Электрификация

Справочник домашнего мастера

Термоакустический генератор электрической энергии

Зачем нужен термоакустический генератор?


Рис. 1 Предполагаемый внешний вид домашнего термоакустического газового генератора
В одной из предыдущих статей я рассказывал о том, что занимаюсь разработкой термоакустического генератора: «Создание и первый запуск термоакустического двигателя с бегущей волной». В этой статье я хочу рассказать подробнее о возможных применениях данного генератора и о том, как его встроить в существующую энергосистему.
Один из мировых трендов в последнее время – это децентрализация. Всё большее число людей хотят быть максимально независимыми от крупных организаций. Это проявляется, например, в виде желания иметь собственную микро фабрику в виде 3D принтера, в виде желания самому выпускать собственные деньги, такие как криптовалюты, или в виде желания иметь своё собственное средство массовой информации, в виде канала на ютубе. Энергетика тоже уже давно взяла курс на децентрализацию. Всё большее число людей хотят иметь свой собственный источник электрической и тепловой энергии.

Рис. 2. Иллюстрация децентрализации энергетики в Дании на основе распределенной когенерации. Источник: Danish Energy Agency
К примеру, в Дании очень активно идет децентрализация энергетики (рис. 2).
Какие плюсы у децентрализации энергетики?
Помимо увеличения самостоятельности, независимости каждого отдельного человека при децентрализации, преимущества заключаются в том, что:
— Микро-ТЭЦ находиться всегда гораздо ближе к потребителю, чем крупная ТЭЦ. Таким образом, практически исчезают потери электрической и тепловой энергии, при передаче по проводам и теплотрассам соответственно.

Рис. 3. Микро-ТЭЦ Senertec Dachs F5.5 на двигателе внутреннего сгорания, мощностью 5.5 кВт
— Появляется возможность строительства домов и предприятий в тех местах, куда было слишком дорого либо вообще невозможно подвести энергию. Например, вам понравилось какое либо место красотой пейзажа, но подвести электроэнергию туда не возможно. В таком случае, единственным способом питания дома энергией, является генерация электрической и тепловой энергии на месте, то есть в самом доме.

Рис. 4. Частный дом на удалении от цивилизации
— Распределённая генерация энергии увеличивает устойчивость энергетической системы к различным авариям и катастрофам. В случае катастрофы на крупной ТЭЦ, при децентрализованной генерации, снижается количество людей, отрезанных от энергоснабжения.

Рис. 5. Катастрофа на электростанции Фукусима
— Распределённая генерация обладает большой гибкостью и адаптивностью при резких, неравномерных по территории изменениях в потреблении энергии. Благодаря децентрализации становиться возможным объединение множества источников энергии в единую интеллектуальную сеть под названием Micro Grid, которая выравнивает и оптимизирует выработку и потребление энергии.

Рис. 6. Схематичное изображение Micro Grid – интеллектуальной энергетической сети, оптимизирующей выработку и потребление энергии
— В странах, в которых законодательно разрешено продавать излишки вырабатываемой электроэнергии в общую сеть, с помощью микро ТЭЦ можно заработать деньги. Наиболее распространён такой тип заработка на данный момент в солнечных районах, в которых, закрепив на крышу своего дома солнечные панели, можно за несколько лет продажи электроэнергии вернуть стоимость панелей и затем уже получать с них прибыль.


Рис. 7. Солнечная электростанция на крыше дома
— Затем, перспективность микро ТЭЦ заключается в том, что когда ресурс существующих крупных электростанций подходит к концу, то появляется дилемма: строить новую крупную электростанцию или множество небольших? Последнее время выбор всё чаще останавливается на создании сети из средних, мини и микро ТЭЦ, взамен вышедшей из строя крупной.
Ограничения при децентрализации энергетики
У децентрализации энергетики много преимуществ. В тоже время нельзя сказать, что нужно обязательно стремиться к случаю максимально возможной децентрализации. То есть к случаю, когда в каждом частном, в каждом многоэтажном доме, на каждом предприятии и в каждом здании установлена своя собственная тепловая электростанция. В местах плотного скопления потребителей энергии крупная ТЭЦ будет опережать группу из микро-ТЭЦ благодаря более низкой стоимости выработки энергии, связанной с более оптимизированными процессами обслуживания, меньшей сложностью и материалоёмкостью.

