Contribution à l'étude de la valorisation des rejets thermiques : étude et optimisation de moteurs Stirling

Contribution to the study of the recovery of wast heat : study and optimization of Stirling engines

• Auteur / Autrice : Juliette Bert
• Direction : Luis Le Moyne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 26/11/2012
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de Recherche en Ingénierie des Véhicules pour l'Environnement (DRIVE) (Nevers)
• Jury : Président / Présidente : François Lanzetta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniela Chrenko, Frédéric Sirot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Morin, Pascal Stouffs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais

Stirling, Moteurs

Chaleur perdue

Applications industrielles

Algorithmes optimaux

Modèles mathématiques

Chaleur -- Récupération

Mots clés libres

Moteur Stirling

Récupération thermique

Modèle numérique

Validation expérimentale

Optimisation numérique

Etude multi paramétrique

Stirling engine

Heat recovery

Numerical model

Experimental validation

Numerical optimization

Multi-parameter study

Résumé

Plusieurs machines actuellement utilisées, moteurs à combustion interne en automobile ou centrales thermiques dans l’énergie, rejettent de grandes quantités de chaleur. Généralement cette chaleur est dissipée dans l’atmosphère et son énergie perdue. Nous nous sommes donc intéressés aux moteurs à apport de chaleur externe dont l’énergie primaire est de l’énergie thermique, et plus particulièrement aux moteurs Stirling. L’une de ses principales caractéristiques est d’utiliser de la chaleur produite extérieurement comme source d’énergie. Ceci lui permet d’être multi-carburant et même d’utiliser de l’énergie thermique naturelle.L’étude menée comporte deux parties. Tout d’abord un modèle numérique zéro dimension, trois zones en temps fini a été développé. Il prend en compte les échanges thermiques aux parois et les pertes de charge, mais ne préjuge ni des dimensions moteur, ni des conditions de fonctionnement. Ceci lui permet de rester flexible pour s’adapter à l’architecture spécifique du moteur à simuler. Ensuite nous avons réalisé des mesures expérimentales sur deux moteurs de taille et puissance différentes (quelques watts et 1 kW). Ces résultats ont permis de valider le modèle. Au final nous avons obtenu un modèle numérique traduisant l’influence de paramètres dimensionnels et fonctionnels sur la puissance du moteur Stirling.Un outil d’aide à la conception de moteur Stirling a été développé en ajoutant au modèle un algorithme d’optimisation. Il permet une ébauche des caractéristiques d’un moteur Stirling. En fonction de l’application souhaitée et des contraintes s’y appliquant, il agit sur les caractéristiques choisies par l’utilisateur pour maximiser les performances.

Several machines currently used, internal combustion engines for the car industry or thermal power plants in energy, exhaust a considerable amount of heat. Generally this heat is dispersed in the atmosphere and its energy lost. So we took a special interest in external heat engines which primary energy is heat energy, and more particularly in Stirling engines. One of its main characteristics is the used of energy from heat produced externally like energy source. This allows Stirling engines to be multi-fuel and even to use natural heat energy.The study carried out is made up of two parts. First, a three zones zero dimensional finite-time thermodynamic model has been developed. It takes into account the heat transfer from the walls and the pressure drop, but does not prejudge the dimensions of the engine nor the conditions of its functioning. It is thus able to remain flexible and to adjust to the specific architecture of the engine that should be simulated. Afterwards, we have realized a series of experimental measures thanks to two engines different in size and power (a few Watt and 1 kW). These results allowed us to validate the model. In the end, we got a numerical model representing the influence of dimensional and functional parameters on the power of a Stirling engine.Eventually, a tool to assist in designing Stirling engines was developed adding an optimization algorithm to the model. It allows to sketch out a preliminary draft of the characteristics of a Stirling engine. Depending on the desired application and on the constraints exerted on the engine, the tool created will act on the characteristics of the engine chosen by the user to maximize its performances.