Термоакустика, вопросы и ответы

Друзья, думаю нет особого смысла выяснять как назвать(к какому типу отнести) эту модель. Как по мне, принцип её работы не похож ни на то, ни на другое, в общем понятен, но есть и хитрые места, с которми я столкнулся пытаясь побыстрее превратить её во что то более мощное и полезное и как правило железное.

Конкретно в этой модели: пробирка внутр диаметр 18мм, длина 100мм, регенератор длиной 6-7см, внутри регенератора ровная стеклянная трубка без всяких секретов, входит прямо в радиатор, но не так просто(т.е проходит через него и входит в цилиндр) как у тех простеньких моделек из интернета. А именно, долго экспериментируя с этой моделью я понял, что на её мощность, большое значение оказывает эффективное охлаждение газа проходящего по трубке.

В классическом исполнении КПД такой модели действительно мизерный, может и правда не более 2%, но стоит улучшить охлаждение, при всё том же нагреве и вы увидите резкое её увеличение. Что я и сделал. Я просто разбил тот поток воздуха, из внутренней трубки внутри радиатора(на ролике естественно этого не видно ), по каналам, тем самым увеличив площадь контакта с радиатором примерно раз в 5 - 6. Причем сделал это быстро и очень примитивно, с ужасной аэродинамикой, что конечно не пошло на пользу. Но тем не менее модель заработала так как Вы видите, а до этого она едва половину этих дидов зажигала и то не стабильно. Причем я делал эту модель специально под это количество диодов(не менее 100), что бы снять именно такой ролик, и что бы она эффективно работала от примитивного источника тепла, типа этого маленького кусочка спирта.

Но надо признать, на видео диоды горят не на полную яркость, поэтому 7 Вт электричества там при таком источнике нагрева конечно нет, но вот если греть не спиртом а газовой горелкой, то совсем другое дело, но я этого не показал, потому что выглядит как то не по экономному, у людей может сложиться впечатление что от такого нагрева всё само собой светиться начнёт.

Короче, подобные штуки конечно работают, но они очень любят хороший нагрев и охлаждение, тогда их можно как то поиспользовать. Хотя конечно частоту на них при использовании поршня всёравно высокую не получишь, что плохо для генератора, поэтому я с ними пока и прекратил опыты. Надо сюда как то пристроить мембрану(металлическую), вот это был бы прогресс, я такого в интернете пока не видел, но все мои попытки(причем очень множественные и долгие) сделать это провалились . Возможно, мембрана в такого типа схеме и не будет работать, вот это я и хочу спросить у Вас как теоретиков

К сожалению я тут теоретик - никакой, в термодинамике. Приводы роботов только руками сам делал, и схемы автоматики.
Но ты показал главное - что это уже не моделька, а полезное реальное устройство! Работающее!!
И я почему то уверен, что можно поднять мощность даже на таком малом соотношении габариты\вес\обьем рабочего тела.

Admin_Игорь пишет:
Но надо признать, на видео диоды горят не на полную яркость, поэтому 7 Вт электричества там при таком источнике нагрева конечно нет,

Это не важно уже. - 3,5 ватт там есть нагрузочной мощности (как минимум). Для такого размера и технологической простоты - это очень уважаемый результат. И это основание для дальнейшей разработки.

Admin_Игорь пишет:
частоту на них при использовании поршня всёравно высокую не получишь, что плохо для генератора, поэтому я с ними пока и прекратил опыты. Надо сюда как то пристроить мембрану(металлическую), вот это был бы прогресс, я такого в интернете пока не видел,

Не, так действительно - очень трудно угадать. Металлических мембран то полно для приборов, я в инете нашел. И можно и самому в принципе сделать, но вопрос не в том сейчас
- а как ее рассчитать и технологично без напрягов посадить.
Ведь ее параметры для конкретной конструкции повлияют на работоспособнось всей системы.

