Le Moteur Stirling - Freejdedinechin.free.fr/publi2008/pompe stirling_fourrel... · 2010-12-23 · Le Moteur Stirling Analyse, état de l’art, et étude d’un ENSTA –Projet de

Le Moteur Stirling

Analyse, état de l’art, et étude d’un

ENSTA – Projet de 3eme année – 15 mai 2009

Analyse, état de l’art, et étude d’un prototype

Martin Monnier

Dante Nascimento

François Valadier

Pierre Morant

Jean Baptiste Fourrel

Encadrant :Jérôme de Dinechin

Introduction

• Un potentiel techniquement utilisable ?

• Quel intérêt environnemental et économique ?

• Faisabilité d’une pompe solaire

ENSTA - Projet de 3eme année - Le moteur Stirling 2

PLAN

1. Principe de base et intérêt du moteur Stirling

2. Méthodes de simulation numérique

3. Modèle économique

4. Avantages environnementaux

5. Etude d’un prototype

Conclusion


1.Principe de base et intérêt du moteur Stirling (1/6)A. Principe de base : le cycle

Compression

Isotherme

Echauffement

Isochore

Détente

Isotherme

Refroidissement

Isochore



Compression

Isotherme

Echauffement

Isochore

Détente

Isotherme

Refroidissement

Isochore


Le régénérateur :


Compression

Isotherme

1→2

Echauffement

Isochore

2→3

Détente

Isotherme

3→4

Refroidissement

Isochore

4→1


1.Principe de base et intérêt du moteur Stirling (4/6)B. Rendement Théorique

Rendement d’un

moteur Stirling idéal :

Rendement d’un


Rendement d’un

moteur à explosion

idéal :

Application numérique :

- Moteur à essence : τ = 10 ; γ = 1.35 ⇒ ρ = 0.55

- Moteur Stirling : T1 = 20°C ; T3 = 45°C ⇒ ρ = 0.55

1.Principe de base et intérêt du moteur Stirling (5/6)C. Exemples de difficulté technique

• Existence de volumes morts

– Baisse de puissance

– Baisse de rendement moteur


1.Principe de base et intérêt du moteur Stirling (6/6)C. Exemples de difficulté technique

• Régénérateur :

– Imparfait : baisse d’efficacité

– Baisse du rendement

– Augmentation des volumes morts– Augmentation des volumes morts

=> Comparer les pertes et les gains du

régénérateur


PLAN

Introduction






Conclusion


2. Classification des Méthodes de Design d’un Moteur Stirling

• 1ère ordre – Permettent d’obtenir une estimation de la puissance net du moteur en

connaissant sa taille. – Utilisation de tables empiriques pour le calcul du rendement.

• 2ème ordre (analytique)– Analyse du cycle thermodynamique (P vs. V).– Se base sur des transformations idéales (isochore, isothermique, adiabatique)– Se base sur des transformations idéales (isochore, isothermique, adiabatique)– Lois d’état (PV=nRT)

• 3ème ordre (numérique) – Division du moteur en nœuds.– Equations de conservation en leur forme unidimensionnelle

• 4ème ordre (numérique)– Division du moteur en nœuds/éléments volumiques.– Equations de conservation en leur forme bi/tridimensionnelle

2. Modélisation Numérique du Moteur Stirling

• Contexte – Gros handicap au développement du moteur : mauvaise modélisation et, par

conséquent, mauvaise compréhension de sa physique.– Méthodes les plus utilisées : deuxième ordre (analytiques).

• Partent du principe que le cycle du moteur peut être découpé en plusieurs transformations idéales (isochore, adiabatique, isothermique…)

• Prise en compte d’une loi d’état


• Problème– Aucune partie du cycle n’est idéale. Ces transformations ne sont que des

approximations de la réalité. Pour bien tenir compte de la physique du moteur, comme dans n’importe quel autre domaine de l’ingénierie, la meilleure façon est de partir des équations fondamentales régissant les phénomènes physiques en jeux.

• Equation de la conservation de la masse.• Equation de conservation de la chaleur.• Equation de la conservation de la quantité de mouvement.

Questions à se poser :

1. Peut-on faire ce type de modélisation pour les moteurs Stirling ?

2. L’a-t-on déjà fait ?

2. Modélisation Numérique du Moteur Stirling

2. L’a-t-on déjà fait ?

3. L’approfondissement de la modélisation du cycle peut-elle permettre de réels progrès sur le moteur Stirling ?

4. Si oui :• Que peut-elle apporter au design des moteurs Stirling ?• Comment doit-on procéder ?

2. Qu’est-ce qui a été fait jusqu’à présent ?

• Premières simulations numériques datent des années 80. – Problème à l’époque : ordinateurs pas assez puissants.– Approche mise de coté.

