Academic literature on the topic 'Moteurs Stirling'

Le moteur stirling connait, depuis quelques annees, un important regain d'interet, essentiellement lie a son rendement eleve, a son caractere peu polluant et a sa grande adaptabilite a tout type de source de chaleur. L'absence de techniques de modelisation appropriees et de predictions theoriques valables des performances des moteurs stirling constitue actuellement un handicap majeur pour le developpement de ces machines. Nous avons developpe deux modelisations dynamiques de moteurs stirling cinematiques. Ces modeles conduisent a l'ecriture d'importants systemes d'equations algebro-differentielles, etablis et resolus a l'aide d'un environnement de simulation. Cette approche nous a permis de simuler de veritables comportements transitoires et de creer une bibliotheque de modeles permettant l'archivage et la reutilisabilite des modeles. La tres grande souplesse de l'outil de simulation developpe est mise en evidence dans l'etude de la variation de la charge d'un moteur stirling cinematique. Par ailleurs, nous montrons aussi que les performances predites par les modeles sont tres dependantes des valeurs instantanees des coefficients de transfert thermique dans les tubes des echangeurs de chaleur du moteur. Or, il apparait clairement que ces coefficients sont mal connus, du fait de la nature hautement instationnaire de l'ecoulement dans ces echangeurs. Aussi, nous presentons ensuite une etude numerique de ce type d'ecoulements avec comme resultats une meilleure caracterisation des longueurs d'entrees hydrodynamiques, ainsi que du transfert de chaleur en ecoulement oscillant, laminaire incompressible en conduite cylindrique

Dans le contexte énergétique actuel, nous assistons au développement de technologies de production d'énergie « propre ». Ainsi, de nouvelles perspectives comme la conversion thermodynamique de l'énergie solaire ou la valorisation des déchets sont offertes à la recherche sur les « énergies renouvelables ». Dans ce cadre, nous nous intéressons aux moteurs thermiques à apport de chaleur externe : les moteurs Stirling et Ericsson.
Cette thèse porte tout d'abord sur l'étude d'un petit moteur Stirling sur lequel nous avons mesuré la température instantanée et la pression instantanée en différents points. Les résultats tout à fait originaux obtenus ont été confrontés aux résultats issus de deux analyses différentes. Nous avons conclu à l'inadéquation de ces modèles.
Ensuite, nous avons étudié un système de micro-cogénération basé sur un moteur Ericsson couple à un système de combustion de gaz naturel. Un moteur Ericsson est une machine alternative fonctionnant selon un cycle thermodynamique de JOULE. L'objectif de ce système est de produire 11 kW de puissance électrique ainsi que de la chaleur utile. Dans le but de dimensionner ce système, nous avons réalisé des études énergétique, exergétique et exergo-économique de cet ensemble.

