ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЕ ХОЛОДИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
THERMO-ACOUSTIC COOLING DEVICE

Изобретение относится к области холодильной и морозильной техники и может быть использовано при разработке экологически чистых, не использующих фреонов (хлорфторуглеводородов) холодильников бытового и промышленного назначения.
Введение на территории Российской Федерации Монреальского протокола по ограничению производства и использованию веществ, разрушающих озоновый слой (всего 96 веществ), поставило актуальную задачу создания экологически чистых холодильных устройств без применения запрещенных или ограниченных к использованию химических соединений. Предлагаемое изобретение является попыткой разработки именно такого типа холодильной машины.
Известно термоакустическое холодильное устройство (Patent US №4355517, 1982.10), состоящее из корпуса тороидальной формы, заполненного рабочей средой, расположенных внутри корпуса регенератора, представляющего собой стопку параллельных пластин, двух теплообменников на обоих концах регенератора, и источника бегущей звуковой волны. Автором предполагается, что давление и объемная скорость акустической волны в области регенератора находятся в фазе, а их отношение много больше, чем в чисто бегущей волне. Теоретически показана возможность достижения КПД устройства, равного примерно 80% от предельного КПД цикла Карно [Р.Н.Ceperley Gain and efficiency of a traveling wave heat engine. J.Acoust. Soc. Am., V.77, N.3, pp.1239-1244, 1985].
Недостатками устройства являются громоздкость конструкции, непроработанность практических способов реализации устройства в целом и заявленных оптимальных фазовых и амплитудных соотношений в частности. Имеется нерешенная принципиальная проблема согласования электроакустического преобразователя с рабочей средой в режиме бегущей волны.
Известно устройство термоакустической машины и холодильника, на которое получен патент США (Patent US №6032464, от 07.03.2000). Детальное исследование экспериментального макета проведено в работе [S.Backhaus, G.W.Swift. A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study. J.Acoust. Soc. Am. V.107, N. 6, pp.3148-3166, 2000]. Устройство содержит корпус сложной топологии, наполненный гелием под давлением 10 атм, состоящий из двух соединенных волноводом тороидальных волноводных частей, одна из которых вмещает термоакустический генератор акустической волны, а другая - термоакустический холодильник. В эксперименте достигнут наибольший на настоящее время КПД преобразования акустической энергии в тепловой поток: 41% от предельного значения цикла Карно.
Устройство имеет недостатки. Это, прежде всего, большая масса и габариты конструкции. Кроме того, термоакустический генератор акустической волны, работающий от внешнего источника тепла (газовой горелки), имеет низкий коэффициент полезного действия по сравнению с электроакустическими преобразователями. И, несмотря на достигнутый рекордно большой уровень преобразования акустической энергии в тепловой поток (41% от предельного уровня Карно), в целом эффективность устройства невелика. Невозможность работы от электрического источника энергии резко снижает сферу применимости устройства.
Известно термоакустическое холодильное устройство, используемое для сжижения перевозимого танкером природного газа, содержащее термоакустический двигатель, горелку термоакустического двигателя, термоакустический холодильник-ожижитель и волновод, по которому возбуждаемые термоакустическим двигателем акустические волны поступают в термоакустический холодильник, где создают необходимые для сжижения газа низкие температуры (СПГ-ТАНКЕР. Патент РФ на полезную модель №90178 U1, МПК F25J 1/00, от 09.09.2009).
Устройству присущи те же недостатки, что в упомянутом выше аналоге. Оно имеет большую массу и габариты. Общий КПД устройства невысок вследствие низкой эффективности преобразования тепла в акустическую волну. Работает устройство при сжигании природного газа, что ограничивает сферу использования.
Известно термоакустическое холодильное устройство [Patent US №7143586 B2 от 05.12.2006], имеющее цилиндрический корпус, герметически закрытый с двух сторон. В корпусе, наполненном гелием под давлением до 30 атм, содержится электроакустический излучатель, регенератор, два теплообменника и две согласующие камеры, отделенные от акустических резонансных полостей сильфонными перегородками. Сложное устройство полостей решает задачу установления в регенераторе оптимального соотношения комплексных амплитуд волн давления и объемной скорости.
