Четырехтактный термоакустический генератор. Просто гениальный.

Здесь отчет в PDF на английском, про очень интересный двигатель на термоакустике.
http://www.fact-foundation.com/en/Knowledge_and_Expertise/News/Recent_news/Final_report_on_thermoacoustic_generator
Если коротко, то выглядит так.
Чтобы ТА двигатель был эффективным, то есть имел разумную мощность при реальном размере, его PV диаграмма должна быть подобна кругу. У простых моделек она больше похожа на размазанную линию.
Чтобы получить круг на PV диаграмме нужно организовать бегущую волну в замкнутой петле звуковода, а не стоячую, как в пробирке.

Эта задача решается в этом двигателе увеличением числа теплообменников и резонаторов до четырех.
https://redcdn.net/ihimg/photo/my-images/215/st2s.jpg/
По моему гениально!
[img] [/img][img] [/img]
[img] [/img]

Эврика!
Эту четырехтактность можно использовать для прямого привода центробежного водяного насоса.
Раз есть четыре фазы и бегущая волна то можно заставить четыре мембраны, собранные в кружок, заставить пульсировать бегая по кругу. Эта круговая пульсация закрутит воду. Остается только организовать подвод и отвод воды?
Интересно кто нибудь что то подобное видел?
Какой КПД должен быть у такого насоса ? Если высокой то можно так организовать отбор мощности для обычного роторного генератора.
Прикольно будет если эти мембраны будут охлаждаемой поверхностью регенераторов!

sasha58 пишет:Здесь отчет в PDF на английском, про очень интересный двигатель на термоакустике.
http://www.fact-foundation.com/en/Knowledge_and_Expertise/News/Recent_news/Final_report_on_thermoacoustic_generator
Если коротко, то выглядит так.
Чтобы ТА двигатель был эффективным, то есть имел разумную мощность при реальном размере, его PV диаграмма должна быть подобна кругу. У простых моделек она больше похожа на размазанную линию.
Чтобы получить круг на PV диаграмме нужно организовать бегущую волну в замкнутой петле звуковода, а не стоячую, как в пробирке.

Эта задача решается в этом двигателе увеличением числа теплообменников и резонаторов до четырех.
https://redcdn.net/ihimg/photo/my-images/215/st2s.jpg/
По моему гениально!
[img] [/img][img] [/img]
[img] [/img]

Наконец, собрался с силами и прочитал указанную статью. Скажем прямо, статья общепопулярная и на научный отчёт не претендует, хотя и позиционируется как конечный рапорт. Достойна ли эта установка восторженных высказываний? Давайте начнём с эффективности. Цифр приводится очень мало, так что недостающие величины будем получать из аналогии.
На стр. 13 находим, что минимальная мощность горелки составляла 2 кВт, а перепад температур при этом 93 К. Максимальный перепад температур, который мы находим (стр. 10) составлял 190 К, а акустическая мощность при этом 80 Вт. Следует ожидать, что мощность горелки при этом была вдвое больше, но если "усваивается" её примерно половина, то получаем те же 2 кВт на входе в установку. Таким образом, коэффициент преобразования тепловой энергии в акустическую составляет 80/2000=4%. Тогда как у правильно спроектированного двигателя на основе бегущей волны с таким температурным перепадом он должен превышать 20%. Это я про ту "ялду", что вы видели у Свифта. На стр. 11 авторы определили, что коэффициент преобразования акустической энергии в электрическую должен составлять 31%. Таким образом, полный КПД установки составляет 0.04*0.31=1.24%. Реальный выход электрической энергии у альтернатора оказался в несколько раз ниже, чем ожидаемые 31%, ток что КПД меньше 1%.
Я недавно прочитал статью Бакхауса и его студентов. (Бакхаус - один из крупнейших "практикующих" термоакустиков, я сказал бы, входит в первую мировую десятку). Они сделали интересную работу. Это аналогичная установка стоимостью 30$. Это было главной целью. Сделать термоакустический генератор за 30$. Наверное, с кем-то поспорили. Так вот, взяли дешёвый вуферный динамик, теплообменники сделали из автомобильных радиаторов со свалки и. т.д. Ресурса, понятно никакого. Но получили полный КПД 1%, хотя тоже ниже расчётного значения. Но ведь всего за 30$!
Итак, что же хотели сделать авторы и в чём их ошибки?