Рис. 8. Северо-Западная ТЭЦ
Однако существуют места, с низкой плотностью скопления потребителей и места в которых строительство крупных ТЭЦ либо невозможно, либо необоснованно. Именно в таких местах микро-ТЭЦ постепенно занимают рынок и вытесняют крупные ТЭЦ. Наряду с микро-ТЭЦ так же существуют и альтернативные источники энергии, такие как солнечные и ветряные электростанции, которые также ориентированы на не плотно заселённые и труднодоступные районы планеты, однако они не работоспособны в местах с низкой солнечной активностью и при отсутствии необходимого количества ветряной энергии.
Таким образом, можно сказать, что децентрализация выработки энергии при помощи микро-ТЭЦ наиболее перспективна в не густонаселённых районах с относительно низкой солнечной активностью и с относительно небольшой силой ветра или нестабильным ветром.
Зона, оптимальная для использования микро-ТЭЦ в России
Рис. 9. Карта выработки энергии в России
Так каковы же размеры оптимальной для использования микро-ТЭЦ территории и сколько на ней проживает людей? Для примера возьмём Россию. В зоне неохваченной централизованным электроснабжением (на 2018 год) находиться около 13 % населения, то есть 19,1 млн. человек. Только треть территории страны охвачена централизованным электроснабжением.
Рис. 10. Карта солнечной инсоляции на территории России
Рис. 11. Карта ветровой активности на территории России
Если посмотреть на карты солнечной активности и ветровой энергии, то можно увидеть, что большинство пользователей европейской части России, не подключённых к централизованному энергоснабжению, находятся в зоне с низкой солнечной и ветровой активностью. Таким образом, они находятся в зоне оптимальной для микро-ТЭЦ.
На данный момент в подавляющем большинстве случаев в данном регионе используются микро-ТЭЦ на основе двигателей внутреннего сгорания, либо связка генератор на двигателе внутреннего сгорания и отопительный котёл.
Рис. 12. Мини-ТЭЦ на сжиженном и природном газе в г. Клин, Московская область
Также получили распространение в России микротурбинные газогенераторные установки фирмы Capstone.

Рис. 13. микрогенераторы Capstone
Какие имеются проблемы у существующих на данный момент микро – ТЭЦ?
Основные проблемы существующих активно эксплуатируемых микро-ТЭЦ – это:

  • маленький интервал между техническим обслуживанием, низкая надёжность.

Рис. 14. Ремонт дизельного генератора
Дизельные и газотурбинные генераторы требуют обслуживания в лучшем случае раз в год. Это увеличивает стоимость выработки электроэнергии, создаёт лишнюю организационную работу владельцам такой установки, а во время проведения обслуживания установку естественно приходится останавливать на определённое время, что создаёт проблемы потребителям.
— У дизельных и газотурбинных установок отсутствует возможность использовать все виды горючих топлив (жидкое, газообразное, твёрдое горючее), а также отсутствует возможность использовать альтернативные источники тепловой энергии (солнечная, геотермальная, бросовое тепло).
Рис. 15. Возможные виды тепловой энергии для микро ТЭЦ. Слева на право: бросовое тепло предприятия, геотермальная энергия, солнечная энергия, энергия горючих топлив
Далеко не у всех потребителей оптимальный источник тепловой энергии для микро-ТЭЦ – это дизельное топливо или природный газ. Бывает гораздо дешевле использовать другие источники тепловой энергии. Например на предприятии, на котором тепловая энергия сбрасывается в атмосферу, можно спасать часть этой энергии, вырабатывая с её помощью электроэнергию на микро-ТЭЦ. Либо в районах с геотермальными источниками (например, Камчатский край) использовать тепловую энергию недр земли. В районах с высокой солнечной активностью можно использовать для нагрева солнечную энергию или совместно солнечную энергию и энергию сжигаемого горючего топлива.
Таким образом, использование дизельными и газотурбинными генераторами только горючих топлив, является их явным недостатком.
— Высокая начальная цена микро-ТЭЦ. Из-за высокой цены многие люди отказываются от приобретения установки, так как хоть использование установки и становиться через несколько лет дешевле, чем подключение к электросети, но осилить сразу же цену микро-ТЭЦ люди не в состоянии.
Решение проблем
Первые две выше обозначенные проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и всеядностью решают установки, построенные на основе двигателей Стирлинга.
Рис. 16. микро-ТЭЦ Viessmann Vitotwin 300-W
Ещё одно решение первых двух проблем, это установки на основе паровых микротурбин, то есть установки, работающие по циклу Ренкина.
Как пример такой установки, разработанный в России, можно привести микроэнергетический комплекс на базе влажно-паровой микротурбины, созданный научно-производственным предприятием «Донские технологии»
Рис. 17. МЭК «Донские технологии» электрической мощностью 5 кВт
Не смотря на все преимущества данных установок по сравнению с установками на двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных двигателях, они пока не обрели большой популярности из-за более высокой начальной стоимости, сложности ремонта или внепланового обслуживания (отсутствия квалифицированных работников, способных произвести внеплановый ремонт) и по причине долгого привыкания людей к новой технологии.

