني (أي في نفس المكان مثل القنبلة الذرية) التي تسمى دلتا. التالي هي الرسوم البيانية للمحرك تحت الحمل. هذا هو ، لمثل هذه الحالة:
التين. 3. - المحرك تحت الحملفي الحالات التي يكون فيها محرك الحمل ، حتى أربعة الأحمال التي تقع بالقرب من مبادلات الحرارة الساخنة.
يبدو الرسم البياني لتوزيع سعة تقلبات الضغط في إحدى كتل المحركات الأربعة كما يلي:
التين. 4. - توزيع سعة تقلبات الضغط على طول واحدة من الكتليظهر هنا ربع المحرك. يمكنك أن ترى أن الرسم البياني يصل إلى حوالي 1.5 متر - هذا هو طول كتلة واحدة. اتضح أن طول غلاف المحرك الحلقي بأكمله حوالي 6 أمتار. في جميع الكتل ، جميع المعلمات هي نفسها ، لذلك فكر في واحدة منها.
يوجد مبادل حراري على الرسم البياني على اليسار ، ويبدأ من الصفر على المحور الأفقي. يُلاحظ أنه في المُجدد ، بسبب فقدان اللزوجة وانعكاس جزء من الموجة منه ، تقل سعة تقلبات الضغط. ثم يأتي الحمل ، حيث ينخفض الضغط أكثر. علاوة على ذلك ، يزداد الضغط إلى القيمة الأولية في مرنان ، وذلك بسبب انخفاض في سرعة الاهتزاز للغاز في مرنان
التين. 5. - توزيع سعة التذبذبات من معدل التدفق الحجمي على طول الكتلةفي الصوتيات الحرارية ، من المعتاد في العمليات الحسابية عدم استخدام السرعة الاهتزازية للغاز ، ولكن التقلبات في تدفق الحجم ، أي السرعة الاهتزازية مضروبة في مساحة المقطع العرضي للإسكان. تقلبات في معدل التدفق الحجمي تتناسب مع تقلبات السرعة مع منطقة مستعرضة ثابتة من السكن.
في التين. يوضح الشكل 5 أن الزيادة الحادة ، الزيادة المفاجئة في سعة التقلبات في التدفق الحجمي ، تحدث في المجدد (حوالي صفر على طول المحور الأفقي). هذه الزيادة الحادة في تقلبات معدل التدفق الحجمي أو تقلبات سرعة الغاز (لمن هو أكثر ملاءمة) هو التأثير الحراري الصوتي لتضخيم الموجة الصوتية. ثم ينخفض معدل التدفق الحجمي قليلاً ، ويمر من خلال الحمل ، ثم ينخفض أخيرًا إلى قيمته الأصلية ، ويمر عبر مرنان. بسبب هذا الانخفاض في التقلبات في معدل التدفق الحجمي في مرنان ، تحدث زيادة في تقلبات الضغط في مرنان ، والذي تم ذكره في وصف الرسم البياني السابق.
عن ماذا يتحدث هذان الرسمان؟ يقولون أنه في المحرك بأكمله ، والذي يُطلق عليه اسم محرك الموجة الجارية ، لم تكن هناك أبدًا ولن تكون هناك أبدًا موجة بحتة. لوحظ وجود موجة متحركة في هذا المحرك فقط في منطقة المبادل الحراري. وهذا هو ، في منطقة المجدد ، فرق الطور بين تقلبات الضغط وسرعة الغاز حوالي صفر. في جميع الأجزاء الأخرى من المحرك ، لا تزال الموجة بعيدة عن الركض ، لكنها مزيج من موجة ثابتة وقائمة.
ما يثير الاهتمام هنا أيضًا هو أن التأثير الصوتي الحراري لا يزيد من سعة تقلبات الضغط ، ولكنه يزيد فقط من سعة التقلبات في معدل التدفق الحجمي للغاز.
