logo IPST4 IPST4
  • วีดิทัศน์
  • คลังภาพ
  • บทความ
  • โครงงาน
  • บทเรียน
  • แผนการสอน
  • E-Books
    • คู่มือครู
    • คู่มือการใช้หลักสูตร
    • ชุดสื่อ 60 พรรษา
    • หนังสือเรียน
    • Ebook อื่นๆ
  • Apps
  • เกี่ยวกับ scimath
  • ติดต่อเรา
  • สรุปข้อมูล
  • แผนผังเว็บไซต์
ลงชื่อเข้าสู่ระบบ
ลงชื่อเข้าสู่ระบบ

  • สมัครสมาชิก
  • ลืมรหัสผ่าน
  • คำถามที่พบบ่อย
  • วีดิทัศน์
  • คลังภาพ
  • บทความ
  • โครงงาน
  • บทเรียน
  • แผนการสอน
  • E-Books
    • คู่มือครู
    • คู่มือการใช้หลักสูตร
    • ชุดสื่อ 60 พรรษา
    • หนังสือเรียน
    • Ebook อื่นๆ
  • Apps
  • เกี่ยวกับ scimath
  • ติดต่อเรา
  • สรุปข้อมูล
  • แผนผังเว็บไซต์
ลงชื่อเข้าสู่ระบบ
ลงชื่อเข้าสู่ระบบ

  • สมัครสมาชิก
  • ลืมรหัสผ่าน
  • คำถามที่พบบ่อย
  • learning space
  • ระบบอบรมครู
  • ระบบการสอบออนไลน์
  • ระบบคลังความรู้
  • สสวท.
  • สำนักงานสลากกินแบ่ง
  • วีดิทัศน์
  • คลังภาพ
  • บทความ
  • โครงงาน
  • บทเรียน
  • แผนการสอน
  • E-Books
    • คู่มือครู
    • คู่มือการใช้หลักสูตร
    • ชุดสื่อ 60 พรรษา
    • E-Books อื่นๆ
  • Apps
ลงชื่อเข้าสู่ระบบ
ลงชื่อเข้าสู่ระบบ

  • คำถามที่พบบ่อย
  • สมัครสมาชิก
  • Forgot your password?
ค้นหา
    
ค้นหาบทความ
กลุ่มเป้าหมาย
ระดับชั้น
สาขาวิชา/กลุ่มสาระวิชา
การกรองเปลี่ยนแปลง โปรดคลิกที่ส่งเมื่อดำเนินการเสร็จ
เลือกหมวดหมู่
    
  • บทความทั้งหมด
  • ฟิสิกส์
  • เคมี
  • ชีววิทยา
  • คณิตศาสตร์
  • เทคโนโลยี
  • โลก ดาราศาสตร์ และอวกาศ
  • วิทยาศาสตร์ทั่วไป
  • สะเต็มศึกษา
  • อื่น ๆ

เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก (Thermoacoustic Engine)

โดย :
สมนึก บุญพาไสว
เมื่อ :
วันอังคาร, 07 ธันวาคม 2564
Hits
2118

            ในวงการวิทยาศาสตร์ด้านฟิสิกส์รู้มานานกว่า 100 ปีแล้วว่า ความร้อนมีผลในการทำให้เกิดคลื่นอะคูสติก (acoustic wave) หรือคลื่นเสียง (sound wave)  ลอร์ดเรย์ลี (Lord Rayeigh) นักฟิสิกส์ขาวอังกฤษ เข้าใจว่าการขยายตัวหรือหดตัวของแก๊สโดยการรับความร้อนหรือระบายความร้อนออก จะทำให้แก๊สเคลื่อนไหวและสร้างคลื่นอะคูสติก นั่นหมายความว่า ถ้าเราให้ความร้อนแก่แก๊สในขณะที่แก๊สมีความหนาแน่นมากที่สุด หรือดึงความร้อนออกจากแก๊สในขณะที่แก๊สมีความหนาแน่นน้อยที่สุด สลับกันไปมา การขยายตัวและหดตัวของแก๊สในภาวะที่เหมาะสมจะทำให้เกิดคลื่นอะคูสติก

