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1 Les moteurs à apport de chaleur externe Pascal STOUFFS Université de Pau et d

1 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'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 2 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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. 3 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Principe de fonctionnement des moteurs thermiques Compression 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 … 4 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Définition des moteurs à air chaud Compression du fluide froid Détente du fluide chaud Energie mécanique 5 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 » 6 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Définition des moteurs à air chaud Qh Qc E C R H K Avec soupapes Famille ‘ERICSSON’ Qc Qh R E H K C Sans soupapes ni clapets Famille ‘STIRLING’ Cycle thermodynamique théorique de Stirling Cycle thermodynamique théorique d’Ericsson 7 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 Qc Qh R E H K C Qh Qc E C R H K 8 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Principe de fonctionnement des moteurs ERICSSON Qh Qc E C R H K Moteur 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 9 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 Qc Qh R E H K C 10 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Principe de fonctionnement des moteurs Stirling Qc Qh R E H K C Alpha • 2 pistons • 2 cylindres Qc Qh R E H K C Bêta • 1 piston, 1 déplaceur • 1 cylindre Qc Qh R E H K C Gamma • 1 piston, 1 déplaceur • 2 cylindres 11 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Principe de fonctionnement des moteurs Stirling Qc Qh Partie froide Partie froide Partie chaude Partie chaude Cylindre de travail Déplaceur Stirlingmotor SCHI-2-A (Allemagne) 12 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 13 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 14 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 15 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 16 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 17 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Ericsson ou Stirling ? ERICSSON: les échangeurs ne sont pas des volumes morts ERICSSON: le circuit fluide est une boucle ; modélisation précise possible ; récupérateur = échangeur à contre-courant ERICSSON supprime « l’aberration thermique » du Stirling ERICSSON: les soupapes peuvent être utilisées pour le contrôle/commande du moteur Qh Qc E C R H K Qc Qh R E H K C 18 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 entraîner des pertes mécaniques des pertes de charge du bruit une fiabilité réduite ? une plus grande complexité Qh Qc E C R H K Qc Qh R E H K C 19 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Atouts et créneaux d’application Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur USAB (Suède) 20 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 21 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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) Stirlingmotor GUE-2 (Allemagne) 22 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 Æ réseau électrique ! Stirling Energy Systems SES (USA) 23 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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) 24 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Atouts et créneaux d’application Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur, à tout niveau de température ! uploads/Geographie/ fonctionnement-des-moteurs-a-air-chaud-pdf 1 .pdf