ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к термоакустическим генераторам мощности, а именно к термоакустическим двигателям на основе тепловой энергии излучения и может быть использована в ракетно-космической технике, гелиоэнергетике и энергосбережении, где требуется генерация мощности для производства электроэнергии.
Известны термоакустические двигатели [патент CN 101629558 МПК F03G 7/00, опубл. 1.06.2011. патент CN 101539125 МПК F03G7/00 опубл. 18.05.2011], использующие подводимую к внешней поверхности корпуса теплообменника лучистую энергию для преобразования в тепло, запускающее механизм термоакустической генерации пульсаций давления, которые на линейном [патент CN 10162955] или турбинном [патент CN 101539125] электрогенераторе преобразуются в энергию движения и далее - в электрическую энергию.
Известны термоакустические холодильники [патент CN 101392971 МПК F03G 7/00, F24J 2/00, F25B 23/00 опубл. 06.10.2010. патент CN 102619255 А МПК E03B 3/28, опубл. 01.08.2012], в которых энергия волны, полученная в термоакустическом преобразователе прямого цикла при подводе лучистой энергии, используется в присоединенном термоакустическом преобразователе обратного цикла для получения холода. Таким образом, в рассмотренных аналогах первым этапом является преобразование лучистой энергии в работу в виде энергии колебательного движения рабочего газа.
Во всех аналогах [патенты CN 101629558, CN 101539125, CN 101392971, CN 102619255 А] лучистая энергия сначала концентрируется специально спрофилированным зеркалом-концентратором [патенты CN 101629558, CN 101539125] или фокусирующими линзами (это могут быть и линзы Френеля) [патент CN 101392971] на внешней поверхности непрозрачной стенки теплообменника подвода тепла, после чего при поглощении стенкой она преобразуется в тепло, которое посредством теплопередачи (совместным действием теплопроводности через стенку и конвективной теплоотдачей к газу) передается рабочему газу.
Недостатком таких конструкций является увеличенный температурный напор между стенкой теплообменника подвода тепла и рабочим газом внутри него, что снижает эффективность подвода лучистой энергии.
Наиболее близким аналогом является конструктивное решение, описанное в статье "Solar/heat driven thermoacoustic engine." R-L. Chen and S.L. Garrett. Proceedings of the 16th International Congress on Acoustics and 135th Meeting of the Acoustical Society of America, edited by P.K. Kuhl and L.A. Crum. Acoustical Society of America. New York, 1998. Vol. 2, pp. 813-814 (http://www.icacommission.org/Proceedings/ICA1998Seattle/pdfs/vol_2/813_1/pdf).
Устройство представляет собой термоакустический двигатель, в котором торцевая часть регенератора работает как поверхность подвода лучистого тепла и расположена в оптически прозрачной части корпуса резонатора, выполненной из прозрачного материала, что позволяет осуществить подвод лучистой энергии напрямую к поверхности горячей части регенератора, минуя нагрев стенки.
Недостатком рассматриваемого прототипа является то, что, проникая через прозрачную стенку, лучистая энергия попадает на ограниченную по величине поверхность теплообмена - торцевую часть насадки регенератора, что конструктивно лимитирует количество подведенного тепла. Такая конструкция позволяет варьировать поверхностью теплообмена только за счет диаметра корпуса резонатора, а в случае невозможности изменения геометрии увеличение количества подведенного тепла ведет к объективному повышению температуры, что далее способствует возрастанию перетечек тепла по корпусу и снижению эффективности термоакустического двигателя.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение термодинамической эффективности и (или) мощности.
Задача решается за счет того, что термоакустический двигатель содержит акустический резонатор цилиндрической формы, внутри которого размещены регенератор и прилегающие к его торцам теплообменники подвода и отвода тепла и вспомогательный теплообменник, имеющие внутреннее продольное отверстие для пульсационной трубы, расположенной коаксиально внутри корпуса акустического резонатора, имеющего оптически прозрачную часть и концентратор лучистой энергии, нагрузку, преобразующую акустическую энергию в электрическую, причем теплообменник подвода тепла выполнен с наружным продольным оребрением клиновидной формы ребер и расположен на конце акустического резонатора внутри его оптически прозрачной части корпуса.
