اصول موتورهای ترموacoustic

موتورهای تراکتیک از پدیده ای که ابتدا در قرن نوزدهم به صورت ریاضی توصیف شده اند بهره می برند، اما تنها عملا در نیمه دوم 20th تحقق یافت، هنگامی که گرادینت دما در یک پشته متراکم از صفحات موازی یا یک ماده متخلخل (که "stack" یا "regenerator") در حجم مهر و موم شده از گاز قرار می گیرد، نوسانات صوتی می تواند به خودی خودجوشی تولید شود تا انرژی گرم را گسترش دهد و یا گسترش دهد که باعث گسترش آن شود.

دو پیکربندی اولیه وجود دارد: موتورهای موج ایستاده و سفر موجی که ایستاده اند، ساده تر هستند، با تکیه بر یک لوله واحد با یک پشته نزدیک به یک پایان، طرح های موج سفر، مانند موتور استرلینگ استیرودینامیکی، استفاده از یک حلقه بازخورد برگشت پذیر برای ایجاد جریان نوسان مداوم، دستیابی به کارایی بالاتر با تقلید چرخه ترمودینامیک موتور استرلینگ بدون نیاز به یک موتور تهویه مطبوع - اغلب محدودیت هوا یا گاز تهویه مطبوع.

مقایسه با تکنولوژی های سنتی Propulsion

سیستم های پروکاری متعارف – موتورهای احتراق داخلی، توربین های گاز و موتورهای راکت – به طور تقریبی بر احتراق مستقیم سوخت های فسیلی برای تولید فشار و گرما، این سیستم ها شامل اتاق های احتراق با دمای بالا، قطارهای پیچیده، چرخش دستگاه های مبدل و سیستم های خنک کننده پیچیده، که همه از سایش، استرس حرارتی و خستگی رنج می برند، با موتورهای کنتراست، اساسا نیاز به قطعات مختلف اتصال و یا قطعات متحرک دارد.

مقایسه های بهره وری بستگی به شرایط عملیاتی دارد. موتورهای احتراق داخلی مدرن به میزان بالایی از کارآیی حرارتی در حدود 40 تا 45 درصد دست می یابند، در حالی که موتورهای دیزلی بزرگ دریایی می توانند 50٪ برسند. موتورهای ترموکراتیکتیک مدرن، بازده بیش از 30٪ در نمونه های آزمایشگاهی را نشان داده اند و طرح های موج سفر 40٪ با ژنراتورهای بازیافت بهینه شده و مبدل های حرارتی بیشتر، بدون نیاز به سوخت های فسیلی یا کنترل های فسیلی صنعتی، نیاز به سوخت های خاص دارند.

مزایای کلیدی در جزئیات

کاهش پیچیدگی های مکانیکی

با تعداد کمی یا بدون حرکت در بخش گرم، موتورهای تراکتیک حالت های شکست رایج را برای موتورهای معمولی از بین می برند: دریچه، سایش حلقه پیستون، خستگی و تیغه توربین، این به فواصل نگهداری طولانی و اطمینان بیشتر در برنامه های بدون سرنشین یا از راه دور مانند کاوشگرهای فضایی، زیر دریایی عمیق، یا ایستگاه های قدرت قوسی تبدیل می شود.

انعطاف پذیری سوخت و مزایای زیست محیطی

از آنجا که گرما از یک منبع خارجی می آید، موتور از فرآیند احتراق سوخت جدا می شود. می تواند بر گرمای خورشیدی، انرژی زمین گرمایی، گرمای زباله متمرکز از کوره های صنعتی، یا حتی ژنراتورهای حرارتی رادیواکتیو جدا شود، هنگامی که احتراق استفاده می شود، محفظه احتراق می تواند به طور جداگانه برای انتشار گازهای گلخانه ای کم بهینه سازی شود، با استفاده از جوش، اکسیداسیون بدون شعله، یا ضبط کربن خود تولید گازهای گلخانه ای، تنها منبع مستقیم تولید نمی کند.

عملیات آرام

نوسانات آکوستیک صدا را در یک فرکانس واحد یا یک باند باریک ایجاد می کند که می تواند به راحتی پراکنده یا حتی مهار شود. برخلاف صدای گسترده ای از موتورهای متقابل یا توربین های با سرعت بالا، موتورهای تراکتیک ذاتا آرام تر هستند، یک مزیت عمده برای زیردریایی ها، گسترش دهنده های خودرو الکتریکی یا تولید برق شهری.

مقیاس پذیری و شهرسازی

فیزیک مقیاس های ترمودینامیکی در طیف وسیعی از اندازه ها مطلوب است. دستگاه های Microscale می توانند بدون همگام سازی پیچیده، وات برق را تولید کنند، در حالی که تاسیسات چند مگاوات برای تولید برق در مقیاس سودمند پیش بینی شده اند.

برنامه های نوظهور در سیستم های Propulsion

فضا Propulsion

پروکاری سنتی فضاپیما به راکت های شیمیایی یا محرک های یون متکی است که هر دو دارای انگیزه های خاص بالا هستند اما نیاز به مخازن سنگین تر دارند. موتورهای ترموacoustic می توانند با بخاری های رادیوزوتوپی یا انرژی خورشیدی متمرکز شده برای تولید سطوح کوچک نیروی محرکه برای نگهداری ایستگاه، تنظیمات مدار، یا ماموریت های بین سیاره ای CubeSat ادغام شوند.

هواپیمایی

در هواپیما، موتورهای تراکتیک می توانند به عنوان یک واحد قدرت کمکی (APUs) یا به عنوان گسترش دهنده های طیف گسترده در معماری های هیبریدی الکتریکی خدمت کنند.با سوزاندن سوخت حمل و نقل هوایی پایدار در یک شانه خارجی، موتور آکوستیک یک ژنراتور را هدایت می کند که باتری ها یا موتورهای الکتریکی را شارژ می کند. سطح ارتعاش پایین و صدا برای وسایل نقلیه تحرک شهری جذاب هستند.