Принципиальная схема выглядит примерно так. Автор справедливо отмечает, что если нагрузка будет только одна, например, лишь в точке 4, то это будет четырёхступенчатый двигатель. Акустическая энергия 1-й ступени поступает во вторую, где тоже усиливается, затем попадает в третью и т.д. И лишь после 4-Й ступени она попадёт на нагрузку. При этом импедансы каждой ступени конечно будут разными, как и отмечает автор. Правда при КПД каждого узла 25% четвёртая ступень уже не нужна, поскольку она несёт вклад уже лишь несколько процентов. Если же нагрузка располагается после каждой ступени, то это уже четыре равноправных одноступенчатых двигателя, но расположенных в одной петле, что конечно же снижает акустические потери в волноводе по сравнению с четырьмя отдельными петлями. Идея интересная. Но авторы тут же говорят, что у них лишь одна пара альтернаторов и проводят испытания своей схемы, как четырёхступенчатого двигателя. Я так и не понял этой фишки.
Почему же такая привлекательная схема с четырьмя двигателями в одном контуре ранее не использовалась? Можно ли в таком случае расположить 10 двигателей? Длина петли при частоте 100 Гц для воздуха с атмосферным давлением составит около 3м, а с гелием при давлении 30 Бар - все 10 м. Размеры позволяют. Дело в том, что получить бегущую волну в таких системах очень сложно. Для этого понадобятся ответвления с системами регулировки для каждого двигателя, что сильно усложнит систему. Но, наверное, это можно. Отсутствие датчиков на входе в регенераторный блок лишает нас возможности установить, а была ли в действительности бегущая волна. Авторов это как-то не заботит. Это первое замечание.
Второе, и это повергает в шок, это конструкция теплообменного узла. Каналы в регенераторе расположены перпендикулярно входящему и выходящему потоку, так что волна делает два резких разворота на 90%, что непременно порождает вихри на острых кромках и перемешивает все термические слои. Более того, вход и выход во много раз отличаются по площади от по площади рабочего сечения регенератора, что большая часть регенератора будет работать не как регенератор, а как область застоя, то есть как акустическая податливость, что сильно увеличит сдвиг фаз между скоростью и давлением и уведёт процесс от бегущей волны. Наконец огромное поперечное сечение регенератора приводит лишь к неоправданным утечкам из-за теплопроводности по корпусу и самому регенератору.
Третий недостаток - игнорирование акустических течений. Самое ущербное здесь - циркуляционное течение. Всякая волна, двигаясь по тракту, в той или иной мере затухает. При этом она передаёт импульс среде. Поэтому, газ в замкнутом канале тоже начинает циркулировать. При этом он переносит тепло с горячих теплообменников к холодным. Так Свифт в своё время показал, что первый такой двигатель, созданный Сиперли терял из-за такого течения 50% энергии. Чтобы этого не происходило, в таких двигателях теперь ставят супрессоры (подавители течения). Они представляют собой, обычно, струйные диоды.
Это вкратце всё. Если вы хотите познакомиться с серьёзными техническими решениями в этой области - смотрите американские патенты. Если хотите с этим ещё и разобраться - читайте научные статьи, но там немало математики.

патенты US 5996345, 6021643, 6032464, 6385972, 6658862, 6732515, 6910332
статьи: G.W. Swift: Thermoacoustic engines, 1988 г
Scott Backhaus, Greg Swift: A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study
D. L. Gardner, G. W. Swift: A cascade thermoacoustic engine
G. W. Swift, D. L. Gardner, S. Backhaus: Acoustic recovery of lost power in pulse tube refrigerators

Спасибо, Геннадий, за столь интересный, развернутый и профессиональный анализ. Вы только укрепили мою уверенность в продолжении начатых еще в прошлом году термоакустических экспериментов. Постараюсь в ближайшее время оформить результаты, и опубликую для обсуждения. А, может быть, Вы предложите или посоветуете именно ключевые эксперименты, доступные к выполнению на «оборудовании из свалки»? А еще лучше, давайте общими усилиями да сделаем что-нибудь, пусть даже с двумя процентами КПД. Что касается математики и других сложных теоретических вопросов, то милости просим в закрытую часть форума.