"Les moteurs alternatifs de type Stirling, sont des moteurs à "air chaud" qui ont la particularité d'être à apport de chaleur externe. Capables d'une grande souplesse d'adaptation et d’utiliser des sources de chaleur variées, ils constituent, dans l'optique du développement durable, une alternative à prendre en compte pour une conversion efficace des chaleurs perdues, de l’énergie solaire et des bio-énergies en travail mécanique. En plus de leur rendement théorique égal à celui de Carnot, ils sont capables de fonctionner avec une faible différence des températures de leurs deux réservoirs de chaleur (Low Temperature Differential : LTD). Ils peuvent ainsi récupérer et convertir en travail les chaleurs perdues dans les procédés industriels ou dans les machines thermiques. Leur configuration géométrique peut être très simple : 2 volumes variables reliés par une conduite. Cette thèse porte sur l’étude des moteurs Stirling à faible différence des températures, en particulier leur modélisation, leur simulation à 0, 1 ou 2 dimensions, leur optimisation et la comparaison avec les résultats de l’expérience. L’étude a été décomposée comme suit : - une analyse énergétique du cycle moteur de Stirling, selon la thermodynamique à échelle finie (TEF), avec des réservoirs infinis (températures constantes des sources, chaude et froide) a été entreprise et a débouché sur la mise en évidence de grandeurs caractéristiques, dimensionnées ou non, et sur une optimisation sous contraintes physiques (pmax, Vmax, Tmax, …). - une analyse énergétique, entropique et exergétique des échangeurs chaud et froid, séparément, puis globale du moteur a été présentée. Cette nouvelle analyse a été réalisée toujours selon la TEF mais en considérant des réservoirs finis (températures variables au niveau des sources). Des modèles d’optimisation du fonctionnement du moteur ont été développés, avec une contrainte sur la surface totale d’échange de chaleur des échangeurs. L’approche utilisée a permis de montrer l’influence de la surface finie et des capacités finies des échangeurs sur l’optimum de fonctionnement de la machine et de définir la distribution optimale de la surface d’échange entre les échangeurs de chaleur. - un modèle numérique 0-D décrivant l’évolution des variables (pression, volumes, masses, énergies échangées, irréversibilités…) en fonction de l’angle de vilebrequin dans le cas d’un moteur LTD a été développé en respectant les hypothèses de Schmidt : températures constantes dans les espaces chaud et froid et pression instantanée uniforme du gaz de travail. Ce modèle fournit les bilans énergétique, entropique et exergétique, dans les espaces chaud (détente), froid (compression) et de régénération. - une simulation dynamique 1-D satisfaisante a été faite à l’aide d’un logiciel du commerce (AMESim), mais cette fois-ci sans aucune hypothèse réductrice sur les températures et les pressions. - une simulation 2-D plus complète des transferts d'énergies, de quantité de mouvement et de masse des écoulements compressibles a été réalisée avec un logiciel multiphysique à maillage mobile (COMSOL) dans le cas de ce même moteur LTD, en supposant la régénération nulle. Cette simulation nous a permis d'obtenir les valeurs instantanées des variables locales en régime établi : pression, température, vitesse et volume. - une confrontation des résultats des modèles 0-D, 1-D et 2-D avec les résultats expérimentaux obtenus sur un moteur réel de notre laboratoire nous a permis de conclure à une bonne corrélation entre ces résultats, en particulier avec ceux du modèle 1-D. De plus, l’existence de 2 régimes de transfert de chaleur en fonction de la vitesse de rotation a été mise en évidence et des équations représentatives ont été proposées. "
Stirling engines are "hot air" engines to which heat is provided from an outside source. Able of great flexibility and of any heat source use, they are an alternative, to be taken into account within the sustainable development perspective, for the effective conversion of waste heat or solar- or bio- energies into mechanical work. Their theoretical efficiency equal to Carnot efficiency and their ability to work with small temperature differences between their two heat reservoirs (“Low Temperature Differential”, LTD) enable them to recover and convert waste heat issued from industrial processes and thermal machines into mechanical work. Their geometrical configuration can be very simple : 2 variable closed volumes only connected by a duct. The aim of this thesis is the study of the LTD Stirling engine, particularly its modeling, its simulation (0-D, 1-D or 2-D), its optimization and the comparison with the experimental results. This study was decomposed as follows : - an energy analysis of the cycle of the Stirling engine with infinite reservoirs (constant temperatures of the hot source and cold sink), accordingly to the finite scale thermodynamics (FScT) methods, was