Thermoacoustic 01

ภาพ ลอร์ดเรย์สี (Lord Rayleigh)
ที่มา  http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1904/strutt-bio.html

            เทอร์โมอะคูสติก (thermoacoustics)เป็นการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับพลังงานอะคูสติกและอุณหพลศาสตร์ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งได้เป็นการศึกษาการแปลงพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นพลังงานอีกรูปแบบหนึ่ง ระหว่างพลังงานอะคูสติกและพลังงานความร้อน เครื่องทำความเย็นเทอร์โมอะคูลติก (thermoacoustic refigerator)และเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก(thermoacoustic  engine) เป็นตัวอย่างของอุปกรณ์ที่ทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์เทอร์โมอะคูสติก (themoacoustic effects บทความนี้จะอธิบายหลักการทำงานและส่วนประกอบของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก

Thermoacoustic 02

ภาพ เครื่องทำความเย็นเทอร์โมอะคูสติกสำหรับใช้ในอุตสาหกรรม
ที่มา https://www.researchgate.net/figure/252853724_fig1_Figure-2-The-recentlycompleted-thermoacoustic-refrigerator-TAR

คลื่นอะคูสติกคืออะไร

            คลื่นอะคูสติกเป็นคลื่นตามยาวที่เกิดขึ้นจากการสั่นของแหล่งกำเนิดแล้วเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง โดยทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นอยู่ในแนวขนานกับทิศการสั่นของอนุภาคตัวกลาง ดังแสดงในรูปที่ 1 คลื่นเสียงเป็นตัวอย่างของคลื่นอะดูสติกที่มีความถี่ในช่วงที่หูมนุษย์ปกติสามารถได้ยินได้ ตำราหลายเล่มเรียกคลื่นอะคูสติกว่าคลื่นเสียง

Thermoacoustic 03

รูปที่ 1 คลื่นอะคูสติก

            ในรูปที่ 1 เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง อนุภาคของตัวกลางจะสั่นทำให้เกิดบริเวณที่มีความหนาแน่นของอนุภาคมากที่สุด ซึ่งเรียกว่าส่วนอัด และบริเวณที่มีความหนาแน่นของอนุภาคน้อยที่สุด ซึ่งเรียกส่วนขยายถ้าตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านเป็นแก๊ส บริเวณที่เป็นส่วนอัดจะมีความดันสูงสุด และบริเวณที่เป็นส่วนขยายจะมีความดันต่ำสุด คลื่นอะคูสติกจัดอยู่ในประเภทคลื่นกล (mechanical wave)

ความร้อนสร้างคลื่นอะคูสติกได้อย่างไร

            ความแตกต่างของอุณหภูมิสามารถนำมาใช้สร้างคลื่นอะคูสติกที่มีแอมพลิจูดขนาดใหญ่ได้ อุปกรณ์ที่สำคัญคือท่อกำทอน ซึ่งปติทำจากท่อที่มีผนังด้านในเรียบ ภายในท่อจะบรรจุสแต็ค (stack) ซึ่งทำจากวัสดุที่มีสภาพนำความร้อนต่ำ แต่มีความจุความร้อนสูง และประกอบด้วยช่องเล็กหรือท่อเล็ก จำนวนมากวางขนานกันในการสร้างคลื่นอะคูสติกจำเป็นจะต้องให้ความร้อนที่ปลายด้านหนึ่งของสแต็คและปลายอีกด้านหนึ่งต้องรักษาให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า (ดังแสดงในรูปที่ 2) ความแตกต่างของอุณหภูมิภายในสแต็คจะทำให้เกิดคลื่นความดันหรือคลื่นอะดูสติกภายในท่อกำทอนโต้ยอากาศที่ได้รับความร้อนจะขยายตัวและเคลื่อนที่ออกไปแล้วระบายความร้อนออกไป เมื่ออุณหภูมิลดลงก็จะเคลื่อนที่กลับเข้ามารับความร้อน และขยายตัวออกอีกเป็นวัฏจักรไปเรื่อย ๆ

