Электрогенератор на базе термоакустического двигателя

Электрогенератор на базе термоакустического двигателя

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 14. Термоакустический электрогенератор на основе тороидального двигателя.

Это направление осваивают и производители бытовой техники. В настоящее время завершается экспериментальная отработка по проекту SCORE (Печь для приготовления пищи, охлаждения продуктов и получения электроэнергии). Это международная исследовательская программа под руководством Ноттингемского университета. Её цель – довести до совершенства термоакустическую систему, работающую на биомассе, которая будет доступна по цене, безопасна и будет представлять собой достойную замену традиционным энергоносителям, необходимым в странах третьего мира. Печь SCORE будет функционировать как многостороннее домашнее устройство, а именно, печь для приготовления пищи, холодильник и электрический генератор – всё в одном. Работы по созданию аналогичных установок сегодня ведутся в США и Канаде. Заявленные КПД энергопреобразования таких систем в среднем составляют 15%, но ресурс эксплуатации огромен.

Особые надежды на термоакустику питает альтернативная энергетика. Ведь ежедневно миллионы джоулей тепловой энергии выбрасываются человечеством и в буквальном и в переносном смысле в трубу в виде выхлопов автомобилей и печных труб, тепловых сбросов заводов и электростанций. А ведь ещё есть солнечная энергия! Универсальные термоакустические устройства (MEMS TARы), выполненные в виде «таблеток» по технологии компьютерных ЧИПов (Рис. 15) можно будет собирать в батареи и наклеивать на горячие поверхности для получения электроэнергии.

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:

Lamina Flow Engine

thermoacoustic Stirling engine

дерзайте и вас накроет желание собрать нечто подобное.

Зачем нужен термоакустический генератор?

Рис. 1 Предполагаемый внешний вид домашнего термоакустического газового генератора

В одной из предыдущих статей я рассказывал о том, что занимаюсь разработкой термоакустического генератора: «Создание и первый запуск термоакустического двигателя с бегущей волной». В этой статье я хочу рассказать подробнее о возможных применениях данного генератора и о том, как его встроить в существующую энергосистему.

Один из мировых трендов в последнее время – это децентрализация. Всё большее число людей хотят быть максимально независимыми от крупных организаций. Это проявляется, например, в виде желания иметь собственную микро фабрику в виде 3D принтера, в виде желания самому выпускать собственные деньги, такие как криптовалюты, или в виде желания иметь своё собственное средство массовой информации, в виде канала на ютубе. Энергетика тоже уже давно взяла курс на децентрализацию. Всё большее число людей хотят иметь свой собственный источник электрической и тепловой энергии.

Рис. 2. Иллюстрация децентрализации энергетики в Дании на основе распределенной когенерации. Источник: Danish Energy Agency

К примеру, в Дании очень активно идет децентрализация энергетики (рис. 2).

Какие плюсы у децентрализации энергетики?

Помимо увеличения самостоятельности, независимости каждого отдельного человека при децентрализации, преимущества заключаются в том, что:

— Микро-ТЭЦ находиться всегда гораздо ближе к потребителю, чем крупная ТЭЦ. Таким образом, практически исчезают потери электрической и тепловой энергии, при передаче по проводам и теплотрассам соответственно.

Рис. 3. Микро-ТЭЦ Senertec Dachs F5.5 на двигателе внутреннего сгорания, мощностью 5.5 кВт

— Появляется возможность строительства домов и предприятий в тех местах, куда было слишком дорого либо вообще невозможно подвести энергию. Например, вам понравилось какое либо место красотой пейзажа, но подвести электроэнергию туда не возможно. В таком случае, единственным способом питания дома энергией, является генерация электрической и тепловой энергии на месте, то есть в самом доме.

Рис. 4. Частный дом на удалении от цивилизации

— Распределённая генерация энергии увеличивает устойчивость энергетической системы к различным авариям и катастрофам. В случае катастрофы на крупной ТЭЦ, при децентрализованной генерации, снижается количество людей, отрезанных от энергоснабжения.

Рис. 5. Катастрофа на электростанции Фукусима

— Распределённая генерация обладает большой гибкостью и адаптивностью при резких, неравномерных по территории изменениях в потреблении энергии. Благодаря децентрализации становиться возможным объединение множества источников энергии в единую интеллектуальную сеть под названием Micro Grid, которая выравнивает и оптимизирует выработку и потребление энергии.

