Termoakustisk varmluftmotor
Stort set alle termoakustiske varmluftmotorer (eller termoakustiske varmepumper) er termoakustiske Stirlingmotorer. Termoakustiske varmluftmotorer er en teknologi som anvender lydbølger med stor lydstyrke i en gas (f.eks. luft, nitrogen, helium eller brint) til at pumpe varme fra et reservoir til et andet – eller til at omsætte noget af den overførte varme til lydbølger.
Termoakustisk varmluftmotor kan anvendes til at:
- Varmepumpe
- Køle
- Varme
- Lave akustisk energi ud fra en temperaturforskel (som kan omsættes til elektricitet via en akustisk transducer; fx en højttaler).
De kan derfor anvendes til at lave elektricitet eller varmepumpning ud fra solenergi og leverer i disse tilfælde vedvarende energi.
Funktion
redigérTermoakustiske varmluftmotorer anvender ikke ozonnedbrydende gasser eller giftige kølemidler og har yderst få bevægelige dele.
I en termoakustisk varmluftmotor bliver gassen ikke flyttet via stempler, men virker ved at en trykbølge katalyserer opvarmning og afkøling. Det mekaniske arbejde udvindes eller tilføres via en højttaler (evt. piezoelektrisk) eller et stempel – og fungerer i begge tilfælde som arbejdsstempler.
I varmluftmotoren er en enhed mellem varmreservoirets og koldreservoirets varmevekslere, som består af tynde f.eks. cirkulære eller flade lameller som har en lille afstand, på engelsk kaldes den en stack. Stacken fungerer til dels som en Stirlingmotor regenerator. I en termoakustisk varmluftmotor med stående lydbølger vil tryk og hastighedsændringerne gennem stacken fungere, så varme afgives ved højt tryk og varme fjernes ved lavt tryk og som opfylder Rayleigh’s criterion [1] så oscillationen er selvvedligeholdende. I denne proces omsættes noget varmeoverførsel til akustisk energi. I termoakustiske pumper omvendes denne proces. Pga. af den termiske forsinkelse i stacken, svarer den termodynamiske kredsproces til en Stirling-kredsproces, men uden knastaksler, stempelforinger, stempler og motorvægten minskes derfor drastisk. Ceperley (1979,1984) [2] [3]
Moderne forskning og udvikling af termoakustiske systemer er mest baseret på arbejde af Nikolaus Rott (1980) [4] og senere Steven Garrett og Greg Swift (1988) [5], i hvilken lineare termoakustiske modeller blev udviklet i sådan en retning at det fik kommerciel interesse, pga. af nichemulighederne i kryogene anvendelser. Teknologien er også anvendelig til aircondition til boliger, kommercielle bygninger, fartøjer og andre køle og varme anvendelser.
Effektivitet
redigérDe mest effektive termoakustiske enheder bygget (2000) har en relativ Carnot-kredsproces effektivitet på 40%, hvilket er sammenligneligt med de mest ineffektive kompressorvarmepumper i dag (højeffektive kompressorvarmepumper har relative effektiviteter på op til 65%) og termoakustiske enheder er i de fleste tilfælde interne forbrændingsmotorer overlegne. [6] [7]
Demonstration og selvbyg
redigérDet er muligt at lave sin egen termoakustiske varmepumpe. Her er en opskrift, som benytter lettilgængelige og billige materialer. [8]
Med få remedier kan en termoakustisk saser laves. Den består af et pyrex reagensglas (2,5cmØ*20cm eller større), et mindre katalysatorstykke fra en bils udstødningsrør der tilpasses så det lige kan skubbes ind i reagensglaset, et lille hjemmelavet varmeelement (modstand) lavet ved at folde varmetråd (NiCr-tråd – eller måske kantaltråd eller konstantantråd?) i mæanderform i den ene ende af katalysatorstykket – og lidt lakisoleret stift kobbertråd, til at lede elektricitet fra f.eks. en 6 Volts kilde til varmeelementet. [9] [10] [11]
Historisk
redigérHistorien om termoakustisk varmluftmotorer starter omkring 1887, hvor Lord Rayleigh diskuterer muligheden om man kan pumpe varme via lyd. Herefter ligger forskningen stort set "brak". I 1969 tages forskningen op igen af Nikolaus Rott. [12]
En yderst simpel termoakustisk varmluftmotor er et Rijke rør opfundet af Pieter Rijke, som omdanner lidt varme om til lydenergi. [13]
En anden ældre termoakustisk lignende varmluftmotor, hvor højttaleren er udskiftet med et arbejdsstempel er en Lamina Flow motor eller Lamina Flow Beta Stirlingmotor. [14] [15]
Større nyheder/udviklinger
redigérI 2004 blev det offentliggjort at en traveling-wave varmluftmotor med lyd-til-elektricitet konvertering havde en virkningsgrad på 18% og at den kan bruges til at energiforsyne deep-space rumfartøjer når varmen kommer fra radioaktive kilder. [16]
Orest Symko starter i 2005 et forskningsprojekt omhandlende termoakustisk varmluftmotor med piezoelektriske højttalere (Thermal Acoustic Piezo Energy Conversion (TAPEC)). Der er blevet bygget flere prototyper og en ringformet udgave designet af en studerende Ivan Rodriguez gav den største virkningsgrad. [17] [18]
Udviklingen af en kombineret elektrisk generator, køleskab baseret på to koblede termoakustiske Stirlingmotorer/Stirlingvarmepumper, er fornylig blevet offentliggjort. Deres originalnavn er SCORE (Stove for Cooking, Refrigeration and Electricity). [19] [20] [21]
Cool Sound Industries, Inc. (CSI) har en "ekslusivaftale" med USAs regering og regeringen har vistnok patenter i USA, Canada, Mexico, Storbritannien, Italien, Japan og Nederland. Termoakustisk varmepumper kan reducere varmeregningen med op til 80% når elnets energi anvendes. Teknologien blev udviklet i samarbejde med Department of Energy, NASA, Los Alamos National Lab og deres samarbejde universiteter. [22]
Ben and Jerry's "isfabrik" ansatte forskere fra Penn State University til at teste og udvikle en fungerende prototype på en termoakustisk køler som skulle offentliggøres på jordens dag 2004. [23]
Kilder/referencer
redigér- ^ Lord Rayleigh (1878). "The explanation of certain acoustical phenomena". Nature (London). 18: 319-321.
