TIPE Effet thermoacoustique

TIPE - État de l’art

Effet thermoacoustique

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Introduction:

L'effet thermoacoustique permet de convertir énergie acoustique en travail, et vice versa: Il s’agit de résonateurs acoustiques dans lesquels l’interaction des oscillations acoustiques et thermiques au voisinage de parois solides soumises entraine une conversion d’énergie thermique en énergie acoustique.  Nous étudierons expérimentalement l’effet thermoacoustique à travers la construction d’un réfrigérateur et/ou moteur afin de déterminer les contraintes et choix pouvant être fait pour améliorer son fonctionnement.

Bien que n’étant pas encore exploitable industriellement (consomme plus d'énergie), l’effet thermodynamique peut avoir de nombreuses applications, notamment comme pour la conquête spatiale, où la fiabilité des équipements embarqués est primordiale. La navette Discovery (1992) embarque un réfrigérateur de ce type à bord.

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Fonctionnement:

Dans la suite nous appellerons stack l’échangeur thermique. Ce dernier se présente sous une forme semblable à cela :  

Lorsque l’onde sonore se propage dans le résonateur (tube fermé à une extrémité), elle entraîne le fluide dans une direction, en le comprimant. Celui-ci voit sa température augmenter, et transfert donc de la chaleur au stack. Dans un deuxième temps, l'onde entraîne le fluide dans la direction opposée, en le dilatant. La température du fluide diminue donc, et c'est le stack qui, cette fois, transmet de la chaleur au fluide. [pic 4]

a) Cycle ( deux isobares et deux adiabatiques)

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Étude :

a) couche limite thermique de l’air δ

Pour faire intervenir la totalité des transferts thermiques de l’air, nous admettons que la distance entre deux plaques dans le stack doit être de deux fois la couche limite thermique de l’air δ(air).

ρ = masse volumique (m-3) [pic 6]

F1 =fondamental (Hz)

K = conductivité thermique (W.K-1 .m -1)

c = capacité thermique  massique à p constante(= 1,007.103 J.K-1.Kg-1)

Donc δ(air) = 0,10 mm Espace entre les  plaques =2 δ(air)= 0,20 mm.

b) Amplitude de déplacement particulaire ξ ( en m ) :

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f = fréquence de l’onde (Hz) [pic 8]

I = intensité acoustique (W.m-2

ρ = masse volumique du fluide (kg.m-3)

c = célérité du son (m.s-1)

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Donc   = 70µm.

Simulation

Préalablement à la mise au point de l’expérience, nous avons dans une première  approche mis au point cette simulation, en considérant grossièrement:

- Que le gaz et le stack se décomposent en {gaz} et cases discrètes (≠ continu), où les échanges thermiques entre les différents {gaz} et les différentes cases sont impossibles.

-Que les δT sont les mêmes pour tout {gaz} et tout t.

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