थर्मोअकॉस्टिक हीट इंजन

THERMOACOUSTICS इंजन (कभी-कभी टीए इंजन कहलाते हैं) थर्मोअकॉस्टिक डिवाइस होते हैं जो एक स्थान से दूसरे स्थान पर पंप को गर्म करने के लिए उच्च-आयाम वाली ध्वनि तरंगों का उपयोग करते हैं (इसके लिए काम की आवश्यकता होती है, जो लाउडस्पीकर द्वारा प्रदान किया जाता है) या ध्वनि तरंगों से उत्पादित काम को करने के लिए गर्मी के अंतर का उपयोग करते हैं (इन तरंगों को तब विद्युत धारा में उसी तरह परिवर्तित किया जा सकता है जैसे एक माइक्रोफ़ोन करता है)।

इन उपकरणों को खड़ी लहर या हिलाना का उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है।

वाष्प-संपीड़न प्रशीतन की तुलना में, थर्मोअकॉस्टिक रेफ्रिजरेटर में कोई शीतलक नहीं होता है और कुछ चलने वाले हिस्से (केवल लाउडस्पीकर) होते हैं, इसलिए गतिशील सीलिंग या स्नेहन की आवश्यकता नहीं होती है।

इतिहास
ध्वनि उत्पन्न करने के लिए गर्मी की क्षमता सदियों पहले ग्लासब्लोअर्स द्वारा नोट की गई थी। 1850 के दशक के प्रयोगों से पता चला कि एक तापमान अंतर ने घटना को चलाया, और ध्वनिक मात्रा और तीव्रता ट्यूब की लंबाई और बल्ब के आकार के साथ भिन्न होती है।

पीटर रिच ने प्रदर्शित किया कि एक गर्म तार स्क्रीन को ट्यूब के ऊपर एक चौथाई हिस्से में जोड़ने से ध्वनि बहुत बढ़ जाती है, जिससे ट्यूब में हवा को ऊर्जा की आपूर्ति सबसे अधिक दबाव के बिंदु पर होती है। आगे के प्रयोगों से पता चला कि न्यूनतम दबाव के बिंदु पर हवा को ठंडा करने से एक समान प्रवर्धक प्रभाव उत्पन्न हुआ। एक अमीर ट्यूब गर्मी को ध्वनिक ऊर्जा में परिवर्तित करती है, प्राकृतिक संवहन का उपयोग करती है।

लगभग 1887 में, जॉन स्ट्रट, तीसरे बैरन रेले ने ध्वनि के साथ गर्मी को पंप करने की संभावना पर चर्चा की।

1969 में, रॉट ने इस विषय को फिर से खोल दिया। तरल पदार्थों के लिए नेवियर-स्टोक्स समीकरणों का उपयोग करते हुए, उन्होंने ताप ध्वनिकी के लिए विशिष्ट समीकरणों को व्युत्पन्न किया। गणना के लिए एक बुनियादी मात्रात्मक समझ और संख्यात्मक मॉडल बनाने के लिए रैखिक थर्मोकॉस्टिक मॉडल विकसित किए गए थे।

स्विफ्ट ने इन समीकरणों के साथ जारी रखा, तापध्वनिक उपकरणों में ध्वनिक शक्ति के लिए अभिव्यक्ति प्राप्त की। 1992 में स्पेस शटल डिस्कवरी पर एक समान तापध्वनिक प्रशीतन उपकरण का उपयोग किया गया था।

यूटा विश्वविद्यालय में ऑरेस्ट सिमको ने 2005 में थर्मल ध्वनिक पीजो ऊर्जा रूपांतरण (TAPEC) नामक एक शोध परियोजना शुरू की। आला अनुप्रयोग जैसे छोटे से मध्यम स्तर के क्रायोजेनिक अनुप्रयोग। स्कोर लिमिटेड को मार्च 2007 में खाना पकाने के चूल्हे पर शोध करने के लिए £2M से सम्मानित किया गया था जो विकासशील देशों में उपयोग के लिए बिजली और शीतलन भी प्रदान करता है। एयरबस द्वारा गहरे अंतरिक्ष अन्वेषण मिशनों के लिए एक रेडियोआइसोटोप-हीटेड थर्मोअकॉस्टिक सिस्टम प्रस्तावित और प्रोटोटाइप किया गया था। मौजूदा थर्मोकपल आधारित प्रणालियों, या उन्नत स्टर्लिंग रेडियोआइसोटोप जनरेटर प्रोटोटाइप में उपयोग किए जाने वाले प्रस्तावित स्टर्लिंग इंजन जैसी अन्य जनरेटर प्रणालियों की तुलना में इस प्रणाली के मामूली सैद्धांतिक लाभ हैं। साउंडएनर्जी ने टीईएसी सिस्टम विकसित किया है जो गर्मी, अधिकतर अपशिष्ट गर्मी या सौर ताप को बिना किसी अन्य ऊर्जा स्रोत के कूलिंग में बदल देता है। डिवाइस आर्गन गैस का उपयोग करता है। उपकरण अपशिष्ट गर्मी द्वारा बनाई गई ध्वनि को बढ़ाता है, परिणामी दबाव को दूसरे ताप अंतर में परिवर्तित करता है और शीतलन प्रभाव उत्पन्न करने के लिए स्टर्लिंग चक्र का उपयोग करता है।

