Термоакустический холодильник своими руками

Основы термоакустики

6gcrmucasfhlmu9sucomcvguu18vwe0ttt8sqfp8qqyo4kzywkc hc

Рис. 1. Термоакустический холодильник THEAC-25 с бегущей волной (слева) и термоакустический холодильник со стоячей волной Triton C-10c (справа)

1) Термоакустический двигатель, холодильник и тепловой насос

1.1) Двигатель
В термоакустическом двигателе происходит преобразование тепловой энергии в акустическую. Такой процесс называется прямым термоакустическим эффектом.

fcpmfodv0ilrq8hvz umzsod5em

Рис. 2. Усиление мощности акустической волны в теплообменном аппарате двигателя

На вход теплообменного аппарата поступает волна маленькой мощности Wвх и усиливается, проходя через теплообменный аппарат двигателя до величины Wвых. Для того чтобы усилить волну, необходимо затратить тепловую энергию. Тепловая энергия Pвх подводится при температуре нагрева Tнагр. Не вся тепловая энергия может быть преобразована в акустическую энергию, так как максимальная эффективность преобразования любой тепловой машины ограничена КПД цикла Карно. Поэтому приходиться сбрасывать часть тепловой мощности Pвых в окружающую среду. Температура, при которой осуществляется отвод тепла равна — Tо. Обратите внимание, что в двигателе направление роста температуры в теплообменном аппарате и направление в котором растёт акустическая мощность, совпадают.

В холодильнике реализуется обратный термоакустический эффект. То есть происходит всё наоборот, по сравнению с двигателем. На вход теплообменного аппарата холодильника поступает мощная акустическая волна Wвх, которая затухает в теплообменном аппарате до величины Wвых. Потеря мощности волны идёт на создание разности температур между теплообменниками.

Рис. 3. Создание разности температур при затухании волны

Один из теплообменников начинает нагреваться, а другой начинает охлаждаться. То есть акустическая волна отбирает тепло у одного теплообменника и передаёт его другому. С нагревающегося теплообменника при этом необходимо сбрасывать в окружающую среду тепловую мощность Pвых, а на холодный теплообменник поступает тепловая мощность Pвх, которая и является полезной тепловой мощностью холодильника. Холодильник охлаждает какой либо объект до температуры Tохл.

Тепловой насос это, по сути, то же самое, что и холодильник, только с той лишь разницей, что в холодильнике полезной считается тепловая мощность, отбираемая у окружающей среды, а в тепловом насосе мощность, отдаваемая в окружающую среду (на различные нужды).

vxravklqanui5sineabbcklnj q

Рис. 4. Тоже создание разности температур при затухании волны, только полезной мощностью считается мощность нагрева, а не охлаждения

Обратите внимание, что как в холодильнике, так и в тепловом насосе направление в котором уменьшается температура в теплообменном аппарате противоположно направлению, в котором уменьшается мощность акустической волны, что свидетельствует о том, что реализуется обратный термоакустический эффект. Акустическую волну, поступающую на вход можно создавать при помощи двигателя, либо при помощи мощного динамика или поршня, подключённого к линейному электродвигателю.

2) Устройства со стоячей волной и устройства с бегущей волной

По типу волны в резонаторе термоакустические устройства делятся на два вида, на устройства с бегущей волной и на устройства со стоячей волной.
Посмотрим, в чём различия между бегущей и стоячей акустической волной.

Гифка 1. График давления, скорости газа и изображение его смещения в бегущей волне

Бегущая волна бежит по резонатору на гифке 1 вправо. В бегущей волне колебания давления и скорости газа находятся в фазе. При этом происходит перенос энергии в направлении движения волны. Розовыми овалами на гифке 1 изображены диаграммы зависимости давления от координаты элементарных порций газа в различных точках внутри резонатора. Акустическая мощность, переносимая волной вправо численно равна площади розового овала, то есть площади PX диаграммы. Как видно, овалы в разных точках одинаковые, что говорит о том, что мощность волны при движении по резонатору не меняется. То есть, здесь не учитывается затухание волны при движении по резонатору.