Геннадий, ваш комментарий гениален!
Комментировать такой комментарий - кощунство!
Ограничусь вопросами, как и подобает чайнику. Разъясните пожалуйста.
1. Принцип термоакустика с четырьмя ступенями мне представлялся замечательным тем, что по моему он легко должен запустится. Я исхожу из того, что сама схема обеспечивает бегущую волну и следовательно высокую эффективность. То есть такая конструкция будет допускать потери, недостатки и просчеты конструктора, в отличии от капризных пробирочных систем на стоячей волне, которые способны запустить только такие боги как Игорь.
На той картинке , что Вы привели выше вообще непонятно, где можно просчитаться, если, конечно, не читать Ваш комментарий. Так ли это? Или есть незамеченные мной трудности?
2. Другая привлекательная особенность, это как раз то, что Вы раскритиковали. А именно удобная система подвода тепла и охлаждения. Как раз для дровяной печки! Ту елду от Свифта совершенно нечем засунуть в печку. В связи с этим не могли бы Вы, приблизительно оценить потери вносимые двойным поворотом трубы у регенераторов. Очень не хочется отказываться от такого счастья, все таки генератор работает, может потери приемлемые?
3. Правильно ли я рассудил, что в четырех точках, где снимается выходная акустическая мощность, имеется сдвиг фаз 90 градусов между соседними точками? Это позволило бы запустить водяной насос на мембранах.

Буду признателен за Ваши комментарии.

sasha58 пишет:Геннадий, ваш комментарий гениален!
Комментировать такой комментарий - кощунство!
Ограничусь вопросами, как и подобает чайнику. Разъясните пожалуйста.
1. Принцип термоакустика с четырьмя ступенями мне представлялся замечательным тем, что по моему он легко должен запустится. Я исхожу из того, что сама схема обеспечивает бегущую волну и следовательно высокую эффективность. То есть такая конструкция будет допускать потери, недостатки и просчеты конструктора, в отличии от капризных пробирочных систем на стоячей волне, которые способны запустить только такие боги как Игорь.
На той картинке , что Вы привели выше вообще непонятно, где можно просчитаться, если, конечно, не читать Ваш комментарий. Так ли это? Или есть незамеченные мной трудности?
2. Другая привлекательная особенность, это как раз то, что Вы раскритиковали. А именно удобная система подвода тепла и охлаждения. Как раз для дровяной печки! Ту елду от Свифта совершенно нечем засунуть в печку. В связи с этим не могли бы Вы, приблизительно оценить потери вносимые двойным поворотом трубы у регенераторов. Очень не хочется отказываться от такого счастья, все таки генератор работает, может потери приемлемые?
3. Правильно ли я рассудил, что в четырех точках, где снимается выходная акустическая мощность, имеется сдвиг фаз 90 градусов между соседними точками? Это позволило бы запустить водяной насос на мембранах.

Буду признателен за Ваши комментарии.

Конечно, если все четыре составляющие этого двигателя равноправны друг относительно друга, то фазовый сдвиг между четырьмя соответствующими точками составит 90 градусов, так как расстояние между ними - четверть волны.
Что касается теплообменного узла - да, к правильно выполненному узлу трудно подводить и отводить тепло. А ещё труднее - подводить много тепла. Но никто никогда не нарушает линейной геометрии регенератора в таких системах. Есть конечно исключения, но они, действительно, вынужденные и не несут серьёзных нарушений конфигурации потока. В системах с подводом тепла свыше 3 МВт используют встроенные пульсационные камеры сгорания вместо горячего теплообменника. В системах с подводом от нескольких кВт и до МВт используют автоциркуляционные теплообменники. Это в поперечном направлении стыкуется ещё одна петля длиной в длину волны, а на расстоянии четверти волны от места каждого входа устанавливаются струйные диоды, направленные в одном направлении. так что пульсации в основном контуре пораждают стационарное течение в этой теплообменной петле. А её уже гнут и помещают в пламя. При этом на циркуляцию в таком теплообменнике тратится примерно 10% акустической мощности рабочей петли.
Потери при повороте течения лучше смотреть в справочнике Идельчика. Им пользуются все американцы. Это, конечно, стационарные тесения, но лучше ничего нет.

