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Auteur(s)
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Philippe NIKA : Professeur, université de Franche-Comté, CNRS
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Selon les niveaux thermiques de leurs sources et puits de chaleur, les machines thermodynamiques sont divisées en deux catégories : les moteurs thermiques produisant de l'énergie mécanique à partir d'énergie thermique et les générateurs thermiques ou refroidisseurs ou encore pompes à chaleur qui sont des récepteurs d'énergie mécanique et fournisseurs d'énergie thermique. En 1979, Ceperley découvre que les machines de Stirling ne sont autres que des machines thermoacoustiques utilisant les particularités des ondes de pression progressives. Les deux types d'ondes de pression stationnaires et progressives donnent en effet naissance aux deux classes de machines correspondantes. Dans une onde stationnaire, le gaz oscille avec une phase pression-vitesse voisine de 90o et il interagit avec la paroi du « stack » dont le diamètre hydraulique est voisin de la taille de la couche limite thermique, ce qui induit un contact thermique volontairement imparfait. Dans une machine à onde progressive (à laquelle se rattache la machine Stirling), cette phase est voisine de 0o ; le fluide et la paroi sont en très bon contact thermique (car le régénérateur a un diamètre hydraulique très inférieur à l'épaisseur de couche limite thermique), le fonctionnement est proche de la réversibilité thermodynamique et les coefficients de performance approchent les valeurs maximales prévues par le coefficient de Carnot.
Cet article fait suite à l'article Convertisseurs thermoacoustiques- Effet thermoacoustique[BE 8 060] traitant des « effets thermoacoustiques» et utilise largement les notions et relations qui y ont été développées.
Il est complété par les deux articles [BE 8 062] et [BE 8 063] respectivement consacrés à la modélisation, au dimensionnement des systèmes thermoacoustiques et à l'étude des combinaisons moteur/générateur thermoacoustiques.
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Moteurs Stirling « thermoacoustiques »5. Échangeurs de chaleur et régénérateurs
5.1 Flux d'énergie axial et transfert thermique radial
La conception des échangeurs de chaleur utilisés dans les systèmes thermoacoustiques passe par des « règles de l'art » strictes concernant la géométrie, mais encore mal comprises actuellement. La figure 14 reprend la disposition générale des échangeurs chaud et froid de part et d'autre du stack ou du régénérateur. La spécificité de ces échangeurs fluide-gaz se trouve du côté du gaz en écoulement oscillant à vitesse moyenne nulle car la théorie des transferts thermiques est peu développée dans ce cas. La seule chose certaine est que les relations utilisées dans le calcul classique des échangeurs à écoulements permanents (méthodes DTML et NUT, par exemple) ne sont plus utilisables directement car la température du gaz en oscillation reste constante en moyenne. Il en va de même des corrélations pour le calcul des coefficients d'échange de chaleur ou des facteurs de frottement qui ont été établies pour des écoulements permanents et devraient aussi être revues. Dans le cas des échangeurs compacts généralement utilisés en thermoacoustique, il faut encore tenir compte de l'interaction des divers conduits parallèles entre eux ainsi que de la présence des ailettes conductrices réalisant les canaux acoustiques eux-mêmes. De plus, il semble impossible de modéliser les transferts thermiques d'un échangeur sans tenir compte de la présence des différents organes chaud et froid situés dans sa proximité (figure 15) et ceci en raison de l'effet de navette du fluide oscillant qui facilite les échanges de chaleur entre ces organes et l'échangeur.
Dans les hypothèses de la thermoacoustique linéaire, qui se limite aux petites variations sinusoïdales de l'amplitude de température du gaz autour d'une valeur moyenne, et donc de moyenne temporelle nulle, il peut même paraître étrange qu'il y ait un transfert thermique global entre le gaz et les parois, la chaleur cédée lors de la phase de compression étant reprise à la détente. L'hypothèse est aussi souvent faite que la température moyenne du gaz (sur un cycle) est égale à la température moyenne de la paroi, or il faut bien qu'il existe des différences de température si l'on désire créer un échange thermique !
En fait, il...
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Échangeurs de chaleur et régénérateurs
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CEPERLEY (P.H.) - A pistonless Stirling engine : The traveling wave heat engine. - J. Acoust. Soc. Am., 66(5), p. 1508-1513, nov. 1979.
-
(2) - CEPERLEY (P.H.) - Gain and efficiency of a traveling wave heat engine. - J. Acoust. Soc. Am., 72(6), p. 1688-1694, déc. 1982.
-
(3) - CEPERLEY (P.H.) - Gain and efficiency of a short traveling wave heat engine. - J. Acoust. Soc. Am., 77(3), p. 1239-1244, mars 1985.
-
(4) - BACKHAUS (S.), SWIFT (G.W.) - A thermoacoustic Stirling heat engine Nature. - vol. 399, no 6734, p. 335-338 (1999).
-
(5) - BACKHAUS (S.), SWIFT (G.W.) - A thermoacoustic Stirling heat engine : detailed study. - J. Acoust. Soc. Am., 107(6), p. 3148-3166, juin 2000.
-
(6) - BACKHAUS (S.), TWARD (E.), PETACH (M.) - Traveling wave thermoacoustic electric generator. - Applied...
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