Рис. 6. Схематичное изображение Micro Grid – интеллектуальной энергетической сети, оптимизирующей выработку и потребление энергии

— В странах, в которых законодательно разрешено продавать излишки вырабатываемой электроэнергии в общую сеть, с помощью микро ТЭЦ можно заработать деньги. Наиболее распространён такой тип заработка на данный момент в солнечных районах, в которых, закрепив на крышу своего дома солнечные панели, можно за несколько лет продажи электроэнергии вернуть стоимость панелей и затем уже получать с них прибыль.

Рис. 7. Солнечная электростанция на крыше дома

— Затем, перспективность микро ТЭЦ заключается в том, что когда ресурс существующих крупных электростанций подходит к концу, то появляется дилемма: строить новую крупную электростанцию или множество небольших? Последнее время выбор всё чаще останавливается на создании сети из средних, мини и микро ТЭЦ, взамен вышедшей из строя крупной.

Ограничения при децентрализации энергетики

У децентрализации энергетики много преимуществ. В тоже время нельзя сказать, что нужно обязательно стремиться к случаю максимально возможной децентрализации. То есть к случаю, когда в каждом частном, в каждом многоэтажном доме, на каждом предприятии и в каждом здании установлена своя собственная тепловая электростанция. В местах плотного скопления потребителей энергии крупная ТЭЦ будет опережать группу из микро-ТЭЦ благодаря более низкой стоимости выработки энергии, связанной с более оптимизированными процессами обслуживания, меньшей сложностью и материалоёмкостью.

Рис. 8. Северо-Западная ТЭЦ

Однако существуют места, с низкой плотностью скопления потребителей и места в которых строительство крупных ТЭЦ либо невозможно, либо необоснованно. Именно в таких местах микро-ТЭЦ постепенно занимают рынок и вытесняют крупные ТЭЦ. Наряду с микро-ТЭЦ так же существуют и альтернативные источники энергии, такие как солнечные и ветряные электростанции, которые также ориентированы на не плотно заселённые и труднодоступные районы планеты, однако они не работоспособны в местах с низкой солнечной активностью и при отсутствии необходимого количества ветряной энергии.

Таким образом, можно сказать, что децентрализация выработки энергии при помощи микро-ТЭЦ наиболее перспективна в не густонаселённых районах с относительно низкой солнечной активностью и с относительно небольшой силой ветра или нестабильным ветром.

Зона, оптимальная для использования микро-ТЭЦ в России

Рис. 9. Карта выработки энергии в России

Так каковы же размеры оптимальной для использования микро-ТЭЦ территории и сколько на ней проживает людей? Для примера возьмём Россию. В зоне неохваченной централизованным электроснабжением (на 2018 год) находиться около 13 % населения, то есть 19,1 млн. человек. Только треть территории страны охвачена централизованным электроснабжением.

Рис. 10. Карта солнечной инсоляции на территории России

Рис. 11. Карта ветровой активности на территории России

Если посмотреть на карты солнечной активности и ветровой энергии, то можно увидеть, что большинство пользователей европейской части России, не подключённых к централизованному энергоснабжению, находятся в зоне с низкой солнечной и ветровой активностью. Таким образом, они находятся в зоне оптимальной для микро-ТЭЦ.

На данный момент в подавляющем большинстве случаев в данном регионе используются микро-ТЭЦ на основе двигателей внутреннего сгорания, либо связка генератор на двигателе внутреннего сгорания и отопительный котёл.

Рис. 12. Мини-ТЭЦ на сжиженном и природном газе в г. Клин, Московская область

Также получили распространение в России микротурбинные газогенераторные установки фирмы Capstone.

Рис. 13. микрогенераторы Capstone

Какие имеются проблемы у существующих на данный момент микро – ТЭЦ?

Основные проблемы существующих активно эксплуатируемых микро-ТЭЦ – это:

  • маленький интервал между техническим обслуживанием, низкая надёжность.

Рис. 14. Ремонт дизельного генератора

Дизельные и газотурбинные генераторы требуют обслуживания в лучшем случае раз в год. Это увеличивает стоимость выработки электроэнергии, создаёт лишнюю организационную работу владельцам такой установки, а во время проведения обслуживания установку естественно приходится останавливать на определённое время, что создаёт проблемы потребителям.

— У дизельных и газотурбинных установок отсутствует возможность использовать все виды горючих топлив (жидкое, газообразное, твёрдое горючее), а также отсутствует возможность использовать альтернативные источники тепловой энергии (солнечная, геотермальная, бросовое тепло).


