Adrien Bétrancourt Directeur de thèse : Maurice-Xavier François Journée des Doctorants 24 mai 2005 Optimisation de l’architecture acoustique des machines de réfrigérations thermoacoustiques Adrien Bétrancourt Directeur de thèse : Maurice-Xavier François

Problématique Comment dimensionner une machine de réfrigération performante basée sur un procédé de conversion thermoacoustique qui produise Q Watt de froid à la température T ?

Système thermoacoustique Moteur thermoacoustique Ondes stationnaires Réfrigérateur thermoacoustique Ondes progressives 2 cellules actives de conversion d’énergie thermique acoustique placées dans un système résonant

Principe de fonctionnement Ondes stationnaires Ondes progressives Q Q 1/ déplacement avec détente adiabatique 1/ compression isotherme 2/ échange de chaleur isobare 2/ déplacement isobare 3/ déplacement avec compression adiabatique 3/ détente isotherme 4/ échange de chaleur isobare 4/ déplacement isobare

Deux fonctionnements différents Ondes stationnaires Echange thermique imparfait Déplacement de l’onde dans toute la couche limite thermique (δk ≤ rh) Cycle de Brayton : 2 adiabatiques et 2 isobares Pression et déplacement en phase Ondes progressives Très bon échange thermique Déplacement de l’onde dans une partie de la couche limite thermique (δk >> rh) Cycle d’Ericsson : 2 isobares et 2 isothermes Pression et déplacement en quadrature de phase

Système thermoacoustique Moteur thermoacoustique Ondes stationnaires Réfrigérateur thermoacoustique Ondes progressives 2 cellules actives de conversion d’énergie thermique acoustique placées dans un système résonant

Contrôle du champ acoustique au point actif (1/2) Système déphaseur + dissipation énergie Analogie électroacoustique vanne inductance réservoir loi dans un écoulement oscillant turbulence effet d’entrée (jet) R L C

Contrôle du champ acoustique au point actif (2/2) Système déphaseur en boucle ou Récupération de l’énergie dissipée dans le RLC Effet secondaire : Streaming (écoulement ordre 2)

Domaines d’application Climatisation Architecture en boucle 0°C Froid domestique Froid industriel -30°C -60°C Architecture linéaire -150°C Liquéfaction de gaz 100 W 1000 W 10 000 W 100 000 W

Choix des paramètres Paramètres physiques : gaz, pression moyenne, fréquence Cellule active : plaques, empilement de grilles, canaux rectangulaires, … Contrôle du champ acoustique : position des cellules actives, système déphaseur, amplification, … Nombre de possibilités infini !!!

Outils disponibles Logiciel de pré-dimensionnement par éléments de la machine : TADesign Logiciel de calcul du point de fonctionnement (champ acoustique et thermique) des éléments séparés : Crista Logiciel de calcul du seuil d’instabilité des différentes architectures de machines : Margo

Perspectives Généralisation de la méthode de tir dans Crista pour une simulation 1D de l’ensemble de la machine de réfrigération thermoacoustique et confrontation aux résultats expérimentaux (en cours) Amélioration de la méthode de dimensionnement en prenant en compte les paramètres prépondérants (fin 2005) Optimisation globale de la méthode en couplant le code de dimensionnement (TADesign) avec celui de simulation (Crista) (courant 2006) Synthèse sur un cas concret industriel à définir (début 2007)

À suivre … Juin 2007

Modélisation 1D Analogie électroacoustique locale Résistances visqueuse rv et thermique rk Inductance l Capacitance c Générateur de courant g (stack, régénérateur) Prise en compte d’effets non linéaires par correction de l’analogie (coefficients C3 et C4)