Admin_Игорь пишет:
но все мои попытки(причем очень множественные и долгие) сделать это провалились . Возможно, мембрана в такого типа схеме и не будет работать, вот это я и хочу спросить у Вас как теоретиков

Ее можно вычислить экспериментально, правда для действующей конструкции. Хорошо что она есть...
Думаю что нужно вместо генератора - поцепить пружину сжатия с флажком и линейкой (сжатие\растяжение которой прокалибровано динамометром на линейке).
Потом регулируя осевое сжатие пружины винтом заснять на камеру вместе с линейкой (0 в средине линейки, при середине диапазона амплитуды поршня) и движущейся меткой, когда движок таки удастся запустить с пружиной. Тогда мы увидим диапазон сил, и будет возможность подбирать\делать мембрану такого диапазона сил и линейного перемещения (если удастся - надо бы с минимальным гистерезисом). Да, - ненагруженая мембрана может не работать: - что поршень с магнитами, что мембрана - могут играть роль маховика, обеспечивая нужную фазу. Но мембрана имеет преимущества по сравнению с другими схемами.
Вот такие мысли.
А по конструкции и расположению внутренней трубки - можно еще немного подумать и попытаться улучшить непринципиально, но существенно, - если считать воздух трубки поршнем стирлинга и воздушным диодом одновременно (могу ошибаться - сложно тут).

_AM пишет:
Это не важно уже. - 3,5 ватт там есть нагрузочной мощности (как минимум). Для такого размера и технологической простоты - это очень уважаемый результат. И это основание для дальнейшей разработки.

Всё верно, как только появится возможность, я постараюсь собрать подобную модель(только уже покрупнее) более качественно, максимально снижу аэродинамическое сопротивление в радиаторе, а магнит будет стоять на самом поршне. Катушки генератора намотаю прямо на стеклянный цилиндр. Всё это должно ещё больше поднять характеристики этой конструкции.

Но вот если бы ещё удалось поршень заменить на мембрану, тогда конструкция была бы идеальна. Вот как здесь https://www.youtube.com/watch?v=OGba0q4kaXs&list=FLRcKdO0BI92MOPjCByNNbAA&index=20&feature=plpp_video , обсудить эту интересную конструкцию можно в этой теме https://stirlingengine.forum2x2.ru/t78-topic

Admin_Игорь пишет: я постараюсь собрать подобную модель(только уже покрупнее) более качественно, максимально снижу аэродинамическое сопротивление в радиаторе, а магнит будет стоять на самом поршне. Катушки генератора намотаю прямо на стеклянный цилиндр. Всё это должно ещё больше поднять характеристики этой конструкции.

Если конструкция (диаметр) будет больше, то обьем участвующего рабочего тела тоже, - мощность увеличится, но выдержит ли стекло колбы. Хотя можно в нагревательной более толстую кварцевую трубку на которую надеть с торца внутренний радиатор и его греть (обжать с термопрокладкой) .

Еще (мысли), если вместо трубки в бОльшем диаметре колбы поставить стекляную лейку на полдиаметра колбы или больше, и сместить по горизонтали ниже, ближе к зоне нагрева, а оставшийся верхний обьем пусть займет тот же регенератор, то эффект может быть лучше. По мысли - "вкачиваем порцию горячего газа, толкаем поршень, охлаждаем, и выводим хол. газ через регенератор в менее нагреваемую зону, и по кругу". Поскольку носик лейки - та же твоя трубка - для проверки можно не менять конструктив сопряжения с радиатором, только продумать смещение входа в радиатор по высоте.

Магнитов в поршне может быть 3-4 (какую массу потянет), меньшей толщины и бОльшего диаметра, под бОльшую трубку (бывший шприц) - катушек больше соответственно магнитному пробегу, фазы с диодной развязкой, на один мостик, с конденсатором-накопителем на выходе и интегральным стабилизатором для нагрузки- диодов.

