Termoacústica. Gerando eletricidade a partir do som usando um alto-falante

Fig. 1. - Aparência de um motor termoacústico de 4 velocidades com uma onda que viaja

Em artigos anteriores, escrevi sobre como construir um motor Stirling sem pistões, ou seja, como construir um motor termoacústico com ondas de anel com uma onda móvel 1 artigo , 2 artigo , 3 artigo .


Fig. 2. - Diagrama do motor

O motor consiste em 4 blocos absolutamente idênticos. Cada um dos blocos consiste em um trocador de calor, composto por um trocador de calor quente, um trocador de calor frio e um regenerador entre eles. O trocador de calor às vezes é chamado de núcleo do motor. Todo o trocador de calor na carcaça é chamado de estágio do motor.

Quando o motor está funcionando, uma onda acústica de intensidade extremamente alta está presente dentro de toda a caixa anular. Qual é a distribuição típica de flutuações de pressão, velocidade vibracional e potência acústica no interior? Para descobrir, simulei os processos que ocorrem no mecanismo usando um programa especial desenvolvido no Laboratório Nacional de Los Alamos (ou seja, no mesmo local da bomba atômica) chamado DeltaEC. A seguir, estão os gráficos do mecanismo sob carga. Ou seja, para esse caso:

Fig. 3. - Motor sob carga

Nos casos em que o motor tem uma carga, até quatro cargas estão localizadas perto de trocadores de calor quentes.

O gráfico da distribuição da amplitude das flutuações de pressão em um dos quatro blocos de motor tem a seguinte aparência:

Fig. 4. - Distribuição da amplitude das flutuações de pressão ao longo do comprimento de um dos blocos

Aqui é mostrado um quarto do mecanismo. Você pode ver que o gráfico atinge um comprimento de cerca de 1,5 m - este é o comprimento de um bloco. Acontece que o comprimento de toda a carcaça do motor anular é de cerca de 6 metros. Em todos os blocos, todos os parâmetros são iguais, portanto, considere um deles.

O trocador de calor no gráfico está à esquerda, começando do zero no eixo horizontal. Observa-se que no regenerador, devido à perda de viscosidade e reflexão de parte da onda a partir dele, a amplitude das flutuações de pressão diminui. Depois vem a carga, onde a pressão diminui ainda mais. Além disso, a pressão aumenta para o valor inicial no ressonador, devido a uma diminuição na velocidade vibracional do gás no ressonador


Fig. 5. - Distribuição da amplitude das oscilações da vazão volumétrica ao longo do comprimento do bloco

Na termoacústica, é habitual nos cálculos usar não a velocidade vibracional do gás, mas as flutuações no fluxo de volume, ou seja, a velocidade vibratória multiplicada pela área da seção transversal da carcaça. As flutuações na vazão volumétrica são proporcionais às flutuações de velocidade com uma área de seção transversal constante do alojamento.

Na fig. A Figura 5 mostra que um aumento acentuado, um aumento abrupto na amplitude de flutuações no fluxo volumétrico, ocorre no regenerador (cerca de zero ao longo do eixo horizontal). Apenas esse aumento acentuado nas flutuações volumétricas da vazão ou na velocidade do gás (para quem é mais conveniente) é o efeito termoacústico da amplificação de uma onda acústica. A vazão volumétrica diminui levemente, passando pela carga e, finalmente, diminui para o valor original, passando pelo ressonador. Devido a essa diminuição nas flutuações na vazão volumétrica no ressonador, ocorre um aumento nas flutuações de pressão no ressonador, o que foi mencionado na descrição do gráfico anterior.

Sobre o que esses dois gráficos estão falando? Eles dizem que em todo o mecanismo, que é chamado de motor de ondas em funcionamento, nunca houve e nunca haverá uma onda puramente em funcionamento. Uma onda de deslocamento neste motor é observada apenas na área do trocador de calor. Ou seja, na zona do regenerador, a diferença de fase entre as flutuações da pressão e da velocidade do gás é de cerca de zero. Em todas as outras partes do motor, a onda está longe de funcionar, mas é uma mistura de uma onda móvel e permanente.

