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Philippe NIKA : Professeur, université de Franche-Comté, CNRS
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La thermoacoustique est une discipline relativement jeune au carrefour de la thermodynamique, de la thermique et de l'acoustique. Elle offre des effets très variés basés sur l'interaction entre un fluide en écoulement oscillant et une paroi solide présentant une répartition de température donnée. Ces effets complexes trouvent déjà des applications concrètes dans le refroidissement et la liquéfaction des gaz ainsi que dans de nouvelles générations de convertisseurs d'énergie thermique en énergie électrique de la même classe que les machines de Stirling à apport de chaleur externe. Une caractéristique des systèmes thermoacoustiques réside dans le fait qu'ils ne nécessitent pas ou peu de pièces en mouvement, présentant de ce fait un intérêt indéniable sur des convertisseurs classiques.
Cet article est le premier d'une série consacrée à la thermoacoustique ; les suivants sont :
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l'article Convertisseurs thermoacoustiques- Moteurs et générateurs[BE 8 061] consacré aux moteurs et générateurs thermo- acoustiques;
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l'article [BE 8 062] qui traite du dimensionnement et de la modélisation des systèmes thermoacoustiques ;
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l'article [BE 8 063] qui décrit les réalisations et combinaisons de moteurs et refroidisseurs thermoacoustiques.
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Description qualitative de l'évolution thermique des particules de gaz1. Définition de l'effet thermoacoustique
L'intérêt porté aux systèmes thermoacoustiques remonte aux alentours des années 1980 et le LANL (Los Alamos National Laboratory, Swift, Backhaus) et l'université Penn State (Garrett) peuvent être considérés comme les précurseurs dans le domaine. En remontant encore dans le temps, il semblerait que Rayleigh soit le premier à avoir remarqué que la production d'énergie mécanique était possible si l'on chauffait de l'air durant sa phase de compression et si on le refroidissait durant sa détente (études des tubes de Sondhauss, 1850 et de Rijke, 1859). Plus tard, Rott inaugure le vocable de thermoacoustique (1969 à 1980) et en établit les fondements théoriques.
L'effet thermoacoustique résulte de l'interaction thermique entre un fluide en oscillation sous l'effet d'une « onde acoustique » (qui correspond à une amplitude de pression oscillante) et une paroi solide comportant un gradient thermique. Il se traduit globalement par le transport de chaleur dans les couches limites de fluide voisines de la paroi, parallèlement à celle-ci et dans une direction qui dépend de l'importance du gradient thermique de la paroi. On peut utiliser l'effet thermoacoustique dans des convertisseurs d'énergie soit pour le refroidissement: pompage de la chaleur d'une source froide vers un puits chaud, soit en moteur : conversion de la chaleur en énergie mécanique sous forme d'énergie acoustique dans une première étape.
Les éléments nécessaires à la réalisation d'un système thermoacoustique (figure 1) sont assez simples :
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soit un stack (empilement), soit un régénérateur (milieu poreux), de diamètre hydraulique et de longueur convenables, placé stratégiquement dans le circuit acoustique ;
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deux échangeurs de chaleur de type fluide (liquide ou gaz) – gaz oscillant, un chaud, un froid, placés de part et d'autre du régénérateur/stack ;
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un circuit fluidique, dans lequel est logé l'ensemble, complété éventuellement par un résonateur acoustique ;
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un système de récupération de l'énergie acoustique pour les moteurs : pistons, générateur électrique linéaire..., ou un excitateur d'onde acoustique pour les refroidisseurs : haut-parleur, excitateur piézo-électrique...
On utilise un régénérateur,...
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Définition de l'effet thermoacoustique
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ROTT (N.) - Thermoacoustics. - Advances in applied Mechanics, vol. 20, p. 135-174 (1980).
-
(2) - ROTT (N.) - Damped and thermally driven acoustic oscillations in wide and narrow tubes. - Zett. Fur. Angewandte Mathematic und physik, no 20, p. 230-293 (1969).
-
(3) - SWIFT (G.W.) - Thermoacoustics : a unifying perspective for some engines and refrigerators. - Fifth draft LA UR 99 895, 29 mai 2001.
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(4) - SWIFT (G.W.) - Thermoacoustic engines. - J. Acoust. Soc. Am., 84(4) , oct. 1988.
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(5) - SWIFT (G.W.) - Thermoacoustic engines and refrigerators. - Physics Today, 22-28 juil. 1995.
-
(6) - WHEATLEY (J.), HOFLER (T.), SWIFT (G.W.), MIGLIORI (A.) - Understanding some simple phenomena in thermoacoustics with applications to acoustical heat engines. - Am. J. Phys., 53 (2), p. 147-162, fév....
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