Рис. 15. Возможные виды тепловой энергии для микро ТЭЦ. Слева на право: бросовое тепло предприятия, геотермальная энергия, солнечная энергия, энергия горючих топлив

Далеко не у всех потребителей оптимальный источник тепловой энергии для микро-ТЭЦ – это дизельное топливо или природный газ. Бывает гораздо дешевле использовать другие источники тепловой энергии. Например на предприятии, на котором тепловая энергия сбрасывается в атмосферу, можно спасать часть этой энергии, вырабатывая с её помощью электроэнергию на микро-ТЭЦ. Либо в районах с геотермальными источниками (например, Камчатский край) использовать тепловую энергию недр земли. В районах с высокой солнечной активностью можно использовать для нагрева солнечную энергию или совместно солнечную энергию и энергию сжигаемого горючего топлива.

Таким образом, использование дизельными и газотурбинными генераторами только горючих топлив, является их явным недостатком.

— Высокая начальная цена микро-ТЭЦ. Из-за высокой цены многие люди отказываются от приобретения установки, так как хоть использование установки и становиться через несколько лет дешевле, чем подключение к электросети, но осилить сразу же цену микро-ТЭЦ люди не в состоянии.

Первые две выше обозначенные проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и всеядностью решают установки, построенные на основе двигателей Стирлинга.

Рис. 16. микро-ТЭЦ Viessmann Vitotwin 300-W

Ещё одно решение первых двух проблем, это установки на основе паровых микротурбин, то есть установки, работающие по циклу Ренкина.

Как пример такой установки, разработанный в России, можно привести микроэнергетический комплекс на базе влажно-паровой микротурбины, созданный научно-производственным предприятием «Донские технологии»

Рис. 17. МЭК «Донские технологии» электрической мощностью 5 кВт

Не смотря на все преимущества данных установок по сравнению с установками на двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных двигателях, они пока не обрели большой популярности из-за более высокой начальной стоимости, сложности ремонта или внепланового обслуживания (отсутствия квалифицированных работников, способных произвести внеплановый ремонт) и по причине долгого привыкания людей к новой технологии.

Так же как установки на двигателе Стирлинга и на паротурбинном цикле решают проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и отсутствием всеядности при выборе топлива, термоакустический генератор аналогично решает эти проблемы. Соответственно, для того чтобы занять место на рынке, термоакустическому генератору необходимо иметь начальную стоимость ниже, чем у данных установок, а желательно и ниже чем у дизельных и газотурбинных. Рассмотрим, за счёт чего в термоакустическом генераторе решаются проблемы с тех. обслуживанием и всеядностью, и можно ли решить проблему с высокой начальной ценой.

Читайте также:  Преобразователь 220 вольт от аккумулятора на 3,7 В

Напомню, для тех, кто не читал предыдущие статьи «1 статья»,«2 статья», что разрабатываемый мной термоакустический двигатель схематично выглядит примерно так:

Рис. 18. Схема четырёхступенчатого двигателя с бегущей волной

Система, состоящая из резонатора и теплообменников, генерирует под воздействием тепловой энергии энергию акустическую. То есть при наличии определённой разности температур между теплообменниками, в резонаторе возникает бегущая акустическая волна.

У термоакустического двигателя в таком виде крайне высокий ресурс, так как он не содержит никаких движущихся частей. Но для выработки электроэнергии нужны дополнительно турбогенераторы, которые должны преобразовывать акустическую энергию сначала в механическую энергию вращения ротора турбогенераторов, а затем и в электроэнергию. Таким образом, ожидается, что максимальный интервал между тех. обслуживанием в этой части будет ограничен необходимостью обслуживать турбогенераторы и в последнюю очередь сам двигатель.

То есть получается с одной стороны всё как у паротурбинной установки. Однако турбогенератор в термоакустическом двигателе работает при гораздо меньших температурах (около 40 градусов по Цельсию), чем в паротурбинном цикле, где температура турбины достигает более 200 градусов. При этом в термоакустическом двигателе турбина находится в среде инертного газа – гелия, либо аргона, в отличие от паровой турбины, которая изнашивается под ударами капель, содержащихся в паре. Таким образом, можно ожидать повышение ресурса турбогенератора в термоакустическом двигателе по сравнению с паровым турбогенератором.

Термоакустический двигатель может использовать почти любой источник тепловой энергии, так как является двигателем с внешним подводом тепла, так же как и двигатель Стирлинга. При этом имеет очень низкую разность температур между горячим и холодным теплообменниками, необходимую для старта двигателя (самое низкое значение разности температур, встречавшееся мне в литературе, составляет 17 градусов). Поэтому очевидно, что данный двигатель решает проблему с использованием различных видов тепловой энергии.

