موتور‌های گرمایی ترمواکوستیک

مقدمه

آکادمی ملی مهندسی آمریکا در سال 2000 دست به اقدام بسیار جالبی زد. آنها فهرستی از مهم ترین دستاورد های مهندسی قرن بیستم را تهیه کردند اما نکته جالب آن قرار گرفتن دو نوع فناوری موتور گرمایی در رده های دوم و دهم این فهرست بود.

دو فناوری مذکور عبارت بودند از خودرو و یخچال سیستم های تهویه مطبوع. اما باید اذعان کرد که هر دوی این فناوری ها جنبه منفی هم دارند هر دو با انتشار گاز های گلخانه ای در جو و انتشار مواد آسیب رساننده برای لایه ازن به محیط زیست صدمه میزنند. به همین دلیل محققین بسیاری در دهه های اخیر سعی نموده اند تا موتور های گرمایی کاملا جدیدی طراحی کنند که از چنین مخاطراتی به دور باشند. یکی از موفق ترین این طرح ها موتور های گرمایی ترمواکوستیک است که به جای اتکا به نیروی دورانی شفت و محور ماشین های دوار به تولید جذب انرژی صوتی متکی هستند. چنین تجهیزاتی به دلیل ماهیت بسیار ساده مکانیکی خود در آینده نزدیک در سطوح گسترده ای مورد استفاده قرار خواهند گرفت و دیری نخواهد گذشت که شاهد به کارگیری سیستم های تهویه مطبوع تجاری مبتنی بر ترمواکوستیک خواهیم بود.

موتور های گرمایی ترمواکوستیک گرمای یک منبع دما بالا را به انرژی صوتی تبدیل کرده و گرمای پرت را به یک جاذب دما پایین میدهند.

یک یخچال ترمواکوستیک عکس این عمل را انجام میدهد یعنی از انرژی صوتی برای پمپاژ گرما از منبع سرد به جاذب گرم استفاده به عمل می آورد. بیشترین راندمان این تجهیزات در حالتی است که از گاز های نجیب به عنوان سیالات عامل ترمودینامیک استفاده شود. بدین ترتیب بر خلاف سیستم های تهویه و تبرید سنتی که از مبرد های آلاینده استفاده میکنند سیستم های ترمواکوستیک از گاز های بهره میگیرند که غیرسمی بوده و با محیط زیست سازگاری کامل دارند.

یک قابلیت بسیار جالب دیگر سیستم های تهویه مطبوع و تبرید ترمواکوستیک این است که میتوان به راحتی و تنها با متصل نمودن یک موتور گرمایی به آنها خنک کننده هایی بدون هیچ قطعه متحرک به دست آورد. این تجهیزات درحال حاضر در مراحل آزمایشی قرار دارند اما تا کنون چند یخچال ترمواکوستیک در یک شاتل فضایی و چند ناو جنگی نصب شده اند.

سخن گفتن و هوای داغ

تعامل و کنش میان گرما و صدا از سال 1816 زمانی که لاپلاس تصحیحاتی در محاسبه نیوتن بر سرعت صوت در هوا اعمال نموده مورد توجه دانشمندان بوده است. نیوتن فرض کرده بود که انبساط و انقباض امواج صوت در یک گاز بدون هیچگونه تغییرات دمایی روی میدهند. اما پالاس نشان داد که درواقع تغییرات دمایی روی میدهد. اما لاپلاس نشان داد که درواقع تغییرات جزئی دما در این حالت ها ایجاد میشود و با اعمال ضرائبی در محاسبات نیوتن به این نتیجه رسید که سرعت صحیح انتقال امواج صوتی تا 18 درصد بیشتر از تخمین نیوتن می باشد. همین اثرات میتوانند به خوبی توضیح دهنده حالت هایی باشند که شیشه گران صداهایی را از ظروف شیشه ای داغ در حین دمیدن در داخل آنها میشوند.

همانطور که تغییرات دمایی میتواند صدا ایجاد کند صدا نیز میتواند تغییرات دمایی ایجاد نماید. فرض کنید یک موج صوتی موجب تهییج گازی شود که در دما و فشار متوسطی قرار دارد. در یک نقطه دما همزمان با فشار افزایش می یابد با این فرض که این واقعه چنان سریع رخ میدهد که گرما زمان کافی برای فرار نداشته باشد.