• Années 90 : NASA s’intéresse par le sujet.– Intéressant pour les missions spatiales : bon rapport rendement/poids.– Mise au point de codes 1D (troisième ordre).

• Août 2004 : Zhang (AIAA) affirme avoir réussi à modéliser un moteur Stirling à piston libre. Calculs ont duré 3 mois.

• 2005 : NASA démontre la faisabilité d’un calcul 2D axisymétrique, validé par des résultats expérimentaux.

• 2005 : NASA exprime son besoin de passer à une modélisation plus profonde du moteur - « On the Need for Multidimensional Stirling Simulations ».

2. Pourquoi faire du 4ème ordre ? (1/2)

• Recalage des valeurs des coefficients de transfert de chaleur et de frottement.

– Problème des simulations Stirling actuelles (1D) :• Incapacité de prédire correctement le transfert de chaleur et le

frottement sur les parois à cause d’une mauvaise modélisation de la turbulence.

– Or, il y a une multitude de codes CFD (3D) utilisés/développés dans les meilleurs laboratoires de recherche du monde qui sont capables

– Or, il y a une multitude de codes CFD (3D) utilisés/développés dans les meilleurs laboratoires de recherche du monde qui sont capables d’aborder correctement ce genre de phénomène. Ils sont déjà très répandus chez les avionneurs et les constructeurs de voitures.

– Ce genre de simulation permettrait d’obtenir les coefficients de frottement et de transfert de chaleur corrects qui pourraient être injectés après pour faire des calculs 1D, beaucoup plus légers d’un point de vue informatique. Ainsi, on pourrait se passer des recalages expérimentaux de ces coefficients.

2. Pourquoi faire du 4ème ordre ? (2/2)

• Aide aux expérimentations– Les simulations numériques 3D permettent à l’ingénieur l’accès à toute une

gamme de variables en tout point du moteur, ce qui n’est pas possible par le biais des expérimentations.

– Ce genre de connaissance peut se montrer indispensable lors du dimensionnement correct du moteur vis-à-vis des efforts mécaniques et thermiques par exemple.

– L'incertitude expérimentale peut être rendue plus faible, voire inexistante. – L'incertitude expérimentale peut être rendue plus faible, voire inexistante. – Pas d’interférence entre l’instrumentation et le flux.

• Quantification de pertes– Les mécanismes principaux de perte sont liés à la turbulence, à la viscosité et

aux échanges de chaleur irréversibles. Le premier est par nature multidimensionnel. Les deux derniers sont normalement pris en compte au travers de facteurs qui sont déterminés de façon empirique. Or, avec une analyse numérique multidimensionnelle on n'a pas besoin de ces données expérimentales et souvent on parvient à des résultats encore plus précis que si l'on avait utilisé des facteurs expérimentaux.

2. Exemple : calcul réalisé par la NASA

• Simulation axisymétrique du cycle complet d'un moteur Stirling utilisé dans les missions spatiales.

• Plupart des résultats confidentiels, néanmoins ce qui a été divulgué est très encourageant.

• Choix très judicieux de :

– hardware, software, manière d’implémentation des algorithmes et manière de – hardware, software, manière d’implémentation des algorithmes et manière de génération du maillage.

2. Modélisation numérique : Conclusion/Perspectives

• On atteint la puissance numérique nécessaire pour pouvoir lancer des simulations très complexes, multi-physiques, capables de bien prédire le comportement d’un moteur Stirling.

• Ces simulations pourront apporter des avancements importants en tout ce qui concerne les phénomènes turbulents, notamment le transfert de chaleur et la viscosité.

• Ce type de calcul pourra beaucoup aider le développement du moteur vu que l'on pourra créer de nouvelles conceptions de moteurs et les tester avant de fabriquer pourra créer de nouvelles conceptions de moteurs et les tester avant de fabriquer un prototype, ce qui permettra de beaucoup optimiser le processus.

• Néanmoins, il faut être réaliste et dire que les moyens (humains et financiers) nécessaires pour parvenir à une simulation correcte d’un moteur Stirling sont très conséquents.

