技術名稱 具自我冷卻之熱聲波動引擎
計畫單位 國立中正大學
計畫主持人 洪博雄
技術簡介
近幾十年來,由於工業革命後誕生之各式各樣的熱機開始對地球環境造成破壞,引起各界諸多人士的關心,希望能找出替代的能源或者方案,用以停止對地球產生不可逆的破壞。其中,熱聲引擎的運作方式對此一狀況有極大的優勢。由於可使用環境周遭的廢熱作為其驅動能量,熱聲引擎的發展變得必要且勢在必行。
熱聲引擎所使用的原理為熱聲效應,藉由熱聲不穩定的現象來產生機械能,同時也吸收環境中的內能來產生聲波,因此熱聲引擎同時具有熱機與冷機的功能,理論上在引擎做功的同時亦能製冷,降低環境溫度。由於特殊的運作原理,敝實驗室學長謝昭揚已提出熱聲引擎中內部所做之功皆為正功之相關論文,為聲波震動造成的一種往復式能量,給予活塞推力以及拉力。
熱聲效應為藉由熱所引起的聲音的自我震盪,基本上關係到氣體中因聲波產生之壓力、溫度、位移之變化與其邊界條件等。在熱聲裝置中,利用多孔材料擁有極大表面積的特徵,更有利於與氣體之間的熱交換,進而產生較大的溫度梯度。當多孔材料熱端被加熱時,裡面氣體膨脹產生壓力波,以聲速向外擴散,一邊通過孔隙移到多孔材料冷端,氣體換熱後並收縮回到高溫處,同時第一個壓力波從另一邊被反射回來,反射波與氣體收縮回來疊加形成駐波,並在共振管中以某個特定頻率下被放大,形成持續的諧振波動。
當增大自激式熱聲引擎的剛性或是減小其慣性,則增大自激式熱聲引擎的頻率響應。反之,當減小自激式熱聲引擎的剛性或是增大其慣性,則減小自激式熱聲引擎的頻率響應。剛性可以透過調整多孔材料的長度以及孔隙率來調整自激式熱聲引擎本身的剛性,慣性則可以從負載端去調整,在自激式熱聲引擎發生熱聲耦合產生不穩定的時候,進而調整出此熱聲機構最佳的頻率響應。
與既有技術相比,本技術還包含一自冷卻系統,該自冷卻系統可將位於共振管中相對低溫的空氣導回多孔材料端,以增加受熱單元中的溫度梯度,進而增加熱聲引擎的熱效率。
科學突破性
藉由引入空氣回授的觀念,提高管中溫度分布之梯度,用以提升引擎的轉速和穩定度,並置換管中的多孔性材料,導入可量化的平織網以利於引擎設計的分析及最佳化。透過一連串的測試與實驗,找出設計上的缺陷與功率的平衡點,達到以不改變原管長的前提之下最好的功率表現。
產業應用性
由於熱聲引擎獨特的運作原理跟方式,此技術可能運用於綠能發電及廢熱回收方面。透過吸收太陽光或環境熱源作為輸入熱源,將能量以機械能的方式輸出,進而實現發電、引擎等應用。亦可將工廠或家庭造成的熱水以特殊設計將熱能回收,進行能源的二次利用,使得能源不再被浪費。
關鍵字 熱聲引擎 波動引擎 綠能發電 廢熱回收 熱聲不穩定 自冷卻系統 冷熱機 熱聲效應 海水淡化 回授管
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