Thermoacoustique. Générer de l'électricité à partir du son à l'aide d'un haut-parleur

Fig. 1. - L'apparition d'un moteur thermoacoustique à 4 vitesses avec une onde progressive

Dans des articles précédents, j'ai écrit comment construire un moteur Stirling sans pistons, c'est-à-dire comment construire un moteur thermo-acoustique à onde annulaire avec une onde progressive 1 article , 2 article , 3 article .


Fig. 2. - Schéma moteur

Le moteur est composé de 4 blocs absolument identiques. Chacun des blocs se compose d'un échangeur de chaleur, composé d'un échangeur de chaleur chaud, d'un échangeur de chaleur froid et d'un régénérateur entre eux. L'échangeur de chaleur est parfois appelé le noyau du moteur. L'ensemble de l'échangeur de chaleur dans le boîtier est appelé étage moteur.

Lorsque le moteur tourne, une onde acoustique de très haute intensité est présente à l'intérieur de l'ensemble du carter annulaire. Quelle est la distribution typique des fluctuations de pression, de la vitesse de vibration et de la puissance acoustique à l'intérieur? Afin de le découvrir, j'ai simulé les processus se produisant dans le moteur à l'aide d'un programme spécial développé au Los Alamos National Laboratory (c'est-à-dire au même endroit que la bombe atomique) appelé DeltaEC. Voici les graphiques du moteur sous charge. Autrement dit, dans un tel cas:

Fig. 3. - Moteur sous charge

Dans les cas où le moteur a une charge, même quatre charges situées à proximité d'échangeurs de chaleur chauds.

Le graphique de la distribution de l'amplitude des fluctuations de pression dans l'un des quatre blocs moteur ressemble à ceci:

Fig. 4. - Distribution de l'amplitude des fluctuations de pression sur la longueur d'un des blocs

Voici un quart du moteur. Vous pouvez voir que le graphique va jusqu'à une longueur d'environ 1,5 m - c'est la longueur d'un bloc. Il s'avère que la longueur de l'ensemble du carter moteur annulaire est d'environ 6 mètres. Dans tous les blocs, tous les paramètres sont identiques, alors considérez simplement l'un d'entre eux.

L'échangeur de chaleur sur le graphique est à gauche, à partir de zéro sur l'axe horizontal. On voit que dans le régénérateur, en raison de la perte de viscosité et de la réflexion d'une partie de l'onde de celui-ci, l'amplitude des fluctuations de pression diminue. Vient ensuite la charge, où la pression diminue encore plus. De plus, la pression augmente jusqu'à la valeur initiale dans le résonateur, en raison d'une diminution de la vitesse de vibration du gaz dans le résonateur


Fig. 5. - Répartition de l'amplitude des oscillations du débit volumique sur la longueur du bloc

En thermoacoustique, il est courant dans les calculs d'utiliser non pas la vitesse de vibration du gaz, mais les fluctuations du débit volumique, c'est-à-dire la vitesse de vibration multipliée par la section transversale du boîtier. Les fluctuations du débit volumétrique sont proportionnelles aux fluctuations de vitesse avec une section transversale constante du boîtier.

Dans la fig. La figure 5 montre qu'une forte augmentation, une augmentation brusque de l'amplitude des fluctuations du débit volumétrique, se produit dans le régénérateur (environ zéro le long de l'axe horizontal). Ce n'est que cette forte augmentation des fluctuations du débit volumétrique ou des fluctuations de la vitesse du gaz (pour qui cela est plus pratique) qui est l'effet thermoacoustique de l'amplification d'une onde acoustique. Le débit volumétrique diminue alors légèrement en passant à travers la charge, puis diminue finalement à sa valeur d'origine en passant par le résonateur. En raison de cette diminution des fluctuations du débit volumétrique dans le résonateur, une augmentation des fluctuations de pression dans le résonateur se produit, ce qui a été mentionné dans la description du graphique précédent.

De quoi parlent ces deux graphiques? Ils disent que dans tout le moteur, qui est appelé un moteur à vague en marche, il n'y a jamais eu et il n'y aura jamais de vague en marche pure. Une onde progressive dans ce moteur n'est observée que dans la zone de l'échangeur de chaleur. Autrement dit, dans la zone du régénérateur, la différence de phase entre les fluctuations de pression et de vitesse du gaz est d'environ zéro. Dans toutes les autres parties du moteur, l'onde est loin de fonctionner, mais est un mélange d'ondes progressives et stationnaires.

Ce qui est également intéressant ici, c'est que l'effet thermoacoustique n'augmente pas l'amplitude des fluctuations de pression, mais augmente seulement l'amplitude des fluctuations du débit volumétrique du gaz.

