Термоакустический генератор своими руками
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 05.10.2024
Для решения проблем с электроснабжением, автономного электроснабжения, а также когда подключение к центральной сети не возможно либо не целесообразно предлагаем установить энергоблок с когенерацией электроэнергии и тепла. Энергоблок представляет из себя термоакустический двигатель Стирлинга с генератором электрической мощностью 1 кВт и тепловой мощностью 3,5 кВт. Преимуществом и главным отличием от других конфигураций является высокий ресурс - до 80 000 часов, т.е. примерно 10 лет.
Даже на этапе ОКР коэффициент преобразования энергии в 20% достаточно высок и соответствует КПД бензинового ДВС соизмеримой мощности. Общий КПД установки с учетом утилизируемого тепла 80%.
Применение таких машин , в качестве дополнительного устройства интегрированного в систему отопления и горячего водоснабжения дома позволит иметь автономный источник электроснабжения удовлетворяющий потребность в электроэнергии с себестоимостью 1 кВт/ч. ориентировочно 44 коп. (зависит от тарифа на газ).
Главным отличием от других решений является высокий ресурс, возможность работы в продолжительном режиме S1 более 5 лет без обслуживания и ТО! Это единственное за последнее время кардинально новое иновационное направление развития источников энергии в отличие от солнечных элементов, элементов Пельтье, ДВС, микротурбин и топливных элементов. Термоакустические устройства на основе бегущей волны достигают КПД 35%, 49% от цикла Карно.
В настоящее время схожую по концепции (когенерация тепла и электроэнергии) продукцию производят Vaillant – со свободнопоршневым Стирлингом и BAXI с топливным элементом. Наша разработка должна в разы – 80 000 часов вместо 30 000 часов, увеличить ресурс установки при схожем КПД.
Сфера использования - частные домовладения, "энерго-острова", автономное электроснабжение РЛС, удаленные сотовые станции и т.п. (в качестве "сменной батареи" можно использовать газовый баллон).
Рейтинг проекта +4
Верификация
Ваш аккаунт не верифицирован. Для верификации одним из возможных способов пройдите по ссылке.
Узнать, зачем нужно верифицировать свою учётную запись, вы можете в базе знаний.
Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.
Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно [1]. Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники [2]. К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа
Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.
Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.
Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.
Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.
В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).
Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга
На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.
Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.
Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.
В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).
Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.
Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1984 качественно описал это явление.
Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной
Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?
Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.
Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.
Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.
Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.
Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.
В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3].
Рисунок 6 – Схема импульсной турбины
Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:
Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины
Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.
Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.
Список использованных источников
ИЗБРАННОЕ:
Ещё одно применение термоакустики – термоакустические пары. Такая пара представляет собой два совмещённых устройства: термоакустический двигатель и термоакустический холодильник (Рис. 12).
Рисунок 12. Холодильник Хофлера.
В такой конфигурации термоакустический двигатель является компрессором для термоакустического холодильника. Преимущество такой системы в том, что она совсем не имеет подвижных механических частей и скользящих уплотнений, а значит технологичнее в изготовлении, дешевле и гораздо долговечнее механических систем.
Современные термоакустические устройства
За последние годы термоакустика шагнула вперёд, начав разработки во многих областях техники. Конечно далеко не все они доведены до серийного производства, но результаты уже есть.
Таблица 1. Основные отрасли перспективного применения термоакустики
В Лос-Аламосской Национальной Лаборатороии создана тепловая термоакустическая холодильная установка, способная сжижать природные газы в полевых условиях (Рис.13).
Рисунок 13. Термоакустическая установка для ожижения природного газа.
Эта установка представляет собой термоакустическую пару, которая в качестве энергии использует тепло сжигаемого газа. При этом на сжижение 3/4 газа сжигается 1/4 часть..
Криогенное охлаждение кроме того применяется для охлаждения электроники. Военно-морской флот США использует Бортовой Термоакустический Охладитель Электроники (SETAC) для охлаждения электрооборудования на борту одного из их эсминцев. Приложение, подобное этому, обнаруживаем в космической отрасли, где в 1992 на борту шатла “Дискавери” был запущен Космический Термоакустический Холодильник (STAR). Это было ответом на потребность в надёжном, компактном и долговечном космическом криогенном холодильнике для охлаждения датчиков на борту.
Разработчики космических систем так же проявляют интерес и к термоакустическим двигателям. Так термоакустический электрогенератор фирмы Northrop Grumman использовался на борту шатла в системе энергоснабжения (Рис. 14)
Рисунок 15. TAR в разрезе. Красным обозначена горячая поверхность, синим – холодная поверхность, жёлтым - теплоизолятор, голубым – акустический волновод, сиреневым - электродинамический узел.
В серийном производстве их изготовление будет очень дешёвым, и, сегодня рассматривается разработчиками, прежде всего, как альтернатива солнечным батареям.
