Можно ли охлаждать без компрессора, поршня и вообще без движущихся деталей?

Можно, если заменить поршень звуком.

Возьмите закрытую трубу с гелием под давлением в десятки атмосфер. Внутри поставьте динамик и пакет тонких пластин с зазором в треть миллиметра. Включите звук — низкий, мощный, стоячую волну.

Один край пакета пластин начнёт остывать. Через несколько минут разница температур между краями достигнет десятков градусов.

Ни компрессора, ни поршня, ни клапанов, ни хладагента. Из подвижных деталей — только мембрана динамика. А в вариантах, о которых пойдёт речь ниже, нет и её.

Уровень звука внутри трубы такой, что в открытом воздухе он был бы смертельным — за сто семьдесят децибел. Но труба закрыта, и снаружи слышно негромкое гудение.

Устройство называется термоакустическим холодильником, и работает оно на явлении, которое обычно считают побочным.

Почему звук — это температура

Звук — это бегущие по газу сгущения и разрежения. А сжатие газа его нагревает, расширение — охлаждает. Значит, в звуковой волне вместе с давлением колеблется и температура.

В обычной обстановке эти колебания составляют тысячные доли градуса, и о них никто не вспоминает. Но амплитуда растёт с квадратом давления, и при уровнях, доступных в закрытом резонаторе, колебания температуры измеряются уже градусами.

Дальше нужен только эффективный способ этим воспользоваться.

Пожарная цепочка

Способ такой. В трубу вставляется стек — пакет пластин или пористая структура, вдоль которой стоит твёрдая стенка.

Рассмотрим маленькую порцию газа рядом с пластиной. Волна сдвигает её на долю миллиметра в одну сторону и одновременно сжимает — порция нагревается и отдаёт немного тепла стенке в новом месте. Через полпериода волна возвращает порцию назад и расширяет — теперь порция холоднее стенки и забирает у неё тепло.

Итог одного цикла: порция газа перенесла крошечную порцию тепла на длину своего смещения. Соседняя порция делает то же самое, подхватывая тепло там, где предыдущая его положила.

Получается пожарная цепочка: тысячи порций газа передают тепло вдоль пластины из рук в руки, каждая на долю миллиметра. За секунды складывается перепад в десятки градусов между концами стека.

Зазор, который решает всё

Здесь прячется противоречие, и разрешено оно красиво.

Порция газа должна касаться стенки — иначе не с кем обмениваться теплом. И не должна касаться стенки — если контакт слишком плотный, температура выравнивается мгновенно, порция перестаёт нагреваться при сжатии, и весь эффект пропадает.

Разрешение — выбором расстояния. Существует характерная величина: глубина, на которую тепловая волна успевает проникнуть в газ за период колебаний. Она зависит от частоты и от свойств газа и для рабочих режимов составляет около десятой доли миллиметра.

Зазор между пластинами делают в два-четыре раза больше этой глубины. Измерения дают оптимум в районе 0,25–0,4 мм — причём для наибольшей мощности, наилучшей эффективности и самой низкой температуры оптимумы разные, и конструктору приходится выбирать, что ему важнее.

Обратите внимание на тип решения. Оперативная зона здесь не совпадает ни с объёмом газа, ни с поверхностью пластины: она определяется сравнением двух размеров — зазора и глубины проникновения тепловой волны.

Поршень, свёрнутый в среду

Теперь посмотрим, что именно удалено из системы.

В обычной холодильной машине сжатие выполняет поршень компрессора. Для этого нужны цилиндр, уплотнения, смазка, клапаны, коленчатый вал, электродвигатель. Каждый узел изнашивается, каждое уплотнение течёт, смазка попадает в контур.

В термоакустическом устройстве сжатие выполняет сама волна. Она сжимает газ везде и одновременно, без единой твёрдой детали. Поршень не заменён другим поршнем — он свёрнут в рабочую среду.

ИКР формулируется коротко: поршня нет, а сжатие есть.

Холодильник, работающий от огня

Самое изящное впереди.

Термоакустика обратима. Если подвести к стеку тепло — сделать один его конец горячим, — то возникнет обратный эффект: перепад температур сам породит звук. Труба начнёт гудеть, превращая тепло в акустическую мощность. Это термоакустический двигатель, и явление известно давно: «поющее пламя» описывали ещё в XVIII веке, а трубы, гудящие при нагреве, стеклодувы знали и раньше.

