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Auteur(s)
-
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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Échangeurs de chaleur et régénérateurs
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4. Fluide de travail
Les fluides utilisés en thermoacoustique doivent posséder une viscosité aussi faible que possible de manière à limiter les pertes par frottement visqueux et une conductivité thermique importante pour faciliter les transferts thermiques convectifs du gaz. Ces fluides doivent donc avoir un nombre de Prandtl
petit. Ce nombre de Prandtl représente aussi le ratio entre les épaisseurs de couche limite visqueuse et thermique :
( 29 )
On utilise souvent comme fluide, de l'hélium sous forte pression (Pr ≥ 2/3), mais on réussit à baisser la valeur de Pr jusqu'à 0,2 avec des mélanges hélium-argon ou hélium-krypton Convertisseurs thermoacoustiques- Moteurs et générateurs[70] Convertisseurs thermoacoustiques- Moteurs et générateurs[71] Convertisseurs thermoacoustiques- Moteurs et générateurs[72]. À noter que la température est peu influente sur la valeur de Pr.
La vitesse du son c est aussi très différente selon le fluide employé et c'est un paramètre important dans le calcul des systèmes thermoacoustiques.
Des améliorations très nettes des performances ont été mesurées dans les refroidisseurs thermoacoustiques utilisant des mélanges binaires de gaz rares allant jusqu'à 70 % des valeurs obtenues avec de l'hélium pur ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(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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