محرك حراري صوتي حراري

المحركات الحرارية الصوتية (تسمى أحيانًا "محركات TA") هي أجهزة حرارية صوتية تستخدم موجات صوتية عالية السعة لضخ الحرارة من مكان إلى آخر (يتطلب هذا شغلًا، يتم توفيره بواسطة مكبر الصوت) أو تستخدم فرقًا حراريًا لإنتاج شغل في شكل موجات صوتية (يمكن بعد ذلك تحويل هذه الموجات إلى تيار كهربائي بنفس طريقة عمل الميكروفون ).

يمكن تصميم هذه الأجهزة لاستخدام إما موجة ثابتة أو موجة متحركة .

بالمقارنة مع الثلاجات البخارية ، فإن الثلاجات الحرارية الصوتية لا تحتوي على سائل تبريد وأجزاء متحركة قليلة (مكبر الصوت فقط)، وبالتالي فهي لا تتطلب إحكامًا ديناميكيًا أو تزييتًا. ^{[ 1 ]}

لاحظ نافخو الزجاج منذ قرون قدرة الحرارة على إنتاج الصوت. ^{[ 2 ]} في خمسينيات القرن التاسع عشر، أظهرت التجارب أن فرق درجة الحرارة هو ما يحرك هذه الظاهرة، وأن حجم الصوت وشدته يتغيران بتغير طول الأنبوب وحجم البصيلة.

أثبت ريكه أن إضافة شبكة سلكية ساخنة عند ربع ارتفاع الأنبوب تُضخّم الصوت بشكل كبير، مُزوّدةً الهواء داخل الأنبوب بالطاقة عند نقطة أعلى ضغط. وأظهرت تجارب أخرى أن تبريد الهواء عند نقاط أدنى ضغط يُنتج تأثيرًا مُضخّمًا مُشابهًا. ^{[ 2 ]} يُحوّل أنبوب ريكه الحرارة إلى طاقة صوتية ، [ ^{3 ] باستخدام} الحمل الحراري الطبيعي.

في حوالي عام 1887، ناقش اللورد رايلي إمكانية ضخ الحرارة بالصوت.

في عام 1969، أعاد روت فتح الموضوع. ^{[ 4 ]} وباستخدام معادلات نافيير-ستوكس للسوائل، اشتق معادلات خاصة بالصوتيات الحرارية . ^{[ 5 ]}

تم تطوير نماذج حرارية صوتية خطية لتكوين فهم كمي أساسي، ونماذج عددية للحساب. وواصل سويفت العمل على هذه المعادلات، مشتقًا تعابير للقدرة الصوتية في الأجهزة الحرارية الصوتية. ^{[ 6 ]}

في عام 1992 تم استخدام جهاز تبريد حراري صوتي مماثل على متن مكوك الفضاء ديسكفري . ^{[ 2 ]}

بدأ أوريست سيمكو في جامعة يوتا مشروعًا بحثيًا في عام 2005 بعنوان تحويل الطاقة الكهروإجهادية الصوتية الحرارية (TAPEC). ^{[ 7 ]}

تطبيقات متخصصة مثل تطبيقات التبريد على نطاق صغير إلى متوسط . مُنحت شركة سكور المحدودة مبلغ مليوني جنيه إسترليني في مارس 2007 لإجراء أبحاث حول موقد طهي يُوفر الكهرباء والتبريد للاستخدام في البلدان النامية. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

اقترحت شركة إيرباص نظامًا حراريًا صوتيًا مُسخّنًا بالنظائر المشعة، وقامت بتصميم نموذج أولي له لمهام استكشاف الفضاء السحيق . يتميز هذا النظام بمزايا نظرية طفيفة مقارنةً بأنظمة المولدات الأخرى، مثل الأنظمة القائمة على المزدوجات الحرارية ، أو محرك ستيرلينغ المقترح المستخدم في النموذج الأولي لمولد الطاقة الكهروحرارية المتقدمة (ASRG ). ^{[ 10 ]}

