Développement et optimisation d'une machine Stirling pour la valorisation de l'énergie thermique

Development and optimization of a Stirling Engine for thermal energy conversion

• Auteur / Autrice : Gwyddyon Fenies
• Direction : Fabien Formosa, Julien Ramousse
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 15/10/2013; Soutenance le 23/11/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique

Mots clés

Mots clés libres

Stirling

Optimisation

Développement

Stirling

Optimization

Development

Résumé

L'objectif de la thèse est de développer un moteur Stirling pour la valorisation d’énergie thermique. Ce développement se fait de 2 points de vue. Un point de vue théorique avec la construction et l’amélioration d’un modèle théorique. Celui-ci est basé sur une analogie entre le moteur et un circuit électrique équivalent. Dans celui-ci, la pression joue le rôle de la tension électrique et le débit volumique le courant. Cette analogie permet de décrire la dynamique du moteur en prenant en compte le gaz, les composants mécaniques et la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique. Afin de gérer les échanges thermiques avec les sources de chaleurs, un second modèle complète le premier. Celui-ci décrit le comportement statique du moteur car il permet la détermination des températures du gaz de travail. Un point de vue un expérimentale est abordé avec l’instrumentation et l’étude d’un prototype. Des paramètres difficilement calculables théoriquement sont déterminés grâce aux essais. Dans un but de valider le modèle, une comparaison entre les essais expérimentaux et théoriques est menée. Les résultats montrent des écarts non négligeables entre les essais et les résultats des simulations. Pour expliquer cette erreur, un modèle du régénérateur en prenant en compte les échanges thermiques est développé et un banc d’essais est mis en place. Dans les conditions actuelles, les résultats obtenus ne sont pas concluant, mais les modifications à prévoir semblent être prometteuses.

The goal of this work is the development of a Stirling engine to harvest lost thermal energy. This development sides in two mains points. The first point of view is a theoretical approach. The built and the improvement of an equivalent electrical network describing the Stirling engine are done. The pressure has the role of the tension and the volume flow rate the electrical current. It describe the dynamical behavior of the engine, taking account of the gas transformations, the mechanical dynamics and mechanical to electrical energy conversion by a linear electromagnetic generator. The thermal exchanges between the gas and the thermal sources are dealt with a second model which describes the static behavior of the engine. It allows us to determine the internal temperature of the gas. The second point of view is an experimental approach with the building and the sensors implementation. Some parameters are identified thanks to experimental trials because of their hardness to be theoretically calibrated. In order to validate the model, a comparison between the experiments and the simulations is performed. The results highlight substantial disparities. To explain a part of the errors, a model of the regenerator taken account of the thermal exchange between the matrix (solid) and the gas is developed. A test bench has been built to determine parameters, but currently the results don’t allow us to conclude. However, the planned modifications are promising.