carried out and extended to an optimization with physical constraints (pmax, Vmax, Tmax, …). Characteristic numbers, dimensioned or not, were put to evidence. - an energy, entropy and exergy analysis of the heat exchangers, hot and cold separately, and, then, of the whole engine is presented. This new analysis was carried out, once more accordingly to the finite scale thermodynamics methods, by considering finite reservoirs. Models for the engine optimization are developed, with a constraint on the total heat transfer surface of the exchangers. The used approach makes it possible to highlight the influence of the finite surface and finite capacities of the exchangers on the optimum of the engine operation characteristics and on the optimal distribution of the heat- transferring surface between the heat exchangers. - a 0-D numerical model describing the evolution of the internal variables (pressure, volumes, masses, exchanged energies, irreversibilities…) as function of the crankshaft angle was developed, in the case of an LTD engine, in accordance to Schmidt assumptions : constant temperature in hot and cold volumes and instantaneous uniform gas pressure. This model gives the energy-, entropy- and exergy balance in the three spaces : hot expansion volume, cold compression volume and regenerator. - a satisfying 1-D dynamic modeling was done with the help of a commercial software (AMESim), and, this time, without any restrictive assumption on the temperatures and pressures. - a more complete 2-D simulation of energy-, mass- and momentum transfer of the compressible working-gas flow was carried out using a multiphysics software (COMSOL) for this LTD Stirling engine assuming a null regeneration. This analysis enabled us to obtain the instantaneous values of the local variables in steady-state operation mode : pressure, temperature, speed and volume. - the results of the 0-D, 1-D and 2-D models were compared with the experimental results obtained from an actual engine of our laboratory. We thus concluded there is a good correlation between the results obtained from these models, particularly the 1-D model, and those of the experiments. Furthermore, 2 heat transfer regimes were detected depending on the speed of revolution and equations were proposed to represent them

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.

Dans ce travail, un moteur Stirling de type Gamma alimenté par énergie solaire avec une faible différence de température a été étudié numériquement et expérimentalement. Un nouveau modèle appelé Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) a été proposé et appliqué au moteur GPU-3 Stirling. Un cryoréfrigérateur basé sur un moteur Stirling intégral de type Alpha a été étudié numériquement, après avoir mesuré ses dimensions géométriques au laboratoire. Pour le moteur Stirling de type gamma du laboratoire, le modèle ait thermodynamique à vitesse finie et le modèle isotherme a été développé, incluant les bilans de masse et d’énergie à travers les différents volumes (compression, régénération et expansion) dans le moteur. Différents types de pertes thermiques et mécaniques ont été considérés dans le modèle afin d'analyser les processus thermodynamiques et les pertes dans le moteur Stirling. En outre, des études paramétriques sur les performances du moteur Stirling alimenté à l’énergie solaire ont également été étudiées expérimentalement et numériquement. La comparaison entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation à différents déphasages entre le déplaceur et le piston, et à différentes course de piston montre que le modèle est convaincant dans la prédiction des performances du moteur Stirling. Basé sur la méthode thermodynamique en dimension physique finie, une méthode d’algorithme génétique multi-objectives, objectifs étant la puissance fournie, le rendement énergétique et le taux de génération d'entropie a été utilisé pour optimiser la fonction et la géométrie du moteur du type Gamma. En comparant avec la méthode d'optimisation écologique, la méthode multi-objectif permet de mieux équilibrer les trois objectifs. Le nouveau modèle (PSML) proposé pour prédire les performances du moteur de type Bêta ou Gamma du moteur Stirling, il divise l'espace de travail en 5 parties (volume de compression, refroidisseur, régénérateur, chauffage et volume d'extension). Une liaison entre volume de compression et volume d'extension a été ajoutée dans le modèle adiabatique classique du moteur Stirling. Ainsi, des processus polytropiques ont été considérés dans les volumes de compression et d'expansion du moteur Stirling. Le moteur Stirling GPU-3 a été utilisé pour valider le nouveau modèle. Il a été démontré que le nouveau modèle (PSML) prédit correctement la puissance de sortie et le rendement du moteur. Dans la dernière partie de la thèse, un Cryorefroidisseur Stirling de type Alpha, a été étudié en utilisant un modèle isotherme prenant en considération différentes pertes. Les volumes de compression et d'expansion sont considérés isothermes, et la variation de la température du régénérateur est considéré linéaire. Les bilans d'énergie et d'exergie du Cryorefroidisseur ont été réalisés, et l'effet de divers paramètres sur la performance (puissance de refroidissement et puissance mécanique consommée) est étudié. Les résultats de la simulation pour PPG-102 Stirling cryocooler ont été comparés avec deux autres résultats de simulation de la littérature et des résultats expérimentaux indiquant que ce modèle est convaincant pour prédire la performance du Cryorefroidisseur