Thermoacoustic 04

รูปที่ 2 การสร้างคลื่นอะคูสติกด้วยความรัอน

เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก

            เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกเป็นเครื่องยนต์ความร้อนชนิดหนึ่ง ซึ่งทำงานโดยใช้ปรากฏการณ์เทอร์โมอะดูสติกโดยเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานอะคูสติก แล้วใช้ลูกสูบเปลี่ยนพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานกลไปขับตันลูกสูบให้ทำงาน

            เครื่องยนต์เทอร์โมะคูสติกบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ เครื่องยนต์เทอร์โมอะดูสติกแบบคลื่นนิ่งและ เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกแบบคลื่นเคลื่อนที่ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะส่วนประกอบและหลักการทำงานของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกแบบคลื่นนิ่ง

ส่วนประกอบของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคุสติกแบบคลื่นนิ่ง

Thermoacoustic 05

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงส่วนประกอบของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกแบบคลื่นนิ่ง

            รูปที่ 3 แสดงส่วนประกอบของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกที่สร้างขึ้นเพื่อใช้ในการทดลอง โดยอาจแบ่งออกเป็น 2 ส่วนดังนี้

ส่วนที่ 1 ชุดแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานอะคูสติก ประกอบด้วย

  1. ท่อกำทอน ใช้หลอดทดลองที่ทำจากแก้วทนไฟขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 21.2 มิลลิเมตรและยาว 150 มิลลิเมตร
  2. สแต็ค วัสดุที่ใช้ควรเป็นวัสดุที่มีความจุความร้อนสูง สำหรับเครื่องยนต์ที่สร้างนี้ใช้ฝอยสแตนเลสที่ทำเป็นก้อนยาวประมาณ 50 มิลลิเมตร
  3. โช้ค (choke) พร้อมแผ่นระบายความร้อน ทำจากทองเหลืองที่เจาะรูตรงกลาง มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 6 มิลลิมตร ใช้คทำหน้าที่สะท้อนคลื่นให้เคลื่อนที่กลับไปในทิศตรงข้าม เพื่อสร้างคลื่นนิ่ง
  4. ตะเกียงอัลกอฮอล์

Thermoacoustic 06

รูปที่ 4 ส่วนประกอบของชุดแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานอะคูสติก

 

ส่วนที่ 2 ชุดแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานกล ประกอบด้วย

  1. กระบอกสูบ ใช้หลอดทดลองที่ทำจากแก้วทนไฟขนาดส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 21.2 มิลลิเมตรยาว 40 มิลลิเมตร
  2. ลูกสูบ ทำจากพลาสติก polyacetal
  3. ก้านสูบ ทำจากลวดที่เส้นผ่านศูนย์กลางยาว 2 มิลลิเมตร
  4. ข้อเหวี่ยง ทำจากอะดูมิเนียม โดยมีระยะจากจุดศูนย์กลางของข้อเหวี่ยงถึงตำแหน่งยึดก้านสูบเท่ากับ 7.5 มิลลิเมตร (ระยะชักของลูกสูบ เท่ากับ 15 มิลลิเมตร)
  5. ล้อตุนกำลัง ทำจากเหล็กเพลากลมที่มีเส้นผ่นศูนย์กลางยาว 60 มิลลิเมตร หนา 15 มิลลิเมตรล้อตุนกำลัง ทำหน้าที่สะสมพลังงานในรูปของโมเมนตัมเขิงมุม เพื่อช่วยให้เครื่องยนต์สามารถหมุนด้วยอัตราเร็วสม่ำเสมอ