O que também é interessante aqui é que o efeito termoacústico não aumenta a amplitude das flutuações de pressão, mas apenas aumenta a amplitude das flutuações na vazão volumétrica do gás.

Agora vamos ver como o poder de uma onda acústica muda.

Fig. 6. - Distribuição de energia das ondas ao longo do comprimento do bloco

Pode-se observar que, no regenerador, a potência aumenta abruptamente devido ao efeito termoacústico, então um pouco de energia é perdida quando a onda passa para a carga, há um salto acentuado na potência para baixo, associado à perda de energia na carga, e ainda mais a atenuação da onda continua na parte restante do ressonador para o valor original.

Vamos agora pensar em como determinar a eficiência do processo.

Em geral, como calcular a eficiência? É necessário dividir o poder útil pelo consumido. Com a energia consumida, tudo fica claro aqui - esta é a energia térmica de entrada, a energia de aquecimento do motor. Mas o que é considerado energia acústica útil?

Na fig. 6, a potência acústica atinge o máximo imediatamente após o regenerador e atinge um valor de 82 W. É esse poder que deve ser considerado útil aqui? Na verdade não. A potência acústica útil aqui - este é o aumento da potência acústica no regenerador e um valor de cerca de 46 W em relação ao qual o aumento começa - pode ser chamado de nível de referência. Pelo contrário, até eu chamaria uma onda com uma potência de 46 W aqui - uma onda de referência, já que é precisamente isso que o regenerador do motor amplifica. Então esse aumento de energia no regenerador já vai parcialmente para a carga e se dissipa parcialmente, passando pelo ressonador. Ao projetar o mecanismo para obter a máxima eficiência do sistema, você precisa tentar reduzir muito menos a energia dissipada no ressonador do que a energia dissipada na carga, para que o máximo possível de ganho de energia no regenerador caia na carga e não apenas seja dissipado.

Pelo exposto, segue-se que a eficiência acústica do motor sempre será maior que a eficiência de todo o sistema com carga, uma vez que a potência dissipada na carga faz parte do aumento de potência no regenerador.

Então, como você converte a energia do som em eletricidade?

Com um motor Stirling com geração de energia, tudo fica claro. Se houver um eixo de manivela, um gerador elétrico rotativo pode ser conectado a ele. Se o motor Stirling for ressonante, você poderá conectar o ímã ao pistão de trabalho e colocá-lo no estator do gerador linear. Mas o que fazer no caso de um motor termoacústico? Como obter eletricidade em um motor onde não há eixo de manivela ou pistões? Como converter energia acústica de alta intensidade para elétrica? Até o momento, foram criadas duas maneiras de fazer isso.

A primeira maneira é usar conversores lineares.

Aqui está um vídeo no meu canal em que estou experimentando um conversor linear:




Fig. 7. - Woofer

Um alto-falante comum é um exemplo de transdutor linear. Normalmente, durante a operação, converte energia elétrica, que é fornecida pela entrada em som, ou seja, em energia acústica. Mas pode muito bem trabalhar na direção oposta e converter vibrações acústicas em eletricidade. Os alto-falantes comuns não são projetados para uma intensidade sonora extremamente alta, como em dispositivos termoacústicos (160 - 180 dB.). Portanto, eles têm grandes perdas de energia associadas a um fator de baixa qualidade do sistema oscilatório, um grande coeficiente de absorção da membrana da onda devido à sua rigidez insuficiente e também insuficiente a roda livre da membrana não permite o uso de toda a energia disponível. Portanto, eles produzem alto-falantes especiais - alternadores lineares, que pelo princípio de operação não são diferentes do alto-falante, mas possuem uma membrana adaptada a alta intensidade sonora ou substituem a membrana por um pistão em geral.


Fig. 8. - Alternador linear Q-Drive

A eficiência da conversão de energia acústica em energia elétrica usando esse conversor pode chegar a 80%.

O segundo método de conversão é usar um gerador de turbina bidirecional.

