Dasar-Dasar Termoakustik

Fig. 1. Kulkas termal-akustik THEAC-25 dengan gelombang bepergian (kiri) dan kulkas termo-akustik dengan gelombang berdiri Triton C-10c (kanan)

Bagian sebelumnya: "1 artikel" , "2 artikel" .


1) mesin Thermoacoustic, kulkas dan pompa panas

1.1) Mesin
Dalam mesin termoakustik, energi termal diubah menjadi energi akustik. Proses semacam itu disebut efek termoakustik langsung.



Fig. 2. Amplifikasi daya gelombang akustik dalam penukar panas engine

Pada input dari penukar panas, gelombang kecil daya Win tiba dan diperkuat, melewati penukar panas mesin ke nilai Wout. Untuk memperkuat gelombang, perlu untuk mengeluarkan energi panas. Pin energi termal disuplai pada suhu pemanasan Tnag. Tidak semua energi panas dapat dikonversi menjadi energi akustik, karena efisiensi konversi maksimum dari setiap mesin panas dibatasi oleh efisiensi siklus Carnot. Oleh karena itu, perlu membuang bagian dari Pout daya termal ke lingkungan. Suhu di mana panas dihilangkan sama dengan - To. Harap dicatat bahwa di mesin, arah kenaikan suhu di penukar panas dan arah di mana kekuatan akustik tumbuh adalah sama.

1.2) Kulkas

Di lemari es, efek termoakustik terbalik direalisasikan. Artinya, yang terjadi justru sebaliknya, dibandingkan dengan mesin. Gelombang akustik yang kuat, Win, tiba di input alat penukar panas dari kulkas, yang melemahkan penukar panas ke nilai Wout. Hilangnya kekuatan gelombang adalah untuk menciptakan perbedaan suhu antara penukar panas.



Fig. 3. Membuat perbedaan suhu selama atenuasi gelombang

Salah satu penukar panas mulai memanas, dan yang lainnya mulai dingin. Yaitu, gelombang akustik menghilangkan panas dari satu penukar panas dan memindahkannya ke yang lain. Dalam hal ini, perlu untuk mengeluarkan daya termal Pout dari penukar panas pemanas ke lingkungan, dan Pin daya termal, yang merupakan daya termal yang berguna dari kulkas, memasuki penukar panas dingin. Kulkas mendinginkan benda ke suhu Tohl.

1.3) Pompa panas

Sebuah pompa panas, pada dasarnya, sama dengan kulkas, dengan satu-satunya perbedaan adalah bahwa keluaran panas yang diambil dari lingkungan dianggap berguna dalam lemari es, dan daya yang diberikan kepada lingkungan (untuk berbagai kebutuhan) dalam pompa panas.



Fig. 4. Juga penciptaan perbedaan suhu selama atenuasi gelombang, hanya daya pemanasan, bukan pendinginan, yang dianggap sebagai daya yang berguna

Harap dicatat bahwa baik di lemari es dan di pompa panas, arah penurunan suhu dalam penukar panas berlawanan dengan arah di mana daya gelombang akustik menurun, yang menunjukkan bahwa efek termo-akustik terbalik direalisasikan. Gelombang akustik yang memasuki input dapat dibuat menggunakan mesin, atau menggunakan speaker atau piston yang kuat yang terhubung ke motor listrik linier.

2) Perangkat dengan gelombang berdiri dan perangkat dengan gelombang perjalanan

Menurut jenis gelombang pada resonator, perangkat termoakustik dibagi menjadi dua jenis: perangkat dengan gelombang perjalanan dan perangkat dengan gelombang berdiri.
Mari kita lihat apa perbedaan antara perjalanan dan gelombang akustik berdiri.

