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  1. 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. 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. 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. 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. 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. 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 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
  7. 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 QcQh R E H K C Qh Qc E C RH K
  8. 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 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
  9. 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 QcQh R E H K C
  10. 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 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
  11. 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 StirlingQc Qh Partie froide Partie froide Partie chaude Partie chaude Cylindre de travail Déplaceur Stirlingmotor SCHI-2-A (Allemagne)
  12. 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. 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. 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. 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. 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. 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 RH K QcQh R E H K C
  18. 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 RH K QcQh R E H K C
  19. 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. 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. 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. 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 réseau électrique ! Stirling Energy Systems SES (USA)
  23. 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. 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 ! 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 !
  25. 25 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 Facile à construire
  26. 26 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 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-marins Production disséminée d’électricité à faible puissance Production d’électricité pour véhicules hybrides …
  27. 27 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Historique et état de l’art STIRLING 1816 ERICSSON 1833 ERICSSON 1853 Kolin, I., 1991, Stirling motor: history - theory – practice, Univ. Pub. Ltd, Zagreb
  28. 28 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 1853 Historique et état de l’art ERICSSON 1883
  29. 29 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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
  30. 30 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 : • 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
  31. 31 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Historique et état de l’art Philips, 1950 GM, fin années 1970 USAB 4-275 50 kW, η = 42%
  32. 32 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Historique et état de l’art 2 moteurs USAB, 75 kW, η = 31 % Le sous-marin SAGA COMEX
  33. 33 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Historique et état de l’art SOLO (Allemagne) Modules de cogénération ou systèmes solaires 9 kWél PROMES (CNRS) (Odeillo, Font-Romeu)
  34. 34 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Historique et état de l’art SUNMACHINE (Allemagne) Pompe solaire Moteur STIRLING basse T BSR (Allemagne) « Sunpulse » Moteur STIRLING basse T
  35. 35 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Historique et état de l’art SUNMACHINE (Allemagne) http://www.sunmachine.de/
  36. 36 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Nos travaux Moteurs Stirling : modélisation du comportement dynamique
  37. 37 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Moteurs Stirling : étude fondamentale des transferts thermiques en écoulement oscillant Nos travaux
  38. 38 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Moteurs Stirling : étude expérimentale d’un moteur cinématique Nos travaux
  39. 39 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Chambre de combustion λ = 3,21 Préchauffeur d'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/h 20 °C k2 : 47 °C Moteurs ERICSSON : étude d’un système de micro- cogénération domestique Nos travaux
  40. 40 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Nos travaux Systèmes solaires Couplage d’un concentrateur cylindro-parabolique avec un moteur ERICSSON simple Qh CE R H TcrTrh Th Ter Trk Tk
  41. 41 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP Nos travaux Moteurs ERICSSON : réalisation d’un prototype
  42. 42 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP 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 développement 7th International Conference on Stirling Cycle Machines (Tokyo novembre 1995, JSME) : "21st is the Century of Stirling (and Ericsson) Machines"
  43. 43 10ème Cycle de conférences CNAM/SIA, mars 2009. UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L'ADOUR Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés LaTEP MERCI DE VOTRE ATTENTION !

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