Термоакустическая тепловая машина как источник электрического тока.

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №8 с

углубленным изучением технологического профиля»

МО «Мирнинский район» РС (Я)

Тема: Термоакустическая тепловая машина

как источник электрического тока.

1. Автор: Очиров Булат

2. ученик 10 класса МАОУ «СОШ №8»

Руководитель: Черноусов В.В.

Мирный 2019

Проблема исследования: получение электрической энергии из альтернативных установок (акустические волны).

Актуальность проблемы: Термоакустические аппараты (ТАА) — это сравнительно новый и

малораспространенный тип тепловых машин, интенсивные исследования и разработки в данной сфере ведутся около 25 лет. Рабочие процессы в ТАА определяются фундаментальными законами термодинамики и механики. Области применения существующих и перспективных типов ТАА разнообразны — это аэрокосмические технологии, системы вооружений, энергосбережение, криотехнологии, системы кондиционирования и т. д.

Один из мировых трендов в последнее время – это децентрализация. Всё большее число людей хотят быть максимально независимыми от крупных организаций поставляющих электрическую энергию.

Объект исследования: распространения акустических вол в замкнутом пространстве.

Предмет исследование: преобразование тепловой энергии в акустическую, благодаря совершению термодинамического цикла.

Цель:

1.Рассмотрение основных базовых положений термоакустических технологий, анализ основных факторов, определяющих эффективность термоакустических тепловых машин, выбор и обоснование направлений дальнейших научных исследований и инженерных разработок.

2. Получение электрической энергии, посредству акустических вол.

Задачи:

1). Изучение распространения акустических вол в замкнутом пространстве.

2). Сборка прибора преобразующего, тепловую энергию в акустическую, акустическую в электрическую.

3). Испытание прибора и сравнение его с другими источниками электрического тока.

В основе термоакустических технологий лежит сложный комплекс теплофизических процессов, основанный на взаимодействии явлений акустической, теплофизической и гидродинамической природы. Эта многофакторность обуславливает особенности термоакустических машин и, в конечном итоге, их внешние характеристики. Далее рассмотрим по отдельности каждый из базовых процессов.

Акустические процессы. Работа ТАА связана с наличием акустических колебаний. Предположим, что продольная, плоская, гармоническая волна распространяется вдоль оси х резонатора, который заполнен идеальным газом (в нашем случае воздухом). Акустическую волну зададим в виде пульсации давления:

P(x, t) = P_Scoskxsinωt, (1)

где P_S — амплитуда звукового давления.

Распространение звуковой волны происходит благодаря колебательным движениям элементарных газовых объемов — частиц. Скорость их движения можно определить, воспользовавшись вторым законом Ньютона; «Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение» который применительно к акустическим процессам

Распространение акустической волны, согласно Лапласу, является адиабатическим процессом. С учетом этого скорость распространения звука определяется как:

C  

где P₀ — давление; ρ₀ — плотность невозмущенной среды в канале; γ — показатель адиабаты*.

* Адиабата линия, изображающая на любой термодинамической диаграмме равновесный Адиабатный процесс

Как показано в работе [2], выражение для разницы температур, вызванной пульсациями давления в звуковой волне, можно получить в упрощённом виде:

Рассмотрим волновые процессы в закрытой и открытой трубах (рис. 1). Если в закрытой трубе имеет место стоячая акустическая волна, тогда на торцах трубы образуются узлы колебательной

скорости, а в центре — пучность. Для функции давления ситуация обратная, так как фазы колебаний давления и скорости отличаются на величину Δφ ≤ π/2. Поэтому в центральной части канала, вдали от стенок, частицы газа имеют максимальное смещение ξ_Smax при неизмененной температуре, в торцах канала перемещение частиц отсутствует, а изменения температуры максимальны. На удалении от узлов давления и скорости частицы газа совершают колебательные движения ξ(x), их температура изменяется в зависимости от положения вдоль оси канала.

В открытой трубе (см. рис. 1, б) формируется бегущая волна, в которой значения функций скорости и давления изменяются синхронно. Такие колебания вызывают циклические однонаправленные изменения температуры частиц среды.