• C'est un domaine encore très peu exploité et qui va certainement aider dans le futur à apporter des réponses au développement du moteur Stirling

• L’ENSTA, école reconnue par sa formation technique très poussée, peut apporter de la plus value dans ce domaine.

PLAN

Introduction






Conclusion


3. Modèle économique (1/5)

• Étude du coût d’un système de micro cogénération d’une puissance assez élevée cogénération d’une puissance assez élevée (11kW) pour le chauffage d’un immeuble par exemple.



• Échangeurs : coût de la matière première X 3

• Équipements :

• En fonction 10 ans à raison de 8000 h/an


• Coûts fixes : 3428 €/kW (comparable aux

2300 €/kW existant sur le marché)

• Coûts variables : €/J (coûts exergétiques)

0.15 €/kWh0.15 €/kWh



• 0.15 €/kWh ~ 0.12 €/kWh proposés par EDF

• Différence de 2,4 c€/kWh si prise en compte du CO2 avec un prix bas (32 €/t)

• Compétitif par rapport au chauffage au fioul • Compétitif par rapport au chauffage au fioul avec un prix du pétrole légèrement supérieur à 2 fois le prix actuel


• Combustion externe donc il est possible de la maîtriser plus facilement

• SI la source chaude est propre, pas de dégagement de gaz à effet de serredégagement de gaz à effet de serre

• Pas de nuisance sonore

PLAN

Introduction






Conclusion


5. Étude d’un prototype : pompe saharienne• Mise en pratique des concepts théoriques sur un moteur Stirling

concret

• Réalisation d'un moteur à air chaud répondant aux critères suivants :

– Utilisation de l'énergie solaire

– Construction artisanale avec du matériel accessible à tous

– Doit pouvoir fournir une énergie mécanique suffisante même si le système à un faible rendement

• Application de ce moteur : doit permettre de puiser de l'eau avec l'énergie solaire pour alimenter des systèmes d'irrigation dans les pays d'Afrique (fort ensoleillement)


5. Étude d’un prototype : pompe saharienne

Schéma de base du moteur :

Ballon de

baudruche

Canette de soda

Demi-roue exposée au soleil Demi-roue isolée du soleil

Tuyaux d'eau

Roue de

vélo

5. Étude d’un prototype : pompe saharienne

• Principe de fonctionnementCompression du ballon sous la pression de l'air chaud


Circulation de l'eau dans le tuyau

Augmentation de la masse M2

=> apparition d'un moment

5. Etude d’un prototype : pompe saharienne

• Analyse du cycle de fonctionnement du moteur


5. Étude d’un prototype : expériences

• 1ere expérience : observation de l'augmentation de pression dans une canette, soumise au rayonnement d'un spot.

Objectifs :•Observer la cinétique de montée

en pression

•Détermination de la loi d'évolution

de la pression dans une canette


de la pression dans une canette

soumise au rayonnement

•Échec : impossibilité d'assurer

l'étanchéité à l'air de la jonction

canette-tuyau

• Expérience de substitution : en

remplaçant la canette par de la

verrerie de laboratoire


• 1ere expérience : observation de l'augmentation de pression dans une canette, soumise au rayonnement d'un spot.

Résultat : loi de montée en pression Conclusion• Mise en évidence de la

montée en pression

• Loi d'évolution de la pression


linéaire en fonction du temps

• Aucune conclusion

quantitative. Les rendements

de transfert thermique sont

normalement bien meilleurs à

travers le métal qu'à travers le

verre


• 2e expérience : transferts de masse d'eau pour un système à deux canettes

Objectifs :•Observer la cinétique de

transfert de masse pour un

système élémentaire à l'aide

d'une balance


d'une balance

•Échec : impossibilité d'assurer

l'étanchéité à l'air de la jonction

canette-tuyau

• Expérience de substitution :en remplaçant la canette par de

la verrerie de laboratoire


Résultat : loi de montée en pression Conclusion• Mise en évidence du transfert

de masse

• Loi d'évolution de la pression


• 2e expérience : transferts de masse d'eau pour un système à deux canettes



• Le transfert de masse inverse,

lorsque le spot est éteint se fait

à peu près à la même vitesse

• Aucune conclusion

quantitative

Conclusion

• Un rendement élevé … dans l’idéal

• Nécessité d’approfondir la modélisation du moteur pour maîtriser le fonctionnement réel

• Intérêt économique si changement d’échelle • Intérêt économique si changement d’échelle d’utilisation

• Pompe solaire

• Imaginer de nouvelles configurations


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