Admin_Игорь пишет:
Но вот если бы ещё удалось поршень заменить на мембрану, тогда конструкция была бы идеальна. Вот как здесь https://www.youtube.com/watch?v=OGba0q4kaXs&list=FLRcKdO0BI92MOPjCByNNbAA&index=20&feature=plpp_video , обсудить эту интересную конструкцию можно в этой теме https://stirlingengine.forum2x2.ru/t78-topic

Твоя конструкция по качеству относительных масса\габариты\мощность - не уступает.
Его 11 вольт на (газе!) выдают примерно тот же ток, и мощность на выходе - грубо около 20-30 вт электрических, 40-60 механических, 120-200 тепловых. Общий кпд скорее всего подрезан конструктивом.

Мембрана - да, лучшее решение (а ведь можно "почти" - сильфон).
Мембрана в мощной констркуции не даст расходовать рабочее тело (герметичный замкнутый цикл), и всего лишь меняет конструктив генератора.
Вот вспомнил тот чудесный твой генератор круглый, что у ветровиков "посоветован" - можно делать таким же, но линейным - двигать например несколько магнитов по сектору катушек с рычага, если задачка "не крутить маховик", а упрощать технологию и массогабариты.

Впрочем - увеличенная амплитуда мембраны-сильфона позволяет играть с диаметрами-мощностью магнитов. Можно мембрану нагружать на малоинерционный обтекаемый (плоский) рычаг для большей конструктивной свободы выбора диаметров магнитов\катушек.
А ведь мужику сейчас приходится тягать вертикально тяжелую железяку с переменным ускорением. :-)
Хоть железяка и помогает вытолкнуть холодный газ когда падает. Интересно, какой ресурс мембрана выдержит...
Лучше уж мембраной дергать маховик (возможно). В общем с его генератором "есть куда спорить".

Admin_Игорь пишет:
Надо сюда как то пристроить мембрану(металлическую), вот это был бы прогресс, я такого в интернете пока не видел, но все мои попытки(причем очень множественные и долгие) сделать это провалились . Возможно, мембрана в такого типа схеме и не будет работать, вот это я и хочу спросить у Вас как теоретиков

Думаю, приладить к этой модели пружину можно лишь очень слабую, так что в корне картина не изменится. Что-то более сильное скорее всего изменит распределение энергетики по составляющим гармоникам и установка работать не будит. Так часто бывает, если составляющая не одна. Если же регенератор будет гораздо короче волновода, то картина очень предсказуема. Система работает на одной гармонике и её частота, да и энергетика легко считается. То есть, чтобы гарантировано посчитать частоту и энергетику понадобится система с волноводом не менее 50 см. Тогда регенератор составит порядка 5 см, но нужно знать ещё его пористость и гидравлический радиус. Для включенного линейного генератора потребуется масса подвижной части, жёсткость подвески, площадь поршня, индуктивность катушки, её электрорезистивность, механическое сопротивление подвески и коэффициент электромеханической связм Bl. Кроме того желательно, чтобы поршень ходил в пределах линейной деформации диафрагмы (закон Гука). Нужны, естественно параметры газа в волноводе, количество подводимой теплоты. Конечно, много данных. Но ничего. За пару месяцев мы рассчитываем это с точностью около 10%, если данные точные.
А вот если нужно просто определиться в какую сторону двигаться, то быстро получить качественную картину можно методом электроакустических аналогий. Но нужны те же данные.

Мда, столько данных получить... Насколько это реально.

Gennadiy пишет:
Думаю, приладить к этой модели пружину можно лишь очень слабую, так что в корне картина не изменится.

Да, слабую, с большим межвитковым, лишь бы не изгибалась, диаметром с поршень, для калибровки по растяжению сжатию, что бы померять нагрузочный диапазон сил, и не срывала генерации (для расчета мембраны)

Gennadiy пишет:
Система работает на одной гармонике и её частота, да и энергетика легко считается.
То есть, чтобы гарантировано посчитать частоту и энергетику понадобится система с волноводом не менее 50 см.