الآن لنرى كيف تتغير قوة الموجة الصوتية.
التين. 6. - توزيع قوة الموجة على طول الكتلةيمكن أن نرى أنه في المجدد ، تزداد الطاقة فجأة بسبب التأثير الصوتي الحراري ، ثم تفقد القليل من الطاقة عندما تنتقل الموجة إلى الحمل ، ثم هناك قفزة حادة في القوة نحو الأسفل ، مرتبطة بفقدان الطاقة عند التحميل ، ويستمر توهين الموجة في الجزء المتبقي من الرنان إلى القيمة الأصلية.
دعونا الآن نفكر في كيفية تحديد كفاءة العملية.
بشكل عام ، وكيفية حساب الكفاءة؟ من الضروري تقسيم الطاقة المفيدة عن المستهلك. مع القوة المستهلكة ، كل شيء واضح هنا - هذه هي الطاقة الحرارية المدخلة ، والطاقة الحرارية للمحرك. ولكن ما الذي يعتبر قوة صوتية مفيدة؟
في التين. 6 ، تصل القدرة الصوتية إلى الحد الأقصى بعد التجديد مباشرة وتصل إلى قيمة 82 واط هذه هي القوة التي ينبغي اعتبارها مفيدة هنا؟ ليس حقا القدرة الصوتية المفيدة هنا - هذه هي الزيادة في القدرة الصوتية في المجدد ، وقيمة حوالي 46 واط بالنسبة إلى الزيادة تبدأ - يمكن أن تسمى المستوى المرجعي. بدلاً من ذلك ، حتى أن أسمي موجة بقوة 46 واط هنا - موجة مرجعية ، لأنه بالضبط ما يضخ مجدد المحرك. إذن ، هذه الزيادة في الطاقة في المجدد تتحول جزئيًا إلى الحمل ، وتتلاشى جزئيًا ، مروراً بالرنان. عند تصميم المحرك لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة للنظام ، تحتاج إلى محاولة جعل الطاقة التي تبدد في مرنان أقل بكثير من الطاقة التي تبدد على الحمل ، بحيث يقع أكبر قدر ممكن من كسب الطاقة في المجدد على الحمل ، وليس فقط تبدد.
يتضح مما سبق أن الكفاءة الصوتية للمحرك ستكون دائمًا أكبر من كفاءة النظام بأكمله مع الحمل ، نظرًا لأن الطاقة المشتتة على الحمل جزء من الزيادة في الطاقة في المجدد.
إذا كيف يمكنك تحويل طاقة الصوت إلى كهرباء؟مع محرك ستيرلينغ مع توليد الطاقة ، كل شيء واضح. إذا كان هناك عمود مرفقي ، فيمكن توصيل مولد كهربائي دوار به. إذا كان محرك Stirling مرنانًا ، فيمكنك توصيل المغناطيس بمكبس العمل ووضعه في الجزء الثابت للمولد الخطي. ولكن ماذا تفعل في حالة محرك حراري صوتي؟ كيف يمكن الحصول على الكهرباء في المحرك الذي لا يوجد فيه العمود المرفقي أو المكابس؟ كيفية تحويل الطاقة الصوتية عالية الكثافة إلى الكهربائية؟ حتى الآن ، تم ابتكار طريقتين للقيام بذلك.
الطريقة الأولى هي استخدام المحولات الخطية.