طوّرت شركة ساوند إنرجي نظام THEAC الذي يحوّل الحرارة، وخاصةً الحرارة المهدرة أو الحرارة الشمسية، إلى تبريد دون الحاجة إلى أي مصدر طاقة آخر. يستخدم الجهاز غاز الأرجون ، حيث يُضخّم الصوت الناتج عن الحرارة المهدرة، ويحوّل الضغط الناتج إلى فرق حراري آخر، ويستخدم دورة ستيرلينغ لإنتاج تأثير التبريد. ^{[ 2 ]}

يستفيد الجهاز الحراري الصوتي من حقيقة أن جزيئات الغاز في الموجة الصوتية تنضغط وتتمدد بالتناوب بشكل أديباتي ، ويتغير الضغط ودرجة الحرارة في آن واحد؛ فعندما يصل الضغط إلى أقصى قيمة له أو أدنى قيمة، ترتفع درجة الحرارة تبعًا لذلك. يتكون الجهاز أساسًا من مبادلات حرارية ، ومرنان ، ومكدس (في أجهزة الموجات المستقرة) أو مُجدد (في أجهزة الموجات المتحركة). وبحسب نوع المحرك، قد يُستخدم مُشغل أو مكبر صوت لتوليد الموجات الصوتية.

في أنبوب مغلق من الطرفين، يمكن أن يحدث تداخل بين موجتين تنتشران في اتجاهين متعاكسين بترددات معينة. يُسبب هذا التداخل رنينًا ، مُكوّنًا موجة مستقرة. تتكون المجموعة من قنوات صغيرة متوازية. عند وضع المجموعة في موضع مُحدد داخل الرنان الذي يحتوي على موجة مستقرة، يتولد فرق في درجة الحرارة عبر المجموعة. بوضع مُبادلات حرارية على جانبي المجموعة، يُمكن نقل الحرارة. والعكس صحيح أيضًا: يُنتج فرق درجة الحرارة عبر المجموعة موجة صوتية. المثال الأول هو مضخة حرارية، بينما المثال الثاني هو مُحرك كهربائي.

تتميز الأجهزة الحرارية الصوتية الأكثر كفاءة بكفاءة تقارب 40% من حد كارنو ، أو حوالي 20% إلى 30% إجمالاً (اعتماداً على درجات حرارة المحرك الحراري ). ^{[ 11 ]}

قد يكون من الممكن الوصول إلى درجات حرارة أعلى في الطرف الساخن باستخدام الأجهزة الحرارية الصوتية لعدم احتوائها على أجزاء متحركة ، مما يسمح بكفاءة كارنو أعلى. وهذا قد يعوض جزئيًا انخفاض كفاءتها، مقارنةً بمحركات الحرارة التقليدية، كنسبة مئوية من كفاءة كارنو.

تُعدّ دورة ستيرلينغ المثالية، التي تُحاكى بأجهزة الموجات المتحركة، أكثر كفاءةً بطبيعتها من دورة برايتون المثالية، التي تُحاكى بأجهزة الموجات المستقرة. مع ذلك، فإنّ المسامات الأضيق اللازمة لتوفير تلامس حراري جيد في جهاز الموجات المتحركة، مقارنةً بمجموعة الموجات المستقرة التي تتطلب تلامسًا حراريًا غير مثالي عمدًا، تُؤدي أيضًا إلى زيادة الفقد في الطاقة نتيجة الاحتكاك، مما يُقلل من الكفاءة العملية. كما أنّ الشكل الحلقي، الذي يُستخدم غالبًا في أجهزة الموجات المتحركة ولكنه غير ضروري في أجهزة الموجات المستقرة، يُمكن أن يزيد من الفقد في الطاقة بسبب تدفق جيديون حول الحلقة.

• تضخيم الصوت عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع (SASER)

• مختبر لوس ألاموس الوطني، نيو مكسيكو، الولايات المتحدة الأمريكية
• علم الصوتيات الحرارية في جامعة أديلايد، أستراليا ، نسخة احتياطية من الأرشيف الإلكتروني: منتدى النقاش
• جامعة أديلايد
• هل تسمع ذلك؟ الثلاجة تبرد ، مقال في مجلة وايرد