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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'ADOURLaboratoire
de
Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
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210ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire
de
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.
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310ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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de
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 …
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410ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire
de
Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
Définition des moteurs à air chaud
Compression du fluide froid
Détente dufluide chaud
Energie mécanique
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510ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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de
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 »
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610ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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de
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
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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
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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
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910ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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Thermique, Energétique
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
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1010ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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Thermique, Energétique
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
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1110ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
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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1210ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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Thermique, Energétique
et
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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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1310ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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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 droite
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1410ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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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 en bas
Déplaceur
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1510ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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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
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 en haut
Déplaceur
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1710ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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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
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1810ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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Thermique, Energétique
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
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1910ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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Thermique, Energétique
et
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Atouts et créneaux d’application
Utilisation, valorisation énergétique de tout type de source de chaleur
USAB(Suède)
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2010ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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Thermique, Energétique
et
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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
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2110ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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Thermique, Energétique
et
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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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2210ème 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 !
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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2310ème 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
Micro-cogénération domestique
= production combinée d’eau chaude et d’électricité
WhisperGen
(NZ)
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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 !
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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
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2610ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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de
Thermique, Energétique
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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2710ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire
de
Thermique, Energétique
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
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2810ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire
de
Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
ERICSSON
1853
Historique et état de l’art
ERICSSON
1883
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2910ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire
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Thermique, Energétique
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…
Historique et état de l’art
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3010ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire
de
Thermique, Energétique
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
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3110ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire
de
Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
Historique et état de l’art
Philips, 1950
GM, fin années 1970
USAB 4-27550 kW, η
= 42%
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3210ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOURLaboratoire
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Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
Historique et état de l’art
2 moteurs USAB, 75 kW, η
= 31 %
Le sous-marin SAGA
COMEX
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3310ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
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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3410ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009.
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de
Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
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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Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
Historique et état de l’art
SUNMACHINE (Allemagne)
http://www.sunmachine.de/
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Thermique, Energétique
et
ProcédésLaTEP
Nos travaux
Moteurs Stirling : modélisation du comportement dynamique
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et
ProcédésLaTEP
Moteurs Stirling : étude fondamentale des transferts thermiques en écoulement oscillant
Nos travaux
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Moteurs Stirling : étude expérimentale d’un moteur cinématique
Nos travaux
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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
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ProcédésLaTEP
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"
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MERCI DE VOTRE ATTENTION !