Termoacoustics. Menghasilkan listrik dari suara menggunakan speaker

Fig. 1. - Penampilan mesin thermoacoustic 4-kecepatan dengan gelombang perjalanan

Dalam artikel sebelumnya, saya menulis tentang bagaimana membangun mesin Stirling tanpa piston, yaitu, bagaimana membangun mesin termoakustik gelombang-gelombang dengan gelombang bepergian 1 artikel , 2 artikel , 3 artikel .


Fig. 2. - Diagram mesin

Mesinnya terdiri dari 4 blok yang benar-benar identik. Masing-masing blok terdiri dari penukar panas, yang terdiri dari penukar panas panas, penukar panas dingin dan regenerator di antara mereka. Penukar panas kadang-kadang disebut inti mesin. Seluruh penukar panas di rumah disebut tahap mesin.

Ketika mesin berjalan, gelombang akustik intensitas tinggi hadir di seluruh casing berbentuk lingkaran. Apa distribusi khas dari fluktuasi tekanan, kecepatan getaran dan daya akustik di dalam? Untuk mengetahuinya, saya mensimulasikan proses yang terjadi di mesin menggunakan program khusus yang dikembangkan di Laboratorium Nasional Los Alamos (yaitu, di tempat yang sama dengan bom atom) yang disebut DeltaEC. Berikutnya adalah grafik untuk mesin di bawah beban. Yaitu, untuk kasus seperti itu:

Fig. 3. - Mesin dalam beban

Dalam kasus di mana mesin memiliki beban, bahkan empat beban yang terletak di dekat penukar panas panas.

Grafik distribusi amplitudo fluktuasi tekanan di salah satu dari empat blok mesin terlihat seperti ini:

Fig. 4. - Distribusi amplitudo fluktuasi tekanan di sepanjang salah satu blok

Yang ditampilkan di sini adalah seperempat dari mesin. Anda dapat melihat bahwa grafik mencapai panjang sekitar 1,5 m - ini adalah panjang satu blok. Ternyata panjang seluruh casing mesin annular adalah sekitar 6 meter. Di semua blok, semua parameter sama, jadi pertimbangkan saja salah satunya.

Penukar panas pada grafik ada di sebelah kiri, mulai dari nol pada sumbu horizontal. Terlihat bahwa dalam regenerator, karena kehilangan viskositas dan refleksi dari bagian gelombang dari itu, amplitudo fluktuasi tekanan menurun. Kemudian muncul beban, di mana tekanannya semakin berkurang. Selanjutnya, tekanan meningkat ke nilai awal dalam resonator, karena penurunan kecepatan getaran gas dalam resonator


Fig. 5. - Distribusi amplitudo osilasi dari laju aliran volumetrik di sepanjang blok

Dalam termoacoustics, sudah lazim dalam perhitungan untuk tidak menggunakan kecepatan getaran gas, tetapi fluktuasi laju aliran volumetrik, yaitu, kecepatan getaran dikalikan dengan luas penampang rumah. Fluktuasi laju aliran volumetrik sebanding dengan fluktuasi kecepatan dengan luas penampang konstan dari rumahan.

Dalam gbr. Gambar 5 menunjukkan bahwa peningkatan tajam, peningkatan tiba-tiba dalam amplitudo fluktuasi aliran volumetrik, terjadi pada regenerator (sekitar nol sepanjang sumbu horizontal). Hanya peningkatan tajam dalam fluktuasi laju aliran volumetrik atau fluktuasi kecepatan gas (kepada siapa itu lebih nyaman) adalah efek termoakustik dari amplifikasi gelombang akustik. Laju aliran volumetrik kemudian berkurang sedikit, melewati beban, dan akhirnya menurun ke nilai aslinya, melewati resonator. Karena penurunan fluktuasi laju aliran volumetrik pada resonator, terjadi peningkatan fluktuasi tekanan pada resonator, yang disebutkan dalam deskripsi grafik sebelumnya.

Apa yang dua grafik ini bicarakan? Mereka mengatakan bahwa di seluruh mesin, yang disebut mesin gelombang berjalan, tidak pernah ada dan tidak akan pernah ada gelombang berjalan murni. Gelombang bepergian di mesin ini hanya diamati di area penukar panas. Yaitu, di zona regenerator, perbedaan fasa antara tekanan dan fluktuasi kecepatan gas adalah sekitar nol. Di semua bagian lain dari mesin, gelombang jauh dari berjalan, tetapi merupakan campuran dari gelombang bepergian dan berdiri.

Yang juga menarik di sini adalah bahwa efek termoakustik tidak meningkatkan amplitudo fluktuasi tekanan, tetapi hanya meningkatkan amplitudo fluktuasi dalam laju aliran volumetrik gas.