Термоакустический генератор
Так же как установки на двигателе Стирлинга и на паротурбинном цикле решают проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и отсутствием всеядности при выборе топлива, термоакустический генератор аналогично решает эти проблемы. Соответственно, для того чтобы занять место на рынке, термоакустическому генератору необходимо иметь начальную стоимость ниже, чем у данных установок, а желательно и ниже чем у дизельных и газотурбинных. Рассмотрим, за счёт чего в термоакустическом генераторе решаются проблемы с тех. обслуживанием и всеядностью, и можно ли решить проблему с высокой начальной ценой.
Напомню, для тех, кто не читал предыдущие статьи «1 статья»,»2 статья», что разрабатываемый мной термоакустический двигатель схематично выглядит примерно так:
Рис. 18. Схема четырёхступенчатого двигателя с бегущей волной
Система, состоящая из резонатора и теплообменников, генерирует под воздействием тепловой энергии энергию акустическую. То есть при наличии определённой разности температур между теплообменниками, в резонаторе возникает бегущая акустическая волна.
У термоакустического двигателя в таком виде крайне высокий ресурс, так как он не содержит никаких движущихся частей. Но для выработки электроэнергии нужны дополнительно турбогенераторы, которые должны преобразовывать акустическую энергию сначала в механическую энергию вращения ротора турбогенераторов, а затем и в электроэнергию. Таким образом, ожидается, что максимальный интервал между тех. обслуживанием в этой части будет ограничен необходимостью обслуживать турбогенераторы и в последнюю очередь сам двигатель.
То есть получается с одной стороны всё как у паротурбинной установки. Однако турбогенератор в термоакустическом двигателе работает при гораздо меньших температурах (около 40 градусов по Цельсию), чем в паротурбинном цикле, где температура турбины достигает более 200 градусов. При этом в термоакустическом двигателе турбина находится в среде инертного газа – гелия, либо аргона, в отличие от паровой турбины, которая изнашивается под ударами капель, содержащихся в паре. Таким образом, можно ожидать повышение ресурса турбогенератора в термоакустическом двигателе по сравнению с паровым турбогенератором.
Термоакустический двигатель может использовать почти любой источник тепловой энергии, так как является двигателем с внешним подводом тепла, так же как и двигатель Стирлинга. При этом имеет очень низкую разность температур между горячим и холодным теплообменниками, необходимую для старта двигателя (самое низкое значение разности температур, встречавшееся мне в литературе, составляет 17 градусов). Поэтому очевидно, что данный двигатель решает проблему с использованием различных видов тепловой энергии.
Посмотрим, за счёт чего термоакустический генератор может быть дешевле, чем генератор на двигателе Стирлинга и чем паротурбинный.

  • Во первых благодаря использованию стандартных труб в качестве корпуса резонатора. В отличие от двигателя Стирлинга, корпус термоакустического двигателя не должен иметь высокую точность изготовления. Сгодятся обычные стальные трубы без токарной обработки.
  • Затем, по сравнению со свободнопоршневым двигателем Стирлинга, термоакустический генератор имеет не линейный, а вращающийся генератор, что уменьшает его материалоёмкость, а, следовательно, и стоимость.
  • Ну и наконец, турбогенератор, так как работает практически при комнатной температуре, то может использовать в своём составе детали из пластика, что снижает стоимость его изготовления.

Таким образом, доведённый до коммерческого образца термоакустический генератор должен занять свою нишу на рынке микро-ТЭЦ.

Выработка электрической энергии термоакустическим способом

Изобретение относится к средствам выработки электрической энергии в трубопроводе для транспортировки газа или рядом с ним и может быть использовано для энергоснабжения используемого в трубопроводе или рядом с ним оборудования. Способ выработки электроэнергии содержит следующие операции: обеспечение прохода газа по трубопроводу для транспортировки газа вдоль входной части акустического резонатора, в результате чего создается стоячая звуковая волна в резонаторе; обеспечение прохода текучей среды, находящейся в резонаторе, через проницаемое тело, в котором образовано некоторое количество по существу стационарных холодных мест и/или горячих мест в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды; обеспечение термической связи между термоэлектрическим устройством и, по меньшей мере, одним из указанных холодных мест и/или горячих мест для выработки электрической энергии. Термоэлектрический генератор, реализующий способ, содержит акустический резонатор, имеющий входную часть, выполненную с возможностью соединения с отверстием в стенке трубопровода для транспортировки газа или в стенке оборудования, расположенного внутри трубопровода, проницаемое тело, расположенное в акустическом трубчатом резонаторе, и термоэлектрическое устройство для выработки электрической энергии. Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия устройства для выработки энергии без ограничения потока, текущего по трубопроводу. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к генератору для выработки электрической энергии и способу выработки электрической энергии в трубопроводе для транспортировки газа или вблизи от трубопровода для транспортировки газа.

Трубопроводы для транспортировки газа могут быть расположены в удаленных местах, таких как зона забоя в газовой продуктивной скважине, или под водой и/или под землей, или в зонах без надежного снабжения электрической энергией, таких как зоны в открытом море или ненаселенные территории.

Из патента США 6150601 известна выработка электрической энергии в лифтовой колонне для добычи газа в зоне забоя скважины с помощью термоэлектрического устройства, приводимого в действие за счет температурного градиента скважины, при этом указанный градиент может быть создан посредством размещения средства для ограничения потока в лифтовой колонне, в котором газ расширяется и охлаждается за счет адиабатического расширения. Недостатком известной системы является то, что ограничение потока приведет к уменьшению количества добываемого газа, и то, что газ охлаждается только на несколько градусов Цельсия, если только средство для ограничения потока не будет большим, и очень высокие, например, сверхзвуковые скорости газа достигаются в трубке Вентури, и в данном случае трубка Вентури будет создавать большое ограничение потока и будет подвергаться изнашиванию с высокой скоростью.

В патенте США 6011346 раскрыт другой скважинный генератор для выработки энергии, который содержит пьезоэлектрический элемент, который деформируется за счет перепада давлений в трубке Вентури. Недостатком этого известного генератора для выработки энергии является то, что пьезоэлектрические элементы имеют низкую выходную мощность, так что его эффективность является низкой.

Цель настоящего изобретения заключается в частичном устранении недостатков известных систем для выработки энергии и в создании термоакустического генератора для выработки энергии, который имеет более высокую эффективность (кпд) по сравнению с известными генераторами и который не требует использования средства для ограничения потока в трубопроводе для транспортировки.