Посмотрим, за счёт чего термоакустический генератор может быть дешевле, чем генератор на двигателе Стирлинга и чем паротурбинный.

  • Во первых благодаря использованию стандартных труб в качестве корпуса резонатора. В отличие от двигателя Стирлинга, корпус термоакустического двигателя не должен иметь высокую точность изготовления. Сгодятся обычные стальные трубы без токарной обработки.
  • Затем, по сравнению со свободнопоршневым двигателем Стирлинга, термоакустический генератор имеет не линейный, а вращающийся генератор, что уменьшает его материалоёмкость, а, следовательно, и стоимость.
  • Ну и наконец, турбогенератор, так как работает практически при комнатной температуре, то может использовать в своём составе детали из пластика, что снижает стоимость его изготовления.

Таким образом, доведённый до коммерческого образца термоакустический генератор должен занять свою нишу на рынке микро-ТЭЦ.

Зачем нужен термоакустический генератор?

ассмотрим возможные сферы применения термоакустического генератора и как его можно внедрить в существующую энергосистему.

Рис. 1 Предполагаемый внешний вид домашнего термоакустического газового генератора

Один из мировых трендов в последнее время – это децентрализация. Всё большее число людей хотят быть максимально независимыми от крупных организаций. Это проявляется, например, в виде желания иметь собственную микро фабрику в виде 3D принтера, в виде желания самому выпускать собственные деньги, такие как криптовалюты, или в виде желания иметь своё собственное средство массовой информации, в виде канала на ютубе.

Применение термоакустического генератора

Какие плюсы у децентрализации энергетики?

Ограничения при децентрализации энергетики

Какие имеются проблемы у существующих на данный момент микро – ТЭЦ?

Энергетика тоже уже давно взяла курс на децентрализацию. Всё большее число людей хотят иметь свой собственный источник электрической и тепловой энергии.

Рис. 2. Иллюстрация децентрализации энергетики в Дании на основе распределенной когенерации.

К примеру, в Дании очень активно идет децентрализация энергетики (рис. 2).

Какие плюсы у децентрализации энергетики?

Помимо увеличения самостоятельности, независимости каждого отдельного человека при децентрализации, преимущества заключаются в том, что:

— Микро-ТЭЦ находиться всегда гораздо ближе к потребителю, чем крупная ТЭЦ. Таким образом, практически исчезают потери электрической и тепловой энергии, при передаче по проводам и теплотрассам соответственно.

Рис. 3. Микро-ТЭЦ Senertec Dachs F5.5 на двигателе внутреннего сгорания, мощностью 5.5 кВт

— Появляется возможность строительства домов и предприятий в тех местах, куда было слишком дорого либо вообще невозможно подвести энергию. Например, вам понравилось какое либо место красотой пейзажа, но подвести электроэнергию туда не возможно. В таком случае, единственным способом питания дома энергией, является генерация электрической и тепловой энергии на месте, то есть в самом доме.

Рис. 4. Частный дом на удалении от цивилизации

— Распределённая генерация энергии увеличивает устойчивость энергетической системы к различным авариям и катастрофам. В случае катастрофы на крупной ТЭЦ, при децентрализованной генерации, снижается количество людей, отрезанных от энергоснабжения.

Рис. 5. Катастрофа на электростанции Фукусима

— Распределённая генерация обладает большой гибкостью и адаптивностью при резких, неравномерных по территории изменениях в потреблении энергии. Благодаря децентрализации становиться возможным объединение множества источников энергии в единую интеллектуальную сеть под названием Micro Grid, которая выравнивает и оптимизирует выработку и потребление энергии.

Рис. 6. Схематичное изображение Micro Grid – интеллектуальной энергетической сети, оптимизирующей выработку и потребление энергии

— В странах, в которых законодательно разрешено продавать излишки вырабатываемой электроэнергии в общую сеть, с помощью микро ТЭЦ можно заработать деньги. Наиболее распространён такой тип заработка на данный момент в солнечных районах, в которых, закрепив на крышу своего дома солнечные панели, можно за несколько лет продажи электроэнергии вернуть стоимость панелей и затем уже получать с них прибыль.

Рис. 7. Солнечная электростанция на крыше дома

— Затем, перспективность микро ТЭЦ заключается в том, что когда ресурс существующих крупных электростанций подходит к концу, то появляется дилемма: строить новую крупную электростанцию или множество небольших? Последнее время выбор всё чаще останавливается на создании сети из средних, мини и микро ТЭЦ, взамен вышедшей из строя крупной.

