Термоакустическая установка для низкотемпературного охлаждения сред с многоконтурным термоакустическим двигателем
Полезная модель относится к технике охлаждения сред до криогенных температур, основанной на принципах термоакустических преобразований тепловой энергии. Полезная модель направлена на решение задачи повышения мощности бегущей акустической волны, распространяющейся в замкнутом резонаторе тороидального вида, с целью увеличения холодопроизводительности установки в целом. Данный технический результат достигается применением многоконтурной схемы термоакустического двигателя, когда увеличение мощности акустической волны на полезной нагрузке осуществляется за счет суммирования мощностей отдельных, параллельно расположенных, независимых контуров, в каждом из которых установлен свой двигатель.
Изобретение относится к технике охлаждения сред до криогенных температур, основанной на принципах термоакустических преобразований тепловой энергии.
Известна модель устройства тепловой машины, предложенная Ceperley Р.Н., патент US 4,114,380 от 19 сентября 1978 г., U.S. Appl. No.:05/774,063, содержащая набор последовательно расположенных элементов: теплообменник, регенеративный теплообменник (регенератор), теплообменник, которые установлены в некотором замкнутом объеме, заполненном рабочей средой, где свободно могут распространяться акустические волны. Когда первый теплообменник выполняет функцию подвода тепла в заданный объем (горячий теплообменник), а второй теплообменник осуществляет отвод тепла в окружающую среду, обеспечивая температурный градиент на регенераторе, то реализуется схема термоакустического двигателя. В этом случае теплообменные процессы, протекающие в регенераторе при колебательных смещениях рабочей среды, между элементарными объемами среды и телом регенератора, осуществляют циклическое преобразование тепловой энергии в энергию акустических волн.
Тепловая машина в комбинации: холодный или низкотемпературный теплообменник (в этом случае тепло отбирается от полезной нагрузки) - регенератор-теплообменник при температуре окружающей среды, называется тепловым насосом или термоакустическим холодильником. В этом случае протекает обратный процесс. Акустическая волна, распространяясь по каналам регенератора, совершает работу по переносу тепла из области холодного теплообменника в зону теплообменника для отвода тепла в окружающую среду.
Известна также модель резонатора со встроенной тепловой машиной, предложенная Ceperley Р.Н., патент US 4,355,517 от 26 октября 1982 г., U.S. Appl. No.: 06/204,328, которая представляет собой замкнутый волноводный контур тороидального вида, заполненный рабочей средой (газ, жидкость), обеспечивающей формирование и распространение бегущей акустической волны. Посредством включения в такой контур термоакустического холодильника получено устройство для низкотемпературного охлаждения сред.
Однако эффективность установок, созданных на основе данной модели, оказалось очень низкой, ввиду низкой плотности энергии сосредоточенной в получаемых акустических волнах. Кроме того, габаритные размеры данных устройств оказались слишком большими для практической реализации. Так для формирования бегущей волны в контуре протяженность волноводного тракта L должна быть порядка длины волны акустических колебаний 
. В случае низких частот (
100 Гц) длина волноводного контура для оптимальных сред составит порядка 10 и более метров.
Уменьшение габаритных размеров волноводного контура достигается подключением к нему резонатора Гельмгольца с рабочей длиной Lp=/4. Модель такой термоакустической установки была предложена авторами: G.W. Swift и S.N. Backhaus.
Существующие модели термоакустических установок для низкотемпературного охлаждения сред представлены в следующих базовых патентах:
US 4,953,366,
US 6,021,643,
US 6,032,464,
US 6,658,862.
Наиболее близким прототипом предложенной модели является устройство, описанное в патенте 
US 6,032,464, от 7 марта 2000 г., U.S. Appl. No.: 09/234,236. Установка содержит волноводный контур тороидального вида, в котором расположены: термоакустический двигатель, буферная трубы, вспомогательный теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, труба обратного хода и супрессор. Кроме того, в волноводный контур включен резонатор Гельмгольца. Полезной нагрузкой в установке является термоакустический холодильник, содержащий низкотемпературный или холодный теплообменник, регенератор и теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, (или пульсационная труба), который включен в канал резонатора.
