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

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

To predict a thermoacoustic engine's limit cycle from its impedance measurement

International audienc

Nonlinear temperature field near the stack ends of a standing-wave thermoacoustic refrigerator

International audienceNonlinear temperature field near the stack ends of a standing-wavethermoacoustic refrigeratorArganthaël Bersona,⇑, Gaëlle Poignandb, Philippe Blanc-Benonc, Geneviève Comte-BellotcaDepartment of Chemistry, University of Durham, South Road, Durham DH1 3LE, United KingdombLaboratoire d’Acoustique de l’Université du Main, UMR CNRS 6613, Avenue Olivier Messiaen, 72085 Le Mans Cedex 9, FrancecLaboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, UMR CNRS 5509, École Centrale de Lyon, 36 avenue Guy de Collongue, 69134 Ecully-Cedex, Francearticle infoArticle history:Received 4 January 2011Received in revised form 27 May 2011Available online 28 June 2011Keywords:ThermoacousticsTemperature-fluctuation measurementsConstant-voltage anemometryOscillating flowsabstractThe nonlinear temperature field in the vicinity of the stack of a standing-wave thermoacoustic refriger-ator is investigated both theoretically and experimentally. First, the problem is addressed theoretically bya one-dimensional nonlinear model that predicts the generation of thermal harmonics near the ends ofthe stack. The model relies on a relaxation-time approximation to describe transverse heat transferbetween the stack walls and the working fluid. It extends a previous model proposed by [Gusev et al.,Thermal wave harmonics generation in the hydrodynamical heat transport in thermoacoustics, J. Acoust.Soc. Am. 109 (2001) pp. 84–90], by including the effect of axial conduction on temperature fluctuations.Second, the nonlinear temperature field is investigated experimentally. The amplitude of temperaturefluctuations behind the stack at the fundamental frequency and second harmonic are measured usingcold-wire anemometry. The measurements rely on a procedure recently developed by the authors thatallows a full correction of the thermal inertia of the sensor. Experimental results are in good agreementwith the predictions of the model. The generation of thermal harmonics behind the stack is thus vali-dated. The influence of the Péclet number on the thermal field, which depends on the diffusivity of theworking fluid and on the acoustic frequency and pressure level, is also demonstrated

Weakly nonlinear propagation in thermoacoustic engines: a numerical study of higher harmonics generation up to the appearance of shock waves

International audienceThough thermoacoustic engines usually operate at high acoustic amplitude, they rarely exhibit strong deformation of the wavefront due to nonlinear propagation. It has however been demonstrated experimentally that obtaining shock waves in thermoacoustic engines is possible under specific con-ditions. This paper aims at presenting a simple description of the periodic steady-state operation of thermoacoustic engines describing the wave steepening process leading to shock wave formation. Results of numerical simulations are compared to experimental data in different engine configura-tions, and model improvements are proposed to reach a realistic description of the weakly nonlinear propagation in thermoacoustic engines

Measurements of temperature and velocity fluctuations in oscillating flows using thermal anemometry application to thermoacoustic refrigerators

International audienceThis paper summarizes our recent work on the development of thermal anemometry to measure velocity and temperature fluctuations in oscillating flows. First, we demonstrate that velocity cannot be measured accurately by hot-wire anemometry in oscillating flows when the flow reverses its direction. Indeed, there is no unique and well-defined correlation between the flow velocity and heat transfer near flow reversal, which prevents the recovery of velocity fluctuations from the anemometer signal. Second, we detail new procedures for the measurement of temperature fluctuations in oscillating flows using cold-wire thermometry. Thermal inertia alters the response of the sensor to temperature changes. The thermal inertia of the cold-wire (operated by a constant-current or a constant-voltage anemometer) is corrected instantaneously using the same wire but in the heated mode (operated by a constant-voltage anemometer). The new procedures are validated in an acoustic standing-wave where temperature fluctuations amplitudes lower than 0.2K at approximately 1000Hz are successfully measured. Experiments near the edges of the stack in a thermoacoustic refrigerator demonstrate the nonlinearity of the temperature field

Mesure des fluctuations de température dans un résonateur équipant un système thermoacoustique

National audienceDans les systèmes thermoacoustiques, les fluctuations de température présentent un caractère fortement non-linéaire aux extrémités du stack. La connaissance de ces fluctuations est essentielle dans la détermination et l'optimisation des transferts de chaleur entre le stack et les échangeurs de chaleur et demande la mise au point de nouvelles méthodes de mesure. Cette étude présente une méthode de mesures des fluctuations de température le long d'un résonateur thermoacoustique utilisant un fil froid. Cette méthode consiste à corriger l'inertie thermique du fil froid fonctionnant à l'aide d'un Anémomètre à Courant Constant (CCA). La mesure instantanée de l'inertie thermique du fil est effectuée en faisant appel à un Anémomètre à Voltage Constant (CVA) et ne nécessite ni la connaissance des propriétés du fil, ni celle de la vitesse incidente. Ainsi, le fil est alternativement utilisé en fil froid à l'aide d'un CCA et en fil chaud à l'aide d'un CVA. Cette méthode de mesure a été utilisée dans un résonateur d'un système thermoacoustique à une fréquence de 450 Hz et pour des niveaux de pression acoustique allant de 1000 Pa à 3000 Pa. La mesure a permis de déterminer la première et la deuxième harmonique des fluctuations de température le long du résonateur. La comparaison de ces résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques montre un bon accord. Cette méthode ouvre ainsi la voie à des mesures dans un système thermoacoustique muni d'un couple stack-échangeur de chaleur. Ce travail est financé par l'ANR MicroThermAc NT051_42101