Ограничения при децентрализации энергетики

У децентрализации энергетики много преимуществ. В тоже время нельзя сказать, что нужно обязательно стремиться к случаю максимально возможной децентрализации. То есть к случаю, когда в каждом частном, в каждом многоэтажном доме, на каждом предприятии и в каждом здании установлена своя собственная тепловая электростанция.

В местах плотного скопления потребителей энергии крупная ТЭЦ будет опережать группу из микро-ТЭЦ благодаря более низкой стоимости выработки энергии, связанной с более оптимизированными процессами обслуживания, меньшей сложностью и материалоёмкостью.

Рис. 8. Северо-Западная ТЭЦ

Однако существуют места, с низкой плотностью скопления потребителей и места в которых строительство крупных ТЭЦ либо невозможно, либо необоснованно. Именно в таких местах микро-ТЭЦ постепенно занимают рынок и вытесняют крупные ТЭЦ.

Наряду с микро-ТЭЦ так же существуют и альтернативные источники энергии, такие как солнечные и ветряные электростанции, которые также ориентированы на не плотно заселённые и труднодоступные районы планеты, однако они не работоспособны в местах с низкой солнечной активностью и при отсутствии необходимого количества ветряной энергии.

Таким образом, можно сказать, что децентрализация выработки энергии при помощи микро-ТЭЦ наиболее перспективна в не густонаселённых районах с относительно низкой солнечной активностью и с относительно небольшой силой ветра или нестабильным ветром.

Зона, оптимальная для использования микро-ТЭЦ в России

Рис. 9. Карта выработки энергии в России

Так каковы же размеры оптимальной для использования микро-ТЭЦ территории и сколько на ней проживает людей? Для примера возьмём Россию. В зоне неохваченной централизованным электроснабжением (на 2018 год) находиться около 13 % населения, то есть 19,1 млн. человек. Только треть территории страны охвачена централизованным электроснабжением.

Рис. 10. Карта солнечной инсоляции на территории России

Рис. 11. Карта ветровой активности на территории России

Если посмотреть на карты солнечной активности и ветровой энергии, то можно увидеть, что большинство пользователей европейской части России, не подключённых к централизованному энергоснабжению, находятся в зоне с низкой солнечной и ветровой активностью. Таким образом, они находятся в зоне оптимальной для микро-ТЭЦ.

На данный момент в подавляющем большинстве случаев в данном регионе используются микро-ТЭЦ на основе двигателей внутреннего сгорания, либо связка генератор на двигателе внутреннего сгорания и отопительный котёл.

Рис. 12. Мини-ТЭЦ на сжиженном и природном газе в г. Клин, Московская область

Также получили распространение в России микротурбинные газогенераторные установки фирмы Capstone.

Рис. 13. микрогенераторы Capstone

Какие имеются проблемы у существующих на данный момент микро – ТЭЦ?

Основные проблемы существующих активно эксплуатируемых микро-ТЭЦ – это:

маленький интервал между техническим обслуживанием, низкая надёжность.

Рис. 14. Ремонт дизельного генератора

Дизельные и газотурбинные генераторы требуют обслуживания в лучшем случае раз в год. Это увеличивает стоимость выработки электроэнергии, создаёт лишнюю организационную работу владельцам такой установки, а во время проведения обслуживания установку естественно приходится останавливать на определённое время, что создаёт проблемы потребителям.

— У дизельных и газотурбинных установок отсутствует возможность использовать все виды горючих топлив (жидкое, газообразное, твёрдое горючее), а также отсутствует возможность использовать альтернативные источники тепловой энергии (солнечная, геотермальная, бросовое тепло).

Далеко не у всех потребителей оптимальный источник тепловой энергии для микро-ТЭЦ – это дизельное топливо или природный газ. Бывает гораздо дешевле использовать другие источники тепловой энергии.

Например на предприятии, на котором тепловая энергия сбрасывается в атмосферу, можно спасать часть этой энергии, вырабатывая с её помощью электроэнергию на микро-ТЭЦ. Либо в районах с геотермальными источниками (например, Камчатский край) использовать тепловую энергию недр земли.

В районах с высокой солнечной активностью можно использовать для нагрева солнечную энергию или совместно солнечную энергию и энергию сжигаемого горючего топлива.

Таким образом, использование дизельными и газотурбинными генераторами только горючих топлив, является их явным недостатком.