Краткое изложение сущности изобретения

Способ согласно изобретению включает следующие операции:

обеспечение прохода газа по трубопроводу для транспортировки газа вдоль входной части акустического резонатора, в результате чего создается стоячая звуковая волна в резонаторе;

обеспечение прохода текучей среды, находящейся в резонаторе, через проницаемое тело, в котором образовано некоторое количество по существу стационарных холодных мест и/или горячих мест в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды; и

обеспечение термической связи между термоэлектрическим устройством и, по меньшей мере, одним из указанных холодных мест и/или горячих мест для выработки электрической энергии.

Проницаемое тело может представлять собой ряд уложенных в виде стопы пластин, которые расположены на заранее заданных расстояниях друг от друга.

Следует отметить, что в патентах США 4625517 и 5456082 раскрыты термоакустические устройства с проницаемыми телами, образованными в виде ряда расположенных определенным образом стержней или пластин, которые могут быть использованы в способе и генераторе согласно изобретению.

Термоэлектрическое устройство может содержать термопару, которая может образовывать часть термоэлектрического элемента (элемента Пельтье).

Кроме того, ряд преобразователей акустических сигналов может быть расположен в трубопроводе для транспортировки газа или рядом с трубопроводом для транспортировки газа, при этом указанные преобразователи определяют характеристики стоячей звуковой волны в трубопроводе для транспортировки газа, распространяемой от входной части акустического резонатора. Акустические преобразователи могут представлять собой микрофоны, которые преобразуют разности фаз акустического сигнала на разных расстояниях от указанной входной части в электрический, волоконно-оптический или другой сигнал, который передается в систему мониторинга потока, преобразующую измеренную или измеренные разность или разности фаз и/или другие характеристики звукового или звуковых сигнала или сигналов в показатель, характеризующий скорость потока газа в трубопроводе для транспортировки газа.

Соответственно, энергией для микрофонов служит электроэнергия, вырабатываемая термоэлектрическим устройством, и микрофоны преобразуют акустический сигнал в импульсный цифровой (дискретный) акустический, оптический, электрический или другой сигнал. Система мониторинга потока может быть соединена с устройством для регулирования потока, которое обеспечивает регулирование скорости потока газа в трубопроводе для транспортировки в зависимости от отклонения контролируемой скорости газа от опорного значения.

Изобретение также относится к термоэлектрическому генератору для выработки энергии, предназначенному для выработки электрической энергии в трубопроводе для транспортировки газа или вблизи от трубопровода для транспортировки газа. Генератор для выработки энергии в соответствии с изобретением содержит акустический резонатор, имеющий входную часть, выполненную с возможностью соединения с отверстием в стенке трубопровода для транспортировки газа или в стенке оборудования, такого как роботизированное устройство, скважинный зонд для каротажа или инструмент для контроля и/или чистки, расположенный внутри трубопровода, проницаемое тело в акустическом трубчатом резонаторе, которое в процессе использования, по меньшей мере, частично охлаждается или нагревается в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды, и термоэлектрическое устройство, которое выполнено с возможностью соединения, по меньшей мере, с одним холодным местом и/или горячим местом, образованным в процессе использования в проницаемом теле, для выработки электрической энергии.

Описание предпочтительного варианта осуществления

Изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертеж, который показывает схематичное продольное сечение лифтовой колонны в газовой скважине, которая снабжена термоакустическим генератором для выработки энергии согласно изобретению.

Как показано на чертеже, поток природного газа 1 проходит вверх по лифтовой колонне 2 к устью скважины (непоказанному) на поверхности земли. Термоакустический генератор 3 для выработки электрической энергии расположен в кольцевом пространстве 4 между лифтовой колонной 2 и обсадной колонной 5 скважины, которая закреплена путем цементирования в подземном пласте 6.

Генератор 3 для выработки энергии содержит кольцевой акустический резонатор 7, который имеет одно или несколько входных отверстий 8, которые образованы отверстиями или кольцами в стенке лифтовой колонны 2. Кольцевой резонатор 7 имеет закрытую верхнюю часть 18, и проницаемое тело 9 расположено в трубчатом резонаторе 7 рядом с верхней частью 18.

Кольцевой термоэлектрический преобразователь 10 смонтирован рядом с проницаемым телом 9. Преобразователь 10 образован посредством термоэлектрического элемента 11, включающего в себя биметаллические или полупроводниковые гальванические пары, которые вырабатывают электрическую энергию в результате перепада температур между проницаемым телом 9 и другими элементами скважины, который обусловлен охлаждением проницаемого тела в результате адиабатического расширения газа в резонаторе 7, вызванного резонирующей звуковой волной в резонаторе 7. Поглощение тепла в проницаемом теле 9 может приводить к снижению температуры более чем на 50°С. Таким образом, охлажденная сторона термоэлектрического элемента 10 подвергается отводу тепла со стороны проницаемого тела, а другая горячая (нагретая) сторона термоэлектрического элемента может быть снабжена проводниками 11 тепла, которые создают термическую «мостиковую» связь с соседними неохлажденными элементами, такими как стенка лифтовой колонны 2 и обсадная колонна 5 скважины. Верхний конец акустического резонатора 7 и термоэлектрический элемент 10 заключены в защитный и теплоизоляционный кожух 19.