Устройство имеет недостатки. Сложная конструкция внутренних полостей и перегородок сильно усложняет и удорожает стоимость устройства, а также уменьшает надежность и долговечность функционирования холодильника.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по достигаемому техническому результату и технической сущности (прототипом) является известное термоакустическое холодильное устройство (акустический хладоагрегат), содержащее корпус с внешним оребрением, помещенный в корпус акустический излучатель с встроенным устройством возбуждения, выполненную внутри корпуса герметично закрытую крышкой полость, образующую резонатор и заполненную рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением, встроенный в резонатор регенератор в виде параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий со стороны акустического излучателя и холодный со стороны крышки теплообменники, выполненные в виде алюминиевых перфорированных дисков, при этом резонансная полость выполнена ступенчатой формы с уменьшением размера в направлении от излучателя с опорой каждой ступени на свою заходную часть в форме усеченного конуса, а давление рабочей гелий-криптоновой смеси составляет 2-3 атмосферы (Патент РФ №2359184 C1, МПК F25B 23/00, F25B 9/00, от 17.10.2007).
+
-
В этом устройстве акустическая волна исполняет роль теплового насоса, перекачивающего тепло или поддерживающего перепад температуры. Это явление не связано с нагреванием из-за перехода механической (акустической) энергии в тепло. Механизм переноса тепла в термоакустической ячейке состоит в следующем [G.W.Swift. Thermoacoustic engines. J.Acoust. Soc. Am. V.84, N.4, 1988, p.1145-1180]. Процесс непосредственного преобразования акустической энергии, генерируемой акустоэлектрическим излучателем, в поток тепла происходит в регенераторе, представляющем собой стопку тонких близкорасположенных пластин, выполненных из материала с малой теплопроводностью. Ширина зазора между пластинами порядка длины температурной волны δ. Рассмотрим окрестность вблизи пластины, помещенной в звуковое поле. Предположим, что звуковое поле является почти стоячей волной. В стоячей волне смещение частицы находится в фазе со звуковым давлением. При максимальном смещении частицы вправо давление в ней максимально. Газ в частице сжат, следовательно, температура T повышена по сравнению со средним значением T и по сравнению с температурой пластинки. Вследствие разницы температур возникает тепловой поток  от частицы среды к пластинке. Далее частица движется влево и при максимальном смещении ξ влево давление в ней минимально. Газ в частице разрежен, следовательно, температура T понижена по сравнению со средним значением T и по сравнению с температурой пластинки. Вследствие разности температур возникает тепловой поток  к частице от пластинки. При каждом повторении этого циклического движения частицы частица забирает некоторое количество тепла из пластинки в своем крайне левом положении и передает это же количество тепла пластинке в своем крайне правом положении. Таким образом, в стоячей звуковой волне возникает однонаправленный перенос тепла слева направо. Для этого эффекта необходимы одновременные смещения частицы и изменение давления в ней. Область, в которой среда обменивается теплом с пластинкой, имеет толщину порядка δ. Поток тепла направлен от холодного теплообменника к горячему теплообменнику. Вся часть корпуса, прилегающая к холодному теплообменнику и имеющая с ним термический контакт, может быть использована для съема холода.
Недостатком прототипа являются низкий КПД из-за неоптимальности отношения амплитуды давления к амплитуде объемной скорости (акустического импеданса) в стоячей акустической волне и наличие разности фаз между этими параметрами, которые обусловлены конструкцией прототипа. Регенератор конструктивно помещен в часть резонансной полости, находящуюся на расстоянии в одну восьмую длины волны от жесткой границы резонатора, где отношение давления к скорости (акустический импеданс) примерно равно этой величине в бегущей волне. Как показано в работе [J.Acoust. Soc. Am., V.77, N.3, рр.1239-1244, 1985], при такой величине компоненты объемной скорости вследствие вязкости рабочей среды в области регенератора возникает неприемлемо большое поглощение акустической энергии, ограничивающее коэффициент полезного действия холодильного устройства величиной в 10% от уровня цикла Карно. Чтобы устранить это ограничение, необходимо существенно уменьшить объемную скорость, одновременно увеличивая давление в акустической волне. Это достигается в изобретении расположением регенератора вблизи жесткой границы первого резонатора. Как показано в цитируемой работе, увеличение акустического импеданса в 10 раз позволяет достигнуть уровня КПД, составляющего 80% от предельного значения цикла Карно. Условие большой величины акустического импеданса необходимо, но не достаточно. Для достижения максимально возможного КПД устройства требуется еще обеспечить условие синхронности колебаний давления и объемной скорости в регенераторе (условие синфазности). Реализовать последнее условие в конструкции с одним резонатором невозможно. В изобретении эта цель достигается встраиванием в конструкцию устройства второго резонатора, связанного с первым, и способного к подстройке своих резонансных свойств.