2.1) Gelombang berlari



GIF 1. Grafik tekanan, kecepatan gas dan gambar perpindahannya dalam gelombang perjalanan

Gelombang bepergian melintasi resonator pada GIF 1 ke kanan. Dalam gelombang perjalanan, fluktuasi tekanan dan kecepatan gas berada dalam fase. Dalam hal ini, energi ditransfer ke arah gerakan gelombang. Oval merah muda di gif 1 menggambarkan diagram ketergantungan tekanan pada koordinat bagian gas elementer di berbagai titik di dalam resonator. Kekuatan akustik yang dibawa oleh gelombang ke kanan secara numerik sama dengan luas oval merah muda, yaitu area diagram PX. Seperti yang Anda lihat, oval pada titik yang berbeda adalah sama, yang menunjukkan bahwa kekuatan gelombang tidak berubah ketika bergerak di sepanjang resonator. Artinya, pelemahan gelombang ketika bergerak di sepanjang resonator tidak diperhitungkan di sini.

Gelombang bepergian dapat merambat dalam resonator, yang merupakan tabung melingkar. Dalam hal ini, panjang gelombang yang sesuai dengan frekuensi resonansi resonator tersebut akan sama dengan panjang pipa itu sendiri.



GIF 2. Perangkat gelombang bepergian

2.2) Gelombang berdiri

Gelombang berdiri adalah jumlah dari dua gelombang perjalanan yang merambat ke arah yang berlawanan. Gelombang semacam itu dapat terjadi selama refleksi, dari objek apa pun dan kembali ke sumber suara.



GIF 3. Grafik tekanan, kecepatan gas dan gambar perpindahannya dalam gelombang berdiri

GIF 3 menunjukkan gelombang berdiri dalam resonator setengah gelombang, yaitu, dalam resonator dengan panjang yang sama dengan setengah panjang gelombang. Dapat dibayangkan bahwa resonator di bawah ini pada GIF 3 adalah pipa yang terpasang dengan colokan di kedua sisi. Dalam kasus ini, seseorang, misalnya, mengguncang pipa, dan gas di dalam hang di antara kedua ujung pipa. Karena ujung-ujung pipa dicolokkan, kecepatan gas pada permukaan sumbat hanya bisa nol (seperti yang dapat dilihat pada grafik kecepatan). Artinya, node kecepatan muncul di ujung pipa. Pada saat yang sama, jelas bahwa fluktuasi tekanan terbesar dalam amplitudo (anti-node atau antinode tekanan) akan diamati pada colokan, dan unit tekanan (titik di mana tidak ada getaran) akan berada di tengah pipa.

Dalam gelombang berdiri, perbedaan fase antara fluktuasi tekanan dan fluktuasi kecepatan adalah 90 derajat. Dalam hal ini, diagram PX di semua titik resonator adalah garis, yaitu angka yang tidak memiliki area. Karenanya, transfer energi dalam gelombang berdiri tidak terjadi, baik ke kanan atau ke kiri. Tetapi gelombang itu sendiri secara alami memiliki energi.

Gelombang berdiri dalam resonator setengah gelombang dapat dibuat dengan menempatkan speaker atau piston di salah satu ujungnya, menghasilkan osilasi pada frekuensi resonansi resonator. Dan dengan menempatkan penukar panas tambahan di resonator, Anda dapat membuat kulkas termoakustik.



GIF 4. Gelombang berdiri dalam resonator setengah gelombang. Di sebelah kiri resonator adalah tumpukan yang disebut - analog dari regenerator di mesin gelombang bepergian

Karena hamburan energi akustik di resonator dan penukar panas, gelombang yang dihasilkan tidak akan murni berdiri. Diperlukan energi konstan dari piston. Pada GIF 4, dapat dilihat bahwa, sejak piston berosilasi, gas pada piston berosilasi dengannya. Ada transfer energi akustik dari piston ke resonator, yang mengkompensasi hilangnya energi di resonator. Jadi, meskipun gelombang yang dihasilkan sangat dekat dengan gelombang berdiri, itu adalah jumlah gelombang berdiri dan perjalanan ketika diperiksa lebih halus.