Thermoacoustic 07

รูปที่ 5 ส่วนประกอบของชุดแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานกล

 

หลักการทำงานของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก

            เมื่อนำชิ้นส่วนทั้งหมดมาประกอบเป็นเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกจะได้อุปกรณ์ดังรูปที่ 6

Thermoacoustic 08

รูปที่ 6 เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก

            เมื่อจุดตะเกียงอัลกอฮอล์ให้ความร้อนที่ปลายสแต็คต้านที่ติดกับโช้ค (รูปที่ 6) อากาศที่อยู่ภายในท่อจะร้อน และอุณหภูมิจะสูงขึ้น ความดันอากาศภายในท่อจะเพิ่มและดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ออกไปเล็กน้อยเมื่อเริ่มต้นอุณหภูมิของปลายสแต็คจะยังไม่สูงพอ การแกว่งตัวของอากาศเพื่อรับความร้อนและคายความร้อนจะเป็นไปอย่างช้า ๆ ทำให้เกิดคลื่นที่มีความถี่ต่ำ และไม่มีกำลังพอที่จะทำให้เครื่องยนต์ทำงาน คลื่นที่เกิดจากการสั่นของโมเลกุลของอากาศในสเต็คเมื่อเคลื่อนที่ถึงโช้ค คลื่นบางส่วนจะสะท้อนกลับทำให้ภายในท่อกำทอนมีคลื่นอะคูสติกสองคลื่นที่มีความถี่เดียวกัน แต่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามคลื่นจะแทรกสอดกันทำให้เกิดคลื่นนิ่งเมื่ออุณหภูมิของท่อและปลายสแต็คที่ตำแหน่งถูกเปลวไฟผาทำให้มีอุณหภูมิเพิ่มสูงจนทำให้ได้คลื่นที่มีความถี่มากจนมีกำลังพอที่จะทำให้ล้อตุนกำลังทำงาน เครื่องยนต์ก็จะเริ่มทำงานอย่างต่อเนื่อง ในบางครั้งอาจต้องใช้มือหมุนล้อตุนกำลังอย่างเบา ๆ เพื่อให้เครื่องยนต์เริ่มทำงาน ยิ่งอุณหภูมิเพิ่มสูงเครื่องยนต์ก็จะหมุนเร็วขึ้น และมีกำลังมากขึ้นตามไปด้วย

            จากประสบการณ์การสร้างเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกของผู้เขียนปัญหาที่ทำให้เครื่องยนต์ไม่ทำงานมีหลายประการ เช่น มีรูรั่วตรงรอยต่อระหว่างท่อกำทอนกับโช้ค ชุดล้อตุนกำลังมีความเสียดทานมากเกินไปความร้อนจากตะเกียงอัลกอฮอล์แบบมีใส้ให้อุณภูมิไม่สูงพอที่จะทำให้เครื่องยนต์ทำงาน

            เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกเป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่ยังไม่เป็นที่รู้จักกันมากและยังอยู่ในช่วงการศึกษาวิจัยและพัฒนา แต่เป็นเครื่องยนต์ที่มีส่วนประกอบง่าย " สามารถสร้างได้โดยใช้เครื่องมือและอุปกรณ์ที่มีอยู่ในโรงฝึกงาน ถ้าท่านผู้อ่านมีเวลา ลองสร้างดูเถิดครับรับรองได้ว่าจะเรียนรู้สิ่งที่ไม่ได้เขียนไว้ในที่นี้อีกมาก นอกเหนือจากความสุขที่ได้เห็นเครื่องยนต์ทำงานได้

Thermoacoustic 09

ภาพ Thermoacoustic Engine
ที่มา http://gyroscope.com/d.asp?product=ACOUSTIC

            บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Backhaus. Scott, & Swift, Greg, (2002). New Vanieties of Thermoacoustic Engines LA-UR-02-2721, 9" Intemational Congress on Sound and Vibration.