Рис. 1. Изменение температуры частиц газа в акустической волне вдоль оси канала за один

цикл ( ------- — давление, — скорость): а — стоячая волна; б — бегущая волна;

в — диаграмма T = f (x) для частиц стоячей волны; г — диаграмма T = f (x) для бегущей волны; д — случай наложения стоячей и бегущей волн

Элементарный термодинамический цикл TAА. Работа термоакустических аппаратов основана на взаимодействии температурных полей, вызванных звуковыми волнами, с границами каналов — теплообменными поверхностями. Предположим, что изучаемые микрообъемы воздуха расположены вблизи стенки, которая имеет продольный градиент температуры Tm (рис. 3).

Если градиент температуры вдоль стенки канала меньше, чем градиент температур T, который возникает в элементарном объеме воздуха при его смещении (см. рис. 3, а), то воздух будет отбирать тепло от стенки при минимальном давлении и отдавать его стенке в зоне с максимальным давлением. Для создания такого механизма необходимо совершать работу – поддерживать колебательный процесс. При таких условиях частица воздуха работает как термоакустический рефрижератор или тепловой насос.

В случае, когда продольный градиент температуры превышает градиент температуры, развиваемый элементарной воздушно-тепловой машиной, тепло от стенки будет передано воздуху в зоне с большим давлением и отведено от осциллирующего объема в области пониженного давления. В результате амплитуда колебаний давления будет возрастать, соответственно будет расти энергия акустического поля. Таким образом будет реализован термоакустический тепловой двигатель.

Рассмотрим подробнее основные термодинамические процессы, протекающие в термоакустических тепловых машинах. В данном случае не учитываем влияние вязкости среды на характер движения среды.

На рис. 4 показана принципиальная схема простейшего ТАА. Это полуволновой резонатор, внутри которого расположены теплообменные поверхности — рекуперативные теплообменники и регенератор (стек). Считаем, что стек — это система плоскощелевых

каналов, длиной L_S, зазор между пластинами равен 2δ_k, продольный градиент температуры в регенераторе

_T_m T_m / L_S = (T_H - T_C ) / L_S

а) тепловой двигатель

Рис. 3. Диаграммы T = f (x) ( - - -; ____ стенка; — частицы воздуха), а — большой градиент температуры

Рис. 4. Схема термоакустического аппарата и его функции

Создание Термоакустического двигателя:

• Для этого нам понадобиться:

1. 2 трубы диаметром 25 мм и длиной 270 мм.

2. Промежуточная трубка диаметром 25 мм и длиной 100 мм.

3. 2 трубных уголка

4. Изолента

5. Герметик

6. металлическая губка

7. Промежуточная и верхняя мембрана

8. Картонная банка длиной 200 мм и диаметром 60 мм.

9. Неодимовый магнит

10. Катушка

Схема двигателя

Рабочие характеристики ТАА зависят от взаимодействия явлений различной природы – акустических, термодинамических, гидродинамических. Ключевые процессы, определяющие эффективность преобразования тепловой и акустической энергии, происходят непосредственно в каналах теплообменных поверхностей – регенераторах. Особенностью этих теплообменников является их высокая компактность, достигающая 6000–12000 м²/м³, что объясняется малым геометрическим масштабом термоакустических взаимодействий. Очевидно, что создание ТАА, предназначенных для практического использования, требует проведения большого объема теоретических и экспериментальных исследований.

Представляется целесообразным следующий план научных исследований:

а) детальное исследование особенностей теплофизических и гидродинамических процессов в элементах термоакустических тепловых машин;

Б) поиск и обоснование рациональных методов совершенствования эффективности компактных теплообменных поверхностей, предназначенных для использования в ТАА;

разработка рациональных методов поддержания и адаптивного регулирования рабочих параметров ТАА с использованием новых вычислительных технологий;

разработка технологических и схемных решений, направленных на использование ТАА в энергетике, промышленности, транспорте.

1. Зарембо, Л. К. Введение в нелинейную акустику [Текст] / Л. К. Зарембо, В. А. Красильников. — Москва, 1966. — 520 с.

2. Лемб, Г. Динамическая теория звука [Текст] / Г. Лемб. — М. : Государственное издательство физико-математической литературы, 1960. — 372 с.

3. Морз, Ф. Колебания и звук [Текст] / Ф. Морз. — Государственное издатель- ство технико-теоретической литературы. — Москва, 1949. — 573 с.

4. Поль, Р. В. Механика, акустика и учение о теплоте [Текст] / Р. В. Поль. — М., 1971. — 434 c.