Prototype de réfrigérateur Stirling thermoacoustique
utilisant un agent fluide critique
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E. Bretagne, Y. Dréau, M.X. François, F. Jebali, J.V. Lubiez
Figure
Objet
La conversion d'énergie par un procédé
thermoacoustique constitue une voie d'avenir pour résoudre les problè
mes d'environnement tant sur le plan pollution que pour une utilisation
rationnelle des sources d'énergie ou des rejets thermiques. Depuis 3 ann
ées, le laboratoire a entrepris, avec le soutien de la DGA[1], l'é
tude et la mise au point d'un prototype de réfrigérateur
thermoacoustique opérant sur un cycle de type Stirling et utilisant,
comme agent de transformation, un fluide au voisinage de son point
critique[2]. Les premiers résultats reportés ci dessous, montrent
une certaine faisabilité et le chemin restant à parcourir.
Description
Le problème comprend plusieurs aspects de nature tr
ès différente : d'une part, la définition du procédé et
la mise au point des organes exécutifs capables de le mettre en
uvre, c'est-à-dire le régénérateur, les
échangeurs de chaleur, les deux pistons étanches sous 30 bars chargés
de générer des ondes de pression à des fréquences
comprises entre 1 et 10Hz et avec des amplitudes de déplacement et de
pression raisonnables, la mise
au point et l'utilisation d'un modèle de simulation du procédé
thermoacoustique subi par le fluide de conversion d'énergie en vue du
calcul du `` Régénérateur '', ou `` stack '' dans sa
configuration optimale pour une application donnée (figure 2). La première
partie très délicate et très coûteuse aura nécessité plus de 2 ans
d'effort, et la deuxième partie de la modélisation
a été réalisée dans le cadre de la thèse
de J.V. Lubiez.
Résultats et perspectives
L'étude a porté tout d'abord sur l'é
laboration d'une station (figure 1) d'expérimentation comprenant la source de fluide
critique, et le système de transfert vers la machine, un système
complet d'acquisition de données, pression dynamique et température
moyenne en 10 points clés du réfrigérateur, et la machine
proprement dite. Le procédé a été testé pour des angles
de déphasages entre les deux pistons compris entre 0 et 360
,
une seule amplitude, faible (0,7mm), de déplacement des pistons, et
dans une gamme de fréquence de 1 à 6 Hz. La figure 3 donne
l'amplitude des pressions de chaque coté pour un déphasage de 100
.
Les performances obtenues sont modestes en termes de
puissance de réfrigération mais montrent le bon fonctionnement du
système, et les remarques ci dessous orientent les évolutions de la
machine. L'analyse des résultats[3] reportés ci contre montre :
1/ que l'importance des volumes morts (70%), c'est-à-dire non
participants à la conversion d'énergie, est considérable et que
la géométrie doit être modifiée. Leur présence a
été voulue pour permettre la mise en place d'un maximum de capteurs
et en particulier de pression dynamique et température pour la
première expérimentation
2/ que l'amplitude du volume balayé par le piston, fixé par la came
excentrique (amovible) est également beaucoup trop faible, 0,7 mm pour
le déplacement du piston dans cette première expérience.
Il est prévu de le
multiplier par 2 puis 3 pour les 2 expérimentations suivantes.
3/ que les échangeurs de chaleur et l'isolation thermique de la machine
doivent être améliorés
4/ qu'une source interne de chaleur (à supprimer), du même ordre de
grandeur pour cette expérimentation que la chaleur pompée, entraî
ne une dérive globale du point moyen de fonctionnement du système.
Références
[1] contrat DGA, `` Thermoacoustique en milieu fluide
critique '' N 1996-2561A.
[2] A Stirling engine with a liquid working substance,
G.W.Swift. J.Appl.Phys.65(11),1989,pp4157 .
[3] Réfrigérateur Stirling à Régénérateur de type
Thermoacoustique. Rapport de
stage de DEA, LIMSI sept.1999 Y. Dréau.