Voyons maintenant comment la puissance d'une onde acoustique change.

Fig. 6. - Répartition de la puissance des vagues sur la longueur du bloc

On peut voir que dans le régénérateur, la puissance augmente brusquement en raison de l'effet thermoacoustique, puis un peu de puissance est perdue lorsque l'onde passe à la charge, puis il y a une forte augmentation de puissance vers le bas, associée à la perte d'énergie à la charge, et l'atténuation des ondes continue dans la partie restante du résonateur à sa valeur d'origine.

Voyons maintenant comment déterminer l’efficacité du processus.

En général, comment calculer l'efficacité? Il est nécessaire de diviser la puissance utile par la consommation. Avec la puissance dépensée, tout est clair ici - c'est la puissance thermique d'entrée, la puissance de chauffage du moteur. Mais qu'est-ce qui est considéré comme une puissance acoustique utile?

Dans la fig. 6, la puissance acoustique atteint un maximum immédiatement après le régénérateur et atteint une valeur de 82 W. Est-ce ce pouvoir qui devrait être considéré comme utile ici? Pas vraiment. La puissance acoustique utile ici - c'est l'augmentation de la puissance acoustique dans le régénérateur, et une valeur d'environ 46 W par rapport à laquelle l'augmentation commence - peut être appelée un niveau de référence. Au contraire, même moi, j'appellerais ici une onde d'une puissance de 46 W - une onde de référence, car c'est précisément elle que le régénérateur du moteur amplifie. Alors déjà cette augmentation de puissance dans le régénérateur va partiellement à la charge, et se dissipe partiellement, en passant par le résonateur. Lors de la conception du moteur pour obtenir une efficacité maximale du système, vous devez essayer de rendre la puissance dissipée dans le résonateur bien inférieure à la puissance dissipée sur la charge, de sorte que le gain de puissance dans le régénérateur tombe autant que possible sur la charge, et pas seulement dissipé.

De ce qui précède, il en résulte que l'efficacité acoustique du moteur sera toujours supérieure à l'efficacité de l'ensemble du système avec une charge, car la puissance dissipée sur la charge fait partie de l'augmentation de la puissance dans le régénérateur.

Alors, comment convertissez-vous l'énergie du son en électricité?

Avec un moteur Stirling avec génération d'énergie, tout est clair. S'il y a un vilebrequin, un générateur électrique rotatif peut y être attaché. Si le moteur Stirling résonne, vous pouvez attacher l'aimant au piston de travail et le placer dans le stator du générateur linéaire. Mais que faire dans le cas d'un moteur thermoacoustique? Comment obtenir de l'électricité dans un moteur sans vilebrequin ni pistons? Comment convertir l'énergie acoustique à haute intensité en électricité? À ce jour, deux moyens ont été conçus pour y parvenir.

La première consiste à utiliser des convertisseurs linéaires.

Voici une vidéo sur ma chaîne où j'expérimente avec un convertisseur linéaire:




Fig. 7. - Woofer

Un haut-parleur ordinaire est un exemple de transducteur linéaire. Habituellement, pendant le fonctionnement, il convertit l'énergie électrique, qui lui est fournie par l'entrée en son, c'est-à-dire en énergie acoustique. Mais il peut très bien fonctionner en sens inverse et convertir les vibrations acoustiques en électricité. Les haut-parleurs ordinaires ne sont pas conçus pour une intensité sonore extrêmement élevée comme dans les appareils thermoacoustiques (160 - 180 dB.), Par conséquent, ils ont de grandes pertes d'énergie associées à un facteur de qualité faible du système oscillatoire, un grand coefficient d'absorption de la membrane ondulatoire en raison de sa rigidité insuffisante, et également insuffisant la roue libre de la membrane ne permet pas d'utiliser toute la puissance disponible. Par conséquent, ils fabriquent des haut-parleurs spéciaux - des alternateurs linéaires, qui, par le principe de fonctionnement, ne sont pas différents du haut-parleur, mais ont soit une membrane adaptée à une intensité sonore élevée, soit remplacent la membrane par un piston en général.


Fig. 8. - Alternateur linéaire Q-Drive

L'efficacité de la conversion de l'énergie acoustique en énergie électrique à l'aide d'un tel convertisseur peut atteindre jusqu'à 80%.

La deuxième méthode de conversion consiste à utiliser un turbogénérateur bidirectionnel.