Бегущая волна может распространяться в резонаторе, представляющем собой закольцованную трубу. При этом длина волны, соответствующая резонансной частоте такого резонатора будет равна длине самой трубы.

tiz0bhn4 fce4hohgto 8drctzg

Гифка. 2. Устройство с бегущей волной

Стоячая волна – это сумма двух бегущих волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Такая волна может возникнуть при отражении, от какого либо предмета и возвращении к источнику звука.

zoe99nrx orztvr

Гифка 3. График давления, скорости газа и изображение его смещения в стоячей волне

На гифке 3 изображена стоячая волна в полуволновом резонаторе, то есть в резонаторе с длиной, равной половине длины волны. Можно мысленно представить, что резонатор внизу на гифке 3 представляет собой трубу, заглушенную с двух сторон заглушками. При этом кто то, допустим, трясёт трубу, и газ внутри болтается между двух концов трубы. Так как концы трубы заглушены, то скорость газа на поверхности заглушек может быть только нулевая (что и видно на графике velocity). То есть на концах трубы возникают узлы скорости. Одновременно с этим видно, что на заглушках будут наблюдаться наибольшие по амплитуде колебания давления (антиузлы или пучности давления), а узел давления (точка, где нет колебаний) будет в середине трубы.

В стоячей волне разность фаз между колебаниями давления и колебаниями скорости составляют 90 градусов. При этом PX диаграммы во всех точках резонатора представляют собой линии, то есть фигуры, не имеющие площади. Соответственно переноса энергии в стоячей волне не происходит, ни в правую, ни в левую сторону. Но у самой волны естественно энергия при этом есть.

Стоячую волну в полуволновом резонаторе можно создать, поместив динамик или поршень на одном из его концов, производя колебания на резонансной частоте резонатора. А поместив дополнительно в резонатор теплообменный аппарат, можно создать термоакустический холодильник.

Гифка 4. Стоячая волна в полуволновом резонаторе. Слева в резонаторе расположен так называемый стек – аналог регенератора в двигателе с бегущей волной

Из-за рассеяния акустической энергии в резонаторе и в теплообменном аппарате получившаяся волна не будет чисто стоячей. Будет нужна постоянная подпитка энергией от поршня. На гифке 4 видно, что, так как поршень колеблется, то и газ у поршня колеблется вместе с ним. Возникает перенос акустической энергии от поршня в резонатор, который компенсирует потери энергии в резонаторе. Таким образом, хоть получившаяся волна очень близка к стоячей, но при более тонком рассмотрении представляет собой сумму стоячей и бегущей волны.

В реальных термоакустических устройствах тоже никогда не бывает чисто бегущей либо чисто стоячей волны. Волна всегда представляет собой нечто промежуточное, но при этом, если волна в устройстве очень похожа на стоячую, то устройство называют устройством со стоячей волной, а если волна похожа на бегущую, то называют устройством с бегущей волной.

3) Основные размеры

3.1) Длина корпуса
Длина корпуса — резонатора термоакустического устройства определяется длиной волны. Даже лучше сказать наоборот, что длина корпуса-резонатора определяет длину волны в резонаторе.

В устройствах со стоячей волной длина корпуса обычно равна половине длины волны. Например, для типичной для данного вида устройств частоты колебаний 300 Гц, длина корпуса при работе на воздухе составит около 0,56 метра, а при работе на гелии 1,65 метра.

Рис. 5.Основные размеры устройства со стоячей волной

В устройствах с бегущей волной длина волны примерно равна длине корпуса. Типичная частота колебаний в таких устройствах – 100 Гц, при этом длина корпуса при работе на воздухе составит 3,4 метра, а при работе на гелии – 10 метров.

Рис. 6. Основные размеры устройства с бегущей волной

3.2) Диаметр корпуса
Диаметр корпуса определяется исходя из необходимой мощности устройства. Мощность растёт с увеличением диаметра устройства пропорционально площади поперечного сечения корпуса, так как пропорционально площади поперечного сечения растёт мощность теплообменного аппарата.

Резонатор представляет собой обычную трубу, желательно с гладкими стенками.

dfcon aooqdki

Гифка 5. Взаимодействие колеблющегося газа со стенкой резонатора

Если рассмотреть распространение акустической волны в резонаторе достаточно крупного диаметра (примерно от сантиметра и более), то выясняется, что газ в волне взаимодействует со стенкой резонатора далеко не во всём своём объёме, а только в небольшом приграничном слое, расположенном у стенки резонатора. На гифке 5 показано, что при колебаниях газа у стенки резонатора образуется необычная деформация скорости газа из-за трения о стенку. На поверхности стенки скорость газа нулевая, что обычно принято как граничное условие в большинстве гидродинамических задач.

