Vers la miniaturisation des réfrigérateurs thermoacoustiques : Caractérisation du transport non-linéaire de chaleur et des écoulements secondaires
Institution:
Ecully, Ecole centrale de LyonDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Thermoacoustic refrigeration relies on the energy conversion from a high amplitude acoustic wave into a heat flux along a solid plate. A typical thermoacoustic refrigerator consists of a standing-wave acoustic resonator, driven by a loudspeaker, and a stack of solid plates along which heat is pumped. To exploit this flux, heat exchangers are located on both sides of the stack. The performances of conventional heat exchangers do not meet the specific requirements of thermoacoustic refrigerators, which limits the efficiency of the whole system. The design of efficient heat exchangers for thermoacoustic systems requires a better understanding of the mechanisms of heat transport from the stack to the heat exchangers, especially at high acoustic amplitudes, when linear theory is no longer valid. A 1D analytical model based on a relaxation time approximation describes the nonlinear heat transport from the stack to one of the heat exchangers. Gusev et al. (J. Sound Vib. 235, 2000) initiated the development of this model. We propose an extension of the initial model to a heat exchanger with finite length, which accounts for a temperature difference between the stack and the heat exchanger. The influence of the geometric and thermal parameters of the model on the generation of thermal harmonics close to the edges of the plates is studied. The parameters are optimized in order to achieve the highest heat flux available at the heat exchanger. Losses due to backward heat conduction are taken into account. Experimental studies are performed inside a model of small-size standing-wave thermoacoustic cooler. High acoustic levels are achieved within the system (up to DR = 5%). Cold-wire anemometry in the constant-current mode (CCA) is used to measure the temperature fluctuations behind the stack. Cold wires are dynamically calibrated inside the resonator. Results partly validate the analytical model that is described previously. The use of hot-wire anemometry in the constant-voltage mode (CVA) to measure velocity fluctuations in a standing wave is considered. We emphasize the importance of inertial phenomena usually ignored by stationnary calibrations, and model their effect on the output signal of the hot-wire anemometer. Finally, we perform Particle Image Velocimetry (PIV) measurements of the flow field behind a ther-moacoustic stack, and within the gap separating the stack and a heat-exchanger. The shear layers flowing out of the stack oscillate at high acoustic level. Vortex shedding resulting from these oscillations is characterized. A criterion for the onset of oscillations is proposed and the experimental results provide a database for future studies. The oscillations of the shear layers are also observed within the gap between the stack and a heat-exchanger. Vortices increase the viscous dissipation within the gap approximately by a factor of two (for nondimensional dissipation). A statistic study of the flow between the stack and the heat-exchanger shows that the flow is no longer periodic at high acoustic level. These features are expected to affect the global performances of the system.
Abstract FR:
La réfrigération thermoacoustique est basée sur la conversion de l’énergie d’une onde acoustique de fort niveau en flux de chaleur le long d’une plaque solide. Un réfrigérateur thermoacoustique typique est ainsi constitué d’un résonateur acoustique à onde stationnaire, alimenté par un haut-parleur, et d’un empilement de plaques solides (stack) le long duquel se développe un flux de chaleur. Ce flux est exploité grâce à des échangeurs thermiques disposés de part et d’autre du stack. Les échangeurs actuellement utilisés ne sont pas optimisés pour répondre aux spécificités des systèmes thermoacoustiques, ce qui limite l’efficacité de tels systèmes. Une meilleure compréhension des phénomènes impliqués dans le transport de chaleur entre le stack et les échangeurs thermiques est nécessaire pour la conception d’échangeurs efficaces, plus particulièrement à fort niveau acoustique où la théorie linéaire n’est plus valide. Dans un premier temps, le transport non-linéaire de chaleur entre le stack et un échangeur lui faisant face est d´ecrit à l’aide d’un modèle analytique unidimensionnel basé sur une approximation de temps de relaxation thermique. Ce modèle a été initialement développé par Gusev et al. (J. Sound Vib. 235, 2000). Nos travaux étendent le modèle au cas d’un échangeur de dimensions finies et prend en compte une différence de température entre les plaques du stack et de l’échangeur. L’influence des paramètres géométriques et thermiques du modèle sur la génération d’harmoniques de température proche des extrémités des plaques est étudiée. L’optimisation de ces paramètres permet de maximiser le flux de chaleur disponible au niveau de l’échangeur, après avoir pris en compte les pertes par conduction retour. Des études expérimentales sont conduites dans une maquette de réfrigérateur thermoacoustique à onde stationnaire de dimensions réduites permettant d’atteindre des niveaux acoustiques élevés (jusqu’à DR = 5%). Les fluctuations de température derriàre le stack sont mesurées à l’aide de l’anémométrie fil froid à courant constant (CCA). Les fils froids sont calibrés dynamiquement dans le résonateur. Les résultats obtenus valident en partie le modèle analytique précédemment d´ecrit. Par ailleurs, l’utilisation de l’anémométrie fil chaud à tension constante (CVA) dans l’onde acoustique stationnaire est étudiée. L’importance de phénomènes inertiels non pris en compte dans les calibrations stationnaires est mise en évidence et modélisée. Enfin, l’´ecoulement derrière le stack thermoacoustique et entre le stack et les échangeurs est caractèrisé par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). L’apparition à fort niveau acoustique d’oscillations des couches de cisaillement derrière le stack est observée. La caractérisation fine de l’échappement tourbillonnaire qui en d´ecoule permet de d´efinir un critère pour le d´eclenchement de ces oscillations et fournit une base de données expérimentales pour les travaux futurs. Les oscillations des couches de cisaillement sont également présentes dans les espaces séparant le stack des échangeurs. La présence de structures tourbillonnaires à ces endroits multiplie les pertes par dissipation visqueuse par deux environ (en adimensionnel). L’étude statistique de l’écoulement entre les empilements montre que celui-ci n’est plus périodique à fort niveau acoustique. Les phénomènes observés vont influencer les performances globales du système.