Sekarang mari kita lihat bagaimana kekuatan gelombang akustik berubah.

Fig. 6. - Distribusi daya gelombang melebihi panjang blok

Dapat dilihat bahwa dalam regenerator, daya meningkat secara tiba-tiba karena efek termoakustik, kemudian sedikit daya hilang ketika gelombang melewati beban, kemudian ada lompatan tajam dalam daya ke bawah, terkait dengan hilangnya energi pada beban, dan selanjutnya pelemahan gelombang berlanjut di bagian resonator yang tersisa ke nilai asli.

Sekarang mari kita berpikir tentang cara menentukan efisiensi proses.

Secara umum, bagaimana cara menghitung efisiensinya? Perlu untuk membagi daya yang berguna oleh yang dikonsumsi. Dengan tenaga yang dikeluarkan, semuanya menjadi jelas di sini - ini adalah daya panas input, daya panas mesin. Tapi apa yang dianggap kekuatan akustik yang berguna?

Dalam gbr. 6, daya akustik mencapai maksimum segera setelah regenerator dan mencapai nilai 82 W. Apakah kekuatan ini yang harus dianggap berguna di sini? Tidak juga. Kekuatan akustik yang berguna di sini - ini adalah peningkatan daya akustik dalam regenerator, dan nilai sekitar 46 W relatif terhadap peningkatan yang dimulai - dapat disebut tingkat referensi. Sebaliknya, bahkan saya akan menyebut gelombang dengan kekuatan 46 W di sini - gelombang referensi, karena justru regenerator mesin menguatkan. Maka peningkatan daya dalam regenerator ini sebagian menuju ke beban, dan sebagian menghilang, melewati resonator. Saat merancang mesin untuk mencapai efisiensi maksimum sistem, Anda perlu mencoba membuat daya yang dihamburkan dalam resonator jauh lebih sedikit daripada daya yang didisipasi pada beban, sehingga sebanyak mungkin penambahan daya dalam regenerator jatuh pada beban, dan tidak hanya hilang.

Dari penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa efisiensi akustik mesin akan selalu lebih besar daripada efisiensi seluruh sistem dengan suatu beban, karena daya yang hilang pada beban adalah bagian dari peningkatan daya pada regenerator.

Jadi bagaimana Anda mengubah energi suara menjadi listrik?

Dengan mesin Stirling dengan pembangkit tenaga, semuanya jelas. Jika ada poros engkol, maka generator listrik yang berputar dapat dipasang padanya. Jika mesin Stirling beresonansi, maka Anda dapat menempelkan magnet ke piston yang bekerja dan menempatkannya di stator generator linier. Tetapi apa yang harus dilakukan dalam kasus mesin termoakustik? Bagaimana cara mendapatkan listrik di mesin di mana tidak ada crankshaft atau piston? Bagaimana cara mengubah energi akustik intensitas tinggi menjadi listrik? Sampai saat ini, dua cara telah dirancang untuk melakukan ini.

Cara pertama adalah menggunakan konverter linier.

Ini adalah video di saluran saya tempat saya bereksperimen dengan konverter linear:




Fig. 7. - Woofer

Seorang pembicara biasa adalah contoh dari transduser linier. Biasanya, selama operasi, itu mengubah energi listrik, yang disuplai kepadanya oleh input menjadi suara, yaitu, menjadi energi akustik. Tapi itu bisa bekerja dengan baik di arah yang berlawanan dan mengubah getaran akustik menjadi listrik. Speaker biasa tidak dirancang untuk intensitas suara yang sangat tinggi seperti pada perangkat termoakustik (160 - 180 dB.), Oleh karena itu, mereka memiliki kehilangan energi yang besar terkait dengan faktor kualitas rendah dari sistem osilasi, koefisien penyerapan yang besar dari membran gelombang karena kekakuannya yang kurang, dan juga tidak cukup permainan gratis membran tidak memungkinkan penggunaan semua daya yang tersedia. Oleh karena itu, mereka membuat speaker khusus - alternator linier, yang, berdasarkan prinsip operasi, tidak berbeda dari speaker, tetapi memiliki membran yang disesuaikan untuk intensitas suara yang tinggi, atau mengganti membran dengan piston pada umumnya.


Fig. 8. - Q-Drive Linear Alternator

Efisiensi mengubah energi akustik menjadi energi listrik menggunakan konverter seperti itu dapat mencapai hingga 80%.

Metode konversi kedua adalah dengan menggunakan generator turbin dua arah.