Геннадий, большое спасибо за ответы!
Очень признателен, но хочется еще! Можно?
1. Автоциркуляционные теплообменники это газовые с приводом через мембрану от главного двигателя?
2. Извините за наглость, какая конфигурация, по вашему, подойдет для дровяного водяного котла? Чтобы хватило на циркуляцию воды в системе отопления, ну а если еще и электроэнергию выдавть будет так вообще счастье.

sasha58 пишет:
...2. Извините за наглость, какая конфигурация, по вашему, подойдет для дровяного водяного котла? Чтобы хватило на циркуляцию воды в системе отопления, ну а если еще и электроэнергию выдавть будет так вообще счастье.

Вообще-то для циркуляции в домашней системе отопления достаточно лепесткового клапана перед развилкой на расширительный бачок и батареи.

sasha58 пишет:Геннадий, большое спасибо за ответы!
Очень признателен, но хочется еще! Можно?
1. Автоциркуляционные теплообменники это газовые с приводом через мембрану от главного двигателя?
2. Извините за наглость, какая конфигурация, по вашему, подойдет для дровяного водяного котла? Чтобы хватило на циркуляцию воды в системе отопления, ну а если еще и электроэнергию выдавть будет так вообще счастье.

Я. наверное, плохо объяснил про автоциркуляционный теплообменник. Он потому и автоциркуляционный, что не требует насоса, а приводится в действие автоколебаниями.

Здесь циркуляционное течение создаётся искусственно и работает на нас. Но не ждите больших скоростей, чудес не бывает. За всё в этом мире приходится платить. Все акустические течения относятся к течениям второго порядка. Поэтому правильнее назвать это дрейфом. Не могу сказать, что такая система мне внушает большое доверие, но у них работает.
Что касается касается второго вопроса, то я не совсем его понимаю. Если вернуться к той петле, что мы рассматривали в начале форума, то скорее всего она запустится при нагревании сама. Такие системы, если в петле нет большой резистивности, запускаются при определённом перепаде температур в регенераторе. Видимо про эту температуру авторы пишут "температура запуска". Я на днях смотрел установку, сделанную для "Газпрома". Что-то похожее на двигатель Свифта, но со второй петлёй в которой расположен термоакустический холодильник. Сварена из обычных ржавых труб, никакой внутренней доводки поверхности. Теплоперетоки по поверхности корпуса и по самому регенератору огромные (он из сплошных пластин). Словом, его слизали с китайской статьи, даже не разобравшись, что и как должно работать. Но несмотря на это, зараза, запускается сам. Вот вам преимущества волн, близких к бегущим. Но это не значит, что этот принцип можно использовать для циркуляции воды в системе отопления. Во-первых, потому, сто это дрейф, т.е. скорости малы. Во вторых, даже если система с новыми трубами запустится, то коррозия быстро доведёт гидросопротивление для неприемлемого.

Геннадий, я честно пытался все это понять несколько дней подряд, но к своему стыду так ничего ине полнял. Уезжаю на пару недель потом еще подумаю.
Я не понял где тут газ а где жидкость, и откуда пульсации в системе отопления?
Вот тут, казалось, понятно.
"В системах с подводом тепла свыше 3 МВт используют встроенные пульсационные камеры сгорания вместо горячего теплообменника. В системах с подводом от нескольких кВт и до МВт используют автоциркуляционные теплообменники. Это в поперечном направлении стыкуется ещё одна петля длиной в длину волны, а на расстоянии четверти волны от места каждого входа устанавливаются струйные диоды, направленные в одном направлении. так что пульсации в основном контуре пораждают стационарное течение в этой теплообменной петле. А её уже гнут и помещают в пламя. При этом на циркуляцию в таком теплообменнике тратится примерно 10% акустической мощности рабочей петли."
Я понял это так, что здесь теплоноситель газ, а пульсации от основной петли двигателя.
А после картинки все запуталось.

sasha58 пишет: А после картинки все запуталось.

Назрела острая необходимость в курсе молодого бойца