Brevet FR3049696A1 — publié le 20171006

SYSTEME THERMOACOUSTIQUE A COMBUSTION DIRECTE [0001] L'invention a trait aux machines thermoacoustiques. L'invention concerne également les véhicules, en particulier automobiles, comprenant une machine thermoacoustique. [0002] Une machine thermoacoustique est un convertisseur thermoacousto-électrique (ou thermo-acousto-mécanique) qui amplifie tout d'abord une onde acoustique via la thermique, et peut, soit amplifier une énergie acoustique à partir de la consommation d'une certaine quantité de chaleur, soit consommer de l'énergie acoustique afin de pomper de la chaleur d'un milieu froid vers un milieu chaud. [0003] Les machines thermoacoustiques sont des machines thermiques cycliques échangeant de l'énergie avec des sources extérieures sous forme de travail et de chaleur, le travail étant de nature acoustique. Dans ces machines, l'interaction des oscillations thermiques et acoustiques d'un fluide au voisinage de parois solides soumises à un fort gradient de température engendre une amplification de l'onde acoustique via la thermique. [0004] L'on distingue conventionnellement les machines thermoacoustiques à ondes stationnaires (standing-wave thermoacoustic 20 system) et les machines thermoacoustiques de Stirling, dites à ondes progressives (travelling-wave thermoacoustic system). [0005] Les machines thermoacoustiques à ondes stationnaires comprennent un guide d'onde, un empilement de plaques (dénommé stack), et des échangeurs de chaleur, typiquement deux échangeurs placés de part 25 et d'autre du stack. Les moteurs thermoacoustiques à ondes stationnaires sont modélisés thermiquement par un cycle de Brayton. [0006] Les machines thermoacoustiques à ondes progressives comprennent un guide d'onde, un empilement de plaques (dénommé régénérateur) et des échangeurs de chaleur. Les moteurs thermoacoustiques 30 à ondes progressives sont modélisés thermiquement par un cycle de Stirling. [0007] L'ensemble formé par deux échangeurs thermiques placés de part et d'autre d'un stack ou régénérateur est souvent dénommé cellule d'amplification acoustique. [0008] L'empilement (« stack » en anglais ou régénérateur) est réalisé en 35 un matériau présentant une capacité calorifique élevée et une faible conductivité thermique, par exemple acier inoxydable, matériau composite, 3049696 2 céramique. L'empilement est conventionnellement formé de fines grilles ou plaques d'acier inoxydable, d'autres géométries ayant été proposées (par exemple mousses de carbone, enroulement de plaque d'acier). [0009] Pour une présentation générale des machines thermoacoustiques, 5 on peut se reporter au document Jin et al, Thermoacoustic prime movers and refrigerators : thermally powered engines without moving components, Energy 93, pp. 828-853, 2015. [0010] Il a rarement été proposé dans l'art antérieur, de récupérer l'énergie thermique d'un gaz chaud par une machine thermoacoustique. Le 10 document Tijani et al (Applied Thermal Engineering, pp. 866-870, 2013) décrit la récupération d'énergie thermique d'un flux d'air à 620°C par une machine thermoacoustique Stirling. Le document Haddad et al (Some efficient solutions to recover low and medium waste heat : competitiveness of the thermoacoustic thechnolgy, Energy Procedia 50, pp. 1056-1069, 2014) 15 décrit la récupération de l'énergie thermique des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne à l'aide d'une machine thermoacoustique à trois cellules d'amplification acoustiques, placées en série, l'énergie étant convertie en électricité. [0011] Le document DE19960966 décrit une machine thermoacoustique comprenant un résonateur, dans lequel une onde sonore est propagée, un convertisseur d'énergie, deux structures poreuses bordées respectivement par deux échangeurs de chaleur, et un moyen permettant de générer une combustion dans une chambre de combustion au moyen d'un gaz, cette combustion permettant de chauffer une structure poreuse et de maintenir le gradient de température dans la structure poreuse. [0012] La machine thermoacoustique décrite dans le document DE19960966 ne va pas sans inconvénients. En particulier, les pertes exergétiques restent importantes, et l'aménagement d'une chambre de combustion autour d'une structure poreuse nécessite d'établir une évacuation pour les gaz qui résultent de la combustion. [0013] L'invention vise à pallier les inconvénients des machines thermoacoustiques proposées dans l'art antérieur. [0014] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un système thermoacoustique comprenant : - un résonateur de forme tubulaire comportant une première