Los motores termoacústicos (a veces llamados "motores TA") son dispositivos termoacústicos que utilizan ondas sonoras de gran amplitud para bombear calor de un lugar a otro (esto requiere trabajo, que es proporcionado por el altavoz) o utilizan una diferencia de calor para producir trabajo en el forma de ondas sonoras (estas ondas se pueden convertir en corriente eléctrica de la misma manera que lo hace un micrófono ).
Estos dispositivos pueden diseñarse para utilizar una onda estacionaria o una onda viajera .
En comparación con los refrigeradores de vapor , los refrigeradores termoacústicos no tienen refrigerante y tienen pocas piezas móviles (solo el altavoz), por lo que no requieren sellado dinámico ni lubricación. [1]
La capacidad del calor para producir sonido fue observada hace siglos por los sopladores de vidrio. [2]
En la década de 1850, los experimentos demostraron que un diferencial de temperatura impulsaba el fenómeno y que el volumen y la intensidad acústicos varían con la longitud del tubo y el tamaño de la bombilla.
Rijke demostró que agregar una pantalla de alambre calentado a un cuarto de la altura del tubo magnificaba enormemente el sonido, suministrando energía al aire en el tubo en su punto de mayor presión. Otros experimentos demostraron que enfriar el aire en sus puntos de presión mínima producía un efecto amplificador similar. [2] Un tubo Rijke convierte el calor en energía acústica , [3] mediante convección natural.
Aproximadamente en 1887, Lord Rayleigh discutió la posibilidad de bombear calor con sonido.
En 1969, Rott reabrió el tema. [4] Utilizando las ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos, derivó ecuaciones específicas para la termoacústica . [5]
Se desarrollaron modelos termoacústicos lineales para formar una comprensión cuantitativa básica y modelos numéricos para el cálculo.
Swift continuó con estas ecuaciones y derivó expresiones para la potencia acústica en dispositivos termoacústicos. [6]
En 1992 se utilizó un dispositivo de refrigeración termoacústica similar en el transbordador espacial Discovery . [2]
Orest Symko de la Universidad de Utah inició un proyecto de investigación en 2005 llamado Conversión de energía piezoeléctrica acústica térmica (TAPEC). [7]
Aplicaciones específicas, como aplicaciones criogénicas de pequeña y mediana escala . Score Ltd. recibió 2 millones de libras esterlinas en marzo de 2007 para investigar una cocina que también suministra electricidad y refrigeración para su uso en países en desarrollo. [8] [9]
Airbus propuso y creó un prototipo de un sistema termoacústico calentado por radioisótopos para misiones de exploración del espacio profundo . El sistema tiene ligeras ventajas teóricas sobre otros sistemas generadores, como los sistemas basados en termopares existentes o un motor Stirling propuesto utilizado en el prototipo ASRG . [10]
SoundEnergy desarrolló el sistema THEAC que convierte el calor, normalmente calor residual o calor solar, en refrigeración sin ninguna otra fuente de energía. El dispositivo utiliza gas argón . El dispositivo amplifica el sonido creado por el calor residual, convierte la presión resultante en otro diferencial de calor y utiliza un ciclo Stirling para producir el efecto de enfriamiento. [2]
Un dispositivo termoacústico aprovecha el hecho de que en una onda sonora las parcelas de gas se comprimen y expanden alternativamente adiabáticamente , y la presión y la temperatura cambian simultáneamente; cuando la presión alcanza un máximo o un mínimo, también lo hace la temperatura. Básicamente consta de intercambiadores de calor , un resonador y un stack (en dispositivos de ondas estacionarias) o regenerador (en dispositivos de ondas viajeras). Dependiendo del tipo de motor, se puede utilizar un controlador o un altavoz para generar ondas sonoras.
En un tubo cerrado por ambos extremos, puede producirse interferencia entre dos ondas que viajan en direcciones opuestas a determinadas frecuencias. La interferencia causa resonancia y crea una onda estacionaria. La pila consta de pequeños canales paralelos. Cuando la pila se coloca en un lugar determinado del resonador que tiene una onda estacionaria, se desarrolla una diferencia de temperatura a través de la pila. Al colocar intercambiadores de calor a cada lado de la chimenea, se puede mover el calor. También es posible lo contrario: una diferencia de temperatura a lo largo de la chimenea produce una onda sonora. El primer ejemplo es una bomba de calor, mientras que el segundo es un motor primario.
Crear o trasladar calor de un depósito frío a uno cálido requiere trabajo. La energía acústica proporciona este trabajo. La pila crea una caída de presión. La interferencia entre las ondas acústicas entrantes y reflejadas es ahora imperfecta. La diferencia de amplitud hace que la onda estacionaria viaje, dándole potencia acústica.
El bombeo de calor a lo largo de una pila en un dispositivo de onda estacionaria sigue el ciclo de Brayton .
Un ciclo Brayton en sentido antihorario para un refrigerador consta de cuatro procesos que afectan una porción de gas entre dos placas de una chimenea.
Los dispositivos de ondas viajeras se pueden describir utilizando el ciclo de Stirling .
Tanto los motores como las bombas de calor suelen utilizar chimeneas e intercambiadores de calor. El límite entre un motor primario y una bomba de calor lo da el operador del gradiente de temperatura, que es el gradiente de temperatura medio dividido por el gradiente de temperatura crítico.
El gradiente de temperatura medio es la diferencia de temperatura a lo largo de la pila dividida por la longitud de la pila.
El gradiente de temperatura crítico es un valor que depende de las características del dispositivo, como la frecuencia, el área de la sección transversal y las propiedades del gas.
Si el operador del gradiente de temperatura excede uno, el gradiente de temperatura medio es mayor que el gradiente de temperatura crítico y la pila opera como motor primario. Si el operador del gradiente de temperatura es menor que uno, el gradiente de temperatura medio es menor que el gradiente crítico y la chimenea funciona como una bomba de calor.
En termodinámica la eficiencia más alta que se puede alcanzar es la eficiencia de Carnot . La eficiencia de los motores termoacústicos se puede comparar con la eficiencia de Carnot utilizando el operador de gradiente de temperatura.
La eficiencia de un motor termoacústico está dada por
El coeficiente de rendimiento de una bomba de calor termoacústica viene dado por
Los dispositivos termoacústicos más eficientes tienen una eficiencia cercana al 40% del límite de Carnot , o alrededor del 20% al 30% en general (dependiendo de las temperaturas del motor térmico ). [11]
Es posible que se puedan alcanzar temperaturas más altas en el hot-end con dispositivos termoacústicos porque no tienen partes móviles , lo que permite que la eficiencia de Carnot sea mayor. Esto puede compensar parcialmente su menor eficiencia, en comparación con los motores térmicos convencionales, como porcentaje de Carnot.
El ciclo de Stirling ideal, aproximado mediante dispositivos de ondas progresivas, es inherentemente más eficiente que el ciclo de Brayton ideal, aproximado mediante dispositivos de ondas estacionarias. Sin embargo, los poros más estrechos necesarios para proporcionar un buen contacto térmico en un dispositivo de ondas progresivas, en comparación con una pila de ondas estacionarias que requiere un contacto térmico deliberadamente imperfecto, también dan lugar a mayores pérdidas por fricción, lo que reduce la eficiencia práctica. La geometría toroidal que se utiliza a menudo en los dispositivos de ondas progresivas, pero que no es necesaria para los dispositivos de ondas estacionarias, también puede aumentar las pérdidas debido a la transmisión de Gedeon alrededor del bucle. [ Se necesita más explicación ]