Os sons encontrados na vida cotidiana da maioria das pessoas, como fala, sons de carros passando, latidos de cães, têm baixa intensidade pelos padrões da termoacústica. O deslocamento do gás da posição de equilíbrio na onda acústica da fala conversacional é frações de um milímetro, de modo que ninguém geralmente percebe uma onda sonora como um vento que muda de direção milhares de vezes por segundo, ou seja, muda de direção com uma frequência igual à frequência da onda. Na termoacústica, quando a intensidade das oscilações atinge 180 decibéis, o som não se torna mais um vento, que muda de direção com grande frequência, mas sim um furacão com velocidade máxima atingindo 100 km / h. Portanto, uma turbina pode ser usada para converter essa energia sonora em eletricidade. Neste vídeo, conduzi experimentos interessantes sobre esse tópico para mostrar visualmente como é uma onda sonora de alta intensidade.


É imediatamente claro que a direção de rotação do rotor da turbina para termoacústica não deve depender da direção do fluxo das turbinas de entrada e saída, caso contrário, o fluxo acelerará o rotor por metade do período de oscilação e diminuirá a segunda metade do período. Existem dois tipos de turbinas bidirecionais, cuja direção de rotação não depende da direção do fluxo. Esta é uma turbina do País de Gales, cujas pás do rotor são perfis aerodinâmicos localizados no fluxo de entrada.


Fig. 9. - Lâmina de turbina do país de Gales

O perfil aerodinâmico desvia uma grande massa de ar que entra na mesma direção, independentemente da direção do movimento do ar que entra. O impulso aéreo se desvia o tempo todo, na fig. 9 à direita, ou seja, de acordo com as leis de Newton, a força que atua nas omoplatas deve ser direcionada para o lado esquerdo. As leis de Newton, nesse caso, funcionam corretamente e se você fixar essas lâminas ao redor da circunferência do círculo e fixar o círculo no eixo, o eixo começará a girar.


Fig. 10.– Diagrama da turbina do país de Gales

Você pode melhorar o design e adicionar palhetas-guia, o que aumentará o efeito.

O segundo tipo de turbinas bidirecionais são as chamadas turbinas de impulso. Este vídeo mostra como essa turbina funciona:




Fig. 11.– Diagrama de uma turbina de impulso bidirecional

A turbina de impulso opera com mais eficiência do que a turbina do País de Gales devido ao formato mais perfeito das pás do rotor.

Parte experimental

Nas primeiras experiências de geração de eletricidade no meu motor, escolhi o método mais simples e o mais ineficaz - usando um woofer comum.


Fig. 12. - Conversor linear do alto-falante

Aqui neste vídeo, falo sobre como eu criei e tentei configurar o alternador linear caseiro resultante:


Liguei o alto-falante ao ressonador do mecanismo através de um adaptador que imprimi em uma impressora 3D.

Fig. 13. - Conexão do alto-falante

Ligado ao ressonador pela lateral do trocador de calor frio, para não derreter o adaptador de plástico com alta temperatura e não danificar o próprio alto-falante. Anteriormente, eu medi a potência acústica do motor. A potência era de cerca de 10 watts. Naturalmente, apenas parte dessa energia pode ser convertida em eletricidade. Lembrando a Figura 6 - distribuição da potência acústica, como alternador linear, escolhi o alto-falante YDN-78-1 com uma potência máxima de 2 vezes menor que a potência acústica do motor, a saber - 5 watts.

A coisa mais difícil ao usar um alternador linear é configurar um sistema que consiste em um alto-falante e um adaptador para a frequência ressonante do próprio motor. A dificuldade é que a frequência das vibrações do motor varia em diferentes temperaturas de aquecimento dos trocadores de calor quentes, ou seja, em diferentes níveis de entrada de calor. E tudo porque quanto mais energia térmica você fornecer, maior será a temperatura média do gás no interior e, com o aumento da temperatura do gás, a velocidade do som no gás aumentará e, consequentemente, a frequência de oscilação. Ao mesmo tempo, as medições feitas pela Aster Thermoacoustics mostram que a potência de saída de um conversor linear depende fortemente da coincidência de sua frequência ressonante com a frequência ressonante do motor.