В данной модели предложен ряд компоновочных решений термоакустического двигателя и термоакустического холодильника в одном резонаторном контуре, в параллельных контурах, а также рассмотрена схема с двумя контурами термоакустических холодильников с общей газовой емкостью. Данные схемы направлены на повышение эффективности использования уже сформированной акустической мощности, т.е. повышение эффективности работы непосредственно теплового насоса.
Однако холодопроизводительность установки зависит также от мощности акустической волны, распространяющейся в контуре. Мощность акустической волны на выходе термоакустического двигателя определяется температурным градиентом на регенераторе, объемом рабочей среды, участвующего в термодинамическом процессе, параметрами регенератора и рабочей среды, а также фазовым сдвигом между колебательными параметрами волны. При фиксированном рабочем объеме увеличение производительности установки может быть реализовано за счет роста градиента температуры на регенераторе.
Однако повышение температуры горячего теплообменника ограничено теплофизическими свойствами конструкционных материалов, а также ростом тепловых потерь в двигателе, которые ведут к снижению эффективности установки в целом. Кроме того, в случае обеспечения условия автономности установки (ограничение в использовании механических устройств по перекачке теплоносителя) уровень мощности теплового потока, направляемого в ограниченный объем, будет определяться пропускной способностью существующих средств подвода тепла.
Данные ограничения по величине подводимой тепловой мощности в заданный объем среды является общим сдерживающим фактором повышения производительности указанных моделей.
Полезная модель направлена на повышение мощности акустической волны в волноводном контуре на входе термоакустического холодильника и холодопроизводительности установки в целом.
Указанный технический результат достигается следующим образом. В установке, содержащей волноводный контур тороидального вида, который представлен в виде отрезка трубы с термоакустическим двигателем, выполненным в виде последовательности элементов: теплообменника для отвода тепла в окружающую среду, регенератора, горячего теплообменника, буферной трубы, вспомогательного теплообменника, отрезка трубы обратного хода и отрезка трубы с супрессором, а также содержащей резонатор Гельмгольца и, по крайней мере, один термоакустический холодильник, выполненный по аналогичной схеме: теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, регенератор, холодный теплообменник, параллельно с первым волноводным контуром тороидального вида с термоакустическим двигателем включен еще один и более волноводный контур тороидального вида с установленными в них термоакустическими двигателями, которые выполнены по аналогичной с первым контуром схеме.
Входящий в состав установки элемент под названием супрессор (от английского слова «suppressor» - подавитель) является регулировочным элементом, выполняющим функцию подавления конвективного тока массы рабочей среды в трубе обратного тока, а также служит для согласования фаз колебательных параметров акустической волны, соответственно, скорости и давления. Предложен авторами патента US 6,032,464 от 7 марта 2000 г., U.S. Appl. No.: 09/234,236, в форме набора конусообразных каналов, перекрывающих сечение волновода, в совокупности с конусообразными заглушками, соответствующих форме этих каналов.
Количество включаемых в установку волноводных контуров тороидального вида с термоакустическими двигателями ограничено лишь физической возможностью их пространственного расположения и соединения в одной узловом месте с резонатором Гельмгольца.
При этом все термоакустические двигатели установлены таким образом, чтобы сформированные в них акустические волны, распространяясь каждая по своему контуру, приходили в точку общего подключения в одной фазе.
Во-первых, это позволяет снизить тепловую нагрузку на теплообменные узлы термоакустических двигателей в каждом конкретном контуре.
Во-вторых, сложение мощностей термоакустических двигателей каждого волноводного контура тороидального вида приводит к увеличению акустической мощности на входе полезной нагрузки пропорционально числу подключенных волноводных контуров с термоакустическими двигателями. Как следствие, повышается холодопроизводительность установки в целом.
Изобретение поясняется одной иллюстрацией (фигура), где приведена принципиальная схема термоакустической установки для низкотемпературного охлаждения сред с применением двух волноводных контуров тороидального вида каждый со своим термоакустическим двигателем, которые подключены к общему резонатору Гельмгольца с одним термоакустическим холодильником.