In this work a solar powered low temperature difference Gamma type Stirling engine has been studied experimentally and numerically using an isothermal model coupled with various losses and using an objective optimization. A new model named Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) has been proposed which was applied to the Beta type GPU-3 Stirling engine. An Alpha type integral Stirling cryocooler has been studied numerically using an isothermal model with losses. To study a Gamma type Stirling engine of our laboratory, an isothermal model coupled with finite speed method has been developed, including mass and energy balances through different spaces of the engine. The engine is divided into 3 volumes: compression volume, regeneration volume, and expansion volume. Different kind of thermal and mechanical losses have been considered in the model, in order to analyze thermodynamic processes and losses in the Stirling Engine. In addition, parameter effects on the performance of the solar powered gamma type Stirling engine have also been studied experimentally and numerically. The comparison between the experimental results and the simulation results at different phase shift between the displacer and the piston, and at different piston stroke shows that the model is convincing to predict the Stirling engine performance. Based on the Finite Physical Dimensional Thermodynamic method, a multi-objective genetic method considering output power, thermal efficiency and entropy generating rate as objective functions simultaneously, has been used to multi-objective optimize the Gamma type Stirling engine. Comparing with the ecological optimization method, the multi-objective method can better balance the three objective goals. The new model (PSML) proposed in the thesis for predicting performance of Beta or Gamma type of Stirling engine divides the working space into 5 parts (compression volume, cooler, regenerator, heater, and expansion volume). A bypass linking compression volume and expansion volume has been added in the classic adiabatic model of Stirling engine. Thus, polytropic processes have been considered in the compression and expansion volumes of the Stirling engine. The GPU-3 Stirling engine has been used to validate the new model. It was shown that the new model (PSML) predict well the output power and the thermal efficiency of the engine well. An isothermal model considering various losses was developed and presented in the last part of this thesis to study an Alpha type Stirling cryocooler, whose geometrical dimensions were measured in our laboratory. The compression and expansion volumes are supposed to be isothermal, the variation of the regenerator temperature is supposed to be linear. Energy and exergy balances of the cryocooler were developed. The effect of various parameters on the cryocooler performance (cooling power and input power) are investigated. The simulation results for PPG-102 Stirling cryocooler were compared with two other simulation results of the literature and with experimental results which indicated that this model is convincing to predict the performance of the Stirling cyocooler

Ce travail concerne l'analyse expérimentale des flux de chaleur instationnaires au sein d'une machine frigorifique de Stirling ainsi que l'étude paramétrée de son fonctionnement. Un premier modèle théorique du cycle est développé dans le but de dimensionner et de réaliser la machine frigorifique. L'instrumentation ainsi que les méthodes d'étalonnages dynamiques des capteurs de pression et de température sont présentées. L'étude des échanges de chaleur entre le gaz et les différents volumes de la machine est menée suivant deux directions. Une première analyse monodimensionnelle, de type local, fait apparaître, à travers une écriture complexe, le déphasage existant entre le flux de chaleur et la différence de température entre le gaz et la paroi. Une deuxième analyse, de type global, permet d'établir les performances de la machine sous forme paramétrée, à partir d'un bilan thermodynamique appliqué aux trois volumes de la machine. Les mesures sont finalement comparées aux différents résultats théoriques et montrent que les performances de la machine croissent avec la pression, l'efficacité du régénérateur et chutent avec le volume mort. Les performances optimales sont réalisées pour un déphasage de 60ʿ entre les volumes de compression et de détente
