ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к технике тепловых двигателей. Термоакустические двигатели работают на основе прямого термоакустического эффекта и обеспечивают прямое преобразование тепловой энергии в механическую энергию колебаний рабочего газа (гелия). Особенностью термоакустических двигателей как тепловых машин является отсутствие движущихся механических элементов и значительный КПД. В качестве полезной нагрузки термоакустического двигателя можно использовать либо термоакустический холодильник, что дает тепловой насос, либо линейный альтернатор, что дает электрогенератор.
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 с выхода второго холодного теплообменника.
Развитие термоакустических двигателей шло в направлении совершенствования их многочисленных отдельных элементов и улучшения сопряжения двигателей с нагрузкой в виде электрогенераторов, термоакустических холодильников и т.д.
Известны следующие патенты на термоакустические двигатели на бегущих волнах:
US 4114380 Traveling wave heat engine - 1978
US 4355517 Resonant travelling wave heat engine - 1982
US 4398398 Acoustical heat pumping engine - 1983
US 4489553 Intrinsically irreversible heat engine - 1984
US 4686407 Split mode traveling wave ring-resonator - 1987
US 6032464 - Traveling-wave device with mass flux suppression - 2000
US 6314740 Thermo-acoustic system - 2001
US 6560970 Oscillating side-branch enhancements of thermoacoustic heat exchangers - 2003
US 6725670 Thermoacoustic device - 2004
US 6711905 Acoustically isolated heat exchanger for thermoacoustic engine - 2004
US 6732515 Traveling-wave thermoacoustic engines with internal combustion - 2004
US 6868673 Traveling-wave thermoacoustic engines with internal combustion and associated methods - 2005
В перечисленных патентах использована описанная выше конструкция термоакустических двигателей в виде базовой термоакустической сборки. При этом особенностям вертикальной компоновки элементов двигателя не уделялось внимания. Однако, как показывают теоретический анализ и экспериментальные данные, именно от правильности вертикальной компоновки элементов термоакустического двигателя во - многом зависит его эффективность. Вопросы вертикальной компоновки элементов двигателя и конвективной неустойчивости неравномерно нагретого газа в рабочем тракте двигателей в патентной литературе не рассматривались.
Наличие значительных температурных градиентов по длине акустического тракта двигателя приводит к конвективной неустойчивости неравномерно нагретого газа, что порождает паразитные течения газа, резко снижающие эффективность двигателя. Предлагаемая в существующих патентах установка дросселей подавления циркуляции прекращает паразитные течения газа только в цепи обратной связи, не влияя на паразитные течения газа, обусловленные неучтенной конвективной неустойчивостью неравномерно нагретого газа при неправильной вертикальной компоновке элементов двигателя.
Данная полезная модель направлена на устранение этого конструктивного недостатка термоакустических двигателей и обусловленного этим значительного повышения их эффективности и мощности. Указанный технический результат достигается тем, что подавляется конвективная неустойчивость неравномерно нагретого газа, снижающая эффективность традиционных термоакустических двигателей.
Термоакустический двигатель выполняют в виде базовой термоакустической сборки. С целью повышения эффективности двигателя путем исключения потерь, вызнанных конвективной неустойчивостью неравномерно нагретого газа, вертикальную компоновку элементов двигателя выполняют исходя из температур этих элементов: горячий теплообменник располагают на самом верху двигателя, а под ним располагают соединенные с холодными теплообменниками регенератор и термический буфер («пульсационную трубу»). Отличительной особенностью изобретения является то, что конвективная неустойчивость неравномерно нагретого газа подавляется не специальными дополнительными устройствами, а за счет рациональной компоновки элементов термоакустических двигателей, которая раньше не использовалась.
Наиболее близким аналогом изобретения является патент US 4355517 (1982) «Резонансный тепловой двигатель на бегущих волнах». Изобретение содержит аналогичные конструктивные элементы термоакустического двигателя на бегущих волнах. Признаком, обеспечивающим получение технического результата, является новая вертикальная компоновка элементов двигателя исходя из температур этих элементов.
Принципиальная схема термоакустических двигателей на бегущих волнах представлена на Фиг.1. Двигатель состоит из следующих основных узлов:
- Горячего теплообменника
- Холодных теплообменников
- Регенератора
- Термического буфера («пульсационной трубы»)
- Стабилизаторов потока
- Емкости
- Инерционных труб
- Дросселя подавления циркуляции
- Теплоизоляции
- Волновода к нагрузке
Нагреваемый горячими дымовыми газами 1 от горелки расположенный на верху двигателя горячий теплообменник 3 и холодный теплообменник 13 создают градиент температур в регенераторе 7. Градиент температур в регенераторе на основе прямого термоакустического эффекта создает колебания рабочего газа в акустическом тракте двигателя и волноводе 15 к нагрузке.
Сочетание осесимметричной компоновки двигателя, при которой регенератор 7, термический буфер 5, холодные теплообменники 10 и 13, дроссель подавления циркуляции 12 и емкость 14 в фазосдвигающей цепи имеют вид кольцевых полостей, и выполнение инерционного элемента 9 в фазосдвигающей цепи в виде отдельных труб, соединяющих емкость 14 и волновод 15, обеспечивают стабильную работу данного термоакустического двигателя на бегущих волнах.