— Высокая начальная цена микро-ТЭЦ. Из-за высокой цены многие люди отказываются от приобретения установки, так как хоть использование установки и становиться через несколько лет дешевле, чем подключение к электросети, но осилить сразу же цену микро-ТЭЦ люди не в состоянии.

Решение проблем

Первые две выше обозначенные проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и всеядностью решают установки, построенные на основе двигателей Стирлинга.

Рис. 15. микро-ТЭЦ Viessmann Vitotwin 300-W

Ещё одно решение первых двух проблем, это установки на основе паровых микротурбин, то есть установки, работающие по циклу Ренкина.

Как пример такой установки, разработанный в России, можно привести микроэнергетический комплекс на базе влажно-паровой микротурбины, созданный научно-производственным предприятием «Донские технологии»

Рис. 16. МЭК «Донские технологии» электрической мощностью 5 кВт

Не смотря на все преимущества данных установок по сравнению с установками на двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных двигателях, они пока не обрели большой популярности из-за более высокой начальной стоимости, сложности ремонта или внепланового обслуживания (отсутствия квалифицированных работников, способных произвести внеплановый ремонт) и по причине долгого привыкания людей к новой технологии.

Термоакустический генератор

Так же как установки на двигателе Стирлинга и на паротурбинном цикле решают проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и отсутствием всеядности при выборе топлива, термоакустический генератор аналогично решает эти проблемы.

Соответственно, для того чтобы занять место на рынке, термоакустическому генератору необходимо иметь начальную стоимость ниже, чем у данных установок, а желательно и ниже чем у дизельных и газотурбинных. Рассмотрим, за счёт чего в термоакустическом генераторе решаются проблемы с тех. обслуживанием и всеядностью, и можно ли решить проблему с высокой начальной ценой.

Рис. 17. Схема четырёхступенчатого двигателя с бегущей волной

Система, состоящая из резонатора и теплообменников, генерирует под воздействием тепловой энергии энергию акустическую. То есть при наличии определённой разности температур между теплообменниками, в резонаторе возникает бегущая акустическая волна.

У термоакустического двигателя в таком виде крайне высокий ресурс, так как он не содержит никаких движущихся частей. Но для выработки электроэнергии нужны дополнительно турбогенераторы, которые должны преобразовывать акустическую энергию сначала в механическую энергию вращения ротора турбогенераторов, а затем и в электроэнергию.

Таким образом, ожидается, что максимальный интервал между тех. обслуживанием в этой части будет ограничен необходимостью обслуживать турбогенераторы и в последнюю очередь сам двигатель.

То есть получается с одной стороны всё как у паротурбинной установки. Однако турбогенератор в термоакустическом двигателе работает при гораздо меньших температурах (около 40 градусов по Цельсию), чем в паротурбинном цикле, где температура турбины достигает более 200 градусов.

При этом в термоакустическом двигателе турбина находится в среде инертного газа – гелия, либо аргона, в отличие от паровой турбины, которая изнашивается под ударами капель, содержащихся в паре. Таким образом, можно ожидать повышение ресурса турбогенератора в термоакустическом двигателе по сравнению с паровым турбогенератором.

Читайте также:  Необычный ночник

Термоакустический двигатель может использовать почти любой источник тепловой энергии, так как является двигателем с внешним подводом тепла, так же как и двигатель Стирлинга. При этом имеет очень низкую разность температур между горячим и холодным теплообменниками, необходимую для старта двигателя (самое низкое значение разности температур, встречавшееся мне в литературе, составляет 17 градусов). Поэтому очевидно, что данный двигатель решает проблему с использованием различных видов тепловой энергии.

Посмотрим, за счёт чего термоакустический генератор может быть дешевле, чем генератор на двигателе Стирлинга и чем паротурбинный.

  • Во первых благодаря использованию стандартных труб в качестве корпуса резонатора. В отличие от двигателя Стирлинга, корпус термоакустического двигателя не должен иметь высокую точность изготовления. Сгодятся обычные стальные трубы без токарной обработки.
  • Затем, по сравнению со свободнопоршневым двигателем Стирлинга, термоакустический генератор имеет не линейный, а вращающийся генератор, что уменьшает его материалоёмкость, а, следовательно, и стоимость.
  • Ну и наконец, турбогенератор, так как работает практически при комнатной температуре, то может использовать в своём составе детали из пластика, что снижает стоимость его изготовления.

Таким образом, доведённый до коммерческого образца термоакустический генератор должен занять свою нишу на рынке микро-ТЭЦ. опубликовано econet.ru

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

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

  • [1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
  • [2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
  • [3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Термоакустический двигатель Стирлинга: новый взгляд на известные факты

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.

