2- Modélisation - Femto

Journée micro‐cogénération ‐ CNAM ‐ Paris
23 janvier 2014
23 janvier
Optimisation d’une motorisation Stirling pour la production d'électricité de faible puissance
Hakeem Khirzada, Steve Djetel‐Gothe, François Lanzetta, Khirzada Steve Djetel Gothe François Lanzetta
Didier Chamagne, Philippe Nika, Didier Marquet1
Institut FEMTO‐ST, UMR 6174, Département ENERGIE
2 avenue Jean Moulin 90000 Belfort
1
ORANGE Labs – IMT/OLN 38‐40, rue du Général‐Leclerc 92794 Issy Moulineaux Cedex 9
Sommaire
¾
1 ‐ Introduction
1 ¾
2 ‐ Modélisation
¾
3 ‐ Conception & Optimisation ¾
4 Expérimentation
4 ‐
E périmentation
¾
5 ‐ Conclusion et perspectives
2
1‐ Introduction
M t
Moteur Stirling : Objectifs et fonctionnement
Sti li
Obj tif t f ti
t
Objectifs :
j
‰ Caractériser le Moteur Stirling (apport de chaleur externe)
‰ Challenge : obtenir une « petite » machine thermique robuste
‰ Produire de l’électricité ( quelques dizaines de W Æ 100W)
Gaz = air, azote, hélium
l énergie l'énergie
absorbée
Qreg
l'énergie rejetée QH
Apport de chaleur : soleil, gaz, bois …
QL
T
Travail mécanique (W)
il é i
(W)
T1 : température minimum du cycle
T3 : température maximum du cycle 3
2‐ Modélisation :
Modèle- 5 volumes adiabatique
mc = masse du gaz de travail côté compression me = masse du gaz de travail côté détente mxc = masse du volume mort côté échangeur chaud (mve)
mxf = masse du volume mort côté échangeur froid (mvcp) mdf
df = masse totale moins masse de détente et de compression (Mmemc) t t l
i
d dét t t d
i (M
)
mxc et me
mxc et me
mxf et mc
mdf
4
2‐ Résolutions :
Modèle- 5 volumes adiabatique
Mathematica
Matlab
Volume = f(phi)
Volume = f(phi)
V
phi
Pression = f(phi)
(p )
phi
Pression = f(phi)
Pression = f(phi)
P
phi
phi
5
2‐ Modélisation
Fonctionnement génératrice couplée avec moteur Stirling
150
tensions V
Va Vb Vc (vo
olts)
100
50
(Va Vb Vc) Tension crête = 119 volt 0
-50
-100
-150
0
5000
6
2‐ Modélisation
c
5
4
courants
s Ia Ib Ic (am
mpéres)
3
2
(Ia Ib Ic) Courants créte = 4.36 Ampéres
1
0
-1
1
-2
-3
3
-4
-5
5
0
5000
le moment d’inertie J=207.137 Kg.m2
Coefficient de frottement =0.05 N.m.s/rad
7
2‐ Modélisation
puissance (watt)
80
X: 1.394e+04
Y: 72.32
70
puissance (w
watt)
60
50
40
30
20
10
0
0
5000
10000
15000
Temps (seconds)
le moment d’inertie J=207.137 Kg.m2
Coefficient de frottement =0.05 N.m.s/rad
Puissance crête =72.32 W
8
3‐ Conception et optimisation
Simulation Comsol Multiphysics
Conduction du flux à travers la paroi en cuivre
Isolant zircone 1 cm
9
3‐ Conception et optimisation
Simulation Comsol Multiphysics
Isolant zircone 2 cm
échangeur en 2 matières cuivre‐inox
10
3‐ Conception et optimisation
Solidworks
augmentation surface par rainurage
augmentation surface par rainurage
Implantation de neuf cartouches chauffantes
Échangeurs chaud et froid
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4 ‐ Expérimentation
Comparaison avec Résultats Multiphysics
Répartition de la température
Répartition du flux de chaleur (W/m²)
T°max espace détente = 215°C
12
4 ‐ Expérimentation
Comparaison avec Résultats Solidworks
13
Pmax=7.8 bar
T lli
T collier = 850°C 850°C
T entrée eau = 15°C P
Pmoy=5.5bar
5 5b
Pmin=3.2bar
T espace détente=705°C
Debit variable de 1.42 l/min à 1.793 l/min soit 0.024 kg/s à 0.03kg/s soit une énergie évacuée de 301.32W à 376.65 W par le système de refroidissement
T sortie eau = 18°C
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5 – Conclusion et Perspectives
1/ Premiers
P
i
Essais
E
i
Moteur fonctionnant avec de l’air comme gaz de travail, sous une pression de charge de 5 bar et pour une t
température de source chaude variant de 500 à 900°C
é t
d
h d
i t d 500 à 900°C et une vitesse de rotation variant de 0‐500tr/min.
t
it
d
t ti
i t d 0 500t / i
2/ Essais de caractérisations avec nouvelles configurations
- Nouvelle conception avec régénérateur
- Prise en compte du volume mort
- Adaptation échangeur chaud et froid
3/ Intégration du moteur électrique (mini - groupe électrogène)
Æ Essai de caractérisation du groupe électrogène
Modélisation :
•
Optimiser modèle groupe électrogène Simulink-Matlab
•
Modèle adiabatique faire le couplage électrique Mathematica
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