Dalam perangkat termoakustik sungguhan, tidak pernah ada gelombang yang murni bepergian atau berdiri murni. Gelombang selalu merupakan sesuatu yang sedang, tetapi jika gelombang dalam perangkat sangat mirip dengan gelombang berdiri, maka perangkat tersebut disebut perangkat dengan gelombang berdiri, dan jika gelombang itu mirip dengan gelombang perjalanan, maka itu disebut perangkat dengan gelombang perjalanan.

3) Dimensi utama

3.1) Panjang Kasus
Panjang perangkat termoakustik resonator - perumahan ditentukan oleh panjang gelombang. Lebih baik mengatakan sebaliknya, bahwa panjang rumah resonator menentukan panjang gelombang di resonator.

Pada perangkat dengan gelombang berdiri, panjang tubuh biasanya sama dengan setengah panjang gelombang. Misalnya, untuk frekuensi tipikal 300 Hz untuk jenis perangkat tipikal, panjang kasing saat bekerja di udara akan sekitar 0,56 meter, dan saat bekerja dengan helium 1,65 meter.



Fig. 5. Dimensi utama perangkat dengan gelombang berdiri

Dalam perangkat gelombang perjalanan, panjang gelombang kira-kira sama dengan panjang tubuh. Frekuensi osilasi khas pada perangkat tersebut adalah 100 Hz, sedangkan panjang kasing saat bekerja di udara adalah 3,4 meter, dan ketika bekerja pada helium - 10 meter.



Fig. 6. Dimensi utama perangkat gelombang perjalanan

3.2) Diameter Kotak
Diameter selongsong ditentukan berdasarkan daya perangkat yang diperlukan. Daya meningkat dengan meningkatnya diameter perangkat sesuai dengan luas penampang rumah, karena sebanding dengan luas penampang, kekuatan penukar panas tumbuh.

Resonator adalah pipa konvensional, lebih disukai dengan dinding yang halus.



GIF 5. Interaksi gas berosilasi dengan dinding rongga

Jika kita mempertimbangkan perambatan gelombang akustik dalam resonator dengan diameter yang cukup besar (dari sekitar satu sentimeter atau lebih), ternyata gas dalam gelombang berinteraksi dengan dinding resonator bukan dengan seluruh volumenya, tetapi hanya dalam lapisan batas kecil yang terletak di dekat dinding resonator. Pada gifka 5, ditunjukkan bahwa selama osilasi gas, deformasi yang tidak biasa dari kecepatan gas akibat gesekan terhadap dinding terbentuk di dekat dinding rongga. Pada permukaan dinding, kecepatan gas adalah nol, yang biasanya diterima sebagai kondisi batas pada sebagian besar masalah hidrodinamik.

Kedalaman Viskositas
Sumbu vertikal pada grafik ditandai dengan nilai penetrasi viskos δν.

Kedalaman penetrasi kental adalah perkiraan ukuran lapisan yang secara aktif berinteraksi dengan dinding tubuh. Misalnya, untuk gelombang akustik yang merambat di udara dengan kondisi normal pada frekuensi 70 Hz, kedalaman penetrasi kental adalah 0,27 mm. Pada GIF 5, dapat dilihat bahwa interaksi dinding dan gas diamati pada nilai yang lebih besar dari kedalaman penetrasi kental, tetapi, bagaimanapun, wilayah interaksi gelombang yang cukup aktif dengan dinding hanya memiliki nilai sekitar 1 mm. Di tengah resonator, getaran akustik biasa diamati, persis sama seolah-olah tidak ada resonator sama sekali. Dengan demikian, hamburan energi akustik akibat gesekan terhadap dinding hanya terjadi pada lapisan batas sempit di dekat dinding.

Kedalaman penetrasi termal
Dalam gelombang akustik, gas memampat dan mengembang, sementara suhu gas berfluktuasi karena pemanasan dan pendinginan adiabatik yang berganti-ganti. Ini terjadi pada gelombang yang merambat di ruang bebas. Ketika gelombang bergerak di rongga, gelombang berinteraksi dengan dinding rongga, dan suhu dinding mulai mempengaruhi fluktuasi suhu gas dalam gelombang akustik.