Я очень коротко попытался ответить на основные категории вопросов, возникающих у вас в связи с термоакустикой. Конечно, охватить всю огромную тему в таком маленьком обзоре невозможно. Более того, многие вопросы можно снять, лишь прибегая к сложным формулам, которые мы в самом начале условились избегать. Если кому-то очень интересно, то ответы на большинство вопросов, подтверждённые расчётами и экспериментами, можно найти в англоязычных научных журналах и библиотеках патентов по запросам thermoacoustics, pulse tube и др. К сожалению русскоязычные публикации на эту тему в сети отсутствуют.
С уважением, Воротников Геннадий Викторович.
Задать вопрос Геннадию Викторовичу можно на нашем форуме, где я специально создал тему - термоакустика
Больше по этим движкам можно найти в интернете погуглив через поиск такие фразы:
От открытия до применения
Обратный термоакустический эффект - это преобразование энергии акустической волны в градиент температур, происходящее в пористой среде. В 1964 г. американцы Гиффорд и Лонгсворт подробно исследовали этот эффект, после чего успешно применили его для создания холодильника на основе стоячей звуковой волны, получившего название пульсационной трубы.
Тепловой насос
С коммерческой точки зрения среди всевозможных термоакустических устройств наиболее востребованны криогенные мини-холодильники. Практически все крупные производители криогенных систем перешли на пульсационные трубы, когда выяснили, что традиционный компрессор можно заменить на более долговечный электрический виброгенератор. Пульсационные трубы настолько надёжны, что работают в сложнейших условиях космоса по 10 лет и более.
Пульсационная труба устроена очень просто. Её часть с одного конца заполнена пенообразным легкопроницаемым материалом. Попадая в этот материал, колеблющийся газ сжимается и ускоряется в своём движении. И если в трубе поддерживается стоячая акустическая волна, с одной стороны пенообразной вставки всё время поддерживается область повышенного разрежения рабочего газа, а с другой - повышенного сжатия, откуда и возникает необходимая разница температур.
Поскольку пульсационные трубы не требуют смазки и позволяют обойтись без фреона, ущерб окружающей среде сводится к минимуму. Недаром акустическая технология охлаждения всё чаще привлекает внимание производителей бытовых холодильников и морозильных камер.
Двигатель
Примечательно, что создатели термоакустических двигателей идут двумя разными путями. Одни дорабатывают пульсационную трубу таким образом, чтобы она наиболее эффективно действовала в обратном режиме, то есть преобразовывала разницу температур в пульсации давления газа. Другие - отталкиваются от двигателей Стирлинга.
Исследования в последнем направлении ускорились благодаря буму в области возобновляемой энергии. Дело в том, что двигатель Стирлинга предусматривает внешний подвод тепла. А это очень удобно, если необходимо использовать солнечную, геотермальную энергию, органическое топливо с переменным химическим составом, а также сбросное тепло различных производственных предприятий.
В двигателе Стирлинга a-типа имеются холодный и горячий цилиндры (см. рис. 1). При вращении вала поршни перегоняют газ из одного цилиндра в другой, обеспечивая термодинамический цикл.
Работая над упрощением конструкции a-двигателя Стирлинга, исследователи обнаружили, что синфазные синусоидальные колебания давления и скорости газа в канале между цилиндрами практически не отличаются от колебаний давления и скорости газа в бегущей звуковой волне. И это наблюдение натолкнуло их на идею построить двигатель Стирлинга, который вообще не будет иметь поршней (см. рис. 2). И он заработал!
Шорох-стартёр
Звуковая волна в кольце возникает после того, как между теплообменниками появится достаточная разница температур. Система, обладающая положительной акустической обратной связью, усилит любой посторонний внешний звук, вернее - его спектральную составляющую, близкую к резонансной частоте кольцевой трубы. Громкость звука внутри двигателя будет увеличиваться до тех пор, пока нарастающие потери не уравновесят мощность теплового звукоусилителя.
Термоакустические двигатели устойчиво работают при разницах температур свыше 100 °C, обеспечивая КПД порядка 10%. Уменьшить требования к источнику тепла можно путём установки нескольких наборов теплообменников и регенераторов (см. рис. 3).
Для снятия мощности с термоакустического двигателя нужен какой-либо механический элемент, например, колеблющаяся мембрана, соединённая с линейным электрогенератором (в простейшем случае - динамик).
Интересное решение предложили в 2014 г. сотрудники исследовательской компании Aster Thermoacoustics (Нидерланды). Они разработали импульсную турбину, ротор которой всегда вращается в одном направлении, не зависящем от направления движения рабочего газа (см. рис. 4). Подобная турбина помогла увеличить амплитуду воздушных колебаний и преодолеть массогабаритные ограничения линейных генераторов, которые при мощности свыше 10 кВт становятся слишком громоздкими для практического применения.
Читайте также: