Etude théorique, conception, réalisation et essai préliminaire d'un moteur à air chaud à pistons liquides

par Max Keller Ndame Ngangue

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique

Sous la direction de Pascal Stouffs.

Le président du jury était Céline Morin.

Le jury était composé de Jean-Jacques Bézian, Jean Castaing-Lasvignottes.

Les rapporteurs étaient Jean-Jacques Bézian, Jean Castaing-Lasvignottes.


  • Résumé

    Un moteur Ericsson est un moteur alternatif à apport de chaleur externe fonctionnant selon un cyclethermodynamique de Joule. Ce type de moteur est particulièrement intéressant pour la valorisationde certaines "sources chaudes" (l'énergie solaire, la biomasse, les effluents gazeux chauds...).Dans cette thèse, une configuration innovante de moteur est proposée. Celle-ci permet d'une part,de s’affranchir du problème d’étanchéité autour des pistons des moteurs Ericsson, par l'usage despistons liquides en lieu et place des pistons mécaniques et d'autre part, de simplifier le système dedistribution mécanique des moteurs conventionnels par l'usage de soupapes commandéesparticulières, dont l'ouverture est déclenchée par contact avec le piston. Ce type de moteur estadapté pour la production d'électricité de petite puissance (jusqu'à... 10 kW).Trois lois différentes de commande des soupapes du cylindre de détente du moteur à air chaudproposé sont étudiées et leurs influences sur la conception et les performances énergétiques dusystème sont présentées. En raison de la masse importante d'eau dans le système, un modèle quiprend en compte la dynamique des colonnes de liquide est développé. Ce modèle permet de prédireles performances d'un premier prototype expérimental.Un prototype de machine de détente a ensuite été conçu et réalisé dans notre laboratoire. Uneprésentation du prototype et du banc d'essai est faite, et les résultats d'un essai préliminaire sontprésentés. Malgré le caractère préliminaire de ces résultats, ils sont très encourageants car d'unepart, ils n'ont pas révélés de problèmes techniquement délicats à résoudre, et d'autre part ils ontpermis de tirer de nombreux enseignements pour la suite des travaux à mener sur le prototype.

  • Titre traduit

    Theorical study, design, realization, and preliminary test of a hot liquid pistons engine


  • Résumé

    An Ericsson engine is a reciprocating external heat input engine operating on a Joule thermodynamiccycle. This type of engine is particularly interesting for the valorization of certain "hot sources" (solarenergy, biomass, hot gaseous effluents ...).In this thesis, an innovative engine configuration is proposed. This allows, on the one hand, toovercome the problem of tightness around the pistons of Ericsson engines, by the use of liquidpistons instead of mechanical pistons and on the other hand, to simplify the mechanical distributionsystem of conventional engines by the use of particular actuated valves, whose opening is triggered by contact with the piston. This type of motor is suitable for the production of electricity of smallpower (up to... 10 kW).Three different valve command laws for the proposed hot air motor expansion cylinder are studiedand their influences on the design and energy performance of the system are presented. Due to thelarge amount of water in the system, a model that takes into account the dynamics of the liquidcolumns is developed. This model makes it possible to predict the performances of a firstexperimental prototype.A prototype of the expansion machine was then designed and built in our laboratory. The prototypeand the test bench are presented together with the preliminary test results. Despite the preliminarynature of these results, they are very encouraging because, on the one hand, they have not revealedany technically difficult problems to be solved, and on the other hand they have made it possible todraw many lessons for the further work to be done lead on the prototype.


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