ТЕРМОАКУСТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СРЕД С КОАКСИАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ВОЛНОВОДНОГО КОНТУРА

Полезная модель относится к технике охлаждения сред до криогенных температур, основанной на принципах термоакустических преобразований тепловой энергии.
Известна модель устройства тепловой машины, предложенная Ceperley Р.Н., патент US 4114380 от 19.09.1978, где сформулированы основные принципы и условия преобразования тепловой энергии в полезную работу с использованием в качестве средства передачи энергии бегущей акустической волны. Основными компонентами устройства являются совокупность последовательно расположенных элементов: теплообменник для подвода тепловой мощности, регенеративный теплообменник (регенератор), теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, которые установлены в некотором замкнутом объеме, заполненном рабочей средой, где свободно могут распространяться акустические волны. В зависимости от приложенного градиента температуры на регенераторе, который обеспечивается крайними теплообменниками, схема может работать либо в режиме теплового двигателя - генерация и усиление акустических волн, либо в режиме теплового насоса - формирование теплового потока из одной области в другую за счет работы, совершаемой акустическими волнами.
Дальнейшее развитие данная модель получила в последующих разработках термоакустических установок для низкотемпературного охлаждения сред, представленных в патентах:
US 4953366,
US 6021643,
US 6032464,
US 6658862.
Известна также модель резонатора бегущей волны для теплового двигателя, предложенная Ceperley Р.Н., патент US 4355517 от 26.10.1982, которая является ближайшим прототипом предлагаемой полезной модели.
Данный резонатор представляет собой замкнутый волноводный контур тороидального вида, заполненный рабочей средой, способной обеспечить формирование и распространение бегущей акустической волны. На отдельном участке волновода устанавливаются элементы термоакустического двигателя. Таким образом, распространение бегущей волны осуществляется вдоль волновода, в плоскости ортогональной оси симметрии тора. Для формирования бегущей волны в таком волноводе его длина должна быть не меньше длины акустической волны. При работе на низких частотах радиус такого тора может составлять несколько метров.
Для повышения акустической мощности за счет повышения амплитуды акустического давления, на бегущую волну накладывается стоячая волна. Это достигается подключением к тороидальному волноводному контуру дополнительного акустического резонатора - типа резонатора Гельмгольца. Как следствие, габаритные размеры установки увеличиваются.
Существенные размеры установок при относительно не высоких значениях генерируемой мощности акустических волн является одним из основных недостатков данной модели, делая ее мало привлекательной для практической реализации при создании промышленных образцов термоакустических рефрижераторов.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение мощности акустической волны в контуре и, как следствие, холодопроизводительности установки в целом, при условии максимальной компактности конструктивного исполнения.
Данный технический результат достигается следующим образом.
2
Известно, что величина генерируемой в регенераторе акустической мощности (W) пропорциональна объему рабочей среды, находящейся приблизительно на глубине проникновения тепла от теплообменных поверхностей регенератора, G.W. Swift. Thermoacoustic engines. J. Acoust. Soc. Am. Vol.84. No.4 1988:
2
к
W~П·δ·Δx,
к
где П - периметр ячеек, δ - глубина теплового проникновения, Δx - протяженность ячеек регенератора.
Поскольку протяженность регенератора ограничена необходимостью поддержания максимально высокого градиента температуры вдоль его оси, то одним из основных направлений повышения мощности является увеличение числа ячеек или, соответственно, площади рабочего сечения регенератора. Прямое увеличение диаметра регенератора цилиндрического вида приводит к появлению проблемы колебательных смещений центральной зоны при распространении через нее акустических волн высокой амплитуды (ΔP~0,3 МПа). Ее решение потребует внесение в конструкцию теплообменника дополнительных элементов, что не желательно для обеспечения оптимальных условий для теплообмена и распространения акустических волн. Поэтому предлагается увеличивать площадь рабочего сечения за счет применения тороподобной схемы исполнения непосредственно к регенератору и теплообменникам, которые обеспечивают температурный градиент, а также к буферной трубе и вспомогательному теплообменнику. Для этого замкнутый волноводный контур формируется поверхностями двух тороподобных тел вращения, коаксиально вложенных один в другого, так что их оси симметрии оказываются совмещенными. Во внешней полости замкнутого волноводного контура, т.е. имеющей больший диаметр поперечного сечения, устанавливаются элементы термоакустического двигателя, а полость меньшего диаметра выполняет функцию трубы обратного. Для формирования стоячей волны в центральной зоне волноводного контура, коаксиально оси вращения, устанавливается акустический резонатор, например, резонатор Гельмгольца. Такая геометрия замкнутого волноводного контура, резонатора и рабочих элементов термоакустического двигателя обеспечивает максимальную компактность установки.