Dengan cara yang sama seperti untuk interaksi kental dengan dinding, ada juga kuantitas untuk interaksi termal yang mencirikan ukuran lapisan gas yang secara aktif berinteraksi secara termal dengan dinding. Kuantitas ini disebut - kedalaman penetrasi termal δκ. Fluktuasi suhu gas di dekat dinding dideformasi dengan cara yang sama seperti kecepatan gas pada contoh sebelumnya. Jadi jika Anda hanya mengatakan bahwa sekarang pada GIF 5 fluktuasi terjadi bukan dalam kecepatan gas tetapi dalam suhu dan bahwa sekarang sumbu vertikal ditandai bukan pada kedalaman penetrasi kental, tetapi pada kedalaman termal, maka GIF 5 akan berlaku untuk fluktuasi suhu. Secara numerik, kedalaman penetrasi termal selalu lebih besar dari kedalaman viskos. Misalnya, untuk udara yang sama dalam kondisi normal dan pada frekuensi osilasi 70 Hz, kedalaman penetrasi termal akan menjadi sekitar 0,32 mm, yang hanya 1,185 kali lebih besar dari kedalaman viskositas pada contoh sebelumnya.

Kesimpulan apa yang bisa ditarik dari semua ini?

Pertama-tama, dengan diameter resonator yang cukup besar, gelombang hampir tidak berinteraksi secara viskos atau termal dengan resonator. Resonator hanya menetapkan arah gelombang dan jenis gelombang. Oleh karena itu untuk mentransfer dan menghilangkan energi panas dari gas, ukuran saluran (pori-pori, lubang, slot) dalam penukar panas harus berada di suatu tempat di wilayah penetrasi termal, tetapi dalam kasus tidak jauh lebih besar dari nilai ini.

Kemudian, karena kedalaman penetrasi kental dan termal hampir sama untuk setiap gas dan untuk frekuensi apa pun, perangkat termoakustik akan mengalami kerugian terkait dengan gesekan gas pada permukaan penukar panas.

3.3) Dimensi saluran dalam penukar panas
Untuk perangkat gelombang keliling, untuk mencapai efisiensi maksimum, jari-jari hidrolik pori-pori di penukar panas harus kurang dari kedalaman penetrasi termal Rh <δk untuk memastikan kontak termal yang baik antara gas dan permukaan penukar panas. Kondisi ini mengikuti dari persamaan thermoacoustics. Untuk regenerator, kondisi ini sangat penting. Biasanya nilai optimal dari jari-jari hidrolik pori-pori regenerator, di suatu tempat 3,5 hingga 6 kali lebih kecil dari kedalaman penetrasi termal. Ukuran pori-pori di penukar panas mempengaruhi perangkat jauh lebih kecil daripada ukuran pori-pori dalam regenerator, oleh karena itu, biasanya lebih disukai untuk menambah ukuran pori-pori (saluran) dalam penukar panas, relatif terhadap pori-pori dalam regenerator, untuk memudahkan pembuatan.

Persamaan termoakustik di sisi lain memberi tahu kita bahwa dalam perangkat dengan gelombang berdiri, nilai jari-jari hidrolik pori-pori tumpukan (analog regenerator dalam perangkat dengan gelombang perjalanan) harus kira-kira sama dengan kedalaman penetrasi termal dalam gas. Yaitu, dalam perangkat dengan gelombang berdiri, ukuran pori di tumpukan harus di suatu tempat di 3,5-6 kali lebih besar daripada di perangkat dengan gelombang perjalanan, ceteris paribus. Ukuran pori-pori di penukar panas perangkat dengan gelombang berdiri tidak mempengaruhi efisiensi perangkat sebanyak ukuran pori-pori di tumpukan, serta pada perangkat dengan gelombang perjalanan.

