Thermoakustik. Stromerzeugung aus Schall über einen Lautsprecher

Abb. 1. - Das Erscheinungsbild eines thermoakustischen 4-Gang-Motors mit einer Wanderwelle

In früheren Artikeln habe ich darüber geschrieben, wie man einen Stirlingmotor ohne Kolben baut, dh wie man einen thermisch-akustischen Ringwellenmotor mit einer Wanderwelle baut. 1 Artikel , 2 Artikel , 3 Artikel .


Abb. 2. - Motordiagramm

Der Motor besteht aus 4 absolut identischen Blöcken. Jeder der Blöcke besteht aus einem Wärmetauscher, der aus einem heißen Wärmetauscher, einem kalten Wärmetauscher und einem Regenerator zwischen ihnen besteht. Der Wärmetauscher wird manchmal als Motorkern bezeichnet. Der gesamte Wärmetauscher im Gehäuse wird als Motorstufe bezeichnet.

Bei laufendem Motor ist im gesamten Ringgehäuse eine extrem hochintensive Schallwelle vorhanden. Wie ist die typische Verteilung von Druckschwankungen, Schwingungsgeschwindigkeit und Schallleistung im Inneren? Um dies herauszufinden, simulierte ich die im Motor ablaufenden Prozesse mit einem speziellen Programm, das am Los Alamos National Laboratory (dh an derselben Stelle wie die Atombombe) namens DeltaEC entwickelt wurde. Als nächstes sehen Sie die Grafiken für den Motor unter Last. Das heißt, für einen solchen Fall:

Abb. 3. - Motor unter Last

In Fällen, in denen der Motor eine Last hat, sogar vier Lasten, die sich in der Nähe von heißen Wärmetauschern befinden.

Das Diagramm der Verteilung der Amplitude der Druckschwankungen in einem der vier Motorblöcke sieht folgendermaßen aus:

Abb. 4. - Verteilung der Amplitude von Druckschwankungen entlang der Länge eines der Blöcke

Hier ist ein Viertel des Motors dargestellt. Sie können sehen, dass die Grafik bis zu einer Länge von ca. 1,5 m reicht - dies ist die Länge eines Blocks. Es stellt sich heraus, dass die Länge des gesamten ringförmigen Motorgehäuses etwa 6 Meter beträgt. In allen Blöcken sind alle Parameter gleich. Betrachten Sie also nur einen davon.

Der Wärmetauscher in der Grafik befindet sich links, beginnend mit Null auf der horizontalen Achse. Es ist ersichtlich, dass im Regenerator aufgrund des Viskositätsverlusts und der Reflexion eines Teils der Welle von ihm die Amplitude der Druckschwankungen abnimmt. Dann kommt die Last, bei der der Druck noch weiter abnimmt. Ferner steigt der Druck aufgrund einer Abnahme der Schwingungsgeschwindigkeit des Gases im Resonator auf den Anfangswert im Resonator an


Abb. 5. - Verteilung der Amplitude der Schwingungen des Volumenstroms entlang der Länge des Blocks

In der Thermoakustik ist es bei Berechnungen üblich, nicht die Schwingungsgeschwindigkeit des Gases zu verwenden, sondern die Schwankungen des Volumenstroms, dh die Schwingungsgeschwindigkeit multipliziert mit der Querschnittsfläche des Gehäuses. Schwankungen des Volumenstroms sind proportional zu Geschwindigkeitsschwankungen bei konstanter Querschnittsfläche des Gehäuses.

In Abb. Abbildung 5 zeigt, dass im Regenerator ein starker Anstieg, ein abrupter Anstieg der Amplitude der Schwankungen des Volumenstroms, auftritt (etwa Null entlang der horizontalen Achse). Gerade dieser starke Anstieg der Schwankungen des Volumenstroms oder der Gasgeschwindigkeit (für den es bequemer ist) ist der thermoakustische Effekt der Verstärkung einer Schallwelle. Der Volumenstrom nimmt dann durch die Last leicht ab und nimmt schließlich durch den Resonator auf seinen ursprünglichen Wert ab. Aufgrund dieser Abnahme der Schwankungen des Volumenstroms im Resonator tritt eine Zunahme der Druckschwankungen im Resonator auf, die in der Beschreibung des vorherigen Diagramms erwähnt wurde.