Fig. 14. A dependência da potência de saída relativa da frequência ressonante do motor

Experimentos com meu motor mostraram que, aumentando a temperatura dos trocadores de calor quentes de 120 graus Celsius para 220 graus, a frequência de oscilação aumenta de 61 Hz para 64 Hz, ou seja, muda em 3 Hz. Na fig. 14 - no gráfico do Aster Thermoacoustics, a frequência do motor é marcada no eixo horizontal e a potência elétrica de saída do conversor linear dividida pela potência máxima do conversor em toda a faixa de frequência ao longo do eixo vertical (este é o valor máximo no gráfico igual a um). Na fig. 14 é observado que quando a frequência ressonante do motor se desvia da frequência ressonante do conversor em 5 Hz, a potência de saída diminui em um fator de 2. Isso significa que um gerador termoacústico com alternador linear pode operar com eficiência apenas em um determinado nível de entrada de calor. Se você se desviar desse ponto ideal, as características da saída diminuirão acentuadamente.

Portanto, a frequência ressonante do meu motor é de 61 a 63 Hz. Não encontrei alto-falantes com uma frequência ressonante tão baixa (é possível que eles não existam por uma potência tão pequena). A frequência ressonante do meu alto-falante era originalmente de 147 Hz. Como eu medi-lo?


Fig. 15. - Esquema para determinar a frequência ressonante do falante

Usei um diagrama da revista Radio, edição 4, 1967, página 45. Este é um circuito de um circuito elétrico auto-oscilante no qual não há indutâncias ou capacitâncias, portanto, como concebido, a frequência de oscilação de tal circuito é determinada pela frequência de oscilação do sistema oscilatório mecânico - o diafragma do alto-falante.

Depois reduzi a frequência do alto-falante para 61 Hz, colando plasticina no diafragma. Isso aumentou a massa do diafragma e reduziu a frequência.

Depois disso, inseri o alto-falante sintonizado no adaptador laranja. qual foi minha surpresa quando, em vez da frequência de oscilação de 63 Hz, encontrei a frequência de oscilação de 187 Hz, ou seja, três vezes mais do que o esperado. O terceiro harmônico foi animado. Três comprimentos de onda começaram a se encaixar na carcaça do motor, e não em um. De fato, no motor nem sempre há harmônicos fundamentais, apenas os dispositivos termoacústicos operam no primeiro harmônico, ou seja, na frequência fundamental, e a contribuição dos outros harmônicos é insignificante. Fiquei muito surpreso com o efeito da excitação da 3ª harmônica nesse experimento com o orador e comecei a pensar em como isso aconteceu. Cheguei à conclusão de que esse efeito ocorre porque o alto-falante está embutido no ressonador do motor através do adaptador e é necessário considerar a frequência de ressonância não do alto-falante separadamente, mas do alto-falante junto com o adaptador. O adaptador aumenta bastante a frequência ressonante de todo o ligamento. Portanto, para alcançar a operação na frequência fundamental de 63 Hz, é necessário diminuir ainda mais a frequência ressonante do alto-falante.


Fig. 16. - Um alto-falante incrustado com porcas no diafragma. (objeto de arte moderna)

E realmente funcionou, como esperado. Foi possível alterar o modo de operação do motor para trabalhar com a frequência principal. Havia até transientes muito interessantes, quando, com uma certa massa presa no diafragma, o motor trabalhava na frequência principal e depois, quando os trocadores de calor quente esfriavam, começava a trabalhar na freqüência tripla. Curiosamente, o mecanismo não pode funcionar com freqüência dobrada. No principal ou no triplo. Aparentemente, os parâmetros de onda a uma frequência dupla não são adequados para manter a operação deste dispositivo.


Ao usar um alto-falante e um motor com ar sob pressão atmosférica como fluido de trabalho, a eficiência de conversão de energia acabou sendo insignificante.

Para atingir níveis de eficiência de 20 a 40% do ciclo de Carnot, é necessário aumentar a pressão no motor, substituir o gás de trabalho por hélio ou argônio e usar outros métodos de geração de eletricidade que um alto-falante convencional.