Опубликовано 29 января 2023 г., 19:55, автор:

Гарри Валентайн

Термоакустические двигатели основаны на трубах, преобразующих тепло в резонансные звуковые волны, которые, в свою очередь, приводят в движение поршни внутри цилиндров. Открытие, сделанное несколько сотен лет назад, заключалось в том, что нижний конец вертикальной металлической трубы нагревался, а верхний конец был очень холодным. Восходящая конвекция происходила внутри трубы и создавала слышимые резонансные звуковые волны, которые продолжались, когда горячий конец трубы был запечатан. Стоячий звук, приводящий в движение поршень внутри цилиндра, составляет основу термоакустических двигателей, способных работать на тепле сгорания выхлопных газов судовых двигателей.

Характеристики двигателя

Несмотря на небольшой рабочий объем на цилиндр, термоакустические двигатели с внешним обогревом работают с эффективностью преобразования, сравнимой с другими небольшими тепловыми двигателями. Резонансная частота стоячей звуковой волны в основной трубе приводит в движение поршень с одной скоростью. При работе в узком диапазоне температур температура выхлопных газов турбонагнетателей двигателей внутреннего сгорания свыше 650 градусов по Фаренгейту достаточна для поддержания работы термоакустических двигателей малого диаметра, способных приводить в действие линейные электрические генераторы переменного тока и/или поршневые водяные насосы двойного действия.

В то время как большинство термоакустических двигателей были построены с использованием труб диаметром 1 дюйм, в двигателе, построенном в 1992 году, использовалась труба диаметром 5 дюймов, обеспечивающая одну лошадиную силу при КПД 9%. Двигатели, построенные с использованием стеклянных трубок малого диаметра, обеспечивали эффективность преобразования от 20% до 30%, что предполагает снижение теплопередачи от поверхности трубы к внутренней части трубы для труб большого диаметра. Одним из возможных методов повышения эффективности двигателей большого диаметра может быть увеличение теплопередачи во внутреннюю часть трубы с использованием материалов с высокой теплопроводностью или использование альтернативных методов подачи тепла во внутренний объем трубы. Для любой заданной длины участка трубы, подвергающегося воздействию тепла, оптимальный КПД двигателя требует равномерного нагрева воздуха по всему объему воздуха в пределах этой длины трубы.

Арсенид бора (BA) имеет теплопроводность почти в три раза больше, чем у меди, и в 15 раз больше, чем у стали. Секция трубы из арсенида бора с поперечными внешними ребрами и продольными внутренними ребрами улучшит передачу тепла от выхлопа двигателя внутреннего сгорания внутрь трубы. Можно было бы пропускать масло при температуре 700 градусов по Фаренгейту через кольцевой теплообменник с продольными ребрами, установленными вдоль внутри трубы большого диаметра для равномерной передачи тепла по внутреннему объему трубы. Компоновка с концентрическими кольцевыми теплообменниками будет передавать тепло во внутренний объем труб очень большого диаметра и из него.

Двигатели нижнего цикла

Нагретая жидкая охлаждающая жидкость от двигателей внутреннего сгорания может поддерживать работу низкотемпературных двигателей с органическим циклом Ренкина, которые используют спирт, аммиак или фреон в качестве рабочей жидкости и требуют конденсатора с водяным охлаждением. Тепло от выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания может поддерживать работу высокотемпературных двигателей с циклом Ранкина (паровых), использующих в качестве рабочего тела дистиллированную воду, а также двигателей с циклом Стирлинга и термоакустических двигателей, использующих в качестве рабочего тела воздух. Для парового двигателя потребуется конденсатор с водяным охлаждением, а водяное охлаждение повысит эффективность двигателей с циклом Стирлинга и термоакустических двигателей.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) мощностью 50 000 л.с., работающие с КПД 50%, будут выделять до 23 000 л.с. в виде тепла в систему жидкостного охлаждения и еще 23 000 л.с. в виде тепла выхлопных газов. В морской службе можно было бы использовать отработанное и выхлопное тепло как от охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, так и от его выхлопных газов для поддержания работы двигателей с нижним циклом. Паровые двигатели будут получать тепло выхлопных газов от очень мощных двигателей внутреннего сгорания, за которыми следуют либо двигатели с циклом Стирлинга, либо термоакустические двигатели для менее мощных двигателей внутреннего сгорания (менее 5000 л.с.).

Выводы

Паровые двигатели хорошо зарекомендовали себя как двигатели нижнего цикла с выхлопными газами сгорания большого внутреннего сгорания, имеющими достаточно тепла для преобразования жидкой воды в насыщенный пар. Очень небольшое количество горючего топлива требуется для преобразования насыщенного пара в перегретый пар для приведения в действие паровой машины, способной обеспечивать движение судна. Тепло от жидкого хладагента двигателя внутреннего сгорания и от масляного поддона может поддерживать работу или двигатели с органическим циклом Ренкина, которые могут обеспечивать питание отеля на борту пассажирских круизных судов. Тепло от выхлопных газов малых двигателей внутреннего сгорания может поддерживать работу двигателей, работающих по циклу Стирлинга, и термоакустических двигателей.

В настоящее время ведутся многочисленные исследования по изучению методов увеличения выходной мощности и эффективности будущих термоакустических двигателей, при этом эффективность в будущем считается возможной на уровне от 30% до 40%. Его простота повышает его привлекательность для любого из них, включая концентрированное преобразование солнечной тепловой энергии, работающее от тепла, накопленного в аккумуляторных батареях с расплавленной солью, а также преобразование энергии нижнего цикла. Установка концентрических кольцевых теплообменников на горячем и холодном концах открывает потенциал для повышения эффективности и выходной мощности двигателей, в которых используются трубы большого диаметра, что еще больше повышает привлекательность для будущего морского применения.

Мнения, выраженные здесь, принадлежат автору и не обязательно принадлежат The Maritime Executive.