Worüber sprechen diese beiden Grafiken? Sie sagen, dass es in der gesamten Maschine, die als laufende Wellenmaschine bezeichnet wird, nie eine rein laufende Welle gegeben hat und niemals geben wird. Eine Wanderwelle in diesem Motor wird nur im Bereich des Wärmetauschers beobachtet. Das heißt, in der Regeneratorzone beträgt die Phasendifferenz zwischen den Druck- und Gasgeschwindigkeitsschwankungen etwa Null. In allen anderen Teilen des Motors ist die Welle weit vom Laufen entfernt, sondern eine Mischung aus Wander- und Stehwelle.

Interessant ist hier auch, dass der thermoakustische Effekt nicht die Amplitude der Druckschwankungen erhöht, sondern nur die Amplitude der Schwankungen des Gasvolumenstroms.

Nun wollen wir sehen, wie sich die Leistung einer Schallwelle ändert.

Abb. 6. - Wellenleistungsverteilung über die Blocklänge

Es ist zu erkennen, dass im Regenerator die Leistung aufgrund des thermoakustischen Effekts abrupt ansteigt, dann ein wenig Leistung verloren geht, wenn die Welle zur Last übergeht, dann ein starker Leistungssprung nach unten auftritt, der mit dem Energieverlust an der Last verbunden ist, und die Wellendämpfung im verbleibenden Teil des Resonators weiter auf den ursprünglichen Wert fortgesetzt wird.

Lassen Sie uns nun darüber nachdenken, wie Sie die Effizienz des Prozesses bestimmen können.

Wie berechnet man im Allgemeinen die Effizienz? Es ist notwendig, die Nutzleistung durch die verbrauchte zu teilen. Mit der verbrauchten Leistung ist hier alles klar - dies ist die eingegebene Wärmeleistung, die Heizleistung des Motors. Aber was wird als nützliche Schallleistung angesehen?

In Abb. In 6 erreicht die Schallleistung unmittelbar nach dem Regenerator ein Maximum und erreicht einen Wert von 82 W. Ist es diese Kraft, die hier als nützlich angesehen werden sollte? Nicht wirklich. Die nützliche Schallleistung hier - dies ist die Zunahme der Schallleistung im Regenerator und ein Wert von etwa 46 W, relativ zu dem die Zunahme beginnt - kann als Referenzpegel bezeichnet werden. Vielmehr würde ich hier sogar eine Welle mit einer Leistung von 46 W nennen - eine Referenzwelle, da genau dies der Motorregenerator verstärkt. Dann geht bereits diese Leistungssteigerung im Regenerator teilweise auf die Last über und geht teilweise durch den Resonator verloren. Wenn Sie den Motor so konstruieren, dass ein maximaler Wirkungsgrad des Systems erreicht wird, müssen Sie versuchen, die im Resonator verbrauchte Leistung viel geringer zu machen als die an der Last abgegebene Leistung, damit möglichst viel Leistungsgewinn im Regenerator auf die Last fällt und nicht nur abgeführt wird.

Daraus folgt, dass der akustische Wirkungsgrad des Motors bei einer Last immer größer ist als der Wirkungsgrad des gesamten Systems, da die an der Last abgegebene Leistung Teil der Leistungssteigerung im Regenerator ist.

Wie wandelt man die Energie des Schalls in Elektrizität um?

Mit einem Stirlingmotor mit Stromerzeugung ist alles klar. Wenn eine Kurbelwelle vorhanden ist, kann ein rotierender elektrischer Generator daran angebracht werden. Wenn der Stirlingmotor resonant ist, können Sie den Magneten am Arbeitskolben befestigen und in den Stator des Lineargenerators einsetzen. Aber was tun bei einem thermoakustischen Motor? Wie bekommt man Strom in einen Motor, in dem es keine Kurbelwelle oder Kolben gibt? Wie wandelt man hochintensive akustische Energie in elektrische um? Bisher wurden zwei Möglichkeiten entwickelt, um dies zu erreichen.