Электрические кабели 12 проходят через кожух 19 и соединены с устройством для кондиционирования и/или с перезаряжаемой аккумуляторной батареей и/или со скважинным оборудованием с электрическим приводом (непоказанным), таким как система мониторинга и/или регулирования потока газа.

Соответственно, ряд микрофонов 13 расположен в лифтовой колонне 2 для определения частоты и фазы звуковой волны в лифтовой колонне 2, при этом указанная фаза зависит от скорости потока 1 газа в лифтовой колонне 2. Таким образом, сигнал, генерированный микрофонами 13, может быть передан в устройство для мониторинга потока, которое преобразует измеренную частоту в показатель, характеризующий скорость газа. Устройство для мониторинга потока может быть размещено на поверхности земли, и сигнал, генерированный микрофоном, может быть передан на поверхность посредством электрического или волоконно-оптического кабеля или в виде усиленного звукового сигнала, или в виде электромагнитного сигнала, который передается через стенку лифтовой колонны 2.

Следует понимать, что термоакустический генератор 3 для выработки энергии также может быть использован вместе с трубопроводами для транспортировки газа, расположенными на поверхности земли или рядом с поверхностью земли, такими как морские (подводные) трубопроводы для транспортировки газа и трубопроводы в удаленных зонах, таких как полярные зоны и пустыни, где отсутствует надлежащее электроснабжение, для снабжения электрической энергией необходимого оборудования для мониторинга и регулирования потока.

Кроме того, термоакустический генератор для выработки энергии согласно изобретению может быть использован для снабжения электрической энергией оборудования, которое используется внутри трубопровода для транспортировки газа или скважины, такого как роботизированное устройство, скважинный зонд для каротажа или инструмент для контроля и/или чистки, расположенный внутри трубы. В таком случае акустический резонатор может быть образован внутри корпуса оборудования, и входная часть резонатора будет образована одним или несколькими отверстиями, образованными в стенке корпуса оборудования, при этом поток газа проходит вокруг корпуса и вызывает образование стоячей звуковой волны в акустическом резонаторе.

В альтернативном варианте осуществления термоакустический генератор для выработки энергии согласно изобретению может функционировать подобно тепловому насосу и может быть соединен с горячим местом, образованным в проницаемом теле в результате адиабатического сжатия текучей среды, обусловленного видом резонирующей звуковой волны в акустическом резонаторе. Термоэлектрическое устройство может быть подсоединено между одним или несколькими холодными местами и одним или несколькими горячими местами, образованными в проницаемом теле в результате тепловых эффектов, возникающих из-за картины резонирующей акустической волны.

1. Способ выработки энергии в трубопроводе для транспортировки газа или вблизи от трубопровода для транспортировки газа, содержащий следующие операции: обеспечение прохода газа по трубопроводу для транспортировки газа вдоль входной части акустического резонатора, в результате чего создается стоячая звуковая волна в резонаторе; обеспечение прохода текучей среды, находящейся в резонаторе, через проницаемое тело, в котором образовано некоторое количество по существу стационарных холодных мест и/или горячих мест в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды; обеспечение термической связи между термоэлектрическим устройством и, по меньшей мере, одним из указанных холодных мест и/или горячих мест для выработки электрической энергии.

2. Способ по п.1, в котором резонатор имеет кольцевую форму и расположен в забое скважины вокруг лифтовой колонны в газовой продуктивной скважине.

3. Способ по п.1, в котором трубопровод для транспортировки газа представляет собой трубопровод для транспортировки газа, расположенный в удаленном месте, такой как подводный и/или подземный трубопровод, или трубопровод в зоне без сооружений и технических средств для электроснабжения.

4. Способ по пп.1, 2 или 3, в котором проницаемое тело представляет собой ряд уложенных в виде стопы пластин, расположенных на заранее заданных расстояниях друг от друга.

5. Способ по п.4, в котором уложенные в виде стопы пластины образованы в кольцевом резонаторе путем наматывания полосы вокруг внутренней стенки кольцевого трубчатого резонатора и путем размещения ряда проставок между соседними слоями намотанной полосы.

6. Способ по п.1, в котором термоэлектрическое устройство представляет собой термопару, подсоединенную между горячим местом и холодным местом проницаемого тела или между горячим или холодным местом проницаемого тела и элементом, на температуру которого по существу не оказывают влияния стоячие акустические волны.

7. Способ по п.6, в котором термопара образует часть термоэлектрического элемента.

8. Способ по п.1, в котором ряд преобразователей акустических сигналов расположен в трубопроводе для транспортировки газа или рядом с трубопроводом для транспортировки газа, при этом указанные преобразователи определяют характеристики звуковой волны в трубопроводе для транспортировки газа, распространяемой от входной части акустического резонатора.

9. Способ по п.8, в котором акустические преобразователи представляют собой микрофоны, преобразующие акустический сигнал в электрический, волоконно-оптический или другой сигнал, который передается к устройству для мониторинга потока, преобразующему разности фаз и/или другие характеристики акустических сигналов в показатель, характеризующий скорость потока газа в трубопроводе для транспортировки газа.

10. Способ по п.9, в котором в качестве энергии для микрофонов используют электроэнергию, вырабатываемую термоэлектрическим резонатором, и микрофоны преобразуют акустический сигнал в импульсный цифровой (дискретный) акустический, оптический, электрический или другой сигнал.