Глубина вязкостного проникновения
Вертикальная ось на графике размечена в так называемых величинах вязкостного проникновения δν.

Глубина вязкостного проникновения является оценкой величины слоя, активно взаимодействующего со стенкой корпуса. Например, для акустической волны, распространяющейся в воздухе с нормальными условиями, с частотой 70 Гц, глубина вязкостного проникновения составляет 0,27 мм. На гифке 5 видно, что взаимодействие стенки и газа наблюдается при величинах и больших, чем глубина вязкостного проникновения, но, тем не менее, область достаточно активного взаимодействия волны со стенкой имеет величину только порядка 1 мм. В центре резонатора наблюдаются обычные акустические колебания, точно такие же, как если бы резонатора вообще бы не было. Соответственно рассеяние акустической энергии по причине трения о стенки происходит только в узком пограничном слое у стенки.

Глубина термического проникновения
В акустической волне происходят сжатия и расширения газа, при этом происходят колебания температуры газа из-за попеременного адиабатического нагрева и охлаждения. Так происходит в волне, распространяющейся в свободном пространстве. При движении волны в резонаторе, происходит взаимодействие волны со стенкой резонатора, и температура стенки начинает влиять на колебания температуры газа в акустической волне.

Точно так же как и для вязкостного взаимодействия со стенкой, для термического взаимодействия тоже есть величина, которая характеризует величину слоя газа, активно термически взаимодействующего со стенкой. Эта величина называется – глубина термического проникновения δκ. Колебания температуры газа у стенки деформируются точно так же как и скорость газа в предыдущем примере. Так что если просто сказать, что теперь на гифке 5 происходят колебания не скорости газа, а температуры и что теперь вертикальная ось размечена не в глубинах вязкостного проникновения, а в глубинах термического, то гифка 5 будет верна и для колебаний температуры. Численно глубина термического проникновения всегда больше, чем глубина вязкостного. Например для того же воздуха при нормальных условиях и при частоте колебаний 70 Гц глубина термического проникновения составит примерно 0,32 мм, что всего лишь в 1,185 раза больше чем глубина вязкостного в предыдущем примере.

Какие можно из всего этого сделать выводы?

Ну во первых, при достаточно крупном диаметре резонатора, волна почти никак ни вязкостно, ни термически не взаимодействует с резонатором. Резонатор только задаёт направление волны и тип волны. Отсюда следует, что для того чтобы передавать и отнимать у газа тепловую энергию, величина каналов (пор, отверстий, щелей) в теплообменном аппарате должна быть где то в районе величины термического проникновения, но ни в коем случае не намного больше этой величины.

Затем, так как глубины вязкостного и термического проникновения почти равны для любых газов и для любых частот, то термоакустические устройства обречены на то чтобы иметь потери связанные с трением газа о поверхность теплообменного аппарата.

Источник

Холодильник, работающий на звуковых волнах, и другие неожиданные технологии в закладки 7

Охлаждение

Danby DAR440BL Designer Compact All Keg Refrigerator 05191

Первый холодильник, работающий на звуковых волнах, разработала одна пенсильванская группа исследователей при финансовой поддержке производителя мороженного Ben&Jerry’s. Да, это звучит невероятно, однако технология вполне реальная. Работает она по такому принципу: воздух сжимается и разряжается под воздействием звуковой волны, что в результате дает нагрев и охлаждение.

TRITONBobJohn 02440

Скот Бэкхаус и Грег Свифт — изобретатели технологии

В естественных условиях звук влияет на температуру таким же образом, однако значительно в меньших масштабах, примерно на 1/10000 градуса, но если поместить газ и сжать его под давлением около 10 атмосфер, то влияние в разы увеличивается. В так называемом «термоакустическим холодильнике» газ внутри холодильной камеры проходит со звуком в 173 дБ, в результате генерируется достаточное количество тепла, которое забирают установленные на «пути» металлические пластины, направляя его в теплообменник. В конечном итоге происходит охлаждение содержимого холодильника.

TRITONthermal 03960
Термоакустический холодильник

Главный плюс данной технологии — она, по сравнению с применяемыми до сих пор в холодильных приборах, является более щадящей по отношению к окружающей среде.

В таком приспособлении нет токсичных хладегентов, инновационная система отлично взаимодействует с инертными газами (например, гелием). Поэтому приверженцы «зеленых» технологий обязательно должны присмотреться к такому виду бытовой техники как альтернативе существующих на рынке в данный момент.