Der erste Weg ist die Verwendung von Linearwandlern.

Hier ist ein Video auf meinem Kanal, in dem ich mit einem Linearkonverter experimentiere:




Abb. 7. - Tieftöner

Ein gewöhnlicher Lautsprecher ist ein Beispiel für einen linearen Wandler. Normalerweise wandelt es während des Betriebs elektrische Energie um, die ihm durch die Eingabe zugeführt wird, in Schall, dh in akustische Energie. Aber es kann sehr gut in die entgegengesetzte Richtung arbeiten und akustische Schwingungen in Elektrizität umwandeln. Gewöhnliche Lautsprecher sind nicht für extrem hohe Schallintensitäten wie bei thermoakustischen Geräten (160 - 180 dB) ausgelegt. Daher weisen sie große Energieverluste auf, die mit einem niedrigen Qualitätsfaktor des Schwingungssystems, einem großen Absorptionskoeffizienten der Wellenmembran aufgrund ihrer unzureichenden Steifigkeit und auch unzureichend verbunden sind Der Freilauf der Membran erlaubt nicht die Nutzung aller verfügbaren Kräfte. Daher stellen sie spezielle Lautsprecher her - Lineargeneratoren, die sich nach dem Funktionsprinzip nicht vom Lautsprecher unterscheiden, sondern entweder eine an hohe Schallintensität angepasste Membran aufweisen oder die Membran im Allgemeinen durch einen Kolben ersetzen.


Abb. 8. - Q-Drive Lineargenerator

Der Wirkungsgrad der Umwandlung von akustischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines solchen Wandlers kann bis zu 80% erreichen.

Das zweite Umwandlungsverfahren besteht darin, einen bidirektionalen Turbinengenerator zu verwenden.

Geräusche, die im Alltag der meisten Menschen zu finden sind, wie Sprache, Geräusche vorbeifahrender Autos, das Bellen eines Hundes, sind im Vergleich zur Thermoakustik von geringer Intensität. Die Verschiebung des Gases aus der Gleichgewichtsposition in der Schallwelle der Konversationssprache beträgt Bruchteile eines Millimeters, so dass normalerweise niemand eine Schallwelle als Wind wahrnimmt, der seine Richtung tausende Male pro Sekunde ändert, dh seine Richtung mit einer Frequenz ändert, die der Frequenz der Welle entspricht. Wenn in der Thermoakustik die Intensität der Schwingungen 180 Dezibel erreicht, wird der Schall nicht mehr zu einem Wind, der mit großer Frequenz die Richtung ändert, sondern zu einem Hurrikan mit einer Spitzengeschwindigkeit von 100 km / h. Daher kann eine Turbine verwendet werden, um diese Schallenergie in Elektrizität umzuwandeln. In diesem Video habe ich interessante Experimente zu diesem Thema durchgeführt, um visuell zu zeigen, wie eine Schallwelle mit hoher Intensität aussieht.


Es ist sofort klar, dass die Drehrichtung des Turbinenrotors für die Thermoakustik nicht von der Strömungsrichtung der ein- und ausgehenden Turbinen abhängen sollte, da sonst die Strömung den Rotor für die Hälfte der Schwingungsperiode beschleunigt und die zweite Hälfte der Periode verlangsamt. Es gibt zwei Arten von bidirektionalen Turbinen, deren Drehrichtung nicht von der Strömungsrichtung abhängt. Dies ist eine Wales-Turbine, deren Rotorblätter aerodynamische Profile sind, die sich über der ankommenden Strömung befinden.


Abb. 9. - Wales Turbinenschaufel

Das aerodynamische Profil lenkt eine große Masse einströmender Luft unabhängig von der Bewegungsrichtung der einströmenden Luft in dieselbe Richtung ab. Der Luftimpuls weicht ständig ab, in Abb. 9 nach rechts, das heißt, nach Newtons Gesetzen sollte die auf die Schulterblätter wirkende Kraft nach links gerichtet sein. Die Newtonschen Gesetze funktionieren in diesem Fall ordnungsgemäß. Wenn Sie solche Klingen am Umfang des Kreises befestigen und den Kreis auf der Welle befestigen, beginnt sich die Welle zu drehen.