تغییرات دما که متناظر با انقباضات صوتی است به شدت تغییرات فشار بستگی دارد. در حالت سخن گفتن عادی تغییرات نسبی فشار معمولا از مرتبه یک در میلیون هستند و تغییرات متناظر دمایی در حد ده هزارم درجه سانتیگراد است. تغییرات دمایی برای شدت صوتی که گوش انسان را می آزارد حدودا 0/02 است. از طرف دیگر با اختلاف دما های بزرگ تر در حد 20 گرما را پمپاژ میکنند. بنابراین شاید تغییرات دمایی ناشی از امواج صوتی چندان قابل استفاده نباشد. به همین دلیل و به منظور افزایش دامنه تغییرات دما باید گاز را با مواد جامد تماس داد. جامدات در مقایسه با گاز ها ظرفیت گرمایی بیشتری در واحد حجم دارند و میتوانند بدون تغییر دما گرمای قابل توجهی تبادل کنند.

تجهیزات ترموآکوستیک

اگر گازی که حامل امواج صوتی است در مجاورت یک سطح جامد قرار داده شود ماده جامد سعی میکند گرمای انقباض گاز را ضمن پایدار نگه داشتن دما به خود جذب کند. عکس این حالت نیز صادق است جامدات در زمانی که گاز های مجاور آنها منبسط میشوند از سرد شدن آنها جلوگیری به عمل می آورند.

فاصله ای که در آن انتشار گرما و انتقال آن از و به جامد مجاور صورت میگیرد عمق نفوذ حرارتی نامیده میشود که مقدار آن به فرکانس امواج صوتی در فرکانس های قابل شنیدن عمق نفوذ حرارتی در حد یک دهم میلی متر است. بنابراین به منظور بهینه ساختن تبادل گرما طرح تجهیزات ترمواکوستیک باید از کواد جامد متخلخلی استفاده کند که فواصل تخلخل های آن در عرض دو برابر این مقدار باشد. مواد جامد متخلخل مناسب برای این منظور معمولا رول های پلاستیکی و یا فولاد ضد زنگ بوده و به آنها توده گفته میشود چون شامل چندین  لایه هستند و مانند توده روی هم قرار میگیرند.

هنگامی که یک گاز با انرژی صوتی در درون توده به حرکت در آید فشار دما و موقعیت تمام آنها بر حسب زمان تغییر میکنند اگر گاز در داخل یک وله قرار داشته باشد امواج صدا به طرفین حرکت کرده و امواج صدا به طرفین حرکت کرده و امواج ایستای صوتی ایجاد میکنند. در این حالت فشار با جابجایی همفاز خواهد بود بدین معنی که فشار در نقاطی به حداقل و حداکثر مقدار خود میرسد که گاز در شدید ترین حالت های حرکت نوسانی خود باشد.

حال ببینیم که چگونه این پدیده ساده فیزیکی در یخچال های ترمواکوستیک به کار برده میشود. یک یخچال ترمواکوستیک در ساده ترین شکل خود شامل یک لوله بسته یک توده متخلخل و یک منبع انرژی صوتی است. با حرکت یک حجم گاز به فرضا چپ گرم شده و فشار آن افزایش می یابد و قبل از تغییر جهت به طور لحظه ای استراحت میکند قبل از این به پایان رسیدن حرکت گاز داغ گرمای خود را به توده میدهد که در واقع کمی از آن خنک تر است. در طول این نیم چرخه حجم گاز به سمت راست حرکت کرده و منبسط میشود. هنگامی که به حداکثر انبساط خود در آن شرایط رسید خنک تر از توده مجاور خود خواهد بود و لذا گرما را از آن جذب خواهد کرد.

نتیجه این خواهد بود که حجم گاز گرما را از راست به چپ پمپاژ کرده و حتی اگر سمت چپ توده گرم تر از راست آن باشد به این کار ادامه خواهد داد. دامنه حرکت یک حجم مستقل گاز چندان زیاد نیست اما تاثیرات خالص آن قابل توجه است هر حجم گاز درحال نوسان گرما را از پشت سرش برداشته و به حجم گاز جلوی خود تحویل میدهد. گرما به علاوه کار انجام شده برای حرکت دادن ترمواکوستیکی آن از یک سمت تودده و از طریق یک مبدل حرارتی داغ خارج میشودو مبدل حرارتی سرد که در سمت دیگر توده قرار دارد سرمایش مفید را فراهم کرده و میتواند پاسخگوی بار های وارده باشد.

با معکوس ساختن این فرایند میتوان یک موتوراکوستیک در اختیار داشت. کافی است که گرما را در انتهای داغ توده وارد و از تنهای سرد آن خارج سازیم و یک گرادیان قابل توجه دمایی ایجاد کنیم. در این حالت با حرکت گاز به سمت چپ فشار و دما به مانند قبل افزایش می یابد اما توده در آن نقطه گرم تر است.

