Définition
Principe
Le Stack
Echange de chaleur
Réfrigérateur
Moteur thermoacoustique
L'effet thermoacoustique est la conversion de chaleur en énergie acoustique et vice versa. La réfrigération est donc la conversion d'énergie acoustique en énergie thermique.
Les machines thermoacoustiques sont constituées dans leurs versions les plus simples d'un résonateur acoustique à l'intérieur duquel est disposée une structure poreuse ou stack muni d'échangeurs de chaleur à ses extrémités. Enfin, on utilise une source/récepteur d'ondes sonores. Le haut-parleur est réglé pour créer des ondes sonores stationnaires dans le résonateur afin que la position des noeuds de vitesse et de pression soit constante.
Qui dit onde sonore dit variation brusque et temporaire de la pression.
En supposant que l'on travaille avec des gaz parfaits, on a alors PV=nRT
On peut aussi considérer des transformations adiabatiques et PV^g =cst
Dès à présent effectuons une application numérique en recherchant la variation de température liée simplement à une conversation entre deux personnes (1 pascal).
Soit un gaz à température moyenne Tm et de pression Pm qui passe à un état T+dT et P+dP
Loi de Laplace : T*P (1- g / g ) = (T+dT)*(P+dP) (1- g / g )
En faisant un développement limité à l'ordre 1, on a dT/T=(1- g / g ) * dP/P
CALCUL : g =1.5, T=300K, P=10**5 pascals, dP=1Pascal
dT=300*(1.5-1)/1.5*1/(10**5) dT<1/1000 K
Ainsi la variation de température dT < 1/1000°K n'est pas mesurable mais dans un résonateur où la pression est de 10 ou 30 atmosphères, cette température peut atteindre quelques degrés. Cependant, la variation de température entraînée par l'onde quelle que soit la pression P est insuffisante.
Par ailleurs, la capacité calorifique d'un gaz est faible. Il faut donc utiliser un solide. Un tel solide sera appelé Stack
Le stack ( structure poreuse) constitue le cœur du système.
Capacité calorifique du solide >> capacité calorifique du gaz
Il y a un phénomène de diffusion au niveau de la couche limite thermique.
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Le stack est un réseau de plaques parallèles, suffisamment larges pour laisser passer les ondes sonores mais suffisamment rapprochées pour qu'un effet de peau thermique puisse avoir lieu. Il y a alors effet de diffusion. De plus, cette structure permet d'avoir une surface d'échange maximale avec les gaz
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l k : conductivité thermique du gaz dk est de l'ordre du dixième de millimètre avec de l'air |
Si un gaz est au contact d'une surface solide, la surface solide va inhiber le changement de température adiabatique et la variation de température du gaz sera nulle à cause de la diffusion thermique.
L'effet inverse est aussi vrai, c'est-à-dire quand le solide libère de la chaleur dans le gaz, dT<0. Ainsi, on pourra faire diminuer la température
On utilisera des échangeurs pour éviter les dérives du gradient de température dans le stack
Voici le sens des échanges
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Une onde est produite par le haut parleur: 1. La particule se déplace en subissant une compression adiabatique : son volume diminue et sa température augmente. 2. Un transfert thermique s'établit de la particule vers la plaque voisine 3. La particule parcourt le chemin inverse à celui de la phase 1 et subit un abaissement de sa température par dilatation quasi adiabatique 4. Un transfert de chaleur s'établit de la plaque voisine vers la particule |
Notons que ces échanges se font de proche en proche et l'effet est analogue à celui d'une rangée de volontaires se passant des seaux d'eau pour éteindre un incendie.
Sur un cycle, chaque particule assure le transport de chaleur dans un sens donné ; un flux de chaleur s'établit parallèlement à la plaque dont une extrémité refroidit ( échangeur de chaleur froid) tandis que l'autre s'échauffe.
La chaleur de la partie chaude est évacuée par un échangeur thermique (similaire à un radiateur de voiture).
Ainsi, on obtient bien une réelle machine thermique. On fournit du travail sous forme d'énergie acoustique, on prélève de la « chaleur » à la source froide et on la fournit à la source chaude.
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Il s'agit du phénomène inverse : à partir d'une source de chaleur comme une résistance électrique, on obtient une onde sonore que l'on peut éventuellement transformer en énergie électrique à l'aide d'un microphone . Les échanges thermiques se font dans le sens inverse que décrits précédemment pour le réfrigérateur car il y a un fort gradient de température au niveau du stack. On a une machine thermique motrice : de l'énergie est prélevée au niveau de la partie chaude et celle-ci est fournie à la source froide ou transformée en énergie acoustique. |
Il est difficile de se rendre compte facilement de l'effet thermoacoustique réfrigérant. Cependant l'effet thermoacoustique moteur peut facilement se mettre en place. L'expérience suivante m'a été proposée par Mr Steven Garrett
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J'ai d'abord placé une structure poreuse à l'intérieur d'un tube à essai. Il s'agissait d'une céramique poreuse récupérée dans un pot catalytique de voiture. Elle était noire et remplie de particules. Je l'ai nettoyée et sculptée à la taille du tube.
J'ai fixé un fil de NiCr à cette structure, du coté de l'extrémité bouchée du tube. Ce fil est relié à l'extérieur par des fils de cuivres conducteurs de courant. Le tout étant relié à un générateur électrique, le fil de NiCr fait office de résistance et par effet Joule on chauffe la partie coté tube fermé. De l'autre coté de la structure poreuse, la présence d'air est suffisante pour obtenir un fort gradient de température.
La mise en marche du générateur provoque l'apparition d'un son d'une forte amplitude : 100dB.
J'ai pu mesurer la fréquence du signal obtenu et comparer avec la théorie des ondes : avec n=0, on obtient exactement la longueur du tube.
Cette expérience même simple nous montre bien que l'effet thermoacoustique est réel et utilisable pour construire des machines complexes