This report describes the results of an experimental study of instationary heat fluxes which occur in a refrigerating Stirling machine. A theoretical model is developed to establish a design concept of the machine. Calibration methods are presented to determine dynamical characteristics of pressure and temperature transducers. Heat transfer between gas and differents volume elements of the machine is described. A local monodimensional method analyses heat fluxes in term of complex Nusselt number and shows that heat flux is out of phase with bulk gas-wall temperature difference. The first law for an open thermodynamic system is applied to the three volumes of the machine and determine the performances of it. Data from the experimental setup are compared to the different theoretical results and show that optimal performances are obtained for high pressure level, high regenerator efficiency and low dead space volume. The optimal phase lag between expansion and compression volumes is 60ʿ to achieve best performances

Le présent travail concerne l’étude thermique et fluidique d’un régénérateur thermique de moteur Stirling aux échelles millimétrique et micrométrique. Il s’intègre dans le cadre du projet MISTIC (Micro Stirling Clusters) financé par l’ANR. Le régénérateur thermique étudié permet de limiter les apports en énergie externe au système en recyclant la quantité de chaleur rejetée pendant le cycle thermodynamique. La conception des structures miniatures du régénérateur a été conditionnée par le procédé de fabrication choisi.Les porosités étudiées varient entre ε = 0, 8 et 0, 9 pour un facteur de forme égal à F.F = 0, 3. A l’issue des simulations numériques et des essais expérimentaux réalisés sur les prototypes micrométrique et millimétrique du régénérateur, nous avons pu mettre en évidence respectivement l’effet de la porosité, de la course du piston, des fréquences d’écoulement et du gradient thermique imposé sur les performances thermofluidiques du régénérateur. Par ailleurs, des corrélations du coefficient de perte de charge ont été établies et confrontées à celles présentes dans la littérature. Nous avons également quantifié la puissance de pompage requise pour la circulation alternative du fluide pendant un cycle thermique qui s’est avérée tributaire de la porosité, de la course du piston ainsi que de la fréquence de l’écoulement. Le calcul des efficacités thermiques du régénérateur a été menée sur les deux phases d’accumulation et de restitution de l’énergie thermique au cours du cycle thermodynamique. Nous avons établi une diminution de l’efficacité thermique en fonction du nombre de Reynolds de l’écoulement sans pour autant obtenir de résultats concluants quant à l’effet de la porosité. Une estimation de la figure de mérite a montré une tendance globale croissante du rapport pertes de charges/transferts thermiques en fonction du nombre de Reynolds de l’écoulement
The present work presents a thermofluidic study of a Stirling engine regenerator both at the micro and millimeter scales within the framework of the MISTIC (Micro Stirling Clusters) project financed by the ANR. The studied thermal regenerator allows to limit external energy supply to the system by recycling the heat rejected during the thermodynamic cycle. It is composed of a staggered-pillars matrix crossed by an oscillatory gas flow. The design of the miniature structures of the regenerator was conditioned by the chosen manufacturing process. The micro-regenerator design was conditioned by the chosen manufacturing process. The investigated porosities vary between ε = 0.8 and 0.9 for a shape factor equal to F.F = 0.3. The numerical simulations and experimental results for both prototype scales highlight the effects of the porosity, the piston stroke, the gas flow frequencies and the thermal gradient on the regenerator thermofluidic performances. Besides, correlations of the pressure loss coefficient were established and confronted with those available in the literature. We also calculated the pumping power required during a thermal cycle which depends on the porosity, the piston stroke as well as the gas flow frequency. The calculation of thermal efficiencies of the regenerator was led on both phases of heat store and heat refund. We established a decrease of the thermal efficiency according to the number of Reynolds, no concluding results were obtained for the effect of the porosity. A rough estimation of the figure of merit showed an increase of the pressure drop to thermal heat loss ratio according to an increasing Reynolds number of the gas flow