А в чем узкое место привязки к размеру для расчета (я некоторые параметры не представляю как считать)?

Тогда регенератор составит порядка 5 см, но нужно знать ещё его пористость и гидравлический радиус.

А как пористость известного материала можно измерить? А как гидравлический радиус - прочитал "Для круглой трубы диаметром d T. p. R=d/4" ?

Gennadiy пишет:
Для включенного линейного генератора потребуется

масса подвижной части, - взвесить

жёсткость подвески, - там у него один гор. стержень

площадь поршня, - по диаметру

индуктивность катушки, - число витков, диаметр провода средний радиус (реактивное сопротивление? , впрочем там дважды электромагнитное торможение на двух катушках)

её электрорезистивность, - омы?,

механическое сопротивление подвески - потащить стержень динамометром?

и коэффициент электромеханической связм Bl.
- кстати - если частота известна, то можно нестирлингом погонять поршень с генератором - с обратной стороны.


Кроме того желательно, чтобы поршень ходил в пределах линейной деформации диафрагмы (закон Гука).

- ненагруженная амплитуда будет шире, частота изменится. Диафрагма должна перекрывать максимальный диапазон. Может быть ставить короткий широкий сильфон (параметры подобранной к модели пружины, но герметичной, разделяющей среды).

Нужны, естественно параметры газа в волноводе, - средние параметры воздуха в помещении, обьем в полостях, что еще??


количество подводимой теплоты.
- ее можно рассчитать из измерения температуры торца колбы вне пламени площадь нагрева и теплопроводности стекла, воздуха?

Gennadiy пишет:
Конечно, много данных. Но ничего. За пару месяцев мы рассчитываем это с точностью около 10%, если данные точные.

Ну, получить (снять) правильные параметры - сложно (для меня).
А в общем то нужен пример какой то расписаной лаб работы на тему для двоечников.

Геннадий, а реально построить компьютерную модель на основе действующей и задавать все эти параметры табличными константами и видеть процессы? Включая меняющуюся геометрию и материал конструктивных но фиксированных (типовых) узлов? Было бы супер - компьютерное проектирование выходных параметров и от них реконструкция физ. модели..... !!

Gennadiy пишет:
А вот если нужно просто определиться в какую сторону двигаться, то быстро получить качественную картину можно методом электроакустических аналогий. Но нужны те же данные.

Понятно, - в общем не легче.
Спасибо, - хоть буду представлять теоретическое направление расчета.
Может быть Игорь сможет померять всё это на действующей модели.

Да уж, замеров действительно много. Но если делать всё по серьёзному наверное так оно и должно быть, особенно если есть люди умеющие считать. Жаль я эту модель уже давно продал, поэтому с замерами параметров ничего пока не выйдет. В планах есть желание собрать вторую, побольше, идеальную, но не знаю когда появится на это всё время, сейчас столько всего навалилось

Привет всем! Недавно нашёл одну китайскую презентацию. В ней используется термоакустический двигатель Свифта на бегущей волне для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Конечно, ничего нового нет. Сравните китайскую систему

с двигателем Бакхауса и Свифта

Даже с первого взгляда видно, что все размеры совпадают. Подвесили они аппарат консольно, прямо за резонатор. Установка даёт 2 кВт электроэнергии с КПД 18%. Мне кажется, этот материал будет интересен прежде всего Согоконю, как специалисту по концентраторам. Думаю, с таким умельцем как Белецкий они запросто могут выиграть какой-нибудь гранд по альтернативной энергетике. А в России в этом направлении шансы очень малы. В своей статье "A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study" Свифт приводит почти все необходимые размеры. Вопрос только в линейных генераторах. Какие будут мнения?

