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Machines thermoacoustiques
Applications industrielles de la thermoacoustique
A ce jour, les quelques réalisations « industrielles » de machi-
nes thermoacoustiques restent assez anecdotiques, mais
la recherche universitaire en thermoacoustique demeure
néanmoins très active de par le monde, car les applica-
tions potentielles sont bien réelles, notamment lorsque
faible coût et fiabilité sont les critères essentiels.
A titre d’exemple en Europe, plus particulièrement à l’ECN
(Energy Centre for Netherlands), des recherches sont
actuellement menées en vue de développer des systèmes
thermoacoustiques permettant de récupérer la chaleur
rejetée à basse température dans l’environnement par
certains process industriels pour augmenter la tempéra-
ture de cette réserve de chaleur afin de la rendre réutili-
sable dans ces mêmes process [20]. Seuls les systèmes
thermoacoustiques semblent aujourd’hui capables de réali-
ser cette fonction. Les enjeux sont importants en termes
d’économie d’énergie puisque la chaleur rejetée dans l’at-
mosphère représente environ 10% de l’énergie utilisée.
Les propos qui suivent visent à donner un aperçu sur quel-
ques machines thermoacoustiques réalisées, mais égale-
ment sur les études menées en vue de l’utilisation future
de machines thermoacoustiques à des fins industrielles.
Quelques exemples de réalisations et leurs
performances
Parmi les nombreux prototypes de machines thermoacous-
tiques « classiques » réalisés à ce jour, les plus remar-
quables en termes de performances ont été réalisées aux
Etats Unis d’Amérique. L’équipe de recherche de l’université
de Penn State [21] a conçu plusieurs prototypes perfor-
mants comme par exemple le «Space ThermoAcoustic
Refrigerator» (STAR) [22], inspiré d’une machine antérieure
réalisée au Los Alamos National Laboratory [23], qui a été
embarqué sur la navette « Discovery STS-42 » en 1992, ou
le «ThermoAcoustic for Life Science Refrigerator» (TALSR)
qui a été installé dans un navire de guerre américain en
1995 afin de refroidir des ensembles d’appareillages élec-
troniques. Cette dernière machine, qui permet d’extraire
plus de 200 W avec une efficacité de 40 % (relativement
à l’efficacité de Carnot), est constituée de deux transduc-
teurs électroacoustiques de forte puissance qui excitent
un résonateur demi onde comportant deux noyaux ther-
moacoustiques. Le réfrigérateur développé en 2003 [24]
pour l’entreprise Ben & Jerry’s est quant à lui un système
de faible encombrement destiné au maintien en tempé-
rature de crèmes glacées. Ces trois machines sont, dans
leur constitution, peu différentes de celle décrite au para-
graphe précédent page 45. Cependant, elles sont le résul-
tat d’un important travail de développement portant sur
chacun des éléments constitutifs de la machine (source,
fluide, résonateur, stack, échangeurs) et sur le couplage
entre ces éléments. Le tableau 1 présente les principales
caractéristiques de ces machines réfrigérantes, en compa-
raison de celles d’un réfrigérateur domestique.
Concernant les générateurs d’ondes (effet «moteur»), une
avancée remarquable dans l’optimisation de la conversion
thermoacoustique a été obtenue par l’équipe de recherche
du Los Alamos National Laboratory en 1999 : leur prototype,
dénommé ThermoAcoustic Stirling Heat Engine (TASHE)
[25] est capable de produire une puissance mécanique
(acoustique) de 700 W pour un rendement relatif de 41%.
Comme son nom l’indique, et à la différence des généra-
teurs classiques dits «à ondes stationnaires», l’idée de base
de cette machine repose sur l’utilisation d’un cycle moteur
de Stirling, pour lequel la relation de phase entre pression
acoustique et déplacement particulaire correspond à celle
d’une onde acoustique progressive. Ces performances
intéressantes permettent d’envisager le développement
de machines trithermes performantes et très fiables utili-
sant une source thermoacoustique pour fournir l’énergie
suffisante à l’extraction thermoacoustique de chaleur, dont
un exemple bien connu de la communauté des thermoa-
cousticiens est celui du « Beer Cooler »[10].
Applications en cryogénie. Machines hybrides.
Une part importante des recherches en thermoacous-
tique suit celles menées en vue d’applications dans le
domaine des températures cryogéniques. En particulier,
un effort de recherche important est actuellement consa-
cré (notamment aux Etats-Unis et en Chine) au développe-
ment de machines thermoacoustiques dérivées du tube
à gaz pulsé [26]. Ces machines, qui peuvent être consi-
dérées comme thermoacoustiques en ce sens que leur
fonctionnement repose sur les phénomènes d’échanges
thermiques entre un fluide compressible oscillant et un
tube, ont fait l’objet ces dernières années de nombreux
développements [27-29]. En particulier, l’usage d’un tube
à gaz pulsé couplé à un (ou plusieurs [30]) générateurs
d’ondes thermoacoustiques (donc sans aucune partie
mobile) est en cours de développement et plusieurs types
de machines aux performances intéressantes ont déjà
vu le jour. A titre d’exemple, certaines de ces machines
peuvent atteindre des températures cryogéniques infé-
rieures à 60K pour une puissance de chauffage (source
pour la partie moteur) de l’ordre de 2 kW [31]. Les appli-
cations industrielles potentielles de ces machines sont
réelles comme l’illustre un projet ambitieux entre le labo-
STAR
TALSR
Ben & Jerry’s
réfrigérateur
domestique
∆
T (K)
<80
<50
<50
10-30
Q
f
(W)
<5
260
120
200-400
efficacité (%)
20
40
19
40
fluide
97% He, 3% Ar
10 Bars
89% He, 11% Xe
20 Bars
He
10 Bars
HCFC ou HFC
Tabl. 1 : Exemples de performances de machines thermoacoustiques.
∆
T désigne la différence de température
entre les échangeurs chaud et froid, Q
f
désigne la quantité de chaleur extraite à la source froide.