إليك مقطع فيديو على قناتي حيث أجرب محولًا خطيًا:
التين. 7. - مكبر الصوتالمتكلم العادي هو مثال على محول خطي. عادة ، أثناء التشغيل ، يحول الطاقة الكهربائية ، التي يتم توفيرها لها من خلال الإدخال في الصوت ، أي إلى الطاقة الصوتية. ولكن يمكن أن تعمل بشكل جيد في الاتجاه المعاكس وتحول الاهتزازات الصوتية إلى كهرباء. لم يتم تصميم مكبرات الصوت العادية للحصول على كثافة صوت عالية للغاية كما هو الحال في الأجهزة الصوتية الحرارية (160 - 180 ديسيبل) ، وبالتالي ، لديهم فقد كبير في الطاقة يرتبط بعامل جودة منخفض للنظام الذبذبات ، ومعامل امتصاص كبير للغشاء الموجي بسبب صلابته غير الكافية ، وكذلك غير كافٍ اللعب الحر للغشاء لا يسمح باستخدام كل الطاقة المتاحة. لذلك ، يصنعون مكبرات صوت خاصة - مولدات خطية ، والتي لا تختلف من حيث المبدأ عن السماعة ، ولكن إما أن يكون لها غشاء مُكَيف مع كثافة صوت عالية ، أو يستبدل الغشاء بمكبس بشكل عام.
التين. 8. - Q- محرك المولد الخطييمكن أن تصل كفاءة تحويل الطاقة الصوتية إلى طاقة كهربائية باستخدام هذا المحول إلى 80٪.
طريقة التحويل
الثانية هي استخدام مولد التوربينات ثنائية الاتجاه.
الأصوات الموجودة في الحياة اليومية لمعظم الناس ، مثل الكلام ، أصوات السيارات المارة ، نباح الكلب ، لها كثافة منخفضة وفقًا لمعايير الصوتيات الحرارية. إن إزاحة الغاز من موضع التوازن في الموجة الصوتية لخطاب المحادثة هو كسور من ملليمتر ، بحيث لا أحد يتصور عادة موجة صوتية مثل ريح تغير اتجاهه آلاف المرات في الثانية ، أي ، يغير اتجاهه بتردد يساوي تردد الموجة. في الصوتيات الحرارية ، عندما تصل شدة التذبذبات إلى 180 ديسيبل ، لم يعد الصوت يصبح ريحًا ، وهو ما يغير اتجاهه بتردد كبير ، بل هو إعصار تبلغ سرعته القصوى 100 كم / ساعة. لذلك ، يمكن استخدام التوربينات لتحويل هذه الطاقة الصوتية إلى كهرباء. في هذا الفيديو ، أجريت تجارب مثيرة للاهتمام حول هذا الموضوع لإظهار بصري كيف تبدو موجة الصوت عالية الكثافة.
من الواضح على الفور أن اتجاه دوران الدوار التوربيني للصوت الحراري لا ينبغي أن يعتمد على اتجاه تدفق التوربينات الواردة والصادرة ، وإلا فإن التدفق سيعجل الدوار لمدة نصف فترة التذبذب ويبطئ في النصف الثاني من الفترة. هناك نوعان من التوربينات ثنائية الاتجاه ، اتجاه الدوران لا يعتمد على اتجاه التدفق. هذا هو التوربينات ويلز ، والتي هي شفرات الدوار ملامح الهوائية التي تقع عبر التدفق الوارد.
التين. 9. - شفرة التوربينات ويلزيحول المظهر الجانبي الديناميكي الهوائي كتلة كبيرة من الهواء الوارد في نفس الاتجاه ، بغض النظر عن اتجاه حركة الهواء الوارد. الدافع الهواء ينحرف في كل وقت ، في التين. من اليمين إلى اليسار ، وفقًا لقوانين نيوتن ، يجب توجيه القوة المؤثرة على شفرات الكتف إلى الجانب الأيسر. تعمل قوانين نيوتن في هذه الحالة بشكل صحيح وإذا قمت بتثبيت هذه الشفرات حول محيط الدائرة ، وكانت الدائرة مثبتة على العمود ، فسيبدأ العمود الدوران.
التين. 10.– مخطط توربينات ويلزيمكنك تحسين التصميم وإضافة دوارات التوجيه ، مما سيزيد من التأثير.