Кроме того, пульсационная труба размещена коаксиально корпусу акустического резонатора и имеет вход в горячей зоне теплообменника подвода тепла, а выход в части акустического резонатора, содержащего нагрузку.
Кроме того, оптически прозрачная часть акустического резонатора, имеющая цилиндрическую поверхность, располагается в зоне концентрации лучистой энергии таким образом, что отраженные от концентратора лучи падают на внешнюю поверхность прозрачного корпуса по нормали и излучение распределено равномерно по длине и окружности корпуса резонатора.
Кроме того, ребра теплообменника подвода тепла выполнены таким образом, что отношение глубины щели к зазору между ребрами составляет величину более 10.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 изображена схема термоакустического пульсационного двигателя на стоячей волне коаксиальной схемы;
на фиг. 2 показано сечение А-А теплообменника подвода тепла двигателя.
Термоакустический двигатель содержит следующие узлы и элементы (фиг. 1): акустический резонатор 1 цилиндрической формы, имеющий часть корпуса 2 из оптически прозрачного материала в зоне подвода лучистой энергии с помощью концентратора 3, выполненного в виде спрофилированного зеркала, теплообменника отвода тепла 4, прилегающего к торцу регенератора 5, теплообменника подвода тепла 6, также прилегающего к торцу регенератора 5 с другой стороны, расположенного в оптически прозрачной для лучистой энергии части корпуса резонатора 2, и вспомогательного теплообменника 7. Пульсационная труба 8 расположена коаксиально внутри акустического резонатора 1, включающего элементы 4. 5. 6. 7, которые имеют, в свою очередь, соответствующее продольное отверстие для пульсационной трубы 8. Она обеспечивает термодинамическую асимметрию (сдвиг фаз) по скорости и давлению в тепловом блоке резонатора. Генерируемая двигателем акустическая мощность воспринимается полезной нагрузкой 9 (например, линейным электрогенератором) для преобразования в электроэнергию.
Работает устройство следующим образом.
Лучистая энергия излучения, собранная концентратором 3, проникает через оптически прозрачную часть 2 корпуса акустического резонатора 1. Попадая в клиновидные зазоры теплообменника подвода тепла 6, энергия лучистого потока поглощается боковой поверхностью концов ребер и межреберными щелями, преобразуется в тепло и конвективным способом передается к осциллирующему потоку газа, обеспечивая на регенераторе 5 необходимый уровень градиента температуры. Возникающие и распространяющиеся по акустическому резонатору 1 колебания давления рабочего газа в регенераторе усиливаются, благодаря термоакустическому эффекту, формируя на выходе вспомогательного теплообменника 7 плоскую акустическую волну. Пульсационная труба 8 обеспечивает фазовый сдвиг между колебаниями давления и объемной скорости. Фазовый сдвиг происходит вследствие особенности процессов теплообмена с рабочим газом, происходящих совместно с процессами сжатия и расширения рабочего газа. Колебания давлений рабочего газа преобразуются полезной нагрузкой 9 (электрогенератором), и частично возвращаются в термоакустический двигатель на возобновление цикла.
Место, способ подвода тепла и формирование поверхности, воспринимающий тепловой поток так же, как и другие факторы и процессы определяют термодинамическое совершенство преобразователя, а снижение температурного напора между внешним источником тепла и газом приближает температуру газа к температуре источника тепла и повышает термодинамическую эффективность преобразователя. Таким образом, положение теплообменника подвода тепла внутри оптически проницаемой части корпуса резонатора в фокусе концентратора и увеличение поглощательной способности поверхности теплообменника за счет оребрения приближает температуру рабочего газа в термоакустическом двигателе к температуре источника тепла и повышает термодинамическую эффективность термоакустического двигателя. Развитая оребренная поверхность теплообменника является одновременно как поверхностью. Поглощающей лучистую солнечную энергию, так и поверхностью передающей тепло к газу, что исключает процесс теплопроводности через стенку.