нифига-се - 18% 2 квт.... не успеешь за этими китайцами.
Тут похоже с массогабаритами ничего не сделать.
кпд разве что....
Вообще - то что это реально - после термоак пробирки было понятно, однако ж - нетиражируемые др параметры

Спасибо, Геннадий, порадовал! Особенно мне понравились цепи на фотографиях, свидетельствующие о нехилом весе всей конструкции. И все это висит на 4-5 метровой высоте! Ну, китайцев много, они, как муравьи, могут и больший вес и на еще большую высоту забросить. А если и придавит кого-нибудь обрушившаяся конструкция, или ошпарит кипятком, то не велика потеря в масштабах великого Китая.

Я исповедую совершенно другую философию построения солнечной энергетической системы: двигатель Стирлинга, паровой котел, термоакустическая труба и любая другая, даже самая фантастическая хренотень, должны неподвижно и прочно стоять на земле, а солнечные лучи, как самая невесомая субстанция в мире, должны вместе с солнцем двигаться вокруг этой хренотени, и непрерывно и эффективно отдавать ей энергию. Поэтому в нашем исполнении все будет иначе.

А почему Вы решили, что в России шансы малы? Мне как раз из России заказали концентратор диаметром 2,2 метра.

КПД 18% это хорошо, а если еще и оставшиеся 82% тепла использовать на горячее водообеспечение, то это будет очень хорошо. Рассмотрим ситуацию с этим реальным концентратором 2,2 метра. Тепловая мощность его может быть 2,6-2,7 кВт. При КПД 18% получим примерно 460-480 Вт электричества, и около 2 кВт тепла. Гелиосистема фирмы http://sintsolar.com.ua/ на 200 литров воды (2 кВт) стоит 2440 у.е., а у фирмы http://www.star-energy.com.ua/paket001.html на 140 литров 1435 долларов. Берем среднее -1900 долларов. Стоимость 2-х фотоэлектрических панелей по 240 Вт равна 1051 доллару. Итого, грубо получаем 3000 долларов.
Если при мелкосерийном производстве стоимость концентратора довести до 700-800 долларов, а трекера до 400-500, то термоакустика должна стоить меньше 1700-1900 долларов. Это реально?

Sogokon'A пишет:
Я исповедую совершенно другую философию построения солнечной энергетической системы: двигатель Стирлинга, паровой котел, термоакустическая труба и любая другая, даже самая фантастическая хренотень, должны неподвижно и прочно стоять на земле, а солнечные лучи, как самая невесомая субстанция в мире, должны вместе с солнцем двигаться вокруг этой хренотени, и непрерывно и эффективно отдавать ей энергию. Поэтому в нашем исполнении все будет иначе.

КПД 18% это хорошо, а если еще и оставшиеся 82% тепла использовать на горячее водообеспечение, то это будет очень хорошо. Рассмотрим ситуацию с этим реальным концентратором 2,2 метра. Тепловая мощность его может быть 2,6-2,7 кВт. При КПД 18% получим примерно 460-480 Вт электричества, и около 2 кВт тепла. Гелиосистема фирмы http://sintsolar.com.ua/ на 200 литров воды (2 кВт) стоит 2440 у.е., а у фирмы http://www.star-energy.com.ua/paket001.html на 140 литров 1435 долларов. Берем среднее -1900 долларов. Стоимость 2-х фотоэлектрических панелей по 240 Вт равна 1051 доллару. Итого, грубо получаем 3000 долларов.
Если при мелкосерийном производстве стоимость концентратора довести до 700-800 долларов, а трекера до 400-500, то термоакустика должна стоить меньше 1700-1900 долларов. Это реально?