Mesure des fluctuations de température dans un résonateur équipant un système thermoacoustique

National audienceDans les systèmes thermoacoustiques, les fluctuations de température présentent un caractère fortement non-linéaire aux extrémités du stack. La connaissance de ces fluctuations est essentielle dans la détermination et l'optimisation des transferts de chaleur entre le stack et les échangeurs de chaleur et demande la mise au point de nouvelles méthodes de mesure. Cette étude présente une méthode de mesures des fluctuations de température le long d'un résonateur thermoacoustique utilisant un fil froid. Cette méthode consiste à corriger l'inertie thermique du fil froid fonctionnant à l'aide d'un Anémomètre à Courant Constant (CCA). La mesure instantanée de l'inertie thermique du fil est effectuée en faisant appel à un Anémomètre à Voltage Constant (CVA) et ne nécessite ni la connaissance des propriétés du fil, ni celle de la vitesse incidente. Ainsi, le fil est alternativement utilisé en fil froid à l'aide d'un CCA et en fil chaud à l'aide d'un CVA. Cette méthode de mesure a été utilisée dans un résonateur d'un système thermoacoustique à une fréquence de 450 Hz et pour des niveaux de pression acoustique allant de 1000 Pa à 3000 Pa. La mesure a permis de déterminer la première et la deuxième harmonique des fluctuations de température le long du résonateur. La comparaison de ces résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques montre un bon accord. Cette méthode ouvre ainsi la voie à des mesures dans un système thermoacoustique muni d'un couple stack-échangeur de chaleur. Ce travail est financé par l'ANR MicroThermAc NT051_42101

Measurements of temperature and velocity fluctuations in oscillating flows using thermal anemometry application to thermoacoustic refrigerators

International audienceThis paper summarizes our recent work on the development of thermal anemometry to measure velocity and temperature fluctuations in oscillating flows. First, we demonstrate that velocity cannot be measured accurately by hot-wire anemometry in oscillating flows when the flow reverses its direction. Indeed, there is no unique and well-defined correlation between the flow velocity and heat transfer near flow reversal, which prevents the recovery of velocity fluctuations from the anemometer signal. Second, we detail new procedures for the measurement of temperature fluctuations in oscillating flows using cold-wire thermometry. Thermal inertia alters the response of the sensor to temperature changes. The thermal inertia of the cold-wire (operated by a constant-current or a constant-voltage anemometer) is corrected instantaneously using the same wire but in the heated mode (operated by a constant-voltage anemometer). The new procedures are validated in an acoustic standing-wave where temperature fluctuations amplitudes lower than 0.2K at approximately 1000Hz are successfully measured. Experiments near the edges of the stack in a thermoacoustic refrigerator demonstrate the nonlinearity of the temperature field

Modélisation du champ de température en régime transitoire d'un réfrigérateur thermo-acoustique

National audienceL'objet de l'étude présentée ici porte sur l’interprétation théorique du comportement en régime transitoire des réfrigérateurs thermoacoustiques. Un modèle analytique de ce comportement est présenté, dans le cadre d’une théorie linéaire. Il prend en compte les effets des différents flux de chaleur présents dans l’empilement. Ce modèle analytique permet d'interpréter de façon quantitative, après ajustement de paramètres inconnus, le comportement transitoire d'un prototype expérimental de réfrigérateur thermoacoustique

Mesure du flux de chaleur thermique extrait à l'échangeur de chaleur froid d'un réfrigérateur thermoacoustique

National audienceUn réfrigérateur thermoacoustique à ondes stationnaires de dimensions réduites muni d'un stack et d'échangeurs de chaleur est étudié expérimentalement. En plus de l'instrumentation classique d'un système thermoacoustique, ce réfrigérateur est équipé de capteurs de flux de chaleur thermiques spécifiquement développés par technologie MEMS. Ces capteurs donnent accès à l'évolution des flux de chaleur extrait à l'échangeur froid et rejeté à l'échangeur chaud. L'introduction de ces capteurs supplémentaires apporte une meilleure compréhension des échanges thermiques entre le stack et les deux échangeurs. Dans l'étude proposée, l'intérêt est notamment porté sur l'étude de l'évolution temporelle de la température le long du stack et des flux de chaleur mesurés en fonction du niveau de pression acoustique. Les résultats montrent qu'à fort niveau de pression acoustique, le flux de chaleur extrait à l'échangeur froid présente une augmentation rapide dans les premiers instants jusqu'à atteindre un maximum, puis vient se stabiliser à une valeur inférieure. L'origine de cette limitation peut provenir de la formation de tourbillons derrière le stack mise en évidence dans le travail de Berson & al. [Heat Mass Trans, 44, 10151023 (2008)]. Ce travail est financé par l'ANR MicroThermAc NT051_42101