extrémité, une seconde extrémité, et un gaz sous pression, 3049696 3 un émetteur d'ondes acoustiques, au voisinage de la première extrémité, apte à produire une onde acoustique à l'intérieur du résonateur, deux modules thermoacoustiques agencés à l'intérieur du résonateur, 5 les deux modules comprenant une structure poreuse bordée par un échangeur chaud et un échangeur froid, et permettant de laisser passer une onde acoustique et d'amplifier son énergie acoustique, un convertisseur d'énergie, agencé à la seconde extrémité du résonateur, apte à convertir l'énergie acoustique d'une onde 10 acoustique en énergie électrique, une chambre de combustion, aménagée au voisinage de la seconde extrémité du résonateur, et contenant le premier module, de sorte à le chauffer au moyen d'un brûleur et d'un comburant injecté dans la chambre de combustion, 15 le système comprenant au moins un troisième module thermoacoustique. [0015] Par brûleur, on désigne ici un ensemble assurant la production de chaleur, en assurant un mélange entre un combustible (gazeux, liquide ou solide) et un comburant (air, oxygène), produisant ainsi la combustion d'un combustible et d'un comburant dans la chambre de combustion. Cet 20 ensemble comprend par exemple une bougie ou une électrode. [0016] Par structure poreuse, on désigne ici, notamment, un ensemble formé d'un empilement de plaques ou de grilles, ou comprenant un matériau à porosité ouverte et interconnectée. [0017] Avantageusement, les modules thermoacoustiques sont placés en 25 série. [0018] Un tel système permet d'amplifier une onde acoustique propagée à l'intérieur d'un résonateur, au moyen de modules thermoacoustique, pour récupérer l'énergie thermique de cette onde et la transformer en énergie électrique ou mécanique au moyen d'un convertisseur d'énergie, avec un 30 rendement élevé. [0019] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : le système comprend un quatrième module thermoacoustique, avantageusement en série avec les trois autres modules 35 thermoacoustiques. Dans certaines mises en oeuvre, le système 3049696 4 comprend n modules thermoacoustiques, n étant supérieur à quatre, les modules étant avantageusement disposés en série ; la chambre de combustion est prolongée d'un conduit d'échappement, auquel les échangeurs chauds sont reliés, de sorte à leur restituer la 5 chaleur issue de la combustion générée dans la chambre de combustion ; le système comprend un échangeur froid de sécurité, à l'intérieur du résonateur, entre la chambre de combustion et la seconde extrémité ; les échangeurs froids sont reliés à un premier circuit de 10 refroidissement, comprenant une pompe et un échangeur de chaleur annexe ; l'échangeur froid du premier module est relié à un premier circuit de refroidissement, tandis que les échangeurs chauds des autres modules sont reliés à un second circuit de refroidissement, les circuits de 15 refroidissement comprenant une pompe et chacun un échangeur de chaleur annexe ; l'échangeur froid du premier module thermoacoustique est relié à un premier circuit de refroidissement, tandis que les échangeurs chauds des autres modules sont reliés à un second circuit de refroidissement, 20 les circuits de refroidissement comprenant une pompe et un unique échangeur de chaleur refroidissement ; le système comprend des échangeurs annexes, aptes à alimenter annexe pour les deux circuits de l'ensemble des échangeurs de chaleur par une source froide ; 25 le système comprend des ajutages, aptes à réguler le débit dans les deux circuits de refroidissement. [0020] L'invention se rapporte, selon un deuxième aspect, à un véhicule, notamment automobile, comprenant un système tel que présenté ci-dessus. [0021] Dans certaines mises en oeuvre, le véhicule comprend un système 30 tel que présenté ci-dessus, le gaz sous pression provenant d'une ligne d'échappement. [0022] Avantageusement, le courant électrique produit par le système thermoacoustique alimente une batterie du véhicule et/ou un moteur du véhicule, le véhicule étant notamment à motorisation hybride, en particulier 35 hybride série : le système thermo-acoustique sera découplé des roues du véhicule et le véhicule sera propulsé par les moteurs électriques. 