Читайте также:  Радиатор для маломощных транзисторов

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 1884 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

[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
[2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Термоакустический электрогенератор для космических аппаратов

Изобретение относится к системам электроснабжения (СЭП) космических аппаратов с помощью изотопных электрогенераторов. Недостатком известных СЭП является малая единичная мощность и недостаточная эффективность использования изотопного источника тепла. Полезная модель направлена на повышение характеристик изотопных электрогенераторов космического базирования. Указанный технический результат достигается тем, что используется термоакустический привод электрогенераторов, создающий колебательное движение рабочего газа (гелия), которое приводит в движение поршни линейных электрогенераторов. Отличительными особенностями изобретения является использование общей акустической полости, выполненной в виде кольцевой трубы, на наружной поверхности которой равномерно расположены N линейных электрогенераторов (альтернаторов), а также повышение эффективности теплоотдачи изотопного источника за счет покрытия его цилиндрической поверхности N горячими теплообменниками.

В последнее десятилетие достаточно активно развиваются исследовательские работы по использованию термоакустических двигателей для создания принципиально новых систем СЭП для КА на основе термоакустического эффекта. Сущность термоакустического эффекта состоит в возбуждении колебаний газа в резонаторе под действием разности температур от контактирующих с газом теплообменников. На космических аппаратах горячий теплообменник нагревается бортовым источником тепла, а холодный теплообменник излучает отработанное тепло в космическое пространство.

Термоакустический двигатель создает колебания газа. Преобразование этих колебаний в электричество осуществляется линейными генераторами (альтернаторами), в которых колебания давления газа посредством поршней вызывают быстрое возвратно-поступательное движение магнитов относительно катушек, в которых возбуждается ЭДС индукции. КПД термоакустических электрогенераторов гораздо выше, чем у существующих термоэлектрических преобразователей.

Термоакустический двигатель на бегущих волнах состоит из базовой термоакустической сборки в виде: холодный теплообменник-регенератор-горячий теплообменник, выход которой через термический буфер и второй холодный теплообменник соединен с волноводом к нагрузке. На вход сборки подается сдвинутая по фазе волна обратной связи.

В известных патентах на термоакустические двигатели на бегущих волнах [1-12] использована описанная выше конструкция термоакустических двигателей в виде базовой термоакустической сборки.

Фирмой Northrop Grumman Space and Technology, Space & Electronics Group (One Space Park, Redondo Beach, CA 90278) при поддержке Los Alamos National Laboratory, Condensed Matter and Thermal Physics (MST-10, MS-K764, Los Alamos, NM 87545) в рамках контракта NAS3-01103 CDRL 3f c NASA опытного образца термоакустического генератора космического назначения (см. список литературы 1) [13].

Термоакустический электрогенератор для космических аппаратов фирмы Northrop Grumman имеет изотопный источник тепла, горячий и холодный теплообменники, регенератор, термический буфер (пульсационную трубу), акустическую емкость, инерционную трубу и линейные электрогенераторы (альтернаторы), поршни которых приводятся в движение колебаниями газа в рабочей акустической полости.

Недостатком термоакустического электрогенератора для космических аппаратов фирмы Northrop Grumman является малая единичная мощность и недостаточная эффективность использования изотопного источника тепла, обусловленная тем, что тепло от прямоугольного изотопного источника тепла отбирается только с одной стороны.

Изобретение относится к системам электроснабжения (СЭП) космических аппаратов с помощью изотопных электрогенераторов. Полезная модель направлена на повышение единичной мощности и эффективности использования изотопного источника тепла. Указанный технический результат достигается тем, что используется термоакустический привод электрогенераторов, создающий колебательное движение рабочего газа (гелия), которое приводит в движение поршни линейных электрогенераторов.

Термоакустический электрогенератор для космических аппаратов согласно данному изобретению имеет изотопный источник тепла, горячий и холодный теплообменники, регенератор, термический буфер (пульсационную трубу), акустическую емкость, инерционную трубу и линейные электрогенераторы (альтернаторы), поршни которых приводятся в движение колебаниями газа в рабочей акустической полости.

Отличительными особенностями изобретения является использование общей акустической полости, выполненной в виде кольцевой трубы, на наружной поверхности которой равномерно расположены N линейных электрогенераторов (альтернаторов), а также повышение эффективности теплоотдачи изотопного источника за счет покрытия его цилиндрической поверхности N горячими теплообменниками.

Прототипом изобретения является патент на полезную модель 81594 [14]. В конструкции горячего теплообменника использовано техническое решение из патента на полезную модель 82918 [15].

