Après avoir étudié à la fois théoriquement et expérimentalement notre concept de machine ther- mique, nous essayons dans cette section de présenter les guides de conception d’un tel oscillateur thermo-fluidique. Pour cela, nous allons lister les fonctionnalités nécessaires devant être réalisées pour obtenir un comportement oscillatoire.
2.5.1 Point chaud
De nos observations expérimentales et théoriques, nous savons qu’aucune oscillation n’est ob- servée si la température de la source chaude se trouve en dessous de la température de saturation du fluide de travail à la pression extérieure ambiante.
De plus, le réservoir de vapeur doit avoir des surfaces favorisant l’évaporation. Ceci peut être fait par le bais de deux approches complémentaires. La première est de choisir un matériau hydrophile. La se- conde est de micro-structurer cette surface afin d’augmenter la mouillabilité du fluide en contact avec cette surface. Sans cela, lors de la formation de la phase vapeur, un volume d’eau pourrait surchauffer et s’évaporer brusquement causant une explosion pouvant expulser du liquide du tube et introduire par la même des bulles d’air dans la colonne d’eau.
Il a aussi été observé que les oscillations démarrent à une température plus faible lorsque le volume de gaz est plus important (i.e. la longueur nominale de vapeur est plus importante).
2.5.2 Point froid, évacuation de la chaleur
La température de la source froide doit se trouver en dessous de la température de saturation sans quoi tout le fluide de travail fini par se vaporiser. Le point froid de notre oscillateur doit donc être thermiquement isolé de notre point chaud. Pour cela, la structure intermédiaire entre nos deux points chaud et froid doit être composée d’un matériau avec une faible conductivité thermique. De plus, étant donné l’efficacité estimée de notre appareil, seule une faible portion de la chaleur incidente participe à la production de travail utile. Ainsi la majorité de la chaleur sera transportée vers le point froid. Une fois le point froid atteint, cette chaleur s’échappera vers l’extérieur par convection naturelle principalement. Sans utiliser de radiateur, notre condenseur doit occuper le plus de surface possible. En supposant une surface froide à 80◦C, un coefficient de convection naturelle de 5 W.m−2.K−1et une puissance thermique de 1 W à évacuer, une surface de 40 cm2serait nécessaire. Une autre manière de visualiser ce critère de maintien du point froid est que 40 cm2sont nécessaire par Watt de puissance
thermique traversant notre dispositif.
2.5.3 Micro-structuration du canal
La puissance mécanique développée par notre oscillateur se trouve grandement augmentée en présence d’un capillaire dans le canal où ont lieu les oscillations.
L’introduction d’un capillaire au diamètre plus petit dans le tube de verre a induit une augmentation drastique des performances. À la fois les oscillations démarrent à des températures plus basses avec le capillaire mais en plus, les amplitudes des oscillations observées sont aussi plus importantes. L’effet sur le seuil de démarrage peut s’expliquer de la manière suivante : l’introduction du capillaire vient déformer le ménisque séparant les zones de vapeur et de liquide. Aux abords du capillaire, le rayon de courbure du ménisque diminue localement, comme montré en figure2.19.
La loi de Pascal nous indique que la pression au sein du liquide dans cette zone se trouve alors di- minuée, créant une dépression vers la zone chaude qui a pour effet d’y acheminer un flux de liquide. Ainsi un film de liquide s’étire en direction de la zone chaude, alimentant notre évaporateur avec du liquide prêt à s’évaporer (la pression au sein du film liquide étant plus faible, la température de satu- ration l’est aussi). Expérimentalement, ce raisonnement est appuyé par l’observation de condensation sur les parois en arrière du ménisque.
L’effet sur l’augmentation des amplitudes est dû à l’envoi d’un volume d’eau vers la zone chaude en suivant le capillaire lorsque le ménisque atteint sa course limite chaude, comme montré en fi- gure2.20. De plus, l’allongement du film liquide induit une augmentation du périmètre d’interface liquide/vapeur/verre, où le taux de changement de phase est le plus important. Ceci a donc pour ef- fet d’augmenter l’excitation de notre machine thermique. Pour ces raisons, il serait donc favorable d’induire des micro-structurations sur les parois internes du tube de verre. De préférence, ces micro- structurations devraient être dirigées dans le sens de l’écoulement afin de privilégier le développement et l’élongation d’un film d’eau le plus loin possible dans l’évaporateur.
x x x
Liquide Vapeur
Capillaire
Film d’eau
Figure 2.19 – EFFET DU CAPILLAIRE SUR LA COURBURE DU MÉNISQUE– L’introduction du capil-
laire crée un rayon de courbure localement plus petit. À cet endroit, la pression au sein du liquide est plus faible, ce qui induit l’étirement d’un film d’eau vers la zone chaude.
2.5.4 Fréquence d’opération
Lors de nos essais expérimentaux, nous avons observé que notre dispositif cesse de fonctionner lorsque la fréquence d’opération devient trop haute. Comme nous l’avons vu précédemment, un cer- tain volume d’eau est envoyé vers la zone chaude à chaque cycle. Si ce volume d’eau met plus qu’un cycle pour être évaporé, au cycle suivant, un autre volume d’eau viendra s’ajouter au volume d’eau déjà existant. À terme, le canal sera bouché par la formation d’une deuxième colonne d’eau du fait de l’accumulation des volumes d’eau envoyés vers la zone chaude. Une petite bulle sépare les deux colonnes d’eau. La formation de cette bulle entraîne l’arrêt des oscillations. Finalement, la petite co- lonne d’eau finit par s’évaporer et la petite bulle peut alors rejoindre le volume de gaz principal. À ce moment, les oscillations reprennent.
Pour éviter cette intermittence des oscillations, nous devons assurer un certain équilibre entre les constantes de temps thermiques et mécaniques. La constante de temps mécanique est définie par la fréquence d’opération tandis que la constante de temps thermique est déterminée par le temps pris par le film d’eau pour s’évaporer. Ce point sera développe plus en avant dans le chapitre 4.