THATEA (http://www

THATEA (http://www.thatea.eu/)
Technologie thermoacoustique dans les processus industriels
Depuis Janvier 2009 et via son Programme Cadre de Recherche et Développement (PCRD 7), l’Union
Européenne soutient le projet THATEA (THermoAcoustic Technology for Energy Application - FP7ENERGY-2008-FET-226415). Ce projet est piloté par l’Energy Center of the Netherlands (ECN) et a
pour objectif de prouver l’efficacité énergétique de la technologie thermoacoustique pour
différentes applications.
Il réunit cinq partenaires publics :
- Energy research Center of the Netherlands, (http://www.ecn.nl/home/)
- CNRS :
Institut de Physique Nucléaire d'Orsay,
FEMTO-ST, (http://www.femto-st.fr/fr/Departements-de-recherche/ENISYS/)
- University of Manchester, (http://www.mace.manchester.ac.uk/)
- Nuclear Research and consultancy Group, (http://www.nrg.eu/)
- Universita Degli Studi di Messina, (http://www.unime.it/)
et deux entreprises :
- Hekyom, (http://www.hekyom.com/)
- ASTER Thermoakoestische Systemen, (www.aster-thermoacoustics.com/).
Les lots de travaux (workpackages) du projet sont :
WP1 : étude et mise en œuvre de deux générateurs d’ondes
WP2 : étude et mise en œuvre de deux pompes à chaleur
WP3 : étude des échangeurs de chaleur pour la thermoacoustique
WP4 : étude et mise en œuvre de nouveaux types de résonateur acoustique
WP5 : étude des écoulements secondaires
WP6 : couplage des machines réalisées dans les WP1 et WP2
WP7 : management du projet
Les objectifs
Deux générateurs thermoacoustiques d’onde et deux pompes à chaleur sont ainsi développés pour
donner, en les couplant un à un, des machines trithermes : dans chaque cas, un générateur
thermoacoustique d’ondes produit du travail mécanique et alimente une pompe à chaleur
thermoacoustique.
L’enjeu de ces études est l’obtention de hauts rendements thermodynamiques pour chacun des
sous-systèmes, soit plus de 40% du rendement idéal de Carnot (rendement théorique d’une machine
thermique qui dépend uniquement des températures de fonctionnement) pour les pompes à chaleur
et 40% pour les générateurs d’ondes.
Les applications
Les applications envisagées par le projet THATEA : la rehausse de température des rejets thermiques
basse température pour leur ré-utilisation énergétique dans des processus industriels, la production
de froid industriel, la liquéfaction de gaz naturel par combustion partielle du gaz liquéfié.
Les températures de fonctionnement de ces machines sont donc très différentes :
- l’un des deux générateurs d’ondes fonctionne à partir d’un flux d’air chaud (> 600°C),
- l’autre à partir d’un niveau de température peu élevé (80°C) ;
- une pompe à chaleur est destinée à produire des frigories à -40°C
- l’autre à rehausser de la chaleur de 10 à 80°C.
Les engagements du CNRS
Le CNRS est engagé dans le projet au travers les contributions de deux laboratoires, l’Institut de
Physique Nucléaire d’Orsay et FEMTO-ST qui ont, respectivement en charge, la coordination du WP2
et celle du WP5. De plus, l’IPNO participe aux WP3, WP5 et WP6 et assure la coordination des
activités menées par les deux laboratoires du CNRS.
WP2 : Pompes à chaleur (coordination CNRS/IPNO)
Cette tâche consiste à étudier et réaliser deux pompes à chaleur avec une efficacité de 40% par
rapport au rendement de Carnot :
- l’une est sous la responsabilité de ECN,
- l’autre est réalisée par l’IPNO en collaboration avec la micro-entreprise Hekyom.
Une activité de recherche et de caractérisation des régénérateurs est menée par l’Université de
Manchester, elle est commune aux WP1 et WP2.
Pompe à chaleur pour la rehausse des températures (http://www.thatea.eu/),
La température du fluide d’entrée de cette pompe à chaleur est fixée à 10 °C, sa température de
sortie est de 80°C. Cette pompe est couplée à un générateur acoustique (CFIC-Qdrive) dont la
fréquence de fonctionnement est 98 Hz, sa pression moyenne est 30 bars et le gaz utilisé est
l’hélium. Lors des essais du 1er semestre 2010, le COPr mesuré était de 32 % .
Pompe à chaleur de réfrigération
Le réfrigérateur en boucle a été défini pour produire 600W à -40°C. Le réfrigérateur est couplé à un
générateur d’ondes thermoacoustique linéaire, les expériences sont réalisées à 38 bars et une
fréquence d’environ 120Hz avec de l’hélium gaz. Les résultats obtenus en 2010 ont permis
d’atteindre un COPr d’environ 30%.
WP3 : Echangeurs de chaleur (Coordination Université de Manchester)
Pour cette activité, l’IPNO a en charge :
- l’étude d’échangeurs de chaleur optimisés pour les écoulements oscillants générés dans les
machines thermoacoustiques.
- rédiger un rapport synthétisant les performances obtenues avec les échangeurs fabriqués
pour les WP1 et WP2. Ce rapport donnera des recommandations sur les technologies qui
paraissent les mieux adaptées aux machines thermoacoustiques.
WP5 : Ecoulements secondaires (Coordination CNRS/FEMTO-ST)
Cette activité concerne la mesure et la modélisation des écoulements acoustiques non
linéaires induits (vents acoustiques ou streaming). Elle est réalisée par trois laboratoires : FEMTO-ST
en collaboration avec l’IPNO et le Nuclear Research and consultancy Group.
Le CNRS a en charge la partie expérimentale de cette activité, un banc de mesure a été développé
pour mettre en évidence les écoulements secondaires et les mesurer. L’IPNO a réalisé les
générateurs d’ondes (mécanique et thermoacoustique) ainsi que le résonateur. FEMTO-ST a pris en
charge la réalisation de la cellule de mesure, il a la responsabilité des expériences et de leur analyse.
Les mesures d’écoulements sont assurées par la méthode de PIV (Particle Image velocity).
WP6 : Test des machines assemblées (Coordination ECN)
Chacun des quatre sous-systèmes réalisés (WP1 et WP2) ont été testés avant l’été 2010 (mi-parcours
du projet) et sont en cours d’optimisation. Ceci implique la maîtrise du dimensionnement et de la
réalisation mécanique, mais également d’éviter les phénomènes non linéaires complexes qui
peuvent apparaître et limiter les performances de ces dispositifs (WP5).
Début 2011, le générateur d’onde basse température réalisée par ASTER Thermoakoestische
Systemen sera associé au réfrigérateur de l’IPNO, les expériences seront mises en œuvre à Orsay.
De même, ECN associera son générateur d’onde haute température avec sa pompe à chaleur.