Dans le contexte énergétique et environnemental actuel, il devient capital de développer des solutions énergétiques "propres". Le travail réalisé dans cette thèse consiste en la recherche d'une nouvelle solution thermodynamique de conversion de l'énergie solaire pour la production d'électricité de faible puissance (< 50 kW) adaptée aux applications de cogénération. De technologie simple et accessible aux pays en voie de développement, le système doit pouvoir concurrencer les procédés existants : photovoltaïques et Dish-Stirling. Une classification des systèmes générateurs d'énergie motrice, réalisée à partir d'un "caryotype", permet de répertorier les solutions thermodynamiques envisageables pour la conversion de l'énergie solaire. Le système finalement choisi est basé sur le couplage d'un moteur Ericsson en cycle ouvert avec un capteur cylindro-parabolique de conception simple. Une première étude théorique des performances énergétiques et exergétiques instantanées de ce système est complétée par une analyse des performances en condition d'ensoleillement réel, avec et sans stockage thermique, puis pour deux localisations, l'une en France, l'autre en Algérie. Ces analyses conduisent au dimensionnement d'installations et à l'évaluation des performances journalières mensuelles et annuelles. Enfin, une analyse expérimentale permet de caractériser les aspects liés aux transferts thermiques dans le capteur solaire cylindro-parabolique. Le travail réalisé démontre finalement l'intérêt d'un tel système et encourage à poursuivre les investigations dans cette voie
Nowadays, in our energy and environmental context, one of our major problems is the development of "clean" energy solutions. The subject of this thesis consists in the research of a new solution of thermodynamic solar energy conversion, in order to produce low power electricity (< 50 kW) adapted to cogeneration. The technology has to be simple and suitable for developing countries. The system must be able to become a challenge to the existing processes: i. E. Photovoltaïc or dish Stirling systems. A general classification of small size power system, realized from a "karyotype", allows to list the possible solutions for solar energy conversion. The system finally chosen is based on the coupling of an Ericsson engine in opened cycle with a simple parabolic trough collector. A first theoretical analysis of the energetic and exergetic performances of the system is completed by an analysis of the power plant performances during a real period of sunshine, with and without thermal storage, then for two locations, the first one in France, the other in Algeria. These analyses lead to the sizing of the system and the evaluation of the monthly and annual daily performances. Finally an experimental analysis allows to characterize the thermal transfers in the parabolic trough solar collector

Après avoir fait un bilan bibliographique des réalisations, des modèles analytiques et numériques dumoteur Stirling, on fait un point sur les applications possibles de ce moteur ce qui permet de décrire lecontexte de cette thèse : la cogénération.Les éléments historiques de la bibliographie montrent que le régénérateur est un des éléments essentielssur lequel on peut travailler pour améliorer les performances d’un moteur Stirling.Suite à cela on fait une proposition d’architecture moteur potentiellement capable d’apporter desaméliorations sur 3 difficultés essentielles dans la conception d’un tel moteur.Parmi ces 3 éléments, l’un d’eux concerne le régénérateur qui est alors re-baptisé « partageur »poursignifier sa particularité.La suite des travaux évalue le bénéfice que pourrait apporter le partageur sur le rendement du moteur.On réalise alors une double évaluation de l’effet du partageur au moyen d’un modèle analytique et d’unmodèle numérique. On aura au préalable décrit les bases de ces modèles et les modifications apportées.La conclusion n’est pas qu’un bilan des résultats et propose des perspectives originales qui vont bienau-delà de ce qui peut être fait actuellement en mécanique
After a state-of-the art presentation on achievements, analytical and numerical models of the Stirlingengine, we analyze the possible applications of this engine which allows describing the context of thisthesis : the cogeneration.Historical elements of the bibliography show that the regenerator is a key element on which we canwork to improve the performance of a Stirling engine.After that we make a proposal for engine design that is potentially able to make improvements on threekey challenges in designing such an engine.One of the three elements is the regenerator, named here sharer.Further work shows the potential benefit that the sharer could bring on the engine performance.A double assessment of the effect of the sharer using an analytical model and a numerical model isthen carried out. We precisely describe the basics of these models and propose modifications.The conclusion is not only an assessment of results but it offers original insights that could go beyondwhat can be done now in mechanical engineering