Осуществление полезной модели.
Установка содержит следующие узлы и элементы: независимые параллельно подключаемые волноводные контуры тороидального вида 1 и 2 (фиг.), в каждом из которых расположены компоненты термоакустических двигателей 3, выполненных по единой схеме в виде последовательности элементов: теплообменник для отвода тепла в окружающую среду 4, регенератор 5, горячий теплообменник 6, буферная труба 7, вспомогательный теплообменник 8. Замыкание контуров осуществляется трубой обратного хода 9 и отрезком трубы с супрессором 10. К параллельным волноводным контурам подсоединен общий резонатор Гельмгольца 11. В качестве полезной нагрузки в систему включен термоакустический холодильник 12, выполненный по аналогичной с термоакустическим двигателем схеме: холодный теплообменник 13, регенератор 14, теплообменник для отвода тепла в окружающую среду 15.
При подаче тепловой мощности на горячие теплообменники термоакустических двигателей, на регенераторах двигателей устанавливаются заданные уровни температурных градиентов. В результате неравновесных тепловых процессов в каждом из них, возникают бегущие акустические волны, которые, впоследствии усиливаются, распространяясь по волноводным контурам, и суммируются в точке общего подключения. Согласование акустических колебаний в волноводных контурах задается совокупностью параметров среды, элементов волноводных контуров и резонатора. Основным условием совпадения фаз в точке соединения является равенство акустических сопротивлений (
a) подключенных волноводных контуров тороидального вида [4]:
.
В результате сложения амплитуд акустических колебаний, усиленных в каждом волноводном контуре тороидального вида с термоакустическим двигателем, суммарная мощность акустической волны на выходе увеличивается. Часть этой мощности расходуется в термоакустическом холодильнике на совершение полезной работы по отводу тепла из одной области среды в другую.
Для реализации предложенной полезной модели необходимо, чтобы:
- расчетные процедуры элементов волноводных контуров тороидального вида, термоакустических двигателей, резонатора Гельмгольца и термоакустического двигателя проводились по единой методике, например, по методике, предложенной в работе [5];
- выполнялось условие идентичности элементов волноводных контуров тороидального вида и термоакустических двигателей;
- имелась возможность индивидуальной настройки каждого волноводного контура тороидального вида со своим термоакустическим двигателем для согласованной работы с общим резонатором Гельмгольца, например, включением в контур регулировочных элементов таких, как супрессор.
Литература:
1. P.H. Ceperley // Патент US 4,114,380. Сентябрь 19, 1978.
2. P.H. Ceperley // Патент US 4,355,517. Октябрь 26, 1982.
3. G.W. Swift, S.N. Backhaus, D.L. Gardner. // Патент US 6,032,464. Март 7, 2000. U.S. Appl. No.: 09/234,236
4. А.П. Ефимов, A.B. Никонов, M.A. Сапожков, В.И. Шоров. Акустика: Справочник. М.: Радио и связь, 1989, 336 с.
5. G.W. Swift. Thermoacoustic engines. // J. Acoust. Soc. Am. Vol.84, No.4, October 1988.
Установка, содержащая замкнутый волноводный контур тороидального вида, в который включены: термоакустический двигатель в виде последовательно установленных элементов, а именно теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, регенератор, горячий теплообменник, буферная труба, вспомогательный теплообменник, а также труба обратного хода, кроме того, содержащая резонатор Гельмгольца, а также термоакустический холодильник в виде последовательно установленных элементов: холодный теплообменник, регенератор, теплообменник для отвода тепла в окружающую среду, отличающаяся тем, что параллельно с первым волноводным контуром тороидального вида с термоакустическим двигателем включен еще один и более волноводный контур тороидального вида, в каждом из которых установлен термоакустический двигатель, причем установлены они таким образом, чтобы акустические волны из каждого отдельного контура приходили в точку соединения с резонатором в одной фазе.
