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Objet

Le phénomène thermoacoustique est devenu durant la dernière décennie d'un grand intérêt aussi bien sur le plan fondamental que celui des applications. Les travaux récents concernent les deux directions et en particulier la recherche d'une modélisation satisfaisante des systèmes. Ce travail, se plaçant dans cette optique, a un double objectif : contribuer à l'analyse théorique du phénomène du pompage de chaleur dans un réfrigérateur thermoacoustique et vérifier expérimentalement la modélisation.

Description

L'élément test (figure 1), consiste en un réfrigérateur de type système résonnant rempli d'azote gaz [1,2], couplé à une source acoustique, dans lequel est inséré un empilement (stack) de plaques en mylar, lui-même placé entre deux échangeurs de chaleur, l'un chaud à température ambiante et l'autre froid aux températures choisies de réfrigération. L'expérience consiste à mesurer le champ de pression dynamique ainsi que la puissance de réfrigération au niveau de l'échangeur froid, pour différentes fréquences de la source acoustique et une température froide fixée. On utilise une analogie électricité-acoustique pour la détermination des champs respectifs de pression et de vitesse acoustiques. Ainsi, disposant de la puissance acoustique par unité d'aire, I, la densité de flux d'enthalpie due aux oscillations du fluide dans la région du stack s'exprime en fonction de I et de la densité de flux de chaleur due à ces oscillations, qui comprend les parties Q_st , Q_prog et Q_dyn, associées respectivement aux composantes stationnaire, progressive de l'onde, et aux mouvements oscillatoires du fluide fonction de la vitesse. La puissance de réfrigération, Q_c, est alors déduite à partir du 1er principe qui stipule la conservation de l'énergie lorsque tous les flux de chaleur sont pris en compte.

Résultats et perspectives

La figure 2 représente un exemple de résultats de puissance pompée par la machine, Q_c, en fonction la fréquence de l'onde pour différentes valeurs de l'écart de température entre les deux extrémités du stack. Ces résultats montrent d'une part un accord satisfaisant entre la théorie et l'expérience. Le cas = 0, où les gradients locaux de température dans le stack sont voisins de zéro montre en effet un maximum de réfrigération pour la fréquence de résonance, car les pertes thermiques, Q_dyn, et Q_cond en régime statique (proportionnelles au gradient de température) sont alors minimales. Lorsque 0, les pertes, de nature visqueuse ou thermique, et qui sont fonction de l'espacement entre les plaques du stack, prennent un caractère prohibitif vis-à-vis de l'effet thermoacoustique comme le montrent les résultats de la figure 3.

En conclusion une première approche modélisatrice linéaire rend compte très correctement du comportement global du sytème et permet son analyse paramétrique.

Références

[1] J.V. Lubiez, F. Jebali, M.X. Francois : `` Experimental Investigation of Heat Pumping in Thermoacoustic Refrigerator '', CEC-ICMC, Montréal, Canada, juillet 1999.
[2] J.V. Lubiez, F. Jebali, M.X. Francois :`` New results on thermoacoustic refrigeration with gas substance '' SEE2000, HongKong, HKUST, janvier 2000.

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