Схема термоакустического электрогенератора для космических аппаратов представлена на Фиг.1. Термоакустический электрогенератор состоит из следующих основных узлов:

1. Линейный электрогенератор

2. Ребра радиатора

3. Корпус изделия

4. Акустическая емкость (кольцевая труба)

6. Изотопный источник тепла

7. Горячий теплообменник

9. Холодный теплообменник

10. Рабочая акустическая полость (кольцевая труба)

11. Термический буфер (пульсационная труба)

12. Инерционная труба

13. Поверхность корпуса космического аппарата

Нагреваемый изотопным источником тепла горячий теплообменник 7 и холодный теплообменник 9 создают градиент температур в регенераторе 5. Градиент температур в регенераторе на основе прямого термоакустического эффекта создает колебания рабочего газа в рабочей акустической полости 10, которые приводят в движение поршни линейных электрогенераторов 1.

Термоакустический двигатель на бегущих волнах состоит из базовой термоакустической сборки в виде: холодный теплообменник 9-регенератор 5-горячий теплообменник 7, выход которой через термический буфер 11 соединен с рабочей акустической полостью 10.

1. Патент US 4114380. Traveling wave heat engine – 1978

2. Патент US 4355517. Resonant travelling wave heat engine – 1982

3. Патент US 4398398. Acoustical heat pumping engine – 1983

4. Патент US 4489553. Intrinsically irreversible heat engine – 1984

5. Патент US 4686407. Split mode traveling wave ring-resonator – 1987

6. Патент US 6032464. Traveling-wave device with mass flux suppression – 2000

7. Патент US 6314740. Thermo-acoustic system – 2001

8. Патент US 6560970. Oscillating side-branch enhancements ofthermoacoustic heat exchangers – 2003

9. Патент US 6725670. Thermoacoustic device – 2004

10. Патент US 6711905. Acoustically isolated heat exchanger for thermoacoustic engine – 2004

11. Патент US 6732515. Traveling-wave thermoacoustic engines with internal combustion – 2004

12. Патент US 6868673. Traveling-wave thermoacoustic engines with internal combustion and associated methods – 2005

13. M. Petach, E. Tward, and S. Backhaus. Design of a high efficiency power source (HEPS) based on thermoacoustic technology. National aeronautics and space administration contract NAS3-01103. Final Report. NASA Center for AeroSpace Information, 7121 Standard Drive/ Hanover, MD 21076-1320

14. A.H.Кириллин, В.А.Телегин, О.Б.Федосеев. Изотопный термоакустический электрогенератор. Патент на полезную модель 81594. Приоритет от 21.04.2008.

15. A.H.Кириллин, В.А.Телегин, О.Б.Федосеев. Теплообменник изотопного нагревателя. Патент на полезную модель 82918. Приоритет от 02.10.2008.

1. Линейный электрогенератор

2. Ребра радиатора

3. Корпус изделия

4. Акустическая емкость (кольцевая труба)

6. Изотопный источник тепла

7. Горячий теплообменник

9. Холодный теплообменник

10. Рабочая акустическая полость (кольцевая труба)

11. Термический буфер (пульсационная труба)

12. Инерционная труба

13. Поверхность корпуса космического аппарата

Термоакустический электрогенератор для космических аппаратов, имеющий изотопный источник тепла, горячий и холодный теплообменники, регенератор, термический буфер (пульсационную трубу), акустическую емкость, инерционную трубу и линейные электрогенераторы (альтернаторы), поршни которых приводятся в движение колебаниями газа в рабочей акустической полости, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности теплоотдачи изотопного источника и повышения единичной мощности изделия, используют общую рабочую акустическую полость, выполненную в виде кольцевой трубы, на наружной поверхности которой равномерно расположены N линейных электрогенераторов (альтернаторов), а внутренняя поверхность которой соединена с инерционными трубами и термическими буферами (пульсационными трубами); изотопный источник тепла выполняют в виде удлиненного цилиндра, цилиндрическая поверхность которого окружена N горячими теплообменниками, верхние концы которых соединены с регенераторами, а нижние – с термическими буферами (пульсационными трубами), которые выходят в общую рабочую акустическую полость; регенераторы соединены с верхними концами холодных теплообменников, которые находятся в термическом контакте с выполненной в виде усеченного конуса оребренной верхней поверхностью изделия; нижние концы холодных теплообменников посредством инерционных труб соединены с кольцевой акустической емкостью.

Ссылка на основную публикацию