Les sons trouvés dans la vie quotidienne de la plupart des gens, tels que la parole, les sons des voitures qui passent, les aboiements d'un chien, ont une faible intensité par rapport aux normes de la thermoacoustique. Le déplacement du gaz de la position d'équilibre dans l'onde acoustique de la conversation est de quelques fractions de millimètre, de sorte que personne ne perçoit généralement une onde sonore comme un vent qui change de direction des milliers de fois par seconde, c'est-à-dire change de direction avec une fréquence égale à la fréquence de l'onde. En thermoacoustique, lorsque l'intensité des oscillations atteint 180 décibels, le son ne devient même plus un vent, qui change de direction à grande fréquence, mais plutôt un ouragan dont la vitesse de pointe atteint 100 km / h. Par conséquent, une turbine peut être utilisée pour convertir cette énergie sonore en électricité. Dans cette vidéo, j'ai mené des expériences intéressantes sur ce sujet pour montrer visuellement à quoi ressemble une onde sonore de haute intensité.


Il est immédiatement clair que le sens de rotation du rotor de turbine pour la thermoacoustique ne devrait pas dépendre du sens d'écoulement des turbines entrantes et sortantes, sinon le débit accélérera le rotor pendant la moitié de la période d'oscillation et ralentira la seconde moitié de la période. Il existe deux types de turbines bidirectionnelles, dont le sens de rotation ne dépend pas du sens d'écoulement. Il s'agit d'une turbine Wales, dont les pales de rotor sont des profils aérodynamiques situés à travers le flux entrant.


Fig. 9. - Pales de turbine Wales

Le profil aérodynamique dévie une grande masse d'air entrant dans la même direction, quelle que soit la direction du mouvement de l'air entrant. L'impulsion d'air dévie tout le temps, fig. 9 vers la droite, cela signifie que, selon les lois de Newton, la force agissant sur les omoplates doit être dirigée vers le côté gauche. Dans ce cas, les lois de Newton fonctionnent correctement et si vous fixez de telles lames autour de la circonférence du cercle et fixez le cercle sur l'arbre, l'arbre commencera à tourner.


Fig. 10.– Schéma de turbine du Pays de Galles

Vous pouvez améliorer la conception et ajouter des aubes directrices, ce qui augmentera l'effet.

Le deuxième type de turbines bidirectionnelles sont les turbines dites à impulsion. Cette vidéo montre comment fonctionne une telle turbine:




Fig. 11.– Schéma d'une turbine à impulsion bidirectionnelle

La turbine à impulsion fonctionne plus efficacement que la turbine Wales en raison de la forme plus parfaite des pales du rotor.

Partie expérimentale

Pour les premières expériences sur la génération d'électricité sur mon moteur, j'ai choisi la méthode la plus simple et la plus inefficace - utiliser un woofer ordinaire.


Fig. 12. - Convertisseur linéaire du haut-parleur

Ici, dans cette vidéo, je parle de la façon dont j'ai créé et essayé de configurer l'alternateur linéaire fait maison résultant:


J'ai attaché le haut-parleur au résonateur du moteur via un tel adaptateur que j'ai imprimé sur une imprimante 3D.

Fig. 13. - Connexion haut-parleur

Fixé au résonateur du côté de l'échangeur de chaleur froid, afin de ne pas faire fondre l'adaptateur en plastique à haute température et de ne pas endommager le haut-parleur lui-même. Plus tôt, j'ai mesuré la puissance acoustique du moteur. La puissance était d'environ 10 watts. Naturellement, seule une partie de cette puissance peut être convertie en électricité. En me souvenant de la figure 6 - répartition de la puissance acoustique, en tant qu'alternateur linéaire, j'ai choisi l'enceinte YDN-78-1 avec une puissance maximale de 2 fois inférieure à la puissance acoustique du moteur, soit - 5 watts.

La chose la plus difficile lors de l'utilisation d'un alternateur linéaire est de mettre en place un système composé d'un haut-parleur et d'un adaptateur pour la fréquence de résonance du moteur lui-même. La difficulté est que la fréquence des vibrations du moteur varie à différentes températures de chauffage des échangeurs de chaleur chauds, c'est-à-dire à différents niveaux d'apport calorifique. Et tout cela parce que plus vous apportez de puissance thermique, plus la température moyenne du gaz à l'intérieur augmente et avec l'augmentation de la température du gaz, la vitesse du son dans le gaz augmente, et par conséquent la fréquence d'oscillation. Dans le même temps, les mesures effectuées par Aster Thermoacoustics montrent que la puissance de sortie d'un convertisseur linéaire dépend fortement de la coïncidence de sa fréquence de résonance avec la fréquence de résonance du moteur.