Suara yang ditemukan dalam kehidupan sehari-hari kebanyakan orang, seperti ucapan, suara mobil yang lewat, gonggongan anjing, memiliki intensitas rendah menurut standar thermoacoustics. Perpindahan gas dari posisi ekuilibrium dalam gelombang akustik ujaran percakapan adalah fraksi milimeter, sehingga tidak ada yang biasanya menganggap gelombang suara sebagai angin yang mengubah arahnya ribuan kali per detik, yaitu, mengubah arah dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi gelombang. Dalam thermoacoustics, ketika intensitas osilasi mencapai 180 desibel, suara tidak lagi menjadi angin, yang mengubah arah dengan frekuensi besar, tetapi lebih sebagai badai dengan kecepatan puncak mencapai 100 km / jam. Oleh karena itu, turbin dapat digunakan untuk mengubah energi suara ini menjadi listrik. Dalam video ini, saya melakukan percobaan menarik pada topik ini untuk secara visual menunjukkan seperti apa gelombang suara intensitas tinggi.


Segera jelas bahwa arah rotasi rotor turbin untuk thermoacoustics tidak harus bergantung pada arah aliran turbin yang masuk dan keluar, jika tidak aliran akan mempercepat rotor selama setengah dari periode osilasi dan memperlambat paruh kedua periode. Ada dua jenis turbin dua arah, arah putarannya tidak bergantung pada arah aliran. Ini adalah turbin Wales, bilah rotor yang merupakan profil aerodinamis yang terletak di seberang aliran masuk.


Fig. 9. - Blade turbin Wales

Profil aerodinamis membelokkan massa besar udara yang masuk dalam arah yang sama, terlepas dari arah pergerakan udara yang masuk. Impuls udara menyimpang sepanjang waktu, dalam gambar. 9 ke kanan, maka, menurut hukum Newton, gaya yang bekerja pada belikat harus diarahkan ke sisi kiri. Hukum Newton dalam hal ini berfungsi dengan baik dan jika Anda memperbaiki bilah seperti itu di sekitar keliling lingkaran, dan memperbaiki lingkaran pada poros, poros akan mulai berputar.


Fig. 10.– diagram turbin Wales

Anda dapat meningkatkan desain dan menambahkan baling-baling panduan, yang akan meningkatkan efek.

Tipe kedua turbin bi-directional adalah turbin impuls. Video ini menunjukkan cara kerja turbin:




Fig. 11.– Diagram turbin impuls dua arah

Turbin impuls beroperasi lebih efisien daripada turbin Wales karena bentuk bilah rotor yang lebih sempurna.

Bagian eksperimental

Untuk percobaan pertama menghasilkan listrik di mesin saya, saya memilih metode paling sederhana dan yang paling tidak efektif - menggunakan woofer biasa.


Fig. 12. - Konverter linear dari speaker

Di sini, di video ini saya berbicara tentang cara saya membuat dan mencoba mengkonfigurasi alternator linier buatan sendiri:


Saya memasang speaker ke resonator mesin melalui adaptor yang saya cetak pada printer 3D.

Fig. 13. - Koneksi speaker

Terpasang pada resonator dari sisi penukar panas dingin, agar tidak melelehkan adaptor plastik dengan suhu tinggi dan tidak merusak speaker itu sendiri. Sebelumnya, saya mengukur kekuatan akustik mesin. Daya sekitar 10 watt. Secara alami, hanya sebagian dari daya ini yang dapat diubah menjadi listrik. Mengingat Gambar 6 - distribusi daya akustik, sebagai alternator linier, saya memilih speaker YDN-78-1 dengan daya maksimum 2 kali lebih kecil dari daya akustik mesin, yaitu - 5 watt.

Hal yang paling sulit ketika menggunakan alternator linier adalah mengatur sistem yang terdiri dari speaker dan adaptor untuk frekuensi resonansi mesin itu sendiri. Kesulitannya adalah bahwa frekuensi getaran mesin bervariasi pada berbagai suhu pemanasan penukar panas panas, yaitu, pada berbagai tingkat input panas. Dan semua karena semakin banyak daya termal yang Anda bawa, semakin besar suhu rata-rata gas di dalamnya menjadi dan dengan meningkatnya suhu gas kecepatan suara dalam gas meningkat, dan frekuensi osilasi yang sesuai. Pada saat yang sama, pengukuran yang dilakukan oleh Aster Thermoacoustics menunjukkan bahwa daya output dari konverter linier sangat tergantung pada kebetulan frekuensi resonansinya dengan frekuensi resonansi motor.