کشتی دریایی

کشتی ها کاندیدای اصلی هستند، زیرا محدودیت های سر و صدا کمتر شدید هستند و گرمای زباله از موتور اصلی می تواند بهبود یابد.یک چرخه کاهش گرمازدگی می تواند کارایی کلی را با تبدیل گرما به یک قدرت کمکی برای پمپ ها، الکترونیک یا حتی شفت محرک افزایش دهد. توانایی سوزاندن روغن سوخت سنگین، LNG، یا سوخت های زیستی آینده بدون تغییر موتور گرما به عنوان مقررات کاهش سوخت.

حمل و نقل زمینی

برای کامیون ها، قطارها و وسایل نقلیه دور از بزرگراه، ژنراتورهای تراکتیک می توانند جایگزین کننده های معمولی شوند یا قدرت کمکی برای یخچال، سیستم های هیدرولیک و کنترل آب و هوای کابین را فراهم کنند.در قطارهای هیبریدی، موتور می تواند در زمان بهبودی دائمی اجرا شود در حالی که درایو الکتریکی به طور کامل نیاز دارد، کاهش مصرف سوخت و انتشار سیستم های پروتویپ در سیستم های پس انداز سوخت لوکوموتیو ثابت کرده است.

چالش های فعلی و جهت های تحقیقاتی

علی رغم مزایای قانع کننده، چندین مانع فنی باید قبل از اینکه نیروی محرکه های تراکتیک به جریان اصلی تبدیل شود، برطرف شود.

قدرت چگالی

چگالی قدرت آکوستیک از موتورهای فعلی تراکتیک به طور کلی پایین تر از موتورهای احتراق داخلی و یا توربین ها است. گاز کار باید در سراسر مبدل های حرارتی با مناطق سطح بزرگ نوسان کند، محققان در حال بررسی عملیات فشار بالا (تا 100 بار) و استفاده از مواد سبک مانند کامپوزیت های سرامیکی برای افزایش قدرت در هر واحد توده ای هستند.

طراحی حرارتی

عملکرد یک موتور تراکتیک به اثربخشی مبدل های حرارتی گرم و سرد آن بستگی دارد.آنها باید مقدار زیادی گرما را با حداقل فشار کاهش و تکنیک های تولید افزودنی پیشرفته انتقال دهند که در حال حاضر اجازه می دهد تا ساخت ساختارهای پیچیده شبکه ای که انتقال گرما را بهبود می بخشد در حالی که کاهش وزن آزمایشگاه ملی لوس آلاموس دستورالعمل های طراحی برای مبدل های حرارتی فشرده که کارایی موتور را 10 تا 15٪ افزایش می دهد، منتشر کرده است.

مواد و هزینه

مبدل حرارتی گرم و پشته باید در برابر دمای بالا (معمولا ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد) و دوچرخه سواری حرارتی مکرر مقاومت کند. فولادهای ضد زنگ ارزان برای بهبود گرمای کم دما کافی است، اما کاربردهای هوا و فضا نیاز به سوپرکارها یا سرامیک دارند که افزایش هزینه تحقیقات در حال انجام آلیاژهای و پوشش های حرارتی است که می تواند زندگی را در حالی که کاهش از دست دادن گرما.

از دست دادن های صوتی و ثبات

از دست دادن های آکوستیک در لوله Resonator و شیب بهره وری سفر را از بین می برد.خشک موج می تواند با شبکه های کم عمق از دست رفته طراحی شود، اما آنها به شرایط عملیاتی حساس هستند. سیستم های کنترل فعال با استفاده از میکروفون بازخورد و بارهای صوتی برای حفظ نوسان پایدار در سراسر طیف گسترده ای از خروجی های برق ثابت شده است.

مسیر پیش رو

پیشرفت قابل توجهی از سال 2010 شرکت هایی مانند Etalim (کانادا) و SoundEnergy (Netherlands) از دستگاه های تجاری تراکتیک برای بازیابی حرارت زباله و کاربردهای حرارتی خورشیدی ساخته شده است، دستیابی به سطح برق نسبی در محدوده 1 تا 10 کیلوواتی انرژی امروز پروژه های چند ساله را برای توسعه سوخت های حرارتی مگاواتی و حرارتی اروپا فراهم می کند.

با افزایش هزینه های تولید و بهره وری، اولین سیستم های تولید گازهای گلخانه ای آماده تولید می تواند در هواپیماهای بدون سرنشین و ماهواره های کوچک در عرض پنج سال ظاهر شود، با برنامه های بزرگتر دریایی و ریلی پس از یک دهه ادامه پیشرفت در تولید افزودنی، مواد با درجه حرارت بالا و مدل سازی آکوستیک سرعت پذیرش.

نتیجه گیری

موتورهای تراکتیک یک روش اساسا متفاوت برای تبدیل گرما به کار مکانیکی ارائه می دهند، که به امواج صوتی به جای چرخش یا حرکت متقابل، سادگی آنها، انعطاف پذیری سوخت، انتشار گازهای گلخانه ای پایین و عملیات آرام، آنها را به طور استثنایی جذاب برای سیستم های محرک آینده در سراسر فضا، هوا، زمین و دریا است، در حالی که چگالی قدرت و هزینه باقی می ماند، تحقیقات فعال و توسعه مهندسی به طور مداوم با استفاده از فن آوری های چند منظوره جایگزین، و قابلیت اطمینان در سراسر جهان، که آنها را جایگزین می کند، در حال حاضر جایگزین می کند، و تجهیزات انعطاف پذیری های متنوع است.