Привожу табличку ещё из одной презентации

Эта фирма - один из разработчиков ТАРов, поэтому всё, наверняка, приукрашено. Но даже с учётом этого цифры впечатляют. Поясню, что это за цифры. Это затраты на создание установки определённой мощности при серийном производстве. То есть 1 $ на Вт означает, что средняя стоимость установки в 100 Вт равна 100 $, в 1000 Вт - 1000 $ и т.д. ТАРы, конечно, продукты высоких технологий, размером с ЧИП, но для больших мощностей нужно и много дорогих материалов. Так что, думаю, серийное производство термоакустических генераторов будет не на много дороже. Что же касается габаритов, то это не проблема. Если делать модули ватт по 100-200, то системы выходят аккуратненькие, можно и пропорции резонатора сильно уменьшить, но ухудшится добротность и мы можем потерять в КПД процентов до 30. Правда, если удастся поднять температуру гродусов до 800 С, то мы можем поднять КПД где-то до 25% даже с уменьшенным резонатором.

пропорции резонатора сильно уменьшить, но ухудшится добротность

график длина-добротность наверное сложно прикинуть, - по наитию точку компромисса искать придется.

Таким образом, в переводе с дипломатического на повседневный язык, следует, что возможно сделать термоакустическое железо дешевле 1700-1900 долларов, и получить полкиловатта электричества. Габариты - это не самый критичный параметр. В конце-концов, резонатор можно закопать и в землю, например, под тротуарной дорожкой до калитки. Оставить только петлю обратной связи над поверхностью. Я думаю, что модули следует делать по полкиловатта под концентраторы 2,2-2,5 метра в диаметре. Ну а если КПД будет приличный, то и балконный вариант можно сделать ватт на 100-200. В этом случае концентратор будет иметь диаметр 0,85-1,2 метра. Детский размер. Может быть обойдемся своими силами, без спонсоров и грантов?

Уважаемые коллеги. Встречал ли кто-нибудь из вас, что из себя представляет оксфордская подвеска? Знаю только, что она на плоских пружинах с большой поперечной жёсткостью. Но чем обеспечивается ресурс электродинамических компрессоров на такой подвеске в 100 000 часов - понять не могу, если у отечественных аналогов он не превышает 15 000 часов. Да и КПД компрессоров на оксфордской подвеске доходит до 88%. Это выше чем у роторных электрических машин. В чём же здесь фишка?

Все приведенные двигатели работаю при сильном нагреве горячего теплообменника. На сколько возможно сделать дачный вариант, в котором теплообмен происходит от горячей воды 70-80 гр. цельсия на горячем теплообменнике и 3-4 гр. цельсия на холодном. Мне нужно добыть 200 Вт. электроэнергии и желательное КПД установки 15%???

Илья муромец пишет:Все приведенные двигатели работаю при сильном нагреве горячего теплообменника. На сколько возможно сделать дачный вариант, в котором теплообмен происходит от горячей воды 70-80 гр. цельсия на горячем теплообменнике и 3-4 гр. цельсия на холодном. Мне нужно добыть 200 Вт. электроэнергии и желательное КПД установки 15%???

очень сложно  . но можно. схема LTD Стирлинга. размер - большой. цилиндр типа 100л бочки. куча работы. нахрена?

Илья муромец пишет:Все приведенные двигатели работаю при сильном нагреве горячего теплообменника. На сколько возможно сделать дачный вариант, в котором теплообмен происходит от горячей воды 70-80 гр. цельсия на горячем теплообменнике и 3-4 гр. цельсия на холодном. Мне нужно добыть 200 Вт. электроэнергии и желательное КПД установки 15%???

К сожалению, это не возможно. Теоретический предел, который мы знаем из школьного курса физики, составляет формула Карно КПД=(Тг - Тх)/Тг = 60 / 300 = 20%. Это теоретически можно получить от температуры 80 С по Карно. На практике более 40% от цикла Карно получить не удастся. Более точный предел КПД тепловой машины даёт более строгая формула Ван дер Брока КПД=1 - sqrt(Tх / Tг). Что даёт предельное значение на этих температурах около 9%. Но и это в очень идеальном случае. Словом, овчинка выделки не стоит.