11. Способ по п.8, в котором преобразователи сигналов включают одну или несколько перезаряжаемых аккумуляторных батарей, зарядка которых осуществляется посредством термоэлектрического устройства.

12. Способ по п.9, в котором система мониторинга потока соединена с устройством для регулирования потока, обеспечивающим регулирование скорости потока газа в трубопроводе для транспортировки в зависимости от отклонения контролируемой скорости газа от опорного значения.

13. Термоэлектрический генератор для выработки энергии, предназначенный для выработки электрической энергии в трубопроводе для транспортировки газа или вблизи от трубопровода для транспортировки газа, содержащий акустический резонатор, имеющий входную часть, выполненную с возможностью соединения с отверстием в стенке трубопровода для транспортировки газа или в стенке оборудования, расположенного внутри трубопровода, проницаемое тело, расположенное в акустическом трубчатом резонаторе, которое в процессе использования, по меньшей мере, частично охлаждается или нагревается в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды, и термоэлектрическое устройство, выполненное с возможностью соединения, по меньшей мере, с одним холодным местом и/или горячим местом, образованным в процессе использования в проницаемом теле, для выработки электрической энергии.

Расчёт оптимальной рабочей частоты термоакустического электрогенератора с готовой электродинамической частью и заданной нагрузкой Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 534.2

РАСЧЁТ ОПТИМАЛЬНОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА С ГОТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЧАСТЬЮ И ЗАДАННОЙ НАГРУЗКОЙ

© 2012 Г. В. Воротников, А. Н. Крючков

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

(национальный исследовательский университет)

Рассмотрен термоакустический генератор, состоящий из термоакустического двигателя на основе бегущей волны и линейного электрогенератора 18102МА с резистивной нагрузкой 80 Ом. С использованием метода электромеханических аналогий определена частота рабочей точки при максимальной электрической мощности и различной амплитуде давления. Результаты вычислений сопоставлены с расчётами специализированной программы ОсИаЕ.

Термоакустика, термоакустический двигатель, термоакустический электрогенератор, электромеханическая аналогия.

Термоакустические устройства привлекательны тем, что имеют минимум подвижных механических частей (или вообще их не имеют), что увеличивает технологичность их производства, срок эксплуатации и снижает затраты на изготовление по сравнению с механическими аналогами. В двигателе на основе бегущей волны часть рабочего газа претерпевает термодинамический цикл, близкий к циклу Стирлинга, что свидетельствует о высокой обратимости такой системы и в будущем позволит занять нишу в семействе тепловых двигателей.

Между тем производство таких систем, несмотря на кажущуюся простоту устройства, связано с рядом трудностей. Первые сложности возникают на этапе проектирования установки. Акустическая цепь обладает рядом взаимовлияющих параметров, так что проектировщику очень сложно определить оптимальные рабочие характеристики и соответствующую им геометрию установки.

Но даже после того, как всё рассчитано, построенная экспериментальная установка часто оказывается далёкой от проектных параметров. Это объясняется тем, что как любая околорезонансная система, термоакустическая установка обладает узким диапазоном изменения рабочих параметров, в котором она может эффективно функционировать. В таких случаях особенно важно качественно представлять, как влияет на систему изменение того или иного параметра и предусмотреть эффективные методы настройки уста-

новки.

Рис. 1. Схема термоакустического электрогенератора. 1 -регенератор; 2-холодный теплообменник; 3 -горячий теплообменник; 4 — термическая буферная трубка; 5 — вспомогательный холодный теплообменник; б — струйные диоды, 7 — инерционная трубка; 8 -податливость, 9 — узел альтернатора, 10-согласующая цепь

В данной работе для определения оптимальной рабочей частоты проектируемого термоакустического электрогенератора используется метод электромеханической аналогии. В публикациях анализ термоакустических систем строится на основе вычислений, выполненных пакетом ОекаЕ,

который разработан в Лос-Аламосской Национальной лаборатории (США). БекаЕ обладает более высокой точностью по сравнению с методом электромеханических аналогий, но не всегда позволяет реально оценить степень воздействия определяющих параметров на поведение системы. Это связано с использованием в программе метода стрельбы, который, как и все итерационные методы, при наличии в системе нескольких параметров имеет плохую сходимость.

1. Установка

Термоакустический генератор состоит из двух основных узлов: термоакустического двигателя и линейного электродинамического генератора переменного тока (альтернатора) (рис. 1). Термоакустический двигатель представляет собой замкнутый канал круглого сечения, в котором последовательно размещены: холодный теплообменник, регене-

ратор, горячий теплообменник и буферная трубка с вспомогательным холодным теплообменником. Петля замыкается узкой “инерционной трубкой”, которая постепенно переходит в широкую трубку с большой акустической податливостью. В качестве альтернатора был выбран 1S102MA производства CFIC Inc. Он снабжён поршнем, который имеет со стенкой зазор в 15мкм.

Поскольку термоакустический двигатель способен эффективно функционировать лишь в узком интервале нагрузок, определение характеристик установки выполнялось при наличии внешней электрической нагрузки. В качестве нагрузки использовался резистор RH =80 Ом, который мог рассеивать мощность, превышающую допустимую для альтернатора.