Таким образом, указанный технический результат достигается тем, что в установке, содержащей:
- замкнутый тороидального вида волноводный контур, в состав которого входит термоакустический двигатель, представленный в виде последовательности элементов: теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, регенератор, горячий теплообменник, буферная труба, вспомогательный теплообменник, а также труба обратного хода;
- резонатор Гельмгольца;
- по крайней мере, один термоакустический холодильник, выполненный по аналогичной схеме: теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, регенератор, холодный теплообменник;
замкнутый волноводный контур образован поверхностями двух тороподобных тел вращения, вложенных одно в другое, оси симметрии которых совмещены, а в центральной зоне вдоль оси вращения установлен резонатор Гельмгольца. При этом элементы термоакустического двигателя имеют тороподобную схему исполнения и расположены во внешней области замкнутого волноводного контура, что обеспечивает увеличение площади рабочего сечения регенератора за счет изменения внешнего радиуса при максимальной компактности установки в целом. В результате пространственная геометрия термоакустической установки представляет собой совокупность коаксиально установленных цилиндрических полостей, связанных на торцовых участках: двигательный сегмент волноводного контура - труба обратного - резонатор Гельмгольца. Кроме того, для дополнительного согласования работы термоакустического двигателя и холодильника, на входе резонатора Гельмгольца устанавливается регулировочный элемент, который за счет изменения соотношения между проходными сечениями трубы обратного хода и канала резонатора осуществляет перераспределение потока акустической мощности, идущей на возобновление цикла, в резонатор и на полезную нагрузку.
Полезная модель поясняется двумя иллюстрациями, где на фиг.1 приведена схема фронтального сечения термоакустической установки для низкотемпературного охлаждения сред с коаксиальной геометрией замкнутого волноводного контура. На фиг.2 представлено поперечное сечение установки, проходящее через регенеративный теплообменник двигателя.
Осуществление полезной модели
Термоакустическая установка содержит, следующие узлы и элементы (фиг.1, 2): замкнутый волноводный контур 1 в виде тороподобной полости, во внешней части которого установлен термоакустический двигатель тороподобной схемы исполнения 2. Он состоит из теплообменника для отвода тепла в окружающую среду 3, регенератора 4, горячего теплообменника 5, буферной трубы 6, вспомогательного теплообменника 7. Замыкание контура осуществляется трубой обратного хода 8, отделенной от области с двигателем разделительным теплоизолирующим объемом 9. В центральной зоне, вдоль оси вращения, установлен резонатор Гельмгольца 10, стенки канала которого являются составной частью волноводного контура. На входе канала резонатора имеется элемент регулировки проходного сечения 11. В качестве полезной нагрузки в систему включен термоакустический холодильник 12, выполненный по аналогичной с термоакустическим двигателем схеме: холодный теплообменник 13, регенератор 14, теплообменник для отвода тепла в окружающую среду 15. Работает устройство следующим образом.
Поток тепловой мощности, поступающий от внешнего источника, через горячий теплообменник 5, фиг.1, термоакустического двигателя 2 подводится к рабочей среде, повышая ее энтальпию, и обеспечивает на регенераторе 4 необходимый уровень градиента температуры. Возникающие и распространяющиеся по волноводному контуру 1 колебания давления рабочей среды в регенераторе усиливаются, благодаря термодинамическим циклам теплообменных процессов, формируя на выходе теплообменника 7 плоскую бегущую акустическую волну кольцевой формы. Далее часть акустической волны поступает на вход канала резонатора 10, где формируется стоячая волна, другая часть по трубе обратного хода 8 направляется в термоакустический двигатель на возобновление цикла. Резонатор выполняет функцию согласования работы термоакустического двигателя и холодильника. Сумма отраженной и бегущей волны приходит на вход термоакустического холодильника, где и совершает полезную работу по переносу тепла из одной области в другую.
Мощность акустической волны можно увеличивать, повышая площадь рабочего сечения регенератора за счет внешнего радиуса волноводного контура:
1
где R - радиус внутренней боковой поверхности регенератора (фиг.2),
2
R - радиус внешней боковой поверхности.
Кроме того, меняя соотношение между площадью сечения входного канала резонатора Гельмгольца 10 и сечением трубы обратного хода 8 регулировкой 11 (выполненной, например, по образу ламельной диафрагмы) можно изменять величину потока акустической мощности, направляемого соответственно в резонатор и на полезную нагрузку, и идущего на возобновление цикла.
Компактность установки достигается за счет коаксиальной геометрии элементов волноводного контура и резонатора, совмещенной с функцией формирования каналов распространения акустических волн. Так цилиндрическая стенка канала резонатора, занимающего центральную зону, одновременно является частью трубы обратного хода. Поскольку функцию силового корпуса выполняет стенка контура с термоакустическим двигателем, канал резонатора может быть исполнен в облегченном виде, что снижает материалоемкость установки.