Экспериментальное исследование рабочего процесса термоакустического двигателя на бегущей волне

Евгений Александрович Зиновьев, Геннадий Викторович Воротников, Александр Александрович Харитонов, Владимир Васильевич Лысенков

Аннотация


Термоакустические двигатели представляют собой устройства с внешним подводом тепла, в которых осуществляется преобразование тепловой энергии в энергию акустических колебаний. К их основным преимуществам можно отнести высокую эффективность преобразования энергии (до 35 %), минимальное количество подвижных частей, высокую надежность, отсутствие контактных уплотнений и работу от разнообразных источников тепловой энергии (углеводородные топлива, тепловые выбросы, ядерные источники, солнечное излучение и т.д.). Основная цель данной работы заключается в разработке, изготовлении и проведении экспериментальных исследований термоакустического двигателя на бегущей волне с максимальной подводимой тепловой мощностью от электрического нагревательного элемента до 1000 Вт. Конструктивно термоакустический двигатель включает в себя инерционную трубу, три теплообменника, регенератор, термическую буферную трубу и акустический резонатор. В качестве рабочего тела в двигателе выступает гелий при среднем давлении от 1,0 до 3,0 МПа. Частота колебаний гелия на установившемся режиме работы двигателя составляет 96-98 Гц. Регенератор выполнен в виде пакета металлических сеток и является основным элементом двигателя, в котором осуществляется термоакустическое преобразование энергии.
В процессе экспериментальных исследований решались следующие задачи:
- определение оптимальных условия возбуждения акустических колебаний во внутреннем контуре термоакустического двигателя;
- определение минимальной температуры запуска термоакустического двигателя;
- определение зависимостей температуры запуска, частоты акустических колебаний и амплитуды акустического давления от подводимой тепловой мощности;
- определение внутреннего КПД термоакустического двигателя, который характеризует эффективность преобразования тепловой энергии в энергию акустических колебаний при максимальной подводимой тепловой мощности к рабочему телу.
В ходе проведения экспериментальных исследований определено оптимальное среднее давление гелия, при котором обеспечивается минимальная температура нагревателя, необходимая для запуска двигателя 436 К (163 °C). Максимальное значение генерируемой регенератором акустической мощности составило 90 Вт. При этом эффективность преобразования тепловой энергии в энергию акустических колебаний достигала 22,5 % при температуре нагревателя 317 °C. Также в ходе проведения испытаний удалось установить зависимости температуры запуска, частоты акустических колебаний и амплитуды акустического давления от подводимой тепловой мощности.
Описанный в данной работе тип двигателя может найти применение во многих практических приложениях.


Ключ. слова


Термоакустический двигатель; акустические колебания; бегущая волна; регенератор; термоакустический эффект

Полный текст:

PDF

Список литературы

[1] Стретт Дж. (Лорд Рэлей). Теория звука / Дж. Стретт (Лорд Рэлей) // М.: Гостехиздат. – 1944. – Т. 2. – 475 с.

[2] Rott N. Damped and thermally driven acoustic oscillations in wide and narrow tubes / N. Rott // Journal of Applied Mathematics and Physics. – 1969. – Vol. 20. – P. 230-243.

[3] Rott N. Thermally driven acoustic oscillations. Part II: Stability limit for helium / N. Rott // Journal of Applied Mathematics and Physics. – 1973. – Vol. 24. – P. 54-72.

[4] Rott N. The influence of heat conduction on acoustic streaming / N. Rott // Journal of Applied Mathematics and Physics. – 1974. – Vol. 25. – P. 417-421.

[5] Rott N. Thermally driven acoustic oscillations. Part III: Second-order heat flux / N. Rott // Journal of Applied Mathematics and Physics. – 1975. – Vol. 26. – P. 43-49.

[6] Rott N. Thermally driven acoustic oscillations. Part IV: Tubes with variable cross-section / N. Rott // Jounal of Applied Mathematics and Physics. – 1976. – Vol. 27. – P. 197-224.

[7] Zouzoulas G. Thermally driven acoustic oscillations. Part V: Gas-liquid oscillations / G. Zouzoulas // Jounal of Applied Mathematics and Physics. – 1976. – Vol. 27. – P. 325-334.

[8] Swift G. W. Thermoacoustics: A unifying perspective for some engines and refrigerators / G. W. Swift // Acoustical Society of America, New York. – 2017. – 326 p.


DOI: http://dx.doi.org/10.18287/2409-4579-2018-4-2-18-26

Ссылки

  • Ссылки не определены.


© 2014-2018 Самарский университет.
Свидетельство о регистрации СМИ, 12+