Conference3 2009 Energia Termica

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Les moteurs à apport de chaleur externe

Pascal STOUFFS

Université de Pau et des Pays de l’Adour, France

10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire

de

Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

210ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Plan

Qu’est-ce qu’un moteur à air chaud ? Comment cela fonctionne-t-il ?

Atouts et créneaux d’application. Valorisation d’énergies renouvelables.

Historique. Etat de l’art, exemples de réalisation.

Projets en cours dans notre Laboratoire.

310ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Principe de fonctionnement des moteurs thermiquesCompression d’un fluide froid

Apport de chaleur

Détente du fluide chaud

Les moteurs les plus répandus :

Moteurs alternatifs à combustion interne : … 50 kW …

Turbines à combustion : … 50 MW …

Turbines à vapeur : … 500 MW …

410ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Définition des moteurs à air chaud

Compression du fluide froid

Détente dufluide chaud

Energie mécanique

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Définition des moteurs à air chaud

Moteurs thermiques

volumétriques alternatifs

à enceintes de compression et de détente distinctes

à apport de chaleur externe

à fluide de travail monophasique gazeux

« Moteurs à air chaud »

610ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Définition des moteurs à air chaud

Qh

Qc

E C

RH

K

Avec soupapes

Famille ‘ERICSSON’

QcQh

R

E

H K

C

Sans soupapes ni clapets

Famille ‘STIRLING’

Cycle thermodynamique théorique de Stirling

Cycle thermodynamique théorique d’Ericsson

710ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Principe de fonctionnement des moteurs à air chaud

• Cinq espaces de travail• E expansion espace de détente

• H heater ‘réchauffeur’

• R régénérateur ou récupérateur

• K cooler ‘refroidisseur’

• C espace de compression

QcQh

R

E

H K

C

Qh

Qc

E C

RH

K

810ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Principe de fonctionnement des moteurs ERICSSON

Qh

Qc

E C

RH

KMoteur ERICSSON : • = moteur alternatif à cycle de

JOULE !• dans sa version la plus simple :

TAG à échangeur plutôt qu’à chambre de combustion dont on a remplacé les turbomachines par des machines piston / cylindre

Qh

E C

H

910ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Principe de fonctionnement des moteurs STIRLING

• Ni soupapes, ni clapets

• Rien à voir avec le cycle de

STIRLING !

• Analyse idéale de Schmidt,

Theorie der Lehmann'schen calorischen

Maschine, Z. des Ver. deutscher

Ingenieure, XV (2) (1871) 98-112

QcQh

R

E

H K

C

1010ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Principe de fonctionnement des moteurs Stirling

QcQh

R

E

H K

C

Alpha• 2 pistons

• 2 cylindres

Qc

Qh

R

EH

K

C

Bêta• 1 piston, 1 déplaceur

• 1 cylindre

Qc

Qh

R

EH

K

C

Gamma• 1 piston, 1 déplaceur

• 2 cylindres

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Principe de fonctionnement des moteurs Stirling

Qc

Qh

Partie froide

Partie froide

Partie chaude

Partie chaude

Cylindre de travailDéplaceur

StirlingmotorSCHI-2-A

(Allemagne)

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Principe de fonctionnement des moteurs Stirling

• Piston et déplaceur sur le même

maneton

• Déphasage de 90 °

• Sens de rotation contraire aux

aiguilles d’une montre

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Principe de fonctionnement des moteurs Stirling

Compression d’un fluide froid

Transfert vers le côté chaud

Détente du fluide chaud

Transfert vers le côté froid

Piston de travail

Déplaceur à droite

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Principe de fonctionnement des moteurs Stirling

Compression d’un fluide froid

Transfert vers le côté chaud

Détente du fluide chaud

Transfert vers le côté froid

Piston de travail en bas

Déplaceur

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Principe de fonctionnement des moteurs Stirling

Compression d’un fluide froid

Transfert vers le côté chaud

Détente du fluide chaud

Transfert vers le côté froid

Piston de travail

Déplaceur à gauche

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Thermique, Energétique

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Principe de fonctionnement des moteurs Stirling

Compression d’un fluide froid

Transfert vers le côté chaud

Détente du fluide chaud

Transfert vers le côté froid

Piston de travail en haut

Déplaceur

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Ericsson ou Stirling ?

ERICSSON: les échangeurs ne sont pas des volumes mortsERICSSON: le circuit fluide est une boucle ; modélisation

précise possible ; récupérateur = échangeur à contre-courant ERICSSON supprime « l’aberration thermique » du StirlingERICSSON: les soupapes peuvent être utilisées pour le

contrôle/commande du moteur

Qh

Qc

E C

RH

K QcQh

R

E

H K

C

1810ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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et

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Ericsson ou Stirling ?

ERICSSON: le type de mouvement relatif des pistons n’a pas d’importance (recours à des cinématiques simples)

ERICSSON: les organes de fermeture peuvent entraînerdes pertes mécaniquesdes pertes de chargedu bruitune fiabilité réduite ?une plus grande complexité

Qh

Qc

E C

RH

K QcQh

R

E

H K

C

1910ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Atouts et créneaux d’application

Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur

USAB(Suède)

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Atouts et créneaux d’application

Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur

Conversion des énergies renouvelables

Energie solaire

Bois, biomasse, biogaz…

Valorisation énergétique des déchets (incinération, thermolyse, …)

Hybridation

2110ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Atouts et créneaux d’application

Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur

… à tout niveau de température !

low ΔT engine

ΔT = 0.5°C(Senft, 1990)

StirlingmotorGUE-2

(Allemagne)

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Atouts et créneaux d’application

Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur, à tout niveau de température !