Техническим результатом изобретения является увеличение КПД термоакустического холодильного устройства (теоретически более чем в два раза по сравнению с прототипом) путем минимизации вязкостных потерь и обеспечения синфазности акустических колебаний объемной скорости и давления в регенераторе устройства.
Технический результат достигается за счет того, что в термоакустическом холодильном устройстве, содержащем корпус с внешним частичным оребрением, помещенный в корпус акустический излучатель с встроенным устройством возбуждения, выполненную внутри корпуса герметично закрытую крышкой полость, образующую резонатор и заполненную рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением, встроенный в резонатор регенератор в виде параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий со стороны акустического излучателя и холодный со стороны крышки теплообменники, выполненные в виде алюминиевых перфорированных дисков, резонаторная полость выполнена цилиндрической формы, внутри полости со стороны холодного теплообменника установлен второй резонатор в виде цилиндрической трубы с герметичной крышкой и поршнем, соединенным со штоком, закрепленным с этой крышкой на резьбе с возможностью перемещения поршня вдоль оси, при этом цилиндрическая труба размещена в центральной части крышки первого резонатора на резьбе с обеспечением перемещения вдоль оси и герметизации резонансной полости, а эта крышка также соединена с корпусом резьбовым соединением с герметизирующим элементом с возможностью ее перемещения вдоль оси, при этом резонансная полость заполнена рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением 7-10 атмосфер, а регенератор с теплообменниками размещен на расстоянии, меньшем или равном λ/32 от жесткой крышки первого резонатора, где λ - длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства на рабочей частоте.
На чертеже представлено предлагаемое устройство. Термоакустическое холодильное устройство содержит корпус 1 с внешним частичным оребрением. Корпус выполнен разъемным для удобства изготовления и сборки. В оребренную часть корпуса помещен электроакустический излучатель 2 с встроенным устройством возбуждения 3. Внутри корпуса 1 выполнена первая резонаторная полость 5, закрытая крышкой 4. Весь корпус заполнен рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением. В корпус встроен регенератор 6 в виде стопки параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий теплообменник 7 со стороны акустического излучателя 2 и холодный теплообменник 8 со стороны крышки 4. Первая резонаторная полость 5 выполнена цилиндрической формы, внутри полости со стороны холодного теплообменника 8 установлена вторая резонаторная полость 9 в виде цилиндрической трубы 10 с герметичной крышкой 11 и поршнем 12, соединенным со штоком 13, закрепленным с этой крышкой на резьбе с возможностью перемещения поршня 12 вдоль оси и герметизации резонансной полости 9, причем крышка 4 первой резонаторной полости 5 также соединена с корпусом 1 резьбовым соединением с герметизирующим элементом с возможностью ее перемещения вдоль оси. Уплотнительные резиновые кольца 14, 15, 16, 17, 18 герметизируют корпус термоакустического холодильного устройства, находящегося под давлением 7-10 атм и заполненного гелий-криптоновой смесью. При этом регенератор 6 размещен на расстоянии, меньшем или равном λ/32 от крышки 4 первой резонаторной полости, где λ - длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства на рабочей частоте.
Устройство работает следующим образом.
Электроакустический излучатель 2 создает в корпусе 1 термоакустического холодильного устройства акустическое поле, структуру которого определяет конструкция внутренних полостей корпуса устройства. Преобразование акустической энергии в тепловой поток происходит в регенераторе 6, представляющем собой стопку параллельных пластин, выполненных из материала с высокими теплоизолирующими свойствами. Регенератор выполняет функции теплового насоса, перекачивающего тепло от холодного теплообменника 8 к горячему теплообменнику 7, на основе физического механизма по принципу действия прототипа. Корпус заполнен гелий-криптоновой газовой смесью под давлением 7-10 атм. Высокое давление удерживается герметизирующими резиновыми кольцами 14-18. Массовая концентрация в смеси отдельных газовых компонент выбирается из критерия минимальности значения числа Прандтля (отношения кинематической вязкости к температуропроводности), оптимизирующего процесс теплопереноса в области регенератора. Повышение давления газовой смеси по сравнению с давлением, указанным в прототипе, способствует увеличению потока тепла, генерируемого в регенераторе 6, и уменьшению вязкостных потерь, т.е. приводит к увеличению КПД устройства охлаждения.