Планы у создателей действительно наполеоновские. Они обещают приложить все усилия, чтобы популяризовать термоакустический холодильник, сделать его доступным не только для крупных предприятий, но и для использования в повседневном быту.

Перспектива однозначно имеется, так как такие приборы более надежные и долговечные благодаря использованию значительно меньшего количества механических деталей, которые периодически выходят из строя и требуют замены

Сварка

ultrasonic welding plastic 08488

На самом деле, при помощи ультразвука пластик сваривают еще с 60-х годов. Для данного способа соединения термопластических деталей необходимо их сдавить на специальной наковальне и направить ультразвуковые волны, под воздействием которых молекулы начинают вибрировать, а в результате трения генерируется тепло, прочно соединяя две детали друг с другом.

Ultrasonic Welding 05328

УЗ сварка металлической фольги.

Явление это было открыто совершенно случайно исследователем Робертом Солоффом. Тогда разрабатывалась технология, позволяющая запечатывать пленку при помощи ультразвука. Случайно Роберт притронулся зондом к держателю для скотча и в результате две половинки моментально и прочно скрепились между собой.

Таким образом Солофф и открыл новым метод сварки ультразвуком. Впоследствии он запатентовал технологию. Благодаря этому открытию ультразвуковая сварка используется чуть ли не во всех отраслях производства, где необходимо соединения различных полимерных материалов, начиная с предметов гигиены и заканчивая машиностроением.

Передача данных

mobile app transering data using ultrasound 02118

также ультразвук используется и для передачи информации между двумя или более компьютерами. Но тут есть и опасность — таким же образом можно беспрепятственно пересылать и вредоносные программы, то есть вирусы. Данную особенность ультазвуковых волн помог обнаружить MacBook Air, когда после установки ПО загрузочная информация сама по себе обновилась. К сожалению, опыт был весьма неудачным, так как устройство «подхватило» вирус, запрещающий считывать информацию с посторонних носителей, а также стирающий данные. Даже форматирование и переустановка программного обеспечения не «вылечили» устройство.

Этим явлением заинтересовались ученые из Немецкого института. Они создали вирус и смогли передать его на другой ноутбук при помощи всего лишь динамиков. Для этого даже не понадобилось подключаться к сети. Результаты опытов оказались просто ошеломляющими: передавать информацию «по воздуху» без Интернета можно на устройства в радиусе 20 метров, если соединить несколько компьютеров по цепочке, дальность увеличивается. Единственное, скорость передачи очень маленькая — порядка 20 бит/с.

Оперативное медицинское вмешательство

exablate 03048

Ультразвук уже давно применяется в медицине. Например, на нем завязана технология обычного УЗИ или процедура дробления почечных камней, однако теперь в арсенале медиков появился новый прибор — акустический скальпель. Прорыв заключается в том, что это один из наиболее точных приборов — он способен буквально отделить одну клетку. Точность инструмента составляет 75 х 400 мкм.
ultrasound lab instruction 01 03763
Ультразвуковое исследование.

Для создания скальпеля понадобилась линза с покрытием из углеродных нанотрубок и полидиметилсилоксана, которые преобразовывают свет в звуковые волны. Те, в свою очередь под высоким давлением провоцируют вибрацию, а также образование микропузырьков.

Технология на данный момент уже протестирована. С ее помощью удалось отделить раковую клетку. Также скальпель испробовали на камне, образованном в почке. При помощи устройства врачи смогли просверлить микроскопическое отверстие в образовании в 150 мкм.

Голосовая зарядка мобильных устройств

pdp 2 omni 10212014 03437

Покричать на телефон, чтобы его зарядить, кажется безумием? Тем не менее, это уже реальность. Целая группа исследователей работает сейчас над созданием мобильных устройств, которым в принципе не будет нужна подзарядка.

Из школьного курса физики все мы знаем, что звук создается благодаря колебаниям воздуха. Почему бы не сделать его энергетическим источником? Работа в данном направлении началась еще в 2011 году, когда ученые из Сеула экспериментировали с получением электричества из звуковых волн посредством нанотрубок, изготовленных из оксида цинка и закрепленных между электродами.

Тогда получилось выработать около 50 милливольт от автотранспортного шума на обычной дороге. Идею поддержала одна лондонская группа. Уже в прошлом году им удалось создать технологию, генерирующую напряжение до 5 вольт, а для зарядки телефона этого достаточно.