Таблица 1. Характеристики 1S102MA

Площадь поршня А 2.17е-3 2 М

Предельная амплитуда перемещения поршня f 5.е-3 м

Подвижная масса М 0.5 кг

Механическое трение Rm 3.5 И с/м

Жёсткость подвески К 4.2е+4 Н/м

Внутренняя электрорезистивность Re 7 Ом

Индуктивность катушки L 0.11 Гн

Коэффициент электромеханической связи В1 60 Тл-м

Таблица 2. Характеристики термоакустического двигателя (рис. 1)

Приведённая длина трубки 7 0.43 м

Площадь поперечного сечения трубки 7 7,85е-5 — 1.6е-3 2 М

Приведённая длина трубки 8 0.07 м

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Площадь поперечного сечения трубки 8 І.бе-3 -7.85е-3 2 М

Площадь поперечного сечения трубки 4 1.52е-3 2 М

Длина трубки 4 0.15 М

Среднее давление 3.0е+6 Па

Резистивность теплообменного узла с диодами 9.е+6 Па-с/м3

Задача сводилась к определению рабочей частоты и амплитуды давления, при которых электродинамический преобразователь с нагрузкой будет рассеивать максимальную электрическую мощность без ущерба для альтернатора. При этом КПД установки должен быть достаточно высоким.

Ещё одним условием метода должна быть максимальная простота расчётных схем, чтобы использовать его для предпроектной проработки аналогичных установок. Геомет-рия теплообменного узла (1-3 рис. 1) и буферной трубки 4 определена согласно рекомендациям . Из конструктивных

соображений заданы длины инерционной трубки 7 и податливости 8. Поэтому основными переменными для оптимизации выступали диаметры трубок 7 и 8, и импеданс цепи 10.

2. Моделирование

Прибегая к определённым упрощениям и используя принципы электромеханической аналогии, термоакустический электрогенератор можно представить в виде схемы сосредоточенных элементов (рис. 2).

Здесь символом Я обозначены резистивные элементы, С — податливости, Ь -инерционности, Ъ — сложные импедансы. Таким образом, термоакустический двигатель на схеме представлен инерционностью ЬА инерционной трубки 7 (рис. 1), податливостью Сд широкого участка 8, податливостью Сы буферной трубки 4, резистивно-стью Яд и источником для теплообменного блока 1-3.

Поскольку податливость трубки 8 при такой геометрии сопоставима с податливостью прилегающих к ней элементов, для отражения истинной картины В Сд были включены податливость трубки 7 и регенератора 1.

Акустическая податливость и инерционность определяются следующими выражениями

с = —, (1)

УРт

ь =

Рп,1 А ’

(2)

где и рт -давление и плотность газа в отсутствие колебаний, у — показатель адиабаты, V — объём податливости, 1 и А — длина и площадь сечения трубки.

Резистивность регенератора представлена упрощённым выражением, полученным на основании формулы Бакхауса-Свифта :

6цх1 1 вь+2-\

К, =

Аг; Ъ + 2 в -1

(3)

Резистивность щели рассчитывалась на основании выражения для малых чисел Рейнольдса

=

Аг,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2 ‘

(6)

Узел альтернатора 9 представлен акустическим импедансом Ъ^> электродинамика, сопротивлением щели Яв между поршнем и корпусом и податливостью Св объёма, расположенного за поршнем.

с, -Г ис

-АХ

1-А

РС

її

и

и

А

(0 -1) 1тк

и

Кт

ЬА С

’ь.Т \

лАДЛ

1“»ив

у

\ 2 в

гь-

г

сп

ит

ІН»

ис„

и

к

Рис. 2. Схематическое представление термоакустического электрогенератора в четырёхполюсниках

Если представить электродинамик с электрической нагрузкой в качестве четырёхполюсника, то его акустический импеданс определяется выражением

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1 ВГ~

а2 г. + 7,

(5)

где механическая составляющая

2 = — А2

Л,,+/йМ—

I СО ,

Собственный электрический импеданс электродинамического преобразователя складывается из электрической резистивно-сти Ке и индуктивного сопротивления катушки Ь\

7=11+ ісоЬ .

(?)

Величины А, Яш, М, К,

Е

л2 !в.4г„]

где |К| — амплитуда электрического напряжения.

На рис. 3,4 приведены графики, построенные согласно (8) и (9). Графики дают представление о верхних пределах мощности и внутреннего КПД электродинамика с нагрузкой на предполагаемом частотном диапазоне. Из рис. 3 следует, что на частотах свыше 90 Гц предельные мощности уже должны ограничиваться не максимальным

ходом поршня, а максимальной электрической мощностью альтернатора.

В действительности выражение (8) показывает максимально допустимую акустическую мощность на альтернаторе, которую термоакустический двигатель не всегда способен обеспечить.

НО

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(6) 130

— 2

\

Г

и Гц

(9)

Рис. 3. Мощность, как функция частоты при постоянной электрической нагрузке е 80 Ом. 1 — акустическая мощность ЕП, поглощаемая электродинамиком, 2 — электрическая мощность Ееь рассеиваемая нагрузкой

В случае реальной конструкции правая часть графиков рис.З пойдёт менее круто, а затем и вовсе на убыль из-за резкого уменьшения акустической мощности, достигающей альтернатора при отдалении от резонанса.