DeBacco, Thomas, et al. (2011). Design and Fabrication of Thermoacoustic Engine, g" Annual International Energy Conservation Engineering Conference. 31 July - 03 August 2011, California: San Diego.

Garrett, S. (2011). Thermoacoustic Engines and Refrigerators, Penn. USA: State University. Graduate Program in Acoustics.

Yap, Mark Peterson & Cruz. Efren Dela (2015). Design and canstruction of a Simple Standing Wave Thermoacoustic Refigerator. DLSU Research Congress 2015. Philippines: De La Salle University.

หัวเรื่อง และคำสำคัญ
เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก, Thermoacoustic Engine, พลังงานอะคูสติก, อุณหพลศาสตร์
ลิขสิทธิ์
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)
ผู้แต่ง หรือ เจ้าของผลงาน
สมนึก บุญพาไสว
ระดับชั้น
ป.1
ป.2
ป.3
ป.4
ป.5
ป.6
ม.1
ม.2
ม.3
ม.4
ม.5
ม.6
ช่วงชั้น
ทุกช่วงชั้น
ประถมศึกษาตอนต้น
ประถมศึกษาตอนปลาย
มัธยมศึกษาตอนต้น
มัธยมศึกษาตอนปลาย
กลุ่มเป้าหมาย
ครู
นักเรียน
บุคคลทั่วไป
  • 12474 เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก (Thermoacoustic Engine) /article-physics/item/12474-thermoacoustic-engine
    เพิ่มในรายการโปรด
  • ให้คะแนน
    Average rating
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • Share
    • Tweet
    • Share

  • คำที่เกี่ยวข้อง
    อุณหพลศาสตร์ พลังงานอะคูสติก Thermoacoustic Engine เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก
ค้นหาบทความ
กลุ่มเป้าหมาย
ระดับชั้น
สาขาวิชา/กลุ่มสาระวิชา
การกรองเปลี่ยนแปลง โปรดคลิกที่ส่งเมื่อดำเนินการเสร็จ
  • บทความทั้งหมด
  • ฟิสิกส์
  • เคมี
  • ชีววิทยา
  • คณิตศาสตร์
  • เทคโนโลยี
  • โลก ดาราศาสตร์ และอวกาศ
  • วิทยาศาสตร์ทั่วไป
  • สะเต็มศึกษา
  • อื่น ๆ
  • เกี่ยวกับ SciMath
  • ติดต่อเรา
  • สรุปข้อมูล
  • แผนผังเว็บไซต์
  • คำถามที่พบบ่อย
Scimath คลังความรู้

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) กระทรวงศึกษาธิการ เป็นหน่วยงานของรัฐที่ไม่แสวงหากำไร ได้จัดทำเว็บไซต์คลังความรู้ SciMath เพื่อส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์และเทคโนโลยีทุกระดับการศึกษา โดยเน้นการศึกษาขั้นพื้นฐานเป็นหลัก หากท่านพบว่ามีข้อมูลหรือเนื้อหาใด ๆ ที่ละเมิดทรัพย์สินทางปัญญาปรากฏอยู่ในเว็บไซต์ โปรดแจ้งให้ทราบเพื่อดำเนินการแก้ปัญหาดังกล่าวโดยเร็วที่สุด

The Institute for the Promotion of Teaching Science and Technology (IPST), Ministry of Education, a non-profit organization under the Thai government, developed SciMath as a website that provides educational resources in Science, Mathematics and Technology. IPST invites visitors to use its online resources for personal, educational and other non-commercial purpose. If there are any problems, please contact us immediately.

Copyright © 2018 SCIMATH :: คลังความรู้ SciMath. Terms and Conditions. Privacy. , All Rights Reserved. 
อีเมล: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. (ให้บริการในวันและเวลาราชการเท่านั้น)