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Auteur(s)
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Philippe NIKA : Professeur, université de Franche-Comté, CNRS
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Lire l’articleINTRODUCTION
Des notions de base sur les ondes acoustiques ainsi que la description des effets thermoacoustiques sont données dans l'article [BE 8 060] «Convertisseurs thermoacoustiques. Effet thermoacoustique ». Les articles [BE 8 061], «Convertisseurs thermoacoustiques. Moteurs et refroidisseurs thermoacoustiques» ou [BE 8 062] « Convertisseurs thermoacoustiques. Dimensionnement» traitent séparément le cas des moteurs et celui des générateurs. Il est surprenant de constater qu'au cours des années passées, les recherches dans le domaine de la thermoacoustique se sont orientées dans deux directions distinctes, soit sur l'étude du phénomène d'amplification « thermique » d'une onde acoustique, soit sur le refroidissement au moyen de tubes à gaz pulsé actionnés par divers systèmes mécaniques. L'idée est pourtant séduisante de supprimer toute partie mécanique mobile en actionnant un refroidisseur thermoacoustique par un moteur thermoacoustique. Le choix technologique réside ensuite dans l'utilisation d'ondes progressives ou stationnaires dans chacune des deux machines. Cet article décrit des travaux de recherche menés de par le monde dans de nombreux laboratoires et visant à amener les systèmes thermoacoustiques au même niveau d'efficacité que des convertisseurs d'énergie plus conventionnels.
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Concepts de systèmes thermoacoustiques4. Quelques réalisations
4.1 Modèle d'étude d'un moteur à ondes stationnaires
Swift et ses collaborateurs du Los Alamos National Laboratory aux États-Unis ont été parmi les premiers à réaliser, en 1992, des dispositifs de génération de puissance thermoacoustique importante Convertisseurs thermoacoustiques- Systèmes combinés moteur/générateur[4]. La figure représente l'un des prototypes réalisés. Il s'agit d'un dispositif fermé, en demi-onde, très simple, fonctionnant avec de l'hélium sous pression à une fréquence relativement importante de 120 Hz. Malgré tout, le dispositif possède une longueur globale de 4,32 m. Une vanne en liaison avec un réservoir placée en extrémité du résonateur permet de réaliser des charges variables durant les essais. Les figures et montrent la structure des échangeurs thermiques qui encadrent le stack. En fait, l'échangeur chaud est réalisé au moyen de résistances électriques en barreaux, seul moyen de fournir suffisamment de puissance. On notera donc encore la difficulté de réalisation de ces échangeurs dans le cas de la valorisation d'une source de chaleur externe. Par contre, l'échangeur froid à eau est de géométrie très compacte (figure ).
Les caractéristiques techniques du moteur de la figure sont les suivantes :
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longueur totale : 4,32 m (partie moteur seule : 0,61 m) ;
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diamètre du tube : 12,7 cm ;
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fluide : hélium de 6,9 à 13,8 bar ;
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rapport d'amplitude de pression maximum : 10 % ;
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température chaude : 770 K ;
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fréquence : 120 Hz ;
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le stack est réalisé en matériau nid d'abeille de maille 1,02 mm et de longueur 27,9 cm ;
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les performances sont de 630 W acoustique au maximum, le rendement est de 9 % ;
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puissance fournie à l'échangeur chaud : 7 000 W maximum.
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Quelques réalisations
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - NIKA (P.) - Convertisseurs thermoacoustiques. Effet thermoacoustique. - [BE 8 060] Génie énergétique (2008).
-
(2) - NIKA (P.) - Convertisseurs thermoacoustiques. Moteurs et générateurs. - [BE 8 061] Génie énergétique (2008).
-
(3) - NIKA (P.) - Convertisseurs thermoacoustiques. Dimensionnement. - [BE 8 062] Génie énergétique (2008).
-
(4) - PLUSQUELLEC (J.) - Vibrations. - [BR 200] Bruit et vibrations (2004).
-
(5) - JOUHANEAU (J.) - Propagation des ondes acoustiques. - [TE 5 130] Traitement du signal et ses applications (2001).
-
(6) - JOUHANEAU (J.) - Introduction à l'électroacoustique. Transduction électroacoustique. - [E 5 150] Traitement du signal et ses applications (1992).
ANNEXES
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Moteurs et réfrigérateurs thermoacoustiques
SWIFT (G.W.) - Thermoacoustics : a unifying perspective for some engines and refrigerators. - Fifth draft LA UR 99 895, 29 mai 2001.
SWIFT (G.W.) - Thermoacoustic engines and refrigerators. - Physics Today, p. 22-28, juil. 1995.
SWIFT (G.W.) - Thermoacoustic engines. - J. Acoust. Soc. Am., 84(4), p. 1145-1180, oct. 1988.
SWIFT (G.W.) - Analysis and performance of a large thermoacoustic engine. - J. Acoust. Soc. Am., 95(3), p. 1551-1563, mars 1994.
OLSON (J.R.) - SWIFT (G.W.) - A loaded thermoacoustic engine. - J. Acoust. Soc. Am., 98(5), p. 2690-2693, nov. 1995.
ATCHLEY (A.) - BASS (H.E.) - HOFLER (T.J.) - LIN (H.-T.) - Study of a thermoacoustic prime mover below onset of self oscillation. - J. Acoust. Soc. Am., 91(2), p. 734-743, fév. 1992.
ATCHLEY (A.) - Standing wave analysis of a thermoacoustic prime mover below onset of self-oscillation. - J. Acoust. Soc. Am., 92(4), p. 2907-2914, nov. 1992.
ZHOU (S.) - MATSUBARA (Y.) - Experimental research of thermoacoustic prime mover. - Cryogenics, 387, p. 813-822 (1998).
TIJANI (M.E.H.) - ZEEGERS (J.C.H.) - DE WAELE (A.T.A.M.) - Design of thermoacoustic refrigerators. - Cryogenics, 42, p. 49-57 (2002).
TIJANI (M.E.H.) - ZEEGERS (J.C.H.) - DE WAELE (A.T.A.M.) - Construction and performance of a thermoacoustic refrigerator. - Cryogenics, 42, p. 59-66 (2002).
GODSHALK (K.M.) - Miniaturization of a thermoacoustic...
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