Numerical modeling and optimization of a regenerative Stirling refrigerating machine for moderate cooling applications
Modélisation numérique et optimisation d'une machine frigorifique régénérative Stirling destinée à la production de froid à température modérée
Résumé
The Stirling cycle machine has many successful applications as a prime mover and cooling machine. The Stirling cycle heat engine has a good potential for use in the future because of some advantages like external combustion, and fuel flexibility. The Stirling machine is used in cryogenics but applications for domestic cooling are still underdeveloped. The main goal of this study is to develop a precise thermodynamic numerical model that could predict the performances and provide means for further optimization. Hence, this dissertation presents the numerical modeling, simulation, experimental validation, and parametric optimization of an air-filled Beta type Stirling refrigerator for domestic application.The research shows that a non-ideal second-order numerical model called the modified simple model has been developed. The model incorporates effects of shuttle heat loss and mass leakage loss to the buffer space directly to the differential equations of pressure change, rate of change of mass of gas in compression and expansion spaces, and mass flow rates across these working spaces. Moreover, other power losses and heat losses are included as independent losses to evaluate the cooling production and associated COP. The model is simulated using MATLAB code for Beta configuration FEMTO-60 Stirling engine operating as a refrigerator. The model is validated both with an experiment conducted in the FEMTO-ST laboratory in refrigerating mode and by reversing the model to work producing engine so that the validation could be made with different theoretical models developed by other scholars so far. The validation results confirm that the proposed numerical model could be used to design a Stirling cycle refrigerating machine with reasonable accuracy. The contribution of this study also includes investigation of the effect of different working fluids (air, nitrogen, hydrogen, and helium), effects of losses (shuttle heat and mass leakage) that have a direct effect on the operating condition of the cooling machine, and parametric optimization. Air and nitrogen showed better cooling performance than helium and hydrogen mainly due to the higher mass flow rate. The effects of incorporating shuttle heat loss in the differential equations on the temperature and pressure of working gas and the overall performance of the Stirling refrigerator are analyzed. Parametric optimization includes the effect of operating (rotational speed, charging pressure, and temperature) and geometrical (phase angle, regenerator length, porosity, displacer height, displacer gap, piston-cylinder clearance gap, swept volume ratio, and piston diameter to stroke ratio) parameters on the cooling performance as well as on share of different power and heat losses. Finally, we propose a set of parameters to optimize a refrigerating Stirling machine achieving a COP of 1.3 for a cooling power of 625 W at a temperature of -4 °C.
Les machines à cycle Stirling sont utilisées aussi bien en cycle moteur que récepteur. Le moteur à cycle Stirling possède un bon potentiel d'utilisation en raison de certains avantages comme la combustion externe et la flexibilité du carburant. La machine Stirling est utilisée en cryogénie mais les applications pour le refroidissement domestique sont encore peu développées. L'objectif principal de ce travail est de développer un modèle numérique thermodynamique permettant de déterminer et d’optimiser les performances d’une machine frigorifique pour des applications de froid domestiques. Cette thèse présente donc la modélisation numérique, la simulation, la validation expérimentale et l'optimisation paramétrique d'un réfrigérateur Stirling de type Beta, conçu au laboratoire fonctionnant avec de l’air pour une application domestique.Nous avons développé un modèle numérique non-idéal du second ordre appelé modèle simple modifié. Ce modèle incorpore des pertes thermiques et fluidiques par conduction, effet navette pompage, pertes de charge, fuites de gaz vers le volume tampon. Ces pertes sont directement intégrées dans le modèle d’équations différentielles permettant d’exprimer les variations de pression, de température, de masse de gaz dans les volumes de compression et de détente, ainsi que les débits massiques de gaz traversant les différents volumes de la machine Stirling. La prise en compte de ces pertes permet de calculer la production de froid et le coefficient de performance (COP) associé. Le modèle est simulé à l'aide du code MATLAB. Les résultats numériques sont comparés aux résultats expérimentaux et aux résultats issus de la littérature. Le modèle numérique proposé peut être utilisé pour concevoir une machine frigorifique à cycle Stirling avec une précision raisonnable. La contribution de cette étude comprend également l'investigation de l'effet des différents fluides de travail (air, azote, hydrogène et hélium) sur les performances de la machine frigorifique et son optimisation paramétrique. Dans la gamme d’utilisation de la machine, l'air et l'azote ont montré de meilleures performances de refroidissement que l'hélium et l'hydrogène, principalement en raison du débit massique plus élevé. L'optimisation paramétrique des performances de la machine frigorifique comprend également les effets des paramètres de fonctionnement (vitesse de rotation, pression de charge et température) et géométriques (angle de phase, dimensions et porosité du régénérateur, jeu entre le piston et le cylindre, rapport du volume balayé et rapport du diamètre du piston à la course). Enfin, nous proposons des jeux de paramètres permettant d’optimiser un réfrigérateur Stirling présentant un COP de 1.3, une puissance frigorifique de 625 W à une température de -4 °C.
Origine : Version validée par le jury (STAR)