82.5 5? 82,0 І 81,5

Ь Гц

Рис. 4. КПД = Ее1 /Ев как функция частоты при постоянной электрической нагрузке в 80 Ом

Исходя из схемы сосредоточенных элементов (рис. 2) на основании уравнений Кирхгофа можно составить систему уравнения для определения неизвестных локальных параметров Ржи.

Мощность, достигающая альтернатора, определяется геометрией волноводов:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Е =-\Р -Р Г =

1 1

— +————+-

= ~\Р\2 2 с1

1 1 1 1

2к 2, 2 А ¿-‘А 44

1 1 1 1 _| 1 1

2К 2С кв в А А

Яе

7 7

70 + 7 г

— + 7Г

1 Е

импеданс части установки без двигателя

гн=-

і

і

в

і

(13)

2Ь 2С

2К 2С

(10)

Поскольку при такой грубой дискретизации схемы двигателя трудно рассчитывать на приемлемую точность локальных импе-дансов, выражение (10) можно использовать лишь для определения возможности существования установки с такой геометрией.

Таким образом, методика расчёта сводится к следующему:

1. На основании (8) для заданной частоты определяем Еп при максимальном ходе поршня.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Для заданной частоты и Еп на основании (10) при фиксированном Рс, сканируя весь диапазон переменной 2С^ определяем значения которые имеют реальный физический смысл (мнимая и вещественная части положительны).

3. Повторяем пп.1, 2 для всего диапазона частот и значений Рс.

4. Выбираем для каждого Рс минимальные значения частоты, для которых существует 2^.

В заключении остаётся проверить, существует ли для выбранного диапазона цепь настройки (Яе . Подобной зависимости достаточно для проведения проектных расчётов.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Авторы выражают благодарность теплофизической группе Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) за предоставление DeltaE для проведения некоммерческих исследований.

Библиографический список

©2012 G. V. Vorotnikov, A. N. Kruchkov

Samara state aerospace university named after academician S. P. Korolyov (National Research University)

Thermoacoustics, thermoacoustic heat engine, thermoacoustic alternator, electromechanical analogy.

Информация об авторах

Крючков Александр Николаевич, доктор технических наук, доцент кафедры автоматизированных систем энергетических установок, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: kan@ssau.ru. Область научных интересов: виброакустика машин.

Воротников Геннадий Викторович, аспирант, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: vorotnikov.g.v@mail.ru. Область научных интересов: рабочие процессы термоакустических двигателей и холодильных машин.

Новозеландец Сэнди Сандерсон придумал необычный способ утилизации пустых алюминиевых банок. В руках мастера привычная тара из-под пива, Кока-Колы и других напитков превращается в симпатичные модели автомобилей.

Как банка превращается в автомобиль

Вначале развертка авто рисуется на бумаге. Очень важно, чтобы готовый автомобиль выглядел так, будто изготовлен из одной банки. На самом же деле для создания некоторых моделей их понадобилось гораздо больше. Например, на постройку этого хот-рода ушло 20 баночек из-под Кока-Колы:

По нарисованным эскизам из дерева вырезаются детали внутреннего каркаса, на которые потом навешиваются вырезанные из банок панели. Благодаря продуманному расположению надписей и логотипов, нанесенных на упаковку, создается ощущение цельной конструкции.

Отрезанные на самодельном станке донышки становятся колесами будущей модели. Необходимо сделать колеса, находящиеся на одной оси равными по ширине.

В последнюю очередь на машину с помощью суперклея устанавливаются мелкие детали: фонари, циферблаты приборов, рычаги КПП и ручного тормоза, элементы подвески, заливная горловина и детали выхлопной системы. Их делают из алюминиевых трубочек, оцинкованной проволоки, электрических проводов, а также миниатюрных болтов и гаек. Эти завершающие штрихи придают моделям большую выразительность.

Готовая модель покрывается несколькими слоями прозрачного лака. На этом процесс изготовления закончен. Так выглядит один из автомобилей Сэнди Сандерсона в сборе:

Инструмент

Основные инструменты Сэнди — ножи для резки древесины, пара острых ножниц для резки банок, листы мелкой и крупной наждачки, клей и баночка прозрачного лака. Иногда мастер использует циркуль для разметки круглых и криволинейных деталей, плоскогубцы и пинцет для гибки проволоки, небольшой паяльник для соединения деталей при помощи пайки.

Поразительно, как с помощью умелых рук и нехитрых инструментов Сандерсону удается создавать такие классные и стильные модели:

Как сделать модель своими руками

Сделать модель автомобиля самостоятельно при наличии нужного количества пустых банок и свободного времени не стоит ничего. Но если вы хотите, чтобы поделка выглядела достойно, придется потрудиться при составлении развертки и последующем изготовлении. Готовая развертка может значительно облегчить поставленную задачу, поэтому Сэнди Сандерсон продает свои уже готовые развертки и инструкцию по изготовлению модели по 10 долларов за комплект. У него же можно заказать и уже готовый авто по цене от 200 до 2000 долларов, но это точно «не наш метод».

Если же вы самостоятельно решитесь сделать похожую модель, то прежде чем заказывать чертежи автомобиля из пивных банок, советуем сначала попробовать свои силы, а заодно и потренироваться на бумажных моделях. О том, где можно скачать развертки бумажных моделей машин бесплатно, рассказано в статье «Бумажные модели машин и танков».

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх