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Auteur(s)
-
Philippe NIKA : Professeur, université de Franche-Comté, CNRS
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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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Modélisation théorique des circuits acoustiques
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1. Concepts de systèmes thermoacoustiques
En 2009, les systèmes thermoacoustiques sont encore bien souvent des prototypes de laboratoire destinés à prouver une faisabilité et ils n'égalent pas encore les performances de systèmes plus classiques. Cependant, ils permettraient des applications dans le domaine des minigénérateurs électriques, des refroidisseurs, des liquéfacteurs de gaz ou même des climatiseurs. Malgré tout, d'année en année, des améliorations nombreuses ont été introduites et les performances globales deviennent intéressantes. Ces améliorations, issues d'une meilleure compréhension des phénomènes physiques, ont porté autant sur les fluides employés (mélanges hélium/xénon) que sur la géométrie des divers organes : tubes coniques polis et jet pumps pour éviter le streaming, redresseurs d'écoulement, réalisation des stacks, etc.
1.1 Systèmes à ondes progressives, rétrogrades ou stationnaires
Dans la classification des systèmes thermoacoustiques, il faut distinguer deux grandes catégories selon qu'ils sont le siège d'ondes stationnaires ou progressives. Nous ne reviendrons pas ici sur les caractéristiques de ces deux types d'ondes qui ont été expliquées dans l'article [BE 8 060] Convertisseurs thermoacoustiques. Effet thermoacoustique. Dans chacune des deux familles, les rôles respectifs des régénérateurs et des stacks sont à distinguer clairement. Les régénérateurs sont utilisés pour les systèmes à ondes progressives (de type Stirling) et les stacks pour des systèmes à ondes stationnaires. Les « régénérateurs » et les « stacks » sont les véritables organes d'amplification/conversion de l'énergie acoustique, mais sous l'unique condition que le gradient thermique longitudinal qu'ils supportent soit dans le sens de l'onde. Dans un régénérateur, l'amplification de l'onde est proportionnelle au ratio des températures des extrémités du régénérateur (cf. équation (70), ...
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Concepts de systèmes thermoacoustiques
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
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 pressure wave generator. - Advances in cryogenic Engineering,...
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