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



de


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.



de


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 …



de


et

ProcédésLaTEP

Définition des moteurs à air chaud

Compression du fluide froid

Détente dufluide chaud

Energie mécanique



de


et

ProcédésLaTEP


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 »



de


et

ProcédésLaTEP


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



de


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



de


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



de


et

ProcédésLaTEP

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



de


et

ProcédésLaTEP

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



de


et

ProcédésLaTEP


Qc

Qh

Partie froide

Partie froide

Partie chaude

Partie chaude

Cylindre de travailDéplaceur

StirlingmotorSCHI-2-A

(Allemagne)



de


et

ProcédésLaTEP


• Piston et déplaceur sur le même

maneton

• Déphasage de 90 °

• Sens de rotation contraire aux

aiguilles d’une montre



de


et

ProcédésLaTEP


Compression d’un fluide froid

Transfert vers le côté chaud


Transfert vers le côté froid

Piston de travail

Déplaceur à droite



de


et

ProcédésLaTEP






Piston de travail en bas

Déplaceur



de


et

ProcédésLaTEP






Piston de travail

Déplaceur à gauche



de


et

ProcédésLaTEP






Piston de travail en haut

Déplaceur



de


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



de


et

ProcédésLaTEP

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



de


et

ProcédésLaTEP

Atouts et créneaux d’application

Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur

USAB(Suède)



de


et

ProcédésLaTEP



Conversion des énergies renouvelables

Energie solaire

Bois, biomasse, biogaz…

Valorisation énergétique des déchets (incinération, thermolyse, …)

Hybridation



de


et

ProcédésLaTEP



… à tout niveau de température !

low ΔT engine

ΔT = 0.5°C(Senft, 1990)

StirlingmotorGUE-2

(Allemagne)



de


et

ProcédésLaTEP


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)



de


et

ProcédésLaTEP




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)



de


et

ProcédésLaTEP





silencieux

peu de maintenance

grande durée de vie

Site isolé

Générateur thermomécanique

(Harwell Lab., UK)

> 90 000 h sans intervention !



de


et

ProcédésLaTEP





Facile à construire



de


et

ProcédésLaTEP


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…



de


et

ProcédésLaTEP

Historique et état de l’art

STIRLING

1816

ERICSSON

1833

ERICSSON

1853

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



de


et

ProcédésLaTEP

ERICSSON

1853


ERICSSON

1883



de


et

ProcédésLaTEP

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…




de


et

ProcédésLaTEP

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




de


et

ProcédésLaTEP


Philips, 1950

GM, fin années 1970

USAB 4-27550 kW, η

= 42%



de


et

ProcédésLaTEP


2 moteurs USAB, 75 kW, η

= 31 %

Le sous-marin SAGA

COMEX



de


et

ProcédésLaTEP


SOLO (Allemagne)Modules de cogénération

ou systèmes solaires

9 kWél

PROMES (CNRS)(Odeillo, Font-Romeu)



de


et

ProcédésLaTEP


SUNMACHINE (Allemagne)Pompe solaire

Moteur STIRLING basse T

BSR (Allemagne)« Sunpulse »

Moteur STIRLING basse T



de


et

ProcédésLaTEP


SUNMACHINE (Allemagne)

http://www.sunmachine.de/



de


et

ProcédésLaTEP

Nos travaux

Moteurs Stirling : modélisation du comportement dynamique



de


et

ProcédésLaTEP

Moteurs Stirling : étude fondamentale des transferts thermiques en écoulement oscillant

Nos travaux



de


et

ProcédésLaTEP

Moteurs Stirling : étude expérimentale d’un moteur cinématique

Nos travaux



de


et

ProcédésLaTEP

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



de


et

ProcédésLaTEP

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

Qh

CE

R

HTcrTrh

ThTer

Trk Tk



de


et

ProcédésLaTEP

Nos travauxMoteurs ERICSSON : réalisation d’un prototype



de


et

ProcédésLaTEP

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"



de


et

ProcédésLaTEP

MERCI DE VOTRE ATTENTION !

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