Для создания оптимальных условий реализации термоакустического теплового потока необходимо выполнить два условия: во-первых, обеспечить синхронность колебаний давления и объемной скорости и, во-вторых, существенно уменьшить по сравнению с бегущей волной величину объемной скорости, т.е. увеличить акустический импеданс. Первое условие обеспечивает выполнение так называемого цикла Стирлинга, имеющего такой же предельный КПД, как и у цикла Карно. Это условие снимает принципиальные ограничения на эффективность работы термоакустического холодильного устройства. Второе условие сводит к минимуму непроизводительные потери акустической энергии, обусловленные вязкостью рабочей среды, способствуя повышению КПД практического устройства. Поставленные задачи и решает предлагаемая конструкция, состоящая из двух связанных акустических резонаторов.
1
2
1
2
2
1
1
1
В корпусе устройства можно выделить два акустических резонатора, имеющих разные резонансные частоты. Первый резонатор состоит из первой резонаторной полости 5 и корпусной полости, вмещающей регенератор 6, теплообменники 7 и 8, электроакустический излучатель 2, устройство возбуждения 3 и пространство между ними. Второй резонатор состоит из второй резонаторной полости 9 и той же самой общей для двух резонаторов корпусной полости, вмещающей регенератор 6, теплообменники 7, 8, электроакустический излучатель 3, устройство возбуждения 2 и пространство между ними. Первый и второй резонаторы имеют разные резонансные частоты f и f, причем f>f, т.к. общая длина первого резонатора меньше общей длины второго резонатора. Относительная разность резонансных частот величина не малая, (f-f)/f>0.2, поэтому можно приближенно считать, что в общей части первого и второго резонаторов, в частности в области регенератора 6, акустическое поле состоит из двух компонент: поля первого резонатора и поля второго резонатора. Предполагается, что рабочая частота акустического поля, генерируемого электроакустическим излучателем, близка к резонансной частоте первого резонатора f. Регенератор 6 расположен поблизости от крышки 4, являющейся жесткой границей со стороны холодного теплообменника 8. При таком расположении отношение давления к объемной скорости (акустический импеданс) в области регенератора 6 существенно выше, чем в бегущей волне, и при приближении к жесткой границе все более возрастает. Расстояние между крышкой 4 и регенератором 6 меньше λ/32 (λ - длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства на рабочей частоте), это расстояние соответствует примерно одной шестнадцатой части от длины корпуса устройства. В таком случае акустический импеданс в области регенератора 6 более чем в пять раз превышает акустический импеданс в бегущей волне. Сниженная величина объемной скорости минимизирует вязкостные потери холодильного устройства.
1
2
1
2
Колебания во втором резонаторе происходят на той же частоте f, но она оказывается вдали от частоты собственного резонанса f, т.к. f>f. Поэтому колебания давления компоненты поля, соответствующего второму резонатору, во-первых, существенно меньше по амплитуде колебания давления компоненты поля, соответствующего первому резонатору и, во-вторых, опережают по фазе эти колебания примерно на 90°. Это опережение по фазе можно регулировать в диапазоне, приблизительно от 60° до 120°, подбором рабочей частоты, оставаясь в полосе частот резонанса первого резонатора. В стоячей волне колебания объемной скорости отстают по фазе от колебаний давления на 90°. Поэтому колебания объемной скорости поля второго резонатора оказываются по фазе близкими к колебаниям поля давления первого резонатора. Длина второй резонаторной полости 9 определяется и регулируется положением поршня 12. Подбирая частоту работы электроакустического излучателя 2 и длину второй резонаторной полости 9 можно настроить в области регенератора 6 объемную скорость в фазе с колебаниями давления акустического поля.
Таким образом, размещением регенератора 6 вблизи крышки 4, являющейся жесткой границей первого резонатора, обеспечивается выполнение первого необходимого условия эффективной работы холодильного устройства - реализации большой величины акустического импеданса (отношения давления к объемной скорости). Подбором частоты и настройкой длины второго резонатора обеспечивается выполнение второго условия эффективной работы холодильного устройства - синфазности колебаний давления и объемной скорости. Выполнение этих двух условий позволяет теоретически увеличить КПД устройства по сравнению с прототипом более чем в два раза.