Moteur thermique à pistons liquides à cycle de JOULE Max NDAMÉ et Pascal STOUFFS Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés (LaTEP), Université de Pau et des Pays de l’Adour (France)

Plan Contexte Les “moteurs à air chaud” Le prototype du LaTEP Les machines de détente UNIFLOW Premiers résultats de modélisation Les machines à piston liquide Conclusion

Contexte Intérêt de développer des technologies de production d'énergie "propre" : solaire thermodynamique, biomasse ou effluents gazeux haute température Production d’énergie de faibles puissances (< 50kW) Production d’énergie sur des sites isolés Valorisation énergétique en mini ou micro cogénération 2

Contexte MCI classiques (turbines à gaz, ORC) ne sont pas adaptés à la valorisation de ce type d’énergie "Moteurs à air chaud", apport d’énergie externe STIRLING ou ERICSSON sont appropriés à la valorisation de ce type d’énergie 3

2. Les “moteurs à air chaud” Moteurs thermiques avec : Cylindres de compression et de détente séparés Apport de chaleur externe Fluide de travail monophasique gazeux « Moteurs à air chaud » … même si l’air a été remplacé par de l’hélium ou de l’hydrogène à haute pression dans beaucoup de moteurs modernes

2. Les “moteurs à air chaud” 2 grandes familles : Qh Qc E C R H K Avec soupapes ‘ERICSSON’ Sans soupapes ‘STIRLING’

2. Les “moteurs à air chaud” Moteur ERICSSON : Dans sa version la plus simple : Semblable à une turbine à gaz dont le turbocompresseur a été remplacé par un compresseur à piston et la turbine par une machine de détente piston/cylindre Moteur alternatif à cycle de JOULE !

En cours de développement… 3. Le prototype du LaTEP En cours de développement… Fait face à deux problèmes : système de distribution et l’étanchéité

Distribution, côté chaud (cylindre de détente) 3. Le prototype du LaTEP Problème de Distribution Distribution, côté chaud (cylindre de détente)

Distribution, côté froid (cylindre de compression) 3. Le prototype du LaTEP Problème de Distribution Distribution, côté froid (cylindre de compression)

3. Le prototype du LaTEP Double étanchéité sur le piston Problème de D’étanchéité Double étanchéité sur le piston

3. Le prototype du LaTEP Difficultés : Distribution : Inerties mécaniques → ressorts de rappel raides → consommation d’énergie mécanique Étanchéité à chaud, guidage soupapes du cylindre de détente Cylindre double effet : Fuites…

3. Le prototype du LaTEP Réponses possibles : Distribution : La technologie « UNIFLOW » Fuites du cylindre double effet : Les pistons liquides

4. Les machines de détente “UNIFLOW” Distribution issue de la technologie des machines à vapeur : Premier Uniflow ou Una-flow : 1827 Principe repris pour certains MCI 2T Soupape d’admission actionnée par le piston au PMH Lumière d’échappement au PMB

4. Les machines de détente “UNIFLOW” Avantages Simplicité ! Faible consommation d’énergie mécanique Inconvénients Irréversibilités liées à la détente partielle Faible puissance mécanique produite par unité de volume de cylindrée

5. Premiers résultats de modélisation Cylindre de compression Cylindre de détente « classique » Cylindre de détente « UNIFLOW »

5. Premiers résultats de modélisation Rendements thermodynamiques Détente « classique » Le rendement thermodynamique d’un moteur à cylindre de détente « UNIFLOW » tend vers le rendement d’un moteur à cylindre de détente classique quand la cylindrée du cylindre de détente devient très grande par rapport à celle du cylindre de compression. Détente « UNIFLOW » Φ = VE / VC

Exemple Liquid Stirling engine pump 6. Moteurs à pistons liquides Exemple Liquid Stirling engine pump J.W. Mason, J.W. Stevens, Sustainable Energy (2014) 1 - 8 JD Van de Ven, Renewable Energy (2009) 2317 -2322

6. Moteurs à pistons liquides Objectif : Concevoir un moteur à pistons liquides basé sur le principe des moteurs ERICSSON et UNIFLOW : Le cylindre de compression commandé par des clapets automatiques Le cylindre de détente correspond à la configuration « UNIFLOW » Echange de puissance mécanique par piston hydraulique dans les colonnes de fluide, ou par turbine hydraulique 18

7. Conclusion Les « moteurs à air chaud » sont pertinents pour des applications spécifiques (énergie solaire, microcogénération, biomasse, …) La configuration « ERICSSON » (avec soupapes ou clapets) présente des avantages Le LaTEP développe un prototype Difficultés technologiques rencontrées : Distribution, en particulier cylindre de détente (côté « chaud ») Etanchéité Réponse technologique étudiées : Configuration « UNIFLOW » du cylindre de détente Pistons liquides

Merci pour votre attention! 20