«Живой микрофон»

article 2417313 1BC03CBF000005DC 188 634x326 09427

На этот раз мир потрясли исследователи Disney. Они представили устройство под названием Ishin-Den-Shin, которое в буквальном смысле превращает тело человека в микрофон. Устройство представляет из себя микрофон, который подключается к обычному ноутбуку или компьютеру. Суть изобретения — передавать сообщения без участия голоса, то есть это практически сродни телепатии. Правда, необходимо дотронуться до другого человека, чтобы он «услышал» немое послание.

Один человек говорит в микрофон, а компьютер записывает послание. Далее запись преобразуется в электрический сигнал малой мощности, но с большой амплитудой. По специальному отдельному проводу он возвращается в устройство, а тот, кто держит микрофон, сам становится «проводником». Теперь дело за малым — нужно всего лишь прикоснуться к уху «реципиента», чтобы создать вибрацию. В конечном счете палец «отправителя» и ухо «получателя» образуют своеобразный громкоговоритель, и второй «слышит» сигнал.

Разведка и шпионаж

kuenftig verboten der agent 06839

Помните, сколько невероятных шпионских штучек было в фильмах о Джеймсе Бонде? Но о таком он даже помышлять не мог. При помощи алгоритма, разработанного в Массачусетском институте, стало возможным восстанавливать колебания звука от объектов, записанных на видео. Технология улавливает мельчайшие вибрации, возникающие на поверхности, а затем преобразовывает их в звук.

В ходе тестирования удалось полностью восстановить речь через пакет чипсов, который был снят через звуконепроницаемое стекло и находился на расстоянии около 4.5 метра. Хоть описание работы звучит очень сложно, на практике все крайне просто — необходимо лишь направить прибор, например, в окно: далее вы услышите все, что происходит в комнате.

Но данная технология не безупречна. Для ее работы необходимо не обычное видео, а снятое с высокой частотой кадров, превышающей частоту звука. Например, если видео будет снято на обычную цифровую камеру, можно будет определить количество людей, участвующих в разговоре, а также их пол, но в большинстве случае не более. Определенно у технологии есть перспектива в области криминалистики и разведки.

Камуфляж

1404048579 01 06519

Тройку самых невероятных технологий, использующих звуковые волны, открывает еще одна «штука в стиле Бонда», а именно метод маскировки объектов при помощи звука. Устройство, разработанное для акустического камуфляжа, внешне похоже на какую-то странную пирамиду с мелкими отверстиями. Такая форма обусловлена свойством изменять траекторию движения звуковой волны. Работает «щит» просто — его необходимо просто надеть на любой объект и все: он делается для звука невидимым.

Проект финансировался вооруженными силами США и начинался как стратегическая разработка. На данный момент акустический камуфляж не является идеальным, например, он не сможет защитить от прослушки, так как звук внутри не удерживается. Тем не менее, это далеко не конец, а устройство обладает огромным потенциалом для скрытия в будущем объектов от систем слежения. В теории когда-нибудь даже возможно создание подлодок-невидимок при помощи данной технологии.

Тяговый луч

tractor beams 09927

Знаменитый сериал «Звездный путь» стал источником вдохновения для многих ученых. Уже давно ведутся исследования, направленные на разработку лучей, которые смогли бы переносить различные предметы прямо по воздуху, однако в этой сфере особых прорывов пока не было и не предвидится в скором будущем. Однако оказалось, что ультразвуковые волны способны на нечто подобное — такие лучи могут захватывать объекты размером около 1 см. На данный момент это максимум.

Тактильная голограмма

D0 B0 D0 BC 01814

И снова технология из «Стар Трека» и множества других кинопродуктов, затрагивающих тему будущего. До недавнего времени создание тактильной голограммы стопорилось из-за невозможности воссоздать тактильные ощущения. Однако это уже в прошлом.

Исследователи из Бристольского университета продемонстрировали устройство под названием UltraHaptics, которое воспроизводит некоторые простые виртуальные фигуры, такие как пирамиды или сферы. Для этого применяются сенсоры, которые буквально «следят» за руками и управляют звуковыми волнами для воссоздания иллюзии.

По словам разработчиков, у новинки есть огромный потенциал хотя бы в индустрии видеоигр, но впоследствии медицина также сможет ее использовать, например, для осязания объектов, изображенных на снимке томографии.

Источник

Поделиться с друзьями
admin
Здоровая спина
Adblock
detector