بنابراین گرما از توده به گاز منتقل میشود و موجب انبساط حرارتی آن تا حدی که فشار به حداکثر برسد میشود. حال اگر حجم گاز به سمت راست حرکت کند منبسط شده و خنک میشود اما توده در آنجا خنک تر است پس گرما از گاز به توده منتقل میشود و موجب انقباض حرارتی گاز تا مرز رسیدن به حداقل ممکن خواهد شد.

در این حالت تغییرات دمایی به گونه ای خواهند بود که موجب ورود و خروج گرما از گاز شده آن را به انجام کار بر محیط اطراف خود واداشته و نوسانات صوتی را تشدید میکند.

حفظ این گرادیان دما نیازمند ورود کار بیرونی مانند یک گرم کن برقی نور خورشید متمرکز شده یا شعله می باشد همین پدیده موجب میشود که شیشه گران هنگام گرم کردن محصولات شیشه ای که در واقع مانند یک توده عمل میکنند صدا هایی بشنوند.

این موضوع برای اولین بار در سال 1850 در یک نشریه علمی گزارش شد. مسلما این ظروف آوازه خوان به  آن اندازه الهام بخش بودند که رلین چن دانشجوی دوره کارشناسی ارشد اکوستیک در دانشگاه دولتی پنسیلوانیا را به ساخت یک موتور ترمواکوستیک تنها با سه جزء تشویق کردند. توده مورد استفاده در این موتور گرمایی سرامیک های متخلخل می باشد. جریان الکتریکی نیز که از یک سیستم گرم کننده در درون سرامیک عبور میکند. یک لوله مینیاتوری ارگ بادی عمل کرده و امواج ایستای صوتی ایجاد میکند. از آنجا که انتهای سرد توده به سمت دهانه لوله قرار دارد نیازی به مبدل حرارتی سرد نیست هوایی که از دهانه باز لوله ئارد و خارج میشود سرمایش مناسبی ایجاد میکند. موتور گرمایی ساده چن علیرغم سادگی قادر به تولید صداهای بسیار بلند و گوشخراش است.

یخچال استریو

در اواسط دهه90 میلادی نمونه هایی از چند یخچال ترمواکوستیک برای شاتل های فضایی طراحی و ساخته شدند. اولین یخچال ترمواکوستیک برای خنک کردن مدارات الکترونیکی و دومین یخچال برای خنک نگه داشتن نمونه های خون و ادرار فضانوردانی که به آزمایشات بیولیژیکی میپرداختند طراحی گردید.

این طراحی ها در سازمان ناسا انجام شد و سپس راه خود را به نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا یافت.

در ساختار این یخچال ها از دو بلندگو استفاده شده بود تا در صورت از کار افتادن یکی دیگری بتواند کار را ادامه دهد. این بلندگو ها بسیار شبیه به انواع عادی هستند اما توان آنها بیشتر بوده و برای کار در دامنه فرکانسی خاصی طراحی شده اند. علاوه بر این سمت مخروطی آنها با بلندگو های عادی متفاوت است بدین ترتیب که قاعده بزرگ تر مخروط در سمت سیم پیچ قرار داشته و قاعده کوچک تر در سمتی است که صدا را منتشر میکند. اجزاء و قطعات متحرک این بلندگوها توسط فانوسی های کوچک فلزی به هم متصل میشوند.

این لوله دارای دو توده مجزا است که هر یک از آنها دارای دو مبدل حرارتی پر از آب در نقاط انتهایی خود می باشند دقیقا مانند رادیاتور یک ماشین یا کندانسور یک سیستم تهویه یا تبرید. این سیستم که در چند ناو جنگی نصب شده است با تامین آب سرد مدارات الکتریکی رادارها را خنک میکند. حداکثر ظرفیت سرمایشی به دست آمده با این سیستم 400 و پایین ترین دمایی که با آن حاصل شده در حدود 40 بوده است. راندمان این سیستم 17 درصد است که در عمل با خنک کننده های سنتی برابری میکند.

این راندمان کمی بیشتر از نصف راندمان چیلر های سنتی در اندازه و ظرفیت مشابه می باشد.

موتور های گرمایی و سیستم های تهویه و تبرید ترمواکستیک به دلیل سادگی عدم استفاده از روانساز ها و قطعات متحرک و استفاده از سیالات عامل بی خطر علی رغم راندمان پایین تر مورد توجه شرکت های تولید کننده تجهیزات سرمایشی قرار گرفته اند و در آینده نزدیک شاهد عرضه سیستم های تجاری به بازار خواهیم بود.

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 60

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.