النوع الثاني من التوربينات ثنائية الاتجاه هي التوربينات الدافعة المزعومة. يوضح هذا الفيديو كيف يعمل هذا التوربين:
التين. 11.- مخطط التوربينات الدافعة ثنائية الاتجاهيعمل التوربينات النبضية بكفاءة أكبر من التوربينات في ويلز بسبب الشكل الأكثر مثالية للشفرات الدوارة.
الجزء التجريبيبالنسبة للتجارب الأولى على توليد الكهرباء على محركي ، اخترت الطريقة الأبسط والأكثر فاعلية - باستخدام مكبر صوت عادي.
التين. 12. - محول خطي من المتكلمأتحدث هنا في هذا الفيديو عن كيفية إنشاء وحاول تهيئة المولد الخطي الناتج محليًا:
لقد قمت بتوصيل السماعة برنان المحرك من خلال هذا المحول الذي طبعته على طابعة ثلاثية الأبعاد.
التين. 13. - اتصال المتكلمتعلق على مرنان من جانب مبادل حراري بارد ، حتى لا تذوب محول البلاستيك مع ارتفاع درجة الحرارة وعدم تلف السماعة نفسها. في وقت سابق ، قمت بقياس القوة الصوتية للمحرك. كانت القوة حوالي 10 واط. وبطبيعة الحال ، يمكن تحويل جزء فقط من هذه الطاقة إلى كهرباء. تذكر الشكل 6 - توزيع الطاقة الصوتية ، كمولد خطي ، اخترت مكبر الصوت YDN-78-1 بقوة قصوى تقل عن ضعف الطاقة الصوتية للمحرك ، أي - 5 واط.
أصعب شيء عند استخدام المولد الخطي هو إعداد نظام يتكون من مكبر صوت ومحول لتردد الرنين للمحرك نفسه. تكمن الصعوبة في أن تواتر اهتزازات المحرك يختلف في درجات حرارة مختلفة لتسخين مبادلات الحرارة الساخنة ، أي عند مستويات مختلفة من مدخلات الحرارة. وكل ذلك لأنه كلما زادت الطاقة الحرارية التي تجلبها ، كلما زاد متوسط درجة حرارة الغاز داخل ومع زيادة درجة حرارة الغاز ، زادت سرعة الصوت في الغاز ، وبالتالي تواتر التذبذب. في الوقت نفسه ، تُظهر القياسات التي أجرتها شركة Aster Thermoacoustics أن طاقة خرج المحول الخطي تعتمد بشدة على تزامن ترددها الرنان مع تردد الرنان للمحرك.
التين. 14. اعتماد طاقة الخرج النسبية على تردد الرنين للمحركأظهرت التجارب التي أجريت على محركي أن زيادة درجة حرارة مبادلات الحرارة الساخنة من 120 درجة مئوية إلى 220 درجة ، يزداد تردد التذبذب من 61 هرتز إلى 64 هرتز ، أي ، يتغير بمقدار 3 هرتز. في التين. 14 - على الرسم البياني Aster Thermoacoustics ، يتم تمييز تردد المحرك على طول المحور الأفقي ، والطاقة الكهربائية للمحول الخطي مقسومة على أقصى قدرة للمحول في نطاق التردد بأكمله على طول المحور العمودي (هذه هي القيمة القصوى على الرسم البياني مساوية لواحد). في التين. 14 - يتبين أنه عندما ينحرف تردد الرنين للمحرك عن تردد الرنين للمحول بمقدار 5 هرتز ، تنخفض طاقة الخرج بعامل 2. هذا يعني أن مولد الصوت الحراري مع المولد الخطي لا يمكن أن يعمل بكفاءة إلا عند مستوى معين من مدخلات الحرارة. إذا انحرفت عن هذه النقطة المثلى ، فستنخفض خصائص الإخراج بشكل حاد.
