Étude théorique et expérimentale d'un réfrigérateur thermo-acoustique «compact». - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2006

Thermoacoustic refrigerator: compact system and transient behaviour study.

Étude théorique et expérimentale d'un réfrigérateur thermo-acoustique «compact».

Résumé

Classical thermoacoustic refrigerators consist of an acoustic source coupled to a resonator filled with a fluid. A stack of plates (or any equivalent material), which is the heart of the thermoacoustic process, is set in the cavity. Interactions between gas and plates generate a transformation of acoustic energy into thermal energy which lead to a thermoacoustic heat flow and induce a temperature gradient along the stack. During the last fifteen years, research in thermoacoustic has been developed because of qualities and possible applications of the refrigerators, in particular the heat transfer from microelectronic components, and many prototypes, mainly standing waves device, has been built. The object of this work is, on the one hand, to study analytically and experimentally a new design of thermoacoustic refrigerator and, on the other hand, to propose a model of the transient behaviour of the temperature in the stack of classical thermoacoustic refrigerator.
The existence of an optimal acoustic field which is different from the one existing in a classical standing wave refrigerator has been first shown. The idea to generate this optimal acoustic field led to design a reduced size refrigerator with four sources, without reduction of performance. This refrigerator is called "compact" because these dimensions are brought back to those of the stack. Consequently, this new kind of refrigerator is studied analytically and experimentally. Thus, a model of the acoustic field in a compact device as a function of the electric power of the sources, is proposed. The characterization in term of the velocity field (measured by Velocimetry Laser Doppler and Particle Image Velocimetry), and of temperature of a decimetric device, in some points of operation, is then presented. A more complex thermal behaviour than that obtained in a standing waves device is observed. This behaviour can reduce the performance of the system, so improvements are proposed for its miniaturization. Finally, a model of the behaviour during the transient regime in a classical thermoacoustic refrigerator is presented. This model conveys a quantitative interpretation of the role played by the heat flux on the behaviour of an experimental prototype of refrigerators.
Les réfrigérateurs thermoacoustiques classiques sont constitués d'une source acoustique couplée à un résonateur à ondes stationnaires dans lequel est disposé un empilement de plaques (ou tout autre matériau poreux), qui est le coeur du processus thermoacoustique. L'interaction entre les ondes acoustiques et thermiques au voisinage des plaques conduit à la création d'un flux de chaleur thermoacoustique et d'un gradient de température le long de l'empilement. L'étude de tels systèmes thermoacoustiques fait l'objet des travaux de la thèse, dont l'objectif est double.
D'une part, dans le cadre des études menées sur la miniaturisation des systèmes thermoacoustiques, avec pour objectif l'évacuation de la chaleur des composants électroniques, une nouvelle architecture de réfrigérateurs thermoacoustiques est étudiée. Ce réfrigérateur, qui est dit "compact" car ses dimensions sont ramenées à celle de l'empilement, offre la possibilité de générer indépendamment les champs de vitesse particulaire et de pression acoustique à partir de quatre sources sonores. Ainsi, un champ acoustique optimal, qui est différent de celui obtenu dans un réfrigérateur à ondes stationnaires, peut être généré dans ce système. Ce type de réfrigérateur est étudié analytiquement et expérimentalement. Une modélisation du champ acoustique dans l'empilement d'un système compact en fonction des débits des sources, ou en fonction des tensions électriques fournies à ces sources, est proposée. La caractérisation expérimentale en terme de champ de vitesse particulaire (mesuré par Vélocimétrie Laser Doppler et Vélocimétrie par Images de Particules), et de température d'une maquette décimétrique, pour différents points de fonctionnement, est ensuite présentée. Un comportement thermique, plus complexe que celui obtenu dans un système à ondes stationnaires, est observé. Ce comportement pouvant se traduire par une diminution de ses performances, des améliorations du système sont proposées en vue de sa miniaturisation.
D'autre part, dans le cadre des études menées en thermoacoustique afin d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques qui prennent place dans les systèmes, un modèle analytique du comportement en régime transitoire des réfrigérateurs thermoacoustiques classiques est mis en place. Ce modèle permet d'obtenir l'évolution temporelle de la température en tous points de l'empilement en prenant en compte les effets du flux de chaleur thermoacoustique le long de l'empilement de plaques, du flux de chaleur par conduction retour dans les plaques de l'empilement et dans le fluide, des pertes thermiques à travers les parois du tube, de l'échauffement dû aux frottements visqueux dans l'empilement, et des pertes thermiques à chacune des extrémités de l'empilement. Ce modèle est utilisé pour interpréter qualitativement le comportement transitoire d'un prototype de réfrigérateurs observé lors d'études expérimentales antérieures et permet en particulier d'interpréter les rôles joués par les différents flux de chaleur mis en jeu.
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Dates et versions

tel-00319014 , version 1 (05-09-2008)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00319014 , version 1

Citer

Gaelle Poignand. Étude théorique et expérimentale d'un réfrigérateur thermo-acoustique «compact».. Acoustique [physics.class-ph]. Université du Maine, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00319014⟩
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