Moteur Ericsson à piston liquide libre couplé à un alternateur linéaire : Étude théorique, simulation, expérimentation

Ericsson Free Liquid Piston Engine Coupled with a Linear Alternator: Theoretical Study, Simulation, Experimentation

• Auteur / Autrice : Victor Lanceleur
• Direction : Pascal Stouffs
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 02/12/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermique energétique et procédés

Mots clés

Mots clés libres

Moteur Ericsson

Moteur à piston libre

Piston liquide

Alternateur linéaire

Valorisation de chaleur fatale;

Conversion d'énergie thermique renouvelable

Ericsson engine

Free-piston engine

Liquid piston

Linear alternator

Waste heat recovery

Renewable thermal energy conversion

Résumé

Il existe actuellement un besoin de systèmes énergétiques moteurs permettant de valoriser efficacement de la chaleur à 150 °C … 400 °C pour produire de l'électricité dans des gammes de puissance de quelques centaines de watts à quelques dizaines de kilowatts, que ce soit pour la valorisation énergétique de l'important gisement de chaleur fatale ou la conversion de chaleur renouvelable issue par exemple d'énergie solaire concentrée ou de la biomasse. Les moteurs thermiques à apport de chaleur externe basés sur l'utilisation de turbomachines (cycles à vapeur d'eau, cycles ORC, cycles à turbines à gaz à échangeur) sont adaptés aux grands débits volumiques de fluide de travail, et donc peu appropriés pour les systèmes de petite puissance. Pour ces systèmes, des cycles basés sur l'utilisation de machines volumétriques de compression et de détente sont préférables. Parmi les machines volumétriques, les machines alternatives piston-cylindre se montrent toujours très efficaces, notamment du fait des problèmes de fuites ou de frottement des machines volumétriques rotatives. Les moteurs thermiques alternatifs à apport de chaleur externe se divisent en deux familles, selon que le fluide de travail change de phase (machine à vapeur) ou reste à l'état gazeux durant tout le cycle (« Moteurs à Air Chaud – Hot Air Engines »). La famille des moteurs à air chaud se subdivise en deux sous-familles : les moteurs Stirling, inventés en 1816, qui n'ont pas de soupapes, et les moteurs Ericsson, inventés en 1833, qui ont des soupapes autour des cylindres. Chacune de ces sous-familles possède ses avantages et ses inconvénients. Cependant, parmi les handicaps des moteurs Stirling, il faut noter le difficile compromis que le concepteur doit réaliser entre la maximisation des surfaces d'échange avec les sources chaude et froide, afin de réduire les irréversibilités de transfert thermique entre le fluide de travail et les sources, et la minimisation des volumes morts du moteur afin de maximiser la puissance produite par le moteur. De ce point de vue, lorsqu'il s'agit de convertir de l'énergie thermique à des niveaux de température moyens (150 °C … 400 °C), la configuration du moteur Ericsson est bien adaptée. Par ailleurs, la technologie des pistons liquides est très intéressante car elle permet une étanchéité parfaite du fluide de travail, tout en maintenant les pertes mécaniques dues au frottement du piston sur les parois du cylindre à des niveaux bien inférieurs à ceux observés avec les pistons solides. Cette technologie fait donc l'objet d'une grande attention et différents moteurs à piston liquide ont été conçus jusqu'ici.

There is currently a need for engine-based energy systems capable of efficiently recovering heat at temperatures ranging from 150°C to 400°C to produce electricity in power ranges from a few hundred watts to several tens of kilowatts. This applies both to the recovery of the vast amounts of waste heat and the conversion of renewable heat from sources such as concentrated solar energy or biomass. Thermal engines with external heat supply based on turbomachinery (water steam cycles, ORC cycles, gas turbine cycles with heat exchangers) are suitable for large volumetric flows of working fluid and, therefore, are not well adapted for small power systems. For these systems, cycles that utilize volumetric machines for compression and expansion are preferable. Among volumetric machines, reciprocating piston-cylinder machines remain highly efficient, notably because rotary volumetric machines face issues like leakage and friction. Externally heated reciprocating thermal engines are divided into two families, depending on whether the working fluid changes phase (steam engines) or remains in a gaseous state throughout the cycle ('Hot Air Engines'). The hot air engine family is further divided into two subfamilies: Stirling engines, invented in 1816, which do not have valves, and Ericsson engines, invented in 1833, which feature valves around the cylinders. Each subfamily has its advantages and disadvantages. However, one of the challenges of Stirling engines is the difficult trade-off that designers must make between maximizing heat exchange surfaces with the hot and cold sources to reduce thermal transfer irreversibilities between the working fluid and the sources, and minimizing the dead volumes in the engine to maximize the power output. From this perspective, when it comes to converting thermal energy at medium temperature levels (150°C to 400°C), the Ericsson engine configuration is particularly well-suited. Furthermore, liquid piston technology is very promising because it ensures perfect sealing of the working fluid while keeping mechanical losses caused by piston friction against cylinder walls significantly lower than those observed with solid pistons. This technology has therefore garnered considerable attention, and various liquid piston engines have been designed to date.