Moteurs thermiques ` a apport de chaleur externe: ´ etude d’un moteur STIRLING

Moteurs thermiques ` a apport de chaleur externe: ´ etude d’un moteur STIRLING et d’un moteur ERICSSON S´ ebastien Bonnet To cite this version: S´ ebastien Bonnet. Moteurs thermiques ` a apport de chaleur externe: ´ etude d’un moteur STIR- LING et d’un moteur ERICSSON. Electric power. Universit´ e de Pau et des Pays de l’Adour, 2005. French. <tel-00110117> HAL Id: tel-00110117 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00110117 Submitted on 26 Oct 2006 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. N◦attribué par la bibliothèque FFFFFFFFFF THÈSE Présentée à L'Université de Pau et des Pays de l'Adour École Doctorale des Sciences Exactes et de leurs Applications Par Sébastien BONNET Pour obtenir le grade de Docteur Spécialité : Energétique Moteurs thermiques à apport de chaleur externe : étude d'un moteur STIRLING et d'un moteur ERICSSON Soutenue le 22 Novembre 2005 Après avis de : MM. LALLEMAND A. Professeur  CETHILINSA, Villeurbanne Rapporteur PONS M. Chargé de recherches  CNRSLIMSI, Orsay Rapporteur Devant la commission d'examen formée de : MM. ROCHELLE P. Professeur  IUT Ville d'Avray Président DUMAS J.P. Professeur  LaTEP,Université de Pau et des Pays de l'Adour Examinateur STOUFFS P. Professeur  LaTEP, Université de Pau et des Pays de l'Adour Examinateur Mme STRUB F. Maître de Conférences  LaTEP, Université de Pau et des Pays de l'Adour Examinateur  2005  2 Remerciements Ce travail a été mené au sein du Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés (LATEP) et en particulier au sein du département Génie, Thermique et Energie de l'IUT des Pays de l'Adour. Je tiens tout d'abord à remercier Monsieur le Professeur Jean-Pierre DUMAS pour m'avoir accueilli au sein du laboratoire et Monsieur Vincent LALANNE, pour m'avoir accueilli au sein de l'IUT. Je suis sensible à l'honneur que m'ont fait Monsieur le Professeur André LAL- LEMAND du CETHILINSA et Monsieur Michel PONS, Chargé de recherches au LIMSI d'Orsay pour avoir accepté d'examiner ce travail, d'en être les Rap- porteurs, et de me faire part de leurs observations constructives. J'exprime toute ma gratitude au Professeur Pascal STOUFFS pour la con ance qu'il m'a témoigné en me donnant ce sujet de thèse, ses conseils et sa disponi- bilité durant ces trois années. Je remercie également Monsieur le Professeur Pierre ROCHELLE de l'IUT de Ville d'Avray pour avoir accepté de présider mon jury de thèse. Je remercie également Monsieur le Professeur JeanPierre DUMAS et Ma- dame Françoise STRUB pour avoir accepté de participer au jury. Je tenais aussi à dire un grand merci à toute l'équipe du département GTE de l'IUT des Pays de l'Adour (enseignants et nonenseignants), en particulier M. ALAPHILIPPE, Christine CELLIER, J.L. SAUBATTE et L. YVARS, pour leur aide et leur soutien. En n, je remercie mon amie ainsi que toute ma famille pour m'avoir soutenu et encouragé pendant toutes ces années. 4 Résumé Dans le contexte énergétique actuel, nous assistons au développement de technologies de production d'énergie "propre". Ainsi, de nouvelles perspectives comme la conversion thermodynamique de l'énergie solaire ou la valorisation des déchets sont oertes à la recherche sur les "énergies renouvelables". Dans ce cadre, nous nous intéressons aux moteurs thermiques à apport de chaleur externe : les moteurs Stirling et Ericsson. Cette thèse porte tout d'abord sur l'étude d'un petit moteur Stirling sur lequel nous avons mesuré la température instantanée et la pression instantanée en dif- férents points. Les résultats tout à fait originaux obtenus ont été confrontés aux résultats issus de deux analyses diérentes. Nous avons conclu à l'inadé- quation de ces modèles. Ensuite, nous avons étudié un système de micro-cogénération basé sur un mo- teur Ericsson couple à un système de combustion de gaz naturel. Un moteur Ericsson est une machine alternative fonctionnant selon un cycle thermodyna- mique de JOULE. L'objectif de ce système est de produire 11 kW de puissance électrique ainsi que de la chaleur utile. Dans le but de dimensionner ce système, nous avons réalisé des études énergétique, exergétique et exergo-économique de cet ensemble. 6 Abstract In the current energy context, we attend the development of technologies of production of "clean" energy. Thus, news prospects like thermodynamic solar energy conversion or waste energy conversion are oered to research on "rene- wable energies". Within this framework, we are interested in hot air engines : Stirling and Ericsson engines. First of all, this thesis concerns the study of a small Stirling engine on which we measured the uid instantaneous temperature and pressure in various points. The original results obtained are compared to results from two dierent ana- lyses. We conclude that these models are not suitable to explain the experi- mental results. Then, we study a micro-cogeneration system based on an Ericsson engine coupled with a system of natural gas combustion. An Ericsson engine is a reciprocating engine working on a JOULE cycle. The objective of this plant is to produce 11 kW of electric output as well as useful heat. In order to design this system, we carried out energetic, exergetic and exergo-economic studies. 8 Table des matières Principales notations de la partie "moteur Stirling" 19 Principales notations de la partie "moteur Ericsson" 21 Introduction 25 I LE MOTEUR STIRLING 27 1 Historique et présentation des moteurs Stirling 29 1.1 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.2 Atouts et applications du moteur Stirling . . . . . . . . . . . . . 30 1.3 Cycle de Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4 Les diérents types de moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.4.1 Le moteur alpha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.4.2 Le moteur bêta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4.3 Le moteur gamma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.5 Fonctionnement du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2 Expérimentation d'un petit moteur STIRLING : le ST05G de Viebach 41 2.1 Présentation du banc expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2 Expérimentation et résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2.1 Calage du point mort haut . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2.2 Diagramme indicateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.3 Variations de pression et de température . . . . . . . . . 46 3 Modélisation du moteur Stirling 51 3.1 Instationnarité de l'écoulement dans les échangeurs de chaleur . 51 3.2 Analyse adiabatique idéale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 10 TABLE DES MATIÈRES 3.3 Modèle adiabatique à transfert de chaleur imparfait ou modèle dit "Quasi Steady Flow" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.3.1 Mise en équation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.3.2 Méthode de résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3.3 Technique d'accélération . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.4 Résultats de la modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.4.1 Deux divisions dans le régénérateur . . . . . . . . . . . . 65 3.4.2 Division du régénérateur . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Geographie/ moteurs-thermiques-a-apport-de-chaleur-externe-etude-d-x27-un-moteur-stirling-et-d-x27-un-moteur-ericsson.pdf

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