3.4) Panjang penukar panas dan regenerator
Dalam gelombang akustik, setiap bagian elementer gas melakukan osilasi harmonik relatif terhadap posisi kesetimbangannya dengan amplitudo X1 (lihat Gambar 5 dan Gambar 6). Nilai panjang optimal regenerator atau tumpukan biasanya lebih besar daripada perpindahan gas 2 | X1 | (lebih besar dari amplitudo dua kali lipat dari penyimpangan bagian dasar gas dari posisi kesetimbangan). Jika nilai tipikal untuk offset adalah 1 cm, maka regenerator atau tumpukan mungkin memiliki panjang 1 cm hingga 5 cm, tergantung pada suhu pengoperasian. Panjang penukar panas berada dalam urutan yang sama seperti untuk regenerator.

4) Siklus termodinamika pada perangkat dengan gelombang berdiri dan perangkat dengan bepergian

4.1) Mesin dan lemari es gelombang berdiri
Siklus termodinamika diimplementasikan dalam tumpukan perangkat dengan gelombang berdiri paling dekat dengan siklus Brighton, yang diimplementasikan dalam mesin turbin gas.

Mesin



GIF 6. Siklus termodinamika dalam mesin gelombang tegak

GIF 6 menunjukkan osilasi volume gas dasar antara pelat tumpukan. Gas, dengan mengompresi dan memperluas, mengubah suhunya (grafik di sudut kiri bawah). Grafik suhu versus koordinat adalah angka yang mirip dengan oval (garis hijau). Garis putih pada grafik menunjukkan suhu permukaan tumpukan. Anda dapat melihat bahwa ada gradien suhu di sepanjang panjang tumpukan. Artinya, suhu berkurang secara linear ketika bergerak dari kiri ke ujung kanan tumpukan.

Jika garis putih suhu tumpukan memiliki kemiringan pada grafik lebih besar dari kemiringan grafik suhu oval - gas, maka perangkat bekerja seperti mesin.

Diagram PV ditunjukkan di kanan tengah - ketergantungan tekanan pada volume di bagian dasar gas. Area oval dalam diagram secara numerik sama dengan pekerjaan yang dilakukan pada gas dalam kasus mesin dan pekerjaan yang dilakukan pada gas dalam kasus kulkas (pompa panas).

Karena ketika bekerja dengan gelombang berdiri, ukuran optimal saluran tumpukan kira-kira sama dengan kedalaman penetrasi termal, kontak termal gas dan permukaan padat tidak ideal dan suhu gas dan tumpukan, pada titik tertentu di tumpukan, dapat berbeda satu sama lain. Jika kontak termal antara gas dan tumpukan ideal, maka grafik suhu gas dan tumpukan bertepatan, karena gas akan langsung mengambil suhu permukaan tumpukan, pada titik apa pun itu muncul.

Gradien suhu kritis dalam tumpukan



Gif 7. Gradien suhu kritis dalam tumpukan

Sekarang ambil mesin dan mulai mengurangi perbedaan suhu pada tumpukan, sambil mempertahankan amplitudo gelombang akustik dalam beberapa cara, misalnya, menggunakan speaker. Pada saat yang sama, itu terlalu cepat atau terlambat, suatu keadaan terjadi di mana suhu di bagian dasar gas dalam gelombang mulai berfluktuasi sehingga suhunya mulai bertepatan dengan suhu permukaan tumpukan, di mana bagian gas ini berada (GIF 7. garis hijau dan putih pada grafik suhu cocok).

Dalam hal ini, tidak ada pekerjaan yang dilakukan pada stack (diagram PV adalah garis - gambar yang tidak memiliki area)

Gradien suhu dalam tumpukan di mana kasus yang dijelaskan di atas direalisasikan disebut gradien suhu kritis untuk gelombang khusus ini. Perangkat dengan gradien suhu kritis sama sekali tidak berguna untuk penggunaan praktis. Ini menempati posisi tepat antara mesin dan lemari es. Namun demikian, lebih mudah untuk membandingkan perangkat sehubungan dengan itu untuk mengetahui apakah itu mesin atau lemari es.

