Современные системы охлаждения широко применяются в быту, промышленности, науке и медицине. Большинство из них основано на использовании хладагентов (фреонов), которые, несмотря на высокую эффективность, оказывают негативное воздействие на окружающую среду: разрушают озоновый слой и способствуют усилению глобального потепления. Даже более экологичные современные хладагенты обладают недостатками, связанными с пожаро- и взрывоопасностью.

В связи с ростом внимания к экологической безопасности актуальным становится поиск альтернативных способов охлаждения [1]. Одним из перспективных направлений является акустическое (термоакустическое) охлаждение, основанное на использовании звуковых волн без применения фреонов и подвижных механических элементов [1].

Цель проекта — исследовать принцип работы акустического холодильника, создать его модель, определить коэффициент полезного действия и оценить перспективы применения акустического охлаждения в сравнении с традиционными холодильными системами.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. изучить историю создания и развития акустических холодильников;
2. рассмотреть физические принципы термоакустического эффекта;
3. разработать экспериментальную модель акустического холодильника;
4. исследовать температурный градиент, возникающий в модели;
5. определить КПД модели и сравнить его с КПД бытовых холодильников.

Основная идея работы заключается в использовании звуковых колебаний для создания направленного теплового потока в газовой среде. В отличие от традиционных холодильников, где тепло переносится за счёт циркуляции хладагента, в акустическом холодильнике роль «насоса» выполняет звуковая волна, вызывающая периодическое сжатие и расширение газа [7, 5]. Это позволяет реализовать охлаждение без применения фреонов, что делает технологию экологически безопасной [3].

В ходе теоретического анализа были рассмотрены основы термоакустики, механизмы образования температурного градиента и влияние параметров системы на эффективность охлаждения [2, 4, 6].

На практическом этапе была собрана модель акустического холодильника, представляющая собой резонаторную трубу с установленным динамиком и теплообменной вставкой (рис. 1, 2). Частота звуковой волны подбиралась с учётом резонансных условий для заданной длины трубы. Теплообменная вставка была размещена на расстоянии одной четверти длины резонатора, что обеспечивает оптимальные условия для переноса тепла.

Проведены измерения температуры в различных частях трубы при работе модели на резонансной частоте.

Рис. 1. Модель акустического холодильника

Рис. 2. Теплообменная вставка

Экспериментальные исследования показали, что при работе модели акустического холодильника формируется устойчивый температурный градиент: одна часть резонатора охлаждается, а другая нагревается (рис. 3). За время эксперимента был зафиксирован общий перепад температур около 0,6 °C, что подтверждает проявление термоакустического эффекта.

Расчёт коэффициента полезного действия показал, что КПД модели составляет около 2,47 %, что значительно ниже КПД современных бытовых холодильников. Однако полученный результат свидетельствует о принципиальной работоспособности модели и подтверждает перспективность технологии. Низкий КПД объясняется экспериментальным характером установки и отсутствием оптимизации, характерной для промышленных систем.

Рис. 3. Перепад температур, возникающий в результате работы модели акустического холодильника на протяжении 30 секунд

В ходе работы была разработана и исследована модель акустического холодильника, экспериментально подтверждающая возможность охлаждения за счёт звуковых волн. Несмотря на сравнительно низкий КПД, акустическое охлаждение обладает важными преимуществами: экологичностью, отсутствием хладагентов и подвижных компрессоров, а также возможностью применения в условиях, где традиционные холодильные системы неэффективны, например в космосе.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о значительном потенциале акустических холодильников и целесообразности дальнейших исследований, направленных на повышение их эффективности и расширение областей практического применения.

Литература:

1. Лосев, А. Е. Основы акустотермодинамики и принципы работы акустических холодильников / А. Е. Лосев. — М.: Наука, 2019. — 164 с.
2. Рябцев, В. Н. Физические основы акустического охлаждения / В. Н. Рябцев. — СПб.: Политехника, 2015. — 212 с.
3. Чуриков, В. В. Акустические методы преобразования энергии: учебное пособие / В. В. Чуриков. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 120 с.
4. Тимофеев, Д. П. Акустические колебания и звуковые волны: основы теории и применение / Д. П. Тимофеев. — Екатеринбург: УрФУ, 2020. — 198 с.
5. 5.Труды Международной конференции по акустотермодинамике. — М.: МАИ, 2021. — Вып. 12. — С. 45–53.
6. Юрьев, С. А. Применение стоячих звуковых волн для охлаждения замкнутых систем / С. А. Юрьев // Акустический журнал. — 2022. — Т. 68, № 3. — С. 275–282.
7. Garrett, S. L. Thermoacoustic Refrigeration // Physics Today. — 1993. — Vol. 46, № 5. — P. 34–40.