Fig. 14. La dépendance de la puissance de sortie relative de la fréquence de résonance du moteur

Des expériences avec mon moteur ont montré qu'en augmentant la température des échangeurs de chaleur chauds de 120 degrés Celsius à 220 degrés, la fréquence d'oscillation augmente de 61 Hz à 64 Hz, c'est-à-dire qu'elle change de 3 Hz. Dans la fig. 14 - sur le graphique Aster Thermoacoustics, la fréquence du moteur est indiquée sur l'axe horizontal et la puissance électrique de sortie du convertisseur linéaire divisée par la puissance maximale du convertisseur dans toute la plage de fréquences le long de l'axe vertical (c'est la valeur maximale sur le graphique égale à un). Dans la fig. 14, on voit que lorsque la fréquence de résonance du moteur s'écarte de la fréquence de résonance du convertisseur de 5 Hz, la puissance de sortie diminue d'un facteur 2. Cela signifie qu'un générateur thermoacoustique avec un alternateur linéaire ne peut fonctionner efficacement qu'à un certain niveau d'apport de chaleur. Si vous déviez de ce point optimal, les caractéristiques de sortie chuteront fortement.

Ainsi, la fréquence de résonance de mon moteur est de 61 à 63 Hz. Je n'ai pas trouvé d'enceintes avec une fréquence de résonance aussi faible (il est possible qu'elles n'existent pas du tout pour une si petite puissance). La fréquence de résonance de mon haut-parleur était à l'origine de 147 Hz. Comment l'ai-je mesuré?


Fig. 15. - Schéma de détermination de la fréquence de résonance du locuteur

J'ai utilisé un diagramme du magazine Radio, numéro 4, 1967, page 45. Il s'agit d'un circuit d'un circuit électrique auto-oscillant dans lequel il n'y a pas d'inductances ou de capacités, par conséquent, comme conçu, la fréquence d'oscillation d'un tel circuit est déterminée par la fréquence d'oscillation du système oscillant mécanique - le diaphragme du haut-parleur.

Ensuite, j'ai réduit la fréquence du haut-parleur à 61 Hz en collant de la pâte à modeler sur le diaphragme. Cela augmentait la masse du diaphragme et réduisait ainsi la fréquence.

Après cela, j'ai inséré le haut-parleur accordé dans l'adaptateur orange. quelle a été ma surprise quand, au lieu de la fréquence d'oscillation de 63 Hz, j'ai trouvé la fréquence d'oscillation de 187 Hz, soit trois fois plus que prévu. La 3ème harmonique était excitée. Trois longueurs d'onde ont commencé à s'insérer dans le boîtier du moteur, et pas une. En fait, les harmoniques non fondamentales sont toujours présentes dans le moteur, juste habituellement les dispositifs thermoacoustiques fonctionnent à la première harmonique, c'est-à-dire à la fréquence fondamentale, et la contribution des autres harmoniques est négligeable. J'ai été très surpris par l'effet de la troisième excitation harmonique dans cette expérience avec le haut-parleur, et j'ai commencé à penser comment cela s'est produit. J'en suis venu à la conclusion que cet effet se produit parce que le haut-parleur est intégré dans le résonateur du moteur via l'adaptateur et qu'il est nécessaire de considérer la fréquence de résonance non pas du haut-parleur séparément, mais du haut-parleur avec l'adaptateur. L'adaptateur augmente considérablement la fréquence de résonance de l'ensemble du ligament. Par conséquent, pour obtenir un fonctionnement à la fréquence fondamentale de 63 Hz, il est nécessaire de réduire encore plus la fréquence de résonance du haut-parleur.


Fig. 16. - Un haut-parleur incrusté d'écrous sur le diaphragme. (objet d'art moderne)

Et cela a vraiment fonctionné, comme prévu. Il a été possible de changer le mode de fonctionnement du moteur pour fonctionner avec la fréquence principale. Il y avait même des transitoires très intéressants, quand avec une certaine masse collée sur le diaphragme, le moteur fonctionnait soit à la fréquence principale, puis plus tard, alors que les échangeurs de chaleur chauds refroidissaient, il commençait à fonctionner à la triple fréquence. Fait intéressant, le moteur ne peut pas fonctionner à une fréquence doublée. Soit sur le principal, soit sur le triple. Apparemment, les paramètres d'onde à double fréquence ne conviennent pas pour maintenir le fonctionnement de cet appareil.


Lors de l'utilisation d'un haut-parleur et d'un moteur avec de l'air sous pression atmosphérique comme fluide de travail, l'efficacité de conversion énergétique s'est avérée négligeable.

Afin d'atteindre des niveaux d'efficacité de 20 à 40% du cycle de Carnot, il est nécessaire d'augmenter la pression dans le moteur, de remplacer le gaz de travail par de l'hélium ou de l'argon et d'utiliser d'autres méthodes de production d'électricité qu'un haut-parleur conventionnel.