ऑपरेशन
एक थर्मोकॉस्टिक डिवाइस इस तथ्य का लाभ उठाता है कि गैस एडियाबेटिक प्रक्रिया के ध्वनि तरंग पार्सल में वैकल्पिक रूप से संपीड़ित और विस्तारित होता है, और दबाव और तापमान एक साथ बदलते हैं; जब दबाव अधिकतम या न्यूनतम तक पहुंचता है, तो तापमान भी होता है। इसमें मूल रूप से उष्मा का आदान प्रदान करने वाला, एक गुंजयमान यंत्र और एक स्टैक (स्टैंडिंग वेव डिवाइसेस पर) या पुनर्योजी हीट एक्सचेंजर (ट्रैवलिंग वेव डिवाइसेस पर) होते हैं। इंजन के प्रकार के आधार पर ध्वनि तरंगें उत्पन्न करने के लिए स्पीकर ड्राइवर या ध्वनि-विस्तारक यंत्र का उपयोग किया जा सकता है।

दोनों सिरों पर बंद ट्यूब में, निश्चित आवृत्तियों पर विपरीत दिशाओं में यात्रा करने वाली दो तरंगों के बीच हस्तक्षेप हो सकता है। हस्तक्षेप अनुनाद का कारण बनता है और एक स्थायी तरंग बनाता है। स्टैक में छोटे समानांतर चैनल होते हैं। जब स्टैक को एक स्थायी तरंग वाले रेज़ोनेटर में एक निश्चित स्थान पर रखा जाता है, तो स्टैक में एक तापमान अंतर विकसित होता है। स्टैक के प्रत्येक तरफ हीट एक्सचेंजर्स लगाकर, गर्मी को स्थानांतरित किया जा सकता है। विपरीत भी संभव है: स्टैक के पार तापमान अंतर एक ध्वनि तरंग उत्पन्न करता है। पहला उदाहरण एक ऊष्मा पम्प है, जबकि दूसरा एक प्रमुख प्रेरक है।

हीट पंप
गर्म जलाशय में ठंड से गर्मी बनाने या स्थानांतरित करने के लिए काम की आवश्यकता होती है। ध्वनिक शक्ति यह काम प्रदान करती है। स्टैक एक दबाव ड्रॉप बनाता है। आने वाली और परावर्तित ध्वनिक तरंगों के बीच हस्तक्षेप एक अपूर्ण है। आयाम में अंतर के कारण खड़ी तरंग यात्रा करती है, जिससे तरंग ध्वनिक शक्ति प्राप्त होती है।

स्टैंडिंग वेव डिवाइस में स्टैक के साथ हीट पंपिंग ब्रेटन चक्र का अनुसरण करती है।

रेफ़्रिजरेटर के लिए वामावर्त ब्रेटन चक्र में चार प्रक्रियाएँ होती हैं जो स्टैक की दो प्लेटों के बीच गैस के पार्सल को प्रभावित करती हैं।


 * 1) गैस का रुद्धोष्म संपीड़न। जब गैस के एक पार्सल को उसकी सबसे दाहिनी स्थिति से उसके सबसे बाईं तरफ विस्थापित किया जाता है, तो पार्सल रूद्धोष्म रूप से संकुचित हो जाता है, जिससे उसका तापमान बढ़ जाता है। सबसे बाईं तरफ स्थित पार्सल में अब वार्म प्लेट की तुलना में अधिक तापमान होता है।
 * 2) समदाबी गर्मी हस्तांतरण। पार्सल का उच्च तापमान गैस को ठंडा करने, निरंतर दबाव पर प्लेट में गर्मी स्थानांतरित करने का कारण बनता है।
 * 3) गैस का रुद्धोष्म प्रसार। गैस को सबसे बाईं स्थिति से वापस सबसे दाईं तरफ विस्थापित किया जाता है। रूद्धोष्म विस्तार के कारण गैस ठंडी प्लेट की तुलना में कम तापमान तक ठंडी हो जाती है।
 * 4) समदाबी हीट ट्रांसफर। पार्सल के कम तापमान के कारण ठंडी प्लेट से गैस में स्थिर दबाव में गर्मी स्थानांतरित हो जाती है, जिससे पार्सल का तापमान अपने मूल मूल्य पर लौट आता है।

यात्रा तरंग उपकरणों को स्टर्लिंग चक्र का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है।