Kulkas



GIF 8. Siklus termodinamika dalam lemari es dengan gelombang berdiri

Jika kemiringan pada suhu tumpukan kurang dari pada suhu oval gas, maka perangkat bekerja seperti lemari es.

Harap dicatat bahwa rotasi titik hijau dalam diagram mesin dan lemari es berjalan berlawanan arah, yang berarti dalam satu kasus gas sedang bekerja dan di gas lain sedang bekerja.

Apa yang perlu dilakukan untuk mengubah kulkas menjadi mesin? Anda harus meningkatkan gradien suhu di tumpukan sambil mempertahankan amplitudo gelombang akustik, atau mengurangi amplitudo gelombang sambil mempertahankan gradien suhu.

4.2) Mesin dan kulkas gelombang bepergian
Siklus termodinamika yang diterapkan pada regenerator perangkat gelombang bepergian paling dekat dengan siklus Stirling, yang diimplementasikan dalam mesin dengan nama yang sama.

Dalam perangkat dengan gelombang perjalanan, kasus kontak termal yang ideal antara gas dan permukaan regenerator direalisasikan karena ukuran pori optimal kecil.



Gifka 9. Siklus termodinamika dalam mesin gelombang bepergian

Di sini suhu gas (garis hijau pada grafik suhu) bertepatan dengan suhu regenerator di semua titiknya (garis putih pada grafik suhu). Diagram PV di sudut kanan bawah menunjukkan bahwa gas sedang dikerjakan.

Harus dipahami bahwa meskipun grafik suhu gas dan regenerator adalah sama, tetapi ini bukan perangkat dengan gradien suhu kritis dalam arti yang dijelaskan sebelumnya. Pada perangkat dengan gelombang berdiri, perlu untuk memilih gradien suhu yang diperlukan untuk gelombang tertentu sehingga bertepatan dengan fluktuasi suhu dalam gelombang akustik. Dalam alat penggerak gelombang, karena pori-pori dalam regenerator sangat kecil, kontak termal yang baik antara regenerator dan gas selalu terjamin. Oleh karena itu, gradien suhu kritis dalam perangkat gelombang bepergian selalu ada dan istilah ini kehilangan arti di sini. Lalu bagaimana pekerjaan dilakukan pada gas? Memang, dengan gradien suhu kritis, dalam kasus perangkat dengan gelombang berdiri, tidak ada pekerjaan. Masalahnya adalahbahwa pada gradien suhu kritis, pengerjaan pada gas tidak dilakukan secara tepat dalam gelombang berdiri, tetapi dalam gelombang perjalanan perbedaan fase yang berbeda antara fluktuasi tekanan dan kecepatan gas dan pekerjaan dalam kasus ini, sebaliknya, adalah maksimum.

Untuk lemari es dengan gelombang bepergian, grafik akan terlihat persis sama dengan pada GIF 9, kecuali bahwa titik hijau pada diagram PV akan berputar ke arah yang berlawanan, yang akan menunjukkan bahwa gas bekerja, dan tidak bekerja pada gas .

Sebagai kesimpulan, untuk semua orang yang ingin mempelajari lebih lanjut tentang thermoacoustics, saya ingin merekomendasikan buku karya G. Swift, yang membuat kontribusi besar untuk thermoacoustics dengan bekerja di Laboratorium Nasional Los Alamos:

Swift GW Mesin thermoacoustic dan kulkas: kursus singkat. Los Alamos: Laboratorium Nasional Los Alamos, 1999. 179 hal. URL: tautan unduhan

Saya juga melampirkan animasi proses termoakustik yang dibuat oleh tim G. Swift:
tautan unduhan. Untuk melihat animasi, Anda perlu membuka ritsleting arsip, memasukkannya ke folder file program pada hard drive Anda (jika tidak karena alasan tertentu mereka tidak berfungsi). Semua animasi untuk windows ada di folder EXEs.

Dalam artikel ini, saya menceritakan kembali hanya sebagian kecil dari apa yang ada di buku ini, tanpa menggunakan matematika. Dalam aslinya, semuanya jauh lebih menarik.