Fig. 14. Ketergantungan daya keluaran relatif pada frekuensi resonansi motor

Eksperimen dengan mesin saya menunjukkan bahwa meningkatkan suhu penukar panas panas dari 120 derajat Celcius ke 220 derajat, frekuensi osilasi meningkat dari 61 Hz menjadi 64 Hz, yaitu, berubah sebesar 3 Hz. Dalam gbr. 14 - pada grafik Aster Thermoacoustics frekuensi motor ditandai pada sumbu horisontal, dan daya listrik keluaran konverter linier dibagi dengan daya konverter maksimum di seluruh rentang frekuensi sepanjang sumbu vertikal (ini adalah nilai maksimum pada grafik sama dengan satu). Dalam gbr. 14 terlihat bahwa ketika frekuensi resonansi motor menyimpang dari frekuensi resonansi konverter sebesar 5 Hz, daya output menurun dengan faktor 2. Ini berarti bahwa generator termoakustik dengan alternator linier dapat beroperasi secara efisien hanya pada tingkat input panas tertentu. Jika Anda menyimpang dari titik optimal ini, karakteristik output akan turun tajam.

Jadi, frekuensi resonansi mesin saya adalah 61 - 63 Hz. Saya tidak menemukan speaker dengan frekuensi resonansi yang rendah (mungkin saja mereka tidak ada untuk daya sekecil itu). Frekuensi resonansi speaker saya awalnya 147 Hz. Bagaimana saya mengukurnya?


Fig. 15. - Skema untuk menentukan frekuensi resonansi pembicara

Saya menggunakan diagram dari majalah Radio, edisi 4, 1967, halaman 45. Ini adalah sirkuit dari sirkuit listrik berosilasi sendiri di mana tidak ada induktansi atau kapasitansi, oleh karena itu, sebagaimana dipahami, frekuensi osilasi dari rangkaian tersebut ditentukan oleh frekuensi osilasi dari sistem osilasi mekanis - diafragma speaker.

Kemudian saya mengurangi frekuensi speaker menjadi 61 Hz dengan menempelkan plastisin pada diafragma. Ini meningkatkan massa diafragma dan dengan demikian mengurangi frekuensinya.

Setelah itu, saya memasukkan speaker yang sudah disetel ke adaptor oranye. apa yang mengejutkan saya ketika, alih-alih frekuensi osilasi 63 Hz, saya menemukan frekuensi osilasi 187 Hz, yaitu, tiga kali lebih banyak dari yang diharapkan. Harmoni ketiga sangat bersemangat. Tiga panjang gelombang mulai masuk ke rumah engine, dan bukan satu. Pada kenyataannya, di dalam mesin selalu tidak ada harmonisa fundamental, hanya saja biasanya perangkat termoakustik beroperasi pada harmonik pertama, yaitu, pada frekuensi dasar, dan kontribusi harmonik lainnya dapat diabaikan. Saya sangat terkejut dengan efek eksitasi harmonik ke-3 dalam percobaan ini dengan pembicara, dan saya mulai berpikir bagaimana itu terjadi. Saya sampai pada kesimpulan bahwa efek ini terjadi karena speaker dibangun ke resonator mesin melalui adaptor dan perlu untuk mempertimbangkan frekuensi resonansi bukan dari speaker secara terpisah, tetapi dari speaker bersama dengan adaptor. Adaptor sangat meningkatkan frekuensi resonansi seluruh ligamen. Oleh karena itu, untuk mencapai operasi pada frekuensi dasar 63 Hz, perlu untuk menurunkan frekuensi resonansi pembicara lebih jauh.


Fig. 16. - Seorang pembicara bertatahkan mur pada diafragma. (objek seni modern)

Dan itu benar-benar bekerja, seperti yang diharapkan. Dimungkinkan untuk mengubah mode operasi mesin untuk bekerja dengan frekuensi utama. Bahkan ada transien yang sangat menarik, ketika dengan massa tertentu menempel di diafragma, mesin bekerja pada frekuensi utama, kemudian, ketika penukar panas panas mendingin, ia mulai bekerja pada frekuensi tiga. Menariknya, mesin tidak dapat bekerja pada frekuensi dua kali lipat. Baik di main, atau di triple. Tampaknya parameter gelombang pada frekuensi ganda tidak cocok untuk mempertahankan pengoperasian perangkat ini.


Saat menggunakan speaker dan mesin dengan udara di bawah tekanan atmosfer sebagai fluida yang berfungsi, efisiensi konversi energi ternyata dapat diabaikan.

Untuk mencapai tingkat efisiensi 20 - 40% dari siklus Carnot, perlu untuk meningkatkan tekanan di mesin, mengganti gas yang bekerja dengan helium atau argon dan menggunakan metode lain untuk menghasilkan listrik daripada speaker biasa.