Excellent rendement !

Moteur: 4-95 USAB MkII (1984)

25 kWelec

ηengine = 0,42

ηglobal = 0,30 Record mondial solaire réseau électrique !

Stirling Energy SystemsSES (USA)

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et

ProcédésLaTEP

Atouts et créneaux d’application

Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur, à tout niveau de température !

Excellent rendement !

Pas de combustion interne, ni d’explosions

silencieux

peu de maintenance

grande durée de vie

Micro-cogénération domestique

= production combinée d’eau chaude et d’électricité

WhisperGen

(NZ)

2410ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Atouts et créneaux d’application

Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur, à tout niveau de température !

Excellent rendement !

Pas de combustion interne, ni d’explosions

silencieux

peu de maintenance

grande durée de vie

Site isolé

Générateur thermomécanique

(Harwell Lab., UK)

> 90 000 h sans intervention !

2510ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Thermique, Energétique

et

ProcédésLaTEP

Atouts et créneaux d’application

Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur, à tout niveau de température !

Excellent rendement !

Pas de combustion interne, ni d’explosions

Facile à construire

2610ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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et

ProcédésLaTEP

Atouts et créneaux d’application

Cogénération à partir d’énergie solaire Cogénération à partir de la biomasse

(biogaz, bois, huiles, déchets, ...)Micro-cogénération domestique

Propulsion des navires et des sous-marinsProduction disséminée d’électricité à faible puissanceProduction d’électricité pour véhicules hybrides…

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Historique et état de l’art

STIRLING

1816

ERICSSON

1833

ERICSSON

1853

Kolin, I., 1991, Stirling motor: history - theory – practice, Univ. Pub. Ltd, Zagreb

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ERICSSON

1853

Historique et état de l’art

ERICSSON

1883

2910ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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et

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Moteurs à air chaud :

• succès commercial important au XIXe siècle• désuétude dès le début du XXe siècle

STIRLING :

• regain d’intérêt grâce aux travaux de MEYER (PHILIPS)• des prototypes aux performances remarquables…• décollage lent, mais des machines commercialisées…

Historique et état de l’art

3010ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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et

ProcédésLaTEP

ERICSSON : • à l’heure actuelle, encore très peu de travaux !• marques d’intérêt de quelques entreprises• … demande industrielle réelle, non satisfaite

Historique et état de l’art

3110ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Historique et état de l’art

Philips, 1950

GM, fin années 1970

USAB 4-27550 kW, η

= 42%

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Historique et état de l’art

2 moteurs USAB, 75 kW, η

= 31 %

Le sous-marin SAGA

COMEX

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Historique et état de l’art

SOLO (Allemagne)Modules de cogénération

ou systèmes solaires

9 kWél

PROMES (CNRS)(Odeillo, Font-Romeu)

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Historique et état de l’art

SUNMACHINE (Allemagne)Pompe solaire

Moteur STIRLING basse T

BSR (Allemagne)« Sunpulse »

Moteur STIRLING basse T

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Historique et état de l’art

SUNMACHINE (Allemagne)

http://www.sunmachine.de/

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Nos travaux

Moteurs Stirling : modélisation du comportement dynamique

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Moteurs Stirling : étude fondamentale des transferts thermiques en écoulement oscillant

Nos travaux

3810ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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Moteurs Stirling : étude expérimentale d’un moteur cinématique

Nos travaux

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Chambre de combustion λ = 3,21

Préchauffeurd'air

Heater

Récupérateur

p

a : 394 °C

chem : 141 °C

e2 : 487 °C

h : 800 °C, 600 kPa er :

405 °C 100 kPa b

rh : 379 °C cr : 146 °C, 600 kPa

rk : 172 °C, 100 kPa

f : 1100 °C

E C1

InterCooler

k

C2

ck : 111 °C, 245 kPa

Air 130,7 kg/h 20 °C

Gaz naturel 2,4 kg/h 20 °C

Air 213,5 kg/h20 °C

k2 : 47 °C

Moteurs ERICSSON :

étude d’un système de micro- cogénération domestique

Nos travaux

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Nos travauxSystèmes solaires Couplage d’un concentrateur cylindro-parabolique avec un moteur ERICSSON simple

Qh

CE

R

HTcrTrh

ThTer

Trk Tk

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Nos travauxMoteurs ERICSSON : réalisation d’un prototype

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Conclusion

Une grande diversité...Des atouts...Créneaux d’application et enjeux importants, en particulier dans le domaine des énergies renouvelables et du respect de l’environnement...Des réalisations originales et remarquables...

==> Un potentiel de développement7th International Conference on Stirling Cycle Machines

(Tokyo novembre 1995, JSME) :

"21st is the Century of Stirling (and Ericsson) Machines"

4310ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.

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MERCI DE VOTRE ATTENTION !