3049696 5 [0023] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation, laquelle est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : 5 la figure 1 est une vue schématique d'un système thermoacoustique, selon une première réalisation ; la figure 2 est une vue en coupe selon le plan Il-Il du système thermoacoustique de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique d'un module thermoacoustique ; 10 la figure 4 est un diagramme entropique d'un cycle de Carnot ; la figure 5 est un diagramme entropique illustrant le système thermoacoustique de la figure 1 ; la figure 6 est une vue en coupe selon le plan Il-Il du système thermoacoustique de la figure 1, selon une variante de réalisation ; 15 la figure 7 est une vue en coupe selon le plan Il-Il du système thermoacoustique de la figure 1, selon une autre variante de réalisation ; la figure 8 est une vue schématique d'un système thermoacoustique selon un deuxième mode de réalisation ; 20 la figure 9 est une vue schématique d'un système thermoacoustique selon un troisième mode de réalisation. [0024] La figure 1 illustre un système 1 thermoacoustique, comprenant un résonateur 2, comprenant un corps tubulaire présentant une première extrémité 3 et une seconde extrémité 4. 25 [0025] Le résonateur 2 intègre, à l'intérieur de son corps, au moins trois modules thermoacoustiques, un premier module 5, un deuxième module 6 disposé derrière le premier module 5 et un troisième module 7 disposé derrière le second module 6. [0026] Chaque module 5, 6, 7 thermoacoustique comprend une structure 8 30 poreuse (communément dénommée stack). Les structures 8 poreuse des modules 6 et 7 sont bordées par deux échangeurs de chaleur, un échangeur 9 chaud alimenté par une source chaude et un échangeur 10 froid alimenté par une source froide. [0027] Dans une mise en oeuvre, la structure 8 poreuse est un réseau de 35 plaques ou de grilles permettant le passage d'une onde sonore, la structure 3049696 6 8 poreuse agissant comme une peau thermique qui permet de diffuser la chaleur. [0028] Un gaz sous pression est confiné dans le résonateur 2 et est excité par l'application d'une puissance acoustique, au moyen d'un émetteur 11 5 d'ondes sonores. Une onde acoustique d'entrée We est ainsi produite à la première extrémité 3 du résonateur 2. [0029] L'onde acoustique We se déplace dans les structures 8 poreuses de chaque module 5, 6, 7 thermoacoustique. L'onde acoustique appliquée à l'entrée de chaque structure 8 poreuse sera amplifiée par l'effet de la 10 température. [0030] Le système 1 comprend avantageusement un quatrième module 12 thermoacoustique, disposé entre les modules 5 et 6. Le quatrième module 12 comprend une structure 8 poreuse bordée par un échangeur 9 chaud et un échangeur 10 froid. 15 [0031] Le premier module 5 comprend une structure 8 poreuse bordée d'un échangeur 10 froid, l'autre extrémité de la structure 8 poreuse, bordée ou non d'un échangeur chaud, débouchant dans une chambre 13 de combustion, aménagée dans le résonateur 2. [0032] Une combustion a lieu dans la chambre 13 de combustion. Un 20 brûleur 14 va réchauffer un comburant directement injecté dans la chambre 13 de combustion, au moyen d'un conduit 15 d'admission. [0033] La chambre 13 de combustion comprend un conduit 16 d'échappement, permettant d'extraire les gaz d'échappement issus de la combustion du comburant dans la chambre 13 de combustion. 25 [0034] Chaque échangeur 9 chaud est relié au conduit 16 d'échappement, qui sert ainsi de source chaude. [0035] La chambre 13 de combustion peut être munie de plusieurs conduits 15 d'admission et plusieurs conduits 16 d'échappement, ainsi que de plusieurs brûleurs 14, pour augmenter l'intensité de la combustion, 30 comme illustré sur la figure 2. [0036] Le système 1 comprend un convertisseur 17 d'énergie acoustique, disposé à la seconde extrémité 4 du résonateur 2. Le convertisseur 17 d'énergie acoustique permet de transformer l'énergie de l'onde acoustique créée dans le résonateur 2 en énergie électrique ou mécanique, en utilisant 35 par exemple un haut-parleur, un alternateur, ou une turbine bi-directionnelle. 3049696 7 [0037] Dans une mise en oeuvre, la conversion de l'énergie acoustique en électricité est effectuée par une turbine bi-directionnelle entraînant un alternateur de véhicule, par exemple de véhicule automobile. [0038] Le système 1 comprend un échangeur 18 froid de sécurité, disposé 5 entre le convertisseur 17 d'énergie et la chambre 13 de combustion. L'échangeur 18 froid de sécurité permet de refroidir les particules de gaz par effet de diffusion thermique du quatrième module 12, afin d'éviter d'endommager le convertisseur 17 d'énergie. [0039] L'amplification de l'onde acoustique d'entrée We est définie par un 10 facteur f, égal au rapport entre l'énergie acoustique à l'entrée d'un module thermoacoustique sur l'énergie acoustique de l'onde acoustique de sortie W1 du premier module 5 : f We [0040] Le facteur f est proportionnel au rapport entre la température