Abb. 10.– Wales-Turbinendiagramm

Sie können das Design verbessern und Leitschaufeln hinzufügen, um den Effekt zu erhöhen.

Der zweite Typ von bidirektionalen Turbinen sind die sogenannten Impulsturbinen. Dieses Video zeigt, wie eine solche Turbine funktioniert:




Abb. 11.– Diagramm einer bidirektionalen Impulsturbine

Die Impulsturbine arbeitet aufgrund der perfekteren Form der Rotorblätter effizienter als die Wales-Turbine.

Experimenteller Teil

Für die ersten Experimente zur Stromerzeugung an meinem Motor habe ich die einfachste und unwirksamste Methode gewählt - mit einem normalen Tieftöner.


Abb. 12. - Linearkonverter vom Lautsprecher

Hier in diesem Video spreche ich darüber, wie ich den resultierenden selbstgebauten Lineargenerator erstellt und versucht habe, ihn zu konfigurieren:


Ich habe den Lautsprecher über einen solchen Adapter an den Motorresonator angeschlossen, den ich auf einem 3D-Drucker gedruckt habe.

Abb. 13. - Lautsprecheranschluss

Wird von der Seite des kalten Wärmetauschers am Resonator angebracht, um den Kunststoffadapter nicht bei hohen Temperaturen zu schmelzen und den Lautsprecher selbst nicht zu beschädigen. Zuvor habe ich die Schallleistung des Motors gemessen. Die Leistung betrug ca. 10 Watt. Natürlich kann nur ein Teil dieser Energie in Elektrizität umgewandelt werden. Ich erinnere mich an Abbildung 6 - Verteilung der Schallleistung als Lineargenerator und entschied mich für den Lautsprecher YDN-78-1 mit einer maximalen Leistung, die 2-mal geringer ist als die Schallleistung des Motors, nämlich - 5 Watt.

Bei Verwendung eines Lineargenerators ist es am schwierigsten, ein System einzurichten, das aus einem Lautsprecher und einem Adapter für die Resonanzfrequenz des Motors selbst besteht. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Frequenz der Motorvibrationen bei unterschiedlichen Erwärmungstemperaturen heißer Wärmetauscher, dh bei unterschiedlichen Wärmeeintragsniveaus, variiert. Und alles, denn je mehr Wärmeleistung Sie einbringen, desto höher wird die durchschnittliche Temperatur des Gases im Inneren und mit zunehmender Gastemperatur steigt die Schallgeschwindigkeit im Gas und dementsprechend die Schwingungsfrequenz. Gleichzeitig zeigen Messungen von Aster Thermoacoustics, dass die Ausgangsleistung eines Linearwandlers stark vom Zusammentreffen seiner Resonanzfrequenz mit der Resonanzfrequenz des Motors abhängt.


Abb. 14. Die Abhängigkeit der relativen Ausgangsleistung von der Resonanzfrequenz des Motors

Experimente mit meinem Motor haben gezeigt, dass bei einer Erhöhung der Temperatur heißer Wärmetauscher von 120 Grad Celsius auf 220 Grad die Schwingungsfrequenz von 61 Hz auf 64 Hz ansteigt, dh sich um 3 Hz ändert. In Abb. 14 - In der Aster Thermoacoustics-Grafik ist die Motorfrequenz auf der horizontalen Achse markiert und die elektrische Ausgangsleistung des Linearwandlers geteilt durch die maximale Wandlerleistung im gesamten Frequenzbereich entlang der vertikalen Achse (dies ist der Maximalwert in der Grafik gleich eins). In Abb. In 14 ist zu sehen, dass, wenn die Resonanzfrequenz des Motors um 5 Hz von der Resonanzfrequenz des Wandlers abweicht, die Ausgangsleistung um den Faktor 2 abnimmt. Dies bedeutet, dass ein thermoakustischer Generator mit einem Lineargenerator nur bei einem bestimmten Wärmeeintrag effizient arbeiten kann. Wenn Sie von diesem optimalen Punkt abweichen, fallen die Ausgabeeigenschaften stark ab.

