Термоакустика после Рэлея.
Качественное понимание Рэлея оказалось правильным, но описать этот процесс количественно никто не мог ещё очень долгое время.
Следующим шагом в развитии термоакустики стало появление термоакустических холодильников. Хотя мы посвятили этот обзор двигателям, отдавая дань истории, мы не можем немного ни затронуть эти устройства.
Термодинамическое явление, лежащее в основе термоакустики, обладает обратимостью. При нагревании газ расширяется, но если газ сжать - он нагреется. При охлаждении газ сжимается, но если объём газа резко увеличить – он охладится. Поэтому существует обратный термоакустический эффект. Мы сформулируем его так: «Если пропускать акустическую волну через короткий регенератор, то при определённом фазовом сдвиге между скоростью и давлением волны на концах регенератора будет создаваться перепад температур.» Звучит запутанно, но проще я выразиться не смог.

Итак, эра термоакустических холодильников началась в 1964 со случайного открытия Гиффорда и Ландсворта. В итоге появился холодильник на основе пульсационной трубы (или просто пульсационная труба) Рис 7.

Рисунок 7.   Холодильник на основе пульсационной трубы со стоячей волной: а) с регенератором, расположенным со стороны источника колебаний; б) с регенератором, расположенным со стороны закрытого конца. в) Распределение давления (розовый пунктир) и скорости (зелёная линия) в стоячей волне в один из моментов времени.

Это полуволновой резонатор со стоячей волной. Авторам удалось достичь на нём температуры в 150 К, но устройство оставалось крайне неэффективным в сравнении с существующими холодильными установками. В 1983 г советский термодинамик Микулин Е.Л. применил на таком устройстве согласующий жиклёр, что резко повысило эффективность установки и позволило впервые достичь температуры в 111 К. Так появился принципиально новый тип криогенной установки – холодильник на основе пульсационной трубы с жиклёром (ХПТЖ). В качестве регулируемого жиклёра обычно используют вентиль.
Вплоть до этих пор термодинамики двигались своим путём, не рассматривая явления, протекающие в пульсационных трубах, как акустические. Пульсационные трубы рассматривались, как частный случай свободнопоршневого стирлинга (Рис. 8).

Рисунок 8.   Сравнительная принципиальная схема свободнопоршневого холодильника стирлинга и ХПТЖ. а) Свободнопоршневой стирлинг.  б) ХПТЖ. в) Распределение средней температуры по длине ХПТЖ.

Действительно, внешняя принципиальная разница в этих установках в том, что поршень вытеснителя заменён на газовый поршень и добавлен согласующий жиклёр. Думаю, что это и послужило основной причиной, чтобы назвать эти машины стирлингами. Хотя в печати часто встречаю ссылки, что тот-то или тот-то доказал в своей работе, что это машина Стирлинга, но когда начинаю читать упомянутую статью, оказывается, что просто показан полезный термодинамический цикл и не более того.

В эту же пору широко исследуются двигатели на основе стоячей волны (Рис.9).

Рисунок 9.   а) Двигатель на основе стоячей волны. б) Распределение давления (розовый пунктир) и скорости (зелёная линия) в стоячей волне в один из моментов времени. Голубым выделена область, соответствующая пробирке в двигателе Лемана.

Пульсационная труба в них - это четвертьволновой резонатор. Я привёл этот двигатель ещё и потому, что небольшая часть диаграммы на Рис. 9 соответствует распределению давлению и скорости в пробирке у двигателя Лемана. Поэтому двигатель Лемана скорее относится к системам на основе стоячей волны.Новое семейство термоакустических устройств зародилось в 1979 г. с тороидального двигателя Сиперли (Рис. 10).

Рисунок 10. Тороидальный двигатель Сиперли на основе бегущей волны

В своей статье он показал, что термоакустические системы на основе бегущей волны гораздо эффективнее, чем системы на основе стоячей волны. Однако тороидальная конструкция имела общую протяжённость, равную длине волны (более 10 м), и огромные потери вследствие трения и различных вредных течений, которые тогда трудно было учесть. В конце 90-х годов Бакхаус и Свифт сумели преодолеть эти проблемы, построив двигатель на основе бегущей волны (Рис.11)), который сочетает тороидальную геометрию с резонатором Гельмгольца. КПД такой установки на оптимальных режимах составил 30%.

Рисунок 11. Термоакустический двигатель TASHE конструкции Бакхауса и Свифта.

Свифт был первым, кто дал всесторонний анализ термоакустических устройств, основываясь на работах Ротта, и разработал практические методики и рекомендации для проектирования таких систем.
Сегодня превосходство систем на основе бегущей волны над другими термоакустическими системами не вызывает сомнений. И всё же любой акустик скажет вам, что организовать бегущую волну в небольшом замкнутом контуре невозможно. Нам этого и не нужно. Достаточно, чтобы в регенераторе сдвиг фаз между скоростью и давлением в волне был равен нулю, как в бегущей волне. Однако и это оказывается непросто. Ведь поры регенератора – это множество маленьких упругостей, которые вносят свой вклад в изменение мнимой части комплексного сопротивления акустической волне. Поэтому, проходя сквозь регенератор, фаза между скоростью и давлением в акустической волне непрерывно меняется ( в реальных TASHE изменение этого угла на входе и выходе – около 30°). Поэтому систему с чистой бегущей волной создать не удаётся. Мы строим системы на основе бегущей волны, подразумевая, что фазирование в них близко к фазированию в бегущей волне.
Так чем же в энергетическом плане отличаются системы на основе бегущей волны и системы на основе стоячей волны? Из курса термодинамики мы знаем, что если изобразить термодинамический цикл системы в P-V-координатах, то площадь фигуры, ограниченной кривыми – это полезная работа цикла. Чистая стоячая волна – это адиабатическая система. Она не способна совершать работы (Рис. 5б). Но как только порция газа в такой волне участвует в теплообмене, она перестаёт быть адиабатной, а значит, волна уже не является стоячей (Рис. 6б). Чем ближе сдвиг фаз между скоростью и давлением в волне к 90°, тем ближе волна к стоячей, и тем меньше полезная работа, производимая порцией газа за цикл. И наоборот, чем ближе сдвиг фаз между скоростью и давлением в волне к 0° , тем ближе волна к бегущей, и тем более округлый овал на P-V – диаграмме.
Когда мы говорим о двигателях на основе стоячей волны, мы подразумеваем, что фазирование в них близко к фазированию в стоячей волне. И теперь мы знаем, что эффективность таких устройств мала.

СМОТРИ МОИ ВИДЕОУРОКИ на YouTube

Оказать финансовую помощь моим разработкам и сайту