तापमान ढाल
इंजन और ताप पंप दोनों अधिकतर  स्टैक और हीट एक्सचेंजर्स का उपयोग करते हैं। प्राइम मूवर और हीट पंप के बीच की सीमा तापमान ढाल ऑपरेटर द्वारा दी जाती है, जो कि क्रांतिक तापमान ढाल द्वारा विभाजित औसत तापमान ढाल है।


 * $$\Iota = \frac{\nabla T_{m}}{\nabla T_{crit}} $$

औसत तापमान ढाल स्टैक की लंबाई से विभाजित स्टैक भर में तापमान अंतर है।


 * $$\nabla T_{m} = \frac{\Delta T_{m}}{\Delta x_{stack}}$$

महत्वपूर्ण तापमान ढाल एक मान है जो डिवाइस की विशेषताओं जैसे आवृत्ति, क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र और गैस गुणों पर निर्भर करता है।

यदि तापमान ढाल ऑपरेटर एक से अधिक है, तो औसत तापमान ढाल क्रांतिक तापमान ढाल से बड़ा होता है और स्टैक एक प्रमुख प्रस्तावक के रूप में कार्य करता है। यदि तापमान ढाल ऑपरेटर एक से कम है, तो औसत तापमान ढाल क्रांतिक  ढाल से छोटा होता है और स्टैक हीट पंप के रूप में कार्य करता है।

सैद्धांतिक दक्षता
ऊष्मप्रवैगिकी में उच्चतम प्राप्त करने योग्य दक्षता कार्नोट की प्रमेय (थर्मोडायनामिक्स) दक्षता है। थर्मोअकॉस्टिक इंजन की दक्षता की तुलना तापमान ढाल ऑपरेटर का उपयोग करके कार्नाट दक्षता से की जा सकती है।

थर्मोअकॉस्टिक इंजन की दक्षता किसके द्वारा दी जाती है


 * $$\eta = \frac{\eta_{c}}{\Iota}$$

थर्मोअकॉस्टिक हीट पंप के प्रदर्शन का गुणांक किसके द्वारा दिया जाता है


 * $$COP = \Iota \cdot COP_{c}$$

व्यावहारिक दक्षता
सबसे कुशल थर्मोअकॉस्टिक उपकरणों की क्षमता कार्नो इंजन गर्म करें के 40% तक पहुंचती है# वास्तविक ताप इंजन की क्षमता की सीमा, या कुल मिलाकर लगभग 20% से 30% (हीट इंजन के तापमान पर निर्भर करता है)। थर्मोअकॉस्टिक उपकरणों के साथ उच्च गर्म-अंत तापमान संभव हो सकता है क्योंकि उनके पास कोई हिलने वाला भाग नहीं होता है, इस प्रकार कार्नाट दक्षता अधिक होने की अनुमति देता है। यह कार्नाट के प्रतिशत के रूप में पारंपरिक ताप इंजनों की तुलना में उनकी कम दक्षता को आंशिक रूप से ऑफसेट कर सकता है।

यात्रा तरंग उपकरणों द्वारा अनुमानित आदर्श स्टर्लिंग चक्र, स्थायी तरंग उपकरणों द्वारा अनुमानित आदर्श ब्रेटन चक्र की तुलना में स्वाभाविक रूप से अधिक कुशल है। हालांकि, एक स्टैंडिंग वेव स्टैक की तुलना में एक ट्रैवलिंग वेव डिवाइस में अच्छा थर्मल संपर्क देने के लिए आवश्यक संकीर्ण छिद्र, जिसके लिए जानबूझकर अपूर्ण थर्मल संपर्क की आवश्यकता होती है, व्यावहारिक दक्षता को कम करते हुए, अधिक घर्षण नुकसान को भी जन्म देता है। टॉरॉयडल ज्योमेट्री अक्सर ट्रैवलिंग वेव डिवाइसेस में इस्तेमाल होती है, लेकिन स्टैंडिंग वेव डिवाइसेस के लिए जरूरी नहीं है, लूप के चारों ओर गेडॉन स्ट्रीमिंग के कारण होने वाले नुकसान को भी बढ़ा सकता है।

यह भी देखें

 * विकिरण के उद्दीप्त उत्सर्जन द्वारा ध्वनि प्रवर्धन (एसएएसईआर)

आगे की पढाई

 * Semipopular introduction to thermoacoustic effects and devices.
 * Frank Wighard "Double Acting Pulse Tube Electroacoustic System" US Patent 5,813,234
 * Frank Wighard "Double Acting Pulse Tube Electroacoustic System" US Patent 5,813,234

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 * गर्मी पंप
 * गूंज
 * प्रदर्शन के गुणांक
 * toroid
 * चलित पुर्ज़े
 * विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा ध्वनि प्रवर्धन

बाहरी कड़ियाँ

 * Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA
 * Thermoacoustics at the University of Adelaide, Australia, web archive backup: Discussion Forum
 * Adelaide University
 * Hear That? The Fridge Is Chilling, Wired Magazine article