Modélisation Thermodynamique e d`un moteur Ericsson

Modélisation Thermique,
Thermodynamique et Expérimentation
d'un moteur Ericsson à air chaud à cycle
THÈSE
présentée
co-
tutelle avec l
Manuel Alejandro Fula Rojas
Soutenue publiquement
Devant la commission d’
examen formée de :
Ivan Dario GIL CHAVEZ, Professeur,
François LANZETTA, Professeur des Universités,
Céline MORIN, Professeur des Universités,
Oscar PIAMBA TULCAN, Professeur,
Co-directeurs de thèse :
Pascal STOUFFS,
Université de Pau et des Pays de l
Fabio Emiro SIERRA VARGAS
,
Modélisation Thermique,
Thermodynamique et Expérimentation
d'un moteur Ericsson à air chaud à cycle
de Joule
présentée
à l’
Université de Pau et des Pays de l
tutelle avec l
’
Université Nationale de Colombie
par
Manuel Alejandro Fula Rojas
Soutenue publiquement
à Pau le 3
décembre 2015
examen formée de :
Ivan Dario GIL CHAVEZ, Professeur,
Université Nationale de Colombie
, examinateur
François LANZETTA, Professeur des Universités,
Université de Franche
-
Céline MORIN, Professeur des Universités,
Université de Valenciennes
, rapporteur
Oscar PIAMBA TULCAN, Professeur,
Université Nationale de Colombie
, examinateur
Université de Pau et des Pays de l
’Adour, France
,
Université Nationale de Colombie
, Colombie
Modélisation Thermique,
Thermodynamique et Expérimentation
d'un moteur Ericsson à air chaud à cycle
Université de Pau et des Pays de l
’Adour en
Université Nationale de Colombie
Manuel Alejandro Fula Rojas
décembre 2015
, examinateur
-
Comté, rapporteur
, rapporteur
, examinateur
, Colombie

III
Modélisation Thermique,
Thermodynamique et
Expérimentation d'un moteur
Ericsson à air chaud à cycle de Joule
Manuel Alejandro Fula Rojas
Thèse présentée comme condition partielle pour l’obtention du titre de:
Docteur en Energétique, Sciences de l’Ingénieur (UPPA-Fr).
Doctor en Ingeniería Mecánica y Mecatrónica (UNAL-Col)
Directeurs:
Ph.D. Pascal STOUFFS
Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)
Laboratoire de Thermique, Énergétique et Procédés (LaTEP).
Pau, France
Ph.D. Fabio Emiro SIERRA VARGAS
Universidad Nacional de Colombia ( UNAL)
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Bogotá, Colombia
2015

IV
Modélisation Thermique, Thermodynamique et Expérimentation d'un moteur Ericsson à air chaud à cycle de Joule
RÉSUMÉ
Avec l'épuisement des ressources naturelles, notamment les sources d’énergies fossiles,
les énergies renouvelables sont à nouveau considérées comme une alternative réelle
pour la transition énergétique des pays industrialisés.
Les moteurs à apport de chaleur externe comme le Stirling et son « cousin » le moteur
Ericsson peuvent valoriser de multiples sources -renouvelables ou non- d'énergie
thermique. Le moteur Ericsson est ainsi particulièrement bien adapté pour la conversion
de l’énergie solaire ou de la biomasse en électricité dans des applications de micro-
cogénération. Cette thèse s’inscrit dans la continuation des travaux théoriques et
expérimentaux sur le moteur Ericsson réalisés au LaTEP de l'Université de Pau et des
Pays de l'Adour. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux
transferts thermiques entre le fluide de travail et les parois des cylindres de compression
et de détente du moteur. Un premier modèle, global, a permis de déterminer dans quelles
conditions ces transferts thermiques peuvent améliorer les performances du système
énergétique considéré. Un second modèle, ‘intracycle’, a permis d’évaluer les transferts
thermiques instantanés dans les cylindres à partir des corrélations habituellement
utilisées dans les moteurs à combustion interne. Le prototype de moteur Ericsson a alors
été équipé de différents capteurs de pression et de températures, ces derniers étant
constitués de micro-thermocouples. Les relevés de température instantanée dans le
cylindre de compression sont présentés commentés et comparés aux résultats obtenus
par le modèle « intracycle ».
Mots clef: micro-cogénération, moteur Ericsson, moteur alternatif à cycle de Joule,
énergie solaire, énergie de la biomasse, transferts thermiques dans les cylindres.

Résumé et abstract
V
Abstract
With exhaustion of natural resources, in particular the fossil energy sources, renewable
energies are again regarded as a real alternative for the needed energy transition of the
industrialized countries. The "hot air engines" like the Stirling engine and his “cousin” the
Ericsson engine, can use multiple thermal sources - renewable or not -. The Ericsson
engine is thus particularly well adapted for solar or biomass energy conversion in
electricity or for microcogeneration purposes. This thesis is a continuation of the
theoretical and experimental work on the Ericsson engine realized in the LaTEP of the
University of Pau (France). In this work, we are mainly interested in the - in-cylinder - heat
transfer between the working gas and the walls of the compression and expansion
cylinders of the Ericsson engine. A first original model made possible to determine under
which conditions these heat transfers can improve the performances of the energy
system considered. A second model, “intracycle”, allowed to evaluate the instantaneous
heat transfers in the cylinders starting from the correlations usually used in the internal
combustion engines, reciprocating compressors and pneumatic springs. The Ericsson
prototype was then equipped with various pressure and temperature gauges, the latter
consisting of K-type microthermocouples of 25 and 12,5µm wires. The results of
instantaneous temperature measurements in the compression cylinder are presented,
commented and compared with the results obtained by the “intracycle” model.
Keywords: micro-cogénération, Ericsson Engine, Reciprocating Joule cycle, solar
energy, biomass energy, in-cylinder heat transfers.