لذلك ، تردد الرنين لمحرك بلدي هو 61 - 63 هرتز. لم أجد مكبرات صوت ذات تردد رنين منخفض (من الممكن أن لا وجود لها على الإطلاق لمثل هذه الطاقة الصغيرة). وكان تردد الرنين من المتكلم أصلا 147 هرتز. كيف يمكنني قياسه؟
التين. 15. - خطة لتحديد تردد الرنين المتكلماستخدمت مخططًا من مجلة Radio ، العدد 4 ، 1967 ، الصفحة 45. هذه دائرة من دائرة كهربائية ذاتية التذبذب لا توجد فيها محاثات أو سعة ، وبالتالي ، كما هو متصور ، يتم تحديد تردد التذبذب في هذه الدائرة بواسطة تردد التذبذب لنظام التذبذب الميكانيكي - الحجاب الحاجز للمتكلم.
ثم قمت بتخفيض تردد السماعة إلى 61 هرتز عن طريق لصق البلاستيسين على الحجاب الحاجز. هذا زاد من كتلة الحجاب الحاجز وبالتالي خفض وتيرة.
بعد ذلك ، قمت بإدخال السماعة المضبوطة في المحول البرتقالي. ما كان دهشتي عندما ، بدلاً من تردد التذبذب البالغ 63 هرتز ، وجدت تردد التذبذب البالغ 187 هرتز ، أي ثلاثة أضعاف ما كان متوقعًا. كان التوافقي 3 متحمس. بدأت ثلاثة أطوال موجية تنسجم مع هيكل المحرك ، وليس واحدة. في الواقع ، لا يوجد في المحرك دائمًا أي توافقيات أساسية ، وعادة ما تعمل الأجهزة الصوتية الحرارية فقط عند التوافقي الأول ، أي بتردد أساسي ، وتكون مساهمة التوافقيات الأخرى ضئيلة. لقد فوجئت جدًا بتأثير الإثارة التوافقية الثالثة في هذه التجربة مع المتحدث ، وبدأت أفكر في كيفية حدوث ذلك. توصلت إلى استنتاج مفاده أن هذا التأثير يحدث لأن السماعة مدمجة في مرنان المحرك من خلال المحول ومن الضروري مراعاة تردد الرنين ليس للمتكلم بشكل منفصل ، ولكن للمتكلم مع المحول. يزيد المحول بشكل كبير من تردد الرنين في الرباط بأكمله. لذلك ، من أجل تحقيق التشغيل على التردد الأساسي البالغ 63 هرتز ، من الضروري خفض تردد الرنين الخاص بالسماعة أكثر.
التين. 16. - مكبر صوت مغطى بالمكسرات على الحجاب الحاجز. (موضوع الفن الحديث)وحقا أنها عملت ، كما هو متوقع. كان من الممكن تغيير وضع تشغيل المحرك للعمل مع التردد الرئيسي. كان هناك العديد من الأشخاص المثيرين للاهتمام للغاية ، عندما يكون هناك كتلة معينة عالقة على الحجاب الحاجز ، إما أن المحرك يعمل على التردد الرئيسي ، ثم في وقت لاحق ، مع تبريد المبادلات الحرارية الساخنة ، بدأ العمل على التردد الثلاثي. ومن المثير للاهتمام ، لا يمكن للمحرك أن يعمل بتردد مضاعف. إما على الرئيسي ، أو على الثلاثي. يبدو أن معلمات الموجة بتردد مزدوج ليست مناسبة للحفاظ على تشغيل هذا الجهاز.
عند استخدام مكبر صوت ومحرك بهواء تحت الضغط الجوي كسائل عام ، تبين أن كفاءة تحويل الطاقة لا تكاد تذكر.
لتحقيق مستويات كفاءة تتراوح من 20 إلى 40٪ من دورة Carnot ، من الضروري زيادة الضغط في المحرك واستبدال غاز العمل بالهيليوم أو الأرجون واستخدام طرق أخرى لتوليد الكهرباء غير السماعة العادية.