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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 [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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3. Résonateur et circuit acoustique
3.1 Facteur de qualité d'un résonateur
Le résonateur acoustique quant à lui, est caractérisé par un facteur de qualité Θ, rapport de la puissance acoustique stockée
dans un volume V à la puissance dissipée
aux parois du volume. Il permet de quantifier la décroissance en
de l'énergie acoustique dans le temps :
Soit :
( 17 )
Pour un système résonant normalement à la pulsation ω 0 avec une amplitude de pression pmax , on obtient à une fréquence voisine ω, une amplitude p qui dépend du facteur de qualité du résonateur, la courbe expérimentale p (ω ) devenant un moyen de déterminer ce facteur :
( 18 )
L'énergie acoustique instantanée dans un volume V est la somme des énergies de pression...
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Résonateur et circuit acoustique
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 Physics...
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