Die Resonanzfrequenz meines Motors beträgt also 61 - 63 Hz. Ich habe keine Lautsprecher mit einer so niedrigen Resonanzfrequenz gefunden (es ist möglich, dass sie für eine so kleine Leistung überhaupt nicht existieren). Die Resonanzfrequenz meines Lautsprechers betrug ursprünglich 147 Hz. Wie habe ich es gemessen?


Abb. 15. - Schema zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Lautsprechers

Ich habe ein Diagramm aus dem Radio-Magazin, Ausgabe 4, 1967, Seite 45, verwendet. Dies ist eine Schaltung einer selbstoszillierenden elektrischen Schaltung, in der es keine Induktivitäten oder Kapazitäten gibt. Daher wird die Schwingungsfrequenz einer solchen Schaltung, wie gedacht, durch die Schwingungsfrequenz des mechanischen Schwingungssystems - der Membran des Lautsprechers - bestimmt.

Dann reduzierte ich die Lautsprecherfrequenz auf 61 Hz, indem ich Plastilin auf die Membran klebte. Dies erhöhte die Masse der Membran und verringerte somit die Frequenz.

Danach habe ich den abgestimmten Lautsprecher in den orangefarbenen Adapter eingesetzt. Was war meine Überraschung, als ich anstelle der Schwingungsfrequenz von 63 Hz die Schwingungsfrequenz von 187 Hz fand, dh dreimal mehr als erwartet. Die 3. Harmonische war erregt. Drei Wellenlängen passten in das Motorgehäuse und nicht eine. Tatsächlich gibt es im Motor immer keine fundamentalen Harmonischen, nur normalerweise arbeiten thermoakustische Geräte mit der ersten Harmonischen, dh mit der Grundfrequenz, und der Beitrag der anderen Harmonischen ist vernachlässigbar. Ich war sehr überrascht von der Wirkung der Anregung der 3. Harmonischen in diesem Experiment mit dem Sprecher und begann zu überlegen, wie es passiert ist. Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass dieser Effekt auftritt, weil der Lautsprecher über den Adapter in den Resonator des Motors eingebaut ist und die Resonanzfrequenz nicht separat vom Lautsprecher, sondern vom Lautsprecher zusammen mit dem Adapter berücksichtigt werden muss. Der Adapter erhöht die Resonanzfrequenz des gesamten Bandes erheblich. Um einen Betrieb bei der Grundfrequenz von 63 Hz zu erreichen, ist es daher erforderlich, die Resonanzfrequenz des Lautsprechers noch weiter zu senken.


Abb. 16. - Ein mit Muttern auf der Membran verkrusteter Lautsprecher. (Objekt der modernen Kunst)

Und es hat wirklich funktioniert, wie erwartet. Es war möglich, den Motorbetriebsmodus so zu ändern, dass er mit der Hauptfrequenz arbeitet. Es gab sogar sehr interessante Transienten, als der Motor mit einer bestimmten Masse auf der Membran entweder mit der Hauptfrequenz arbeitete und später, als die heißen Wärmetauscher abkühlten, mit der Dreifachfrequenz zu arbeiten begann. Interessanterweise kann der Motor nicht mit doppelter Frequenz arbeiten. Entweder auf der Haupt- oder auf der Dreifach. Anscheinend sind die Wellenparameter bei einer doppelten Frequenz nicht geeignet, um den Betrieb dieses Geräts aufrechtzuerhalten.


Bei Verwendung eines Lautsprechers und eines Motors mit Luft unter atmosphärischem Druck als Arbeitsmedium erwies sich die Energieumwandlungseffizienz als vernachlässigbar.

Um Wirkungsgrade von 20 - 40% des Carnot-Zyklus zu erreichen, ist es notwendig, den Druck im Motor zu erhöhen, das Arbeitsgas durch Helium oder Argon zu ersetzen und andere Methoden zur Stromerzeugung als ein gewöhnlicher Lautsprecher zu verwenden.