Дальше складываем два в одно. Пусть один стек, нагреваемый горелкой, порождает звук, а второй, стоящий в той же трубе, использует этот звук для перекачки тепла.

Получается холодильник, работающий от пламени и не имеющий ни одной подвижной детали. Именно так называется патент Уитли с соавторами 1989 года: тепловая машина для охлаждения без движущихся частей.

Ключевой шаг к практичности сделал Питер Сеперли, предложивший в 1979 году использовать вместо стоячей волны бегущую: тогда газовые порции проходят цикл Стирлинга, а роль поршня и маховика играет инерция колеблющегося столба газа. Двигатель Стирлинга без поршней, шатунов и маховика.

Идею довели до дела Скотт Бэкхаус и Грег Свифт в Лос-Аламосе: их машина 1999 года мощностью около лошадиной силы показала тепловой КПД 30 процентов — уровень автомобильного двигателя внутреннего сгорания — и при этом не имела ни одной движущейся детали.

Где это уже работает

Первый работающий холодильник такого типа построил Томас Хофлер в 1986 году: три ватта холода, гелий, лабораторный стол.

В 1992 году термоакустический холодильник испытали на борту космического челнока: в невесомости отсутствие движущихся частей и жидкого хладагента особенно ценно. Через несколько лет похожее устройство поставили охлаждать электронику на корабле военного флота.

Дальше пошли демонстрационные проекты: морозильный ларь для мороженого, сжижение природного газа теплом самого же газа, криогенные охладители для инфракрасных приёмников. В последней области термоакустика ближе всего к обычной технике: там всё равно нужны низкие температуры, а надёжность важнее эффективности.

Честный счёт

Эффективность ниже привычной. Хорошие лабораторные холодильники дают порядка 20–40 процентов от предела Карно, бытовой парокомпрессионный цикл — заметно больше. Термоакустика выигрывает не КПД, а отсутствием механики.

Стоячая волна необратима по построению. Теплообмен между газом и пластиной идёт при разности температур, а это всегда потери. Бегущая волна лучше, но требует сложной петлевой схемы.

Низкая удельная мощность. Чтобы получить приличную холодопроизводительность, нужны гелий под давлением в десятки атмосфер и большой резонатор. Аппарат выходит объёмным.

Гелий дорог и текуч. Он просачивается через уплотнения корпуса — те самые, которых мы избегали в компрессоре.

Стек надо изготовить точно. Зазор в сотые доли миллиметра по всему пакету — требование к производству, а не к идее.

Оптимумы не совпадают. Максимальная мощность, максимальная эффективность и минимальная температура достигаются при разных зазорах. Универсальной настройки нет.

Куда развивается система

Линия развития здесь читается на удивление отчётливо, и идёт она по одному правилу: убрать очередной механический элемент.

Стоячая волна → бегущая. Стек заменяется регенератором, газовые порции проходят цикл Стирлинга, необратимые потери на теплообмене исчезают. Схема усложняется — появляется петля обратной связи, — но эффективность растёт заметно.

Динамик → термоакустический двигатель. Пока источником звука служит громкоговоритель, в системе остаётся мембрана, катушка и электропитание. Заменив его нагреваемым стеком, мы убираем последнюю подвижную деталь и последний провод.

Звук → электричество. Обратный ход: акустическую мощность снимают линейным генератором и получают электроэнергию из сбросного тепла без турбины и без вращающихся частей.

Есть и проекты генератора на дровяной печи для мест без электросети: тепло очага превращается в звук, звук в электричество и в холод для хранения лекарств. Устройство, в котором нечему ломаться, ценно ровно там, где некому чинить.

Что здесь сработало

Свёртывание механизма в поле. Функцию поршня выполняет волна.

Использование побочного эффекта. Температурные колебания в звуке обычно игнорируют — здесь они главное.

Дробление действия. Тепло переносится тысячами порций газа, каждой на долю миллиметра.

Согласование размера с процессом. Зазор задан глубиной проникновения тепловой волны.

Обратимость. Одно устройство работает и двигателем, и холодильником.

Объединение обратимых частей. Двигатель и холодильник в одной трубе дают машину без единой подвижной детали.

Итог

Компрессор холодильника — самый изнашиваемый узел в доме и самый шумный. Термоакустика предлагает обратный размен: пусть внутри ревёт на сто семьдесят децибел, зато ломаться нечему.

А суть умещается в одну фразу:

Прежде чем проектировать механизм для циклического действия, спросите, не может ли это действие выполнить волна в самой среде.