entre 15 la source chaude (Tchaud) et la source froide (Tfroid), à une constante près, qui dépend de caractéristiques thermo-physiques comme le type de gaz, la viscosité du gaz, la pression, la porosité de la structure 8 poreuse. [0041] Toute l'énergie thermique de l'onde acoustique d'entrée We ne peut pas totalement être transformée en énergie acoustique. Une partie Oc 20 doit être évacuée au moyen de l'échangeur 10 froid, comme schématisé en figure 3. [0042] Un premier circuit 19 de refroidissement comprend une pompe 20 et un échangeur 21 de chaleur annexe, et permet d'alimenter par une source froide l'ensemble des échangeurs 10, 18 froids des modules 5, 6, 7, 12, par 25 la circulation d'un fluide de refroidissement. [0043] La circulation de ce fluide de refroidissement dans les échangeurs 10, 18 froids permet un échange de chaleur, l'énergie thermique non transformée en énergie acoustique sera ainsi rejetée vers l'air ambiant. [0044] L'échangeur 9 chaud apporte de l'énergie thermique Oh à l'onde 30 acoustique, pour amplifier son intensité. Ainsi, l'onde acoustique W1 en sortie du premier module 5 sera supérieure à l'onde acoustique d'entrée We. [0045] Chaque module 5, 6, 7, 12 va amplifier l'onde acoustique issue du module 5, 6 et 7 précédent, We devient W1 en traversant le troisième module 7, W1 devient W2 en traversant le second module 6, W2 devient Wn 3049696 8 en traversant le quatrième module 12, enfin Wn devient Wn+1 en traversant le premier module 5. [0046] Chaque passage d'onde acoustique dans les modules 5, 6, 7, 12 est symbolisé par une flèche noire sur la figure 1. 5 [0047] Une particule de gaz contenu dans le résonateur 2 décrit théoriquement un cycle de Stirling. [0048] Avantageusement, chaque module 5, 6, 7, 12 est équipé d'un caloduc, ce dispositif entourant les module 5, 6, 7, 12 permet un échange de chaleur, de sorte à ce que les phases de compression et refroidissement se 10 fassent à température constante. [0049] Pour extraire l'énergie thermique d'un seul module thermoacoustique, une configuration optimale (dans laquelle la température Tchaud est égale à la température optimale Ts) doit être déterminée en fonction de l'énergie thermique extraite (n extraction) et le rendement du 15 cycle (n cycle). [0050] Ainsi, l'énergie thermique extraite (n extraction) et le rendement du cycle (n cycle) permettent de déterminer une onde acoustique pour un cycle (Wnet cycle). T froid Wnet cycle Ti cycle = 1 = Tchaud Qh 20 Tmax - Ts Qh Ti extraction = = Tmax - Tre f Tmax - Tre f On a finalement Wnet cycle = Ti cycle x (Tmax - Ts) 25 [0051] Afin de récupérer un maximum d'énergie thermique provenant d'une source chaude, en l'occurrence les gaz d'échappement présents dans le conduit 16 d'échappement, plusieurs modules 5, 6, 7, 12 sont alignés dans le résonateur 2, ainsi plusieurs cycles se succèdent, comme le montre la 30 figure 5. 3049696 9 [0052] Tel qu'illustré sur la figure 6, dans une variante de réalisation, le premier module 5 peut être entouré par un fluide 22 diphasique ou un matériau à très forte conductivité, afin d'homogénéiser la température du premier module 5. Ainsi la répartition du champ de température autour du 5 premier module 5 est améliorée, le système 1 est alors plus efficace. [0053] Le premier module 5 muni d'un fluide 22 diphasique ou d'un matériau à très forte conductivité peut être équipé de plusieurs brûleurs 14 donnant sur la chambre 13 de combustion, tel qu'illustré dans la variante représentée sur la figure 7, afin de répartir et d'homogénéiser au mieux la 10 température au niveau du premier module 5. [0054] La figure 8 illustre un mode de réalisation dans lequel le premier circuit 19 de refroidissement est relié aux premier, second, troisième et quatrième modules 5, 6, 7 et 12, tandis qu'un second circuit 23 de refroidissement est relié à l'échangeur 18 froid de sécurité. 15 [0055] Avantageusement le système 1 comprend des raccords 24 hydrauliques afin d'assurer la jonction des circuits 19, 23 de refroidissement. [0056] La pompe 20 est avantageusement la même pour les deux circuits 19, 23 de refroidissement, et fournit ainsi un débit pour le premier circuit 19 de refroidissement et un débit pour le second circuit 23 de refroidissement. 20 [0057] Chaque circuit 19, 23 de refroidissement comprend son propre échangeur 21 de chaleur annexe, pour rejeter vers l'air ambiant l'énergie thermique non transformée en énergie acoustique. [0058] Pour réguler le débit, des ajutages 25 calibrés sont utilisés, améliorant l'efficacité de l'échangeur 10 froid du quatrième module 12. 