- ^ Ceperley, P. (1979). "A pistonless Stirling engine – the travelling wave heat engine". J. Acoust. Soc. Am. 66: 1508-1513.
{{cite journal}}: Ekstern henvisning i|journal= - ^ Peter H. Ceperley, Physics Department, George Mason University, Fairfax, Virginia 22030: Gain and efficiency of a short traveling wave heat engine, 1984, 1985
- ^ Rott, N. (1980). "Thermoacoustics". Adv. Appl. Mech. 20 (135).
- ^ Swift, G.W. (1988). "Thermoacoustic engines". J. Acoust. Soc. Am. 84: 1145-1180.
- ^ November-December 2000, americanscientist.org: The Power of Sound, feature, Web archive backup: Volume: 88 Number: 6 Page: 516, American Scientist Online: The Power of Sound. Sound waves in "thermoacoustic" engines and refrigerators can replace the pistons and cranks that are typically built into such machinery. Steven L. Garrett, Scott Backhaus Citat: "...At best it ran at 42 percent of the maximum theoretical efficiency, which is about 40 percent better than earlier thermoacoustic devices had achieved and rivals what modern internal-combustion engines can offer..."
- ^ Web archive backup: lanl.gov: More Efficient than Other No-Moving-Parts Heat Engines Citat: "...Already the engine's 30% efficiency [kommentar: Absolut] and high reliability may make medium-sized natural-gas liquefaction plants (with a capacity of up to a million gallons per day) and residential cogeneration economically feasible..."
- ^ 2001, Tabletop thermoacoustic refrigerator for demonstrations, Daniel A. Russell and Pontus Weibull (pdf) Citat: "...An inexpensive less than $25 tabletop thermoacoustic refrigerator for demonstration purposes was built from a boxed loudspeaker, acrylic tubing and sheet, a roll of 35 mm film, fishing line, an aluminum plug, and two homemade thermocouples..."
- ^ MadLabs, Dedicated to fun science!: Acoustic Laser Citat: "...it was invented by Reh-Lin Chen at Pennsylvania State University as a simple demonstration of the thermo-acoustic principle..."
- ^ 6 May 2005, The Citizen Scientist: The Acoustic Laser
- ^ Penn State University: Build your own 'acoustic laser'!
- ^ Thermoacoustic Oscillations, Donald Fahey, Wave Motion & Optics, Spring 2006, Prof. Peter Timbie
- ^ P. L. Rijke "The vibration of the air in a tube open at both ends" (1859) Philosophical Magazine, 17, 419-422.
- ^ Robert Sier. 2002: A Simple Lamina Flow Engine Citat: "... In practice the layout is not so simple as a true acoustical heat engine requires a resonate gas circuit... The engine bears some resemblance to the thermoacoustic engine but differs in not using resonate tubes. Also unlike the Tailer "thermal lag" engine its operation requires a regenerator stack....", backup, billeder, backup
- ^ Videoer via Youtube: Twin cylinder thermo-acoustic Stirling Engine #2, Lamina Flow Stirling Engine, Mystery Engine, Solar powered thermo-acoustic Stirling Engine
- ^ 2004, physorg.com: A traveling-wave engine to power deep space travel Citat: "...The traveling-wave engine converts 18 percent of the heat source energy into electricity...", backup
- ^ 24.06.2007 ing.dk: Varme omdannes til elektricitet via lyd Citat: "...Symko mener, at 10-25 pct. af varmeenergien kan omdannes til lydenergi. Konverteringen fra lyd til elektricitet har en effektivitet på 80-90 pct..."
- ^ unews.utah.edu: A sound way to turn heat into electricity (html), backup html, physorg.com (pdf) Citat: "...Symko says the devices won’t create noise pollution...Symko says the ring-shaped device is twice as efficient as cylindrical devices in converting heat into sound and electricity. That is because the pressure and speed of air in the ring-shaped device are always in sync, unlike in cylinder-shaped devices...", backup
- ^ 15.05.2007, ing.dk: Termoakustik giver ulande kombineret køleskab og generator Citat: "...Lydbølgerne bruges til to ting. For det første driver de en varmepumpe, som trækker varme og kulde fra hinanden og sætter gang i køleskabet. For det andet skaber de elektricitet...Forskerne bag SCORE regner med, at køkkenenhederne skal masseproduceres om fem år..."
- ^ May 27, 2007, Cooking with sound: new stove/generator/refrigerator combo aimed at developing nations, backup
- ^ SCORE (Stove for Cooking, Refrigeration and Electricity), illustration
- ^ "Cool Sound Industries, Inc". Arkiveret fra originalen 30. januar 2013. Hentet 25. april 2021.
- ^ Web archive backup: Ben and Jerry's (flash), Ben & Jerry's
- Gardner, D. & Swift, G. (2003). "A cascade thermoacoustic engine". J. Acoust. Soc. Am. 114 (4): 1905-1919.
{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Flere navne: authors list (link) - Frank Wighard "Double Acting Pulse Tube Electroacoustic System" US Patent 5,813,234
- Pavement "Coolin' By Sound" B-Side of "Range Life" single – 1994