25 [0059] La figure 9 illustre un mode de réalisation, dans lequel un seul échangeur 21 de chaleur annexe est utilisé pour les deux circuits 19, 23 de refroidissement. Ce mode de réalisation permet d'économiser un échangeur 21 de chaleur annexe, mais nécessite que l'échangeur 21 de chaleur annexe utilisé pour les deux circuits 19, 23 de refroidissement soit de taille 30 supérieure par rapport à la taille des échangeurs 9, 10 de chaleur annexe utilisés dans le mode de réalisation de la figure 8. [0060] Les systèmes 1 peuvent être employés avantageusement pour la fourniture d'énergie à un véhicule automobile, en particulier un véhicule à motorisation hybride. L'énergie thermique pourra être produite par une 35 combustion de gaz, une combustion de particules solides, de l'hydrogène, ou de carburants conventionnels, par exemple essence ou diesel. 3049696 10 [0061] Le système 1 décrit ci-dessus présente de nombreux avantages. [0062] Il permet en particulier d'obtenir un rendement élevé, par rapport aux systèmes thermoacoustique ne comprenant pas plus de deux modules thermoacoustique, ses modules permettent à plusieurs reprises de récupérer 5 l'énergie thermique non transformée en énergie acoustique. REVENDICATIONS1. Système (1) thermoacoustique comprenant : un résonateur (2) de forme tubulaire comportant une première extrémité (3), une seconde extrémité (4), et un gaz sous pression, un émetteur (11) d'ondes acoustiques au voisinage de la première extrémité (3) apte à produire une onde acoustique à l'intérieur du résonateur (2), deux modules (5, 6) thermoacoustiques agencés à l'intérieur du résonateur (2), les deux modules (5, 6) comprenant une structure (8) poreuse bordée par un échangeur (9) chaud et un échangeur (10) froid, et permettant de laisser passer une onde acoustique et d'amplifier son énergie acoustique, un convertisseur (17) d'énergie agencé à la seconde extrémité (4) du résonateur (2), apte à convertir l'énergie acoustique d'une onde acoustique en énergie électrique, une chambre (13) de combustion, aménagée au voisinage de la seconde extrémité (4) du résonateur (2) et contenant le premier module (5) de sorte à le chauffer au moyen d'un brûleur (14) et d'un comburant injecté dans la chambre (13) de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un troisième module (7) thermoacoustique. 2. Système (1) thermoacoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un quatrième module (12) 25 thermoacoustique. 3. Système (1) thermoacoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre (13) de combustion est prolongée d'un conduit (16) d'échappement auquel les 30 échangeurs (9) chauds sont reliés, de sorte à leur restituer l'énergie thermique issue de la combustion générée dans la chambre (13) de combustion. 4. Système (1) thermoacoustique selon l'une quelconque des 35 revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur 3049696 12 (18) froid de sécurité, à l'intérieur du résonateur (2) entre la chambre (13) de combustion et la seconde extrémité (4). 5. Système (1) thermoacoustique selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes, caractérisé en ce que les échangeurs (10) froids sont reliés à un premier circuit (19) de refroidissement comprenant une pompe (20) et un échangeur (21) de chaleur annexe. 6. Système (1) thermoacoustique selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'échangeur (10) froid du premier module (5) est relié à un premier circuit (19) de refroidissement, tandis que les échangeurs (10) chaud des autres modules (6, 7) sont reliés à un second circuit (23) de refroidissement, les circuits (19, 23) de refroidissement comprenant une pompe (20) et chacun un échangeur (21) de 15 chaleur annexe. 7. Système (1) thermoacoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'échangeur (10) froid du premier module (5) thermoacoustique est relié à un premier circuit (19) de 20 refroidissement, tandis que les échangeurs (10) chauds des autres modules (6, 7) sont reliés à un second circuit (23) de refroidissement, les circuits (19, 23) de refroidissement comprenant une pompe (20) et un unique échangeur (21) de chaleur annexe pour les deux circuits de refroidissement. 8. Système (1) thermoacoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des échangeurs (21) annexes, aptes à alimenter l'ensemble des échangeurs de chaleur par une source froide. 9. Système (1) thermoacoustique selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend des ajutages (25), aptes à réguler le débit dans les deux circuits (19), (23) de refroidissement. 10. Véhicule comprenant un système selon l'une quelconque des revendications précédentes.