(°C). - Turbomachines et Moteurs du CNAM

• VALORISATION DES REJETS THERMIQUES PAR
LE PROCEDE THERMOACOUSTIQUE
Maurice-Xavier FRANCOIS
HEKYOM- www.hekyom.com
[email protected]
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
1
La valorisation des rejets thermiques: un atout majeur
232 °C
LOW
650 °C
Concept TA N°1
MEDIUM HIGH
Concept TA N°2
Classification des rejets thermique
Distribution des rejets thermique en
industrie –France 60TWh (2012)
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16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
2
• Comprendre la relation chaleur son connue
depuis 2 siècles
• Comprendre le fonctionnement de la machine
thermique thermoacoustique
• Connaître les applications possibles de cette
technologie de rupture pour la valorisation des
rejets thermique et autres applications
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16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
3
Sommaire
• La valorisation des rejets thermiques: un atout majeur
• L’onde acoustique et les résonateurs
• L’effet thermique acoustique et la couche limite la multiplication de l’effet
•
•
•
•
•
•
Les « abc » de la conversion d’énergie thermique.
Les cycles thermodynamiques reconnus: Carnot et Stirling
L’effet thermoacoustique élémentaire en onde stationnaire et progressive
Mise en œuvre pratique d’une machine
2 concepts HEKYOM de machine thermoacoustique de conversion d’énergie
Les convertisseurs acoustique vers électrique et réciproquement
• Exemple de projet en cours
• quelques réalisations récentes et avenir
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16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
4
Comprendre la relation chaleur son
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16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
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L’onde acoustique
L’onde acoustique se propageant
engendre sur la parcelle fluide traversée :
P
+
• compression (échauffement),
• détente (refroidissement).
X
• Et déplacement :
La parcelle fluide concernée oscille autour
de sa position d’équilibre
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• L’onde acoustique est définie par sa fréquence f (hz)= ω/2π et sa longueur
d’onde λ qui sont liées par la relation λ = c/f , avec c vitesse du son dans
le fluide : (γrT)1/2
• C=330m/s dans l’air, 1000m/s dans l’hélium
• On définit les caractéristiques de l’onde: p1, u1, x1:
• la pression acoustique p1 (Pa), la vitesse acoustique u1 (m/s), le
déplacement acoustique x1(m).
L’énergie portée par l’onde acoustique s’écrit:
W (watts)= ½* p1*U1 cos (p1,u1) avec U1 = Au1, si A (m2)est la section du
tube où se propage l’onde. On note que le déphasage p1,u1 joue un rôle
déterminant dans la quantité d’énergie transportée.
Pour augmenter l’amplitude acoustique , on utilise le phénomène de résonance
acoustique en forçant la propagation dans un milieu confiné, fermé : RESONATEUR
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Résonateur acoustique
Onde stationnaire: 2 extrémités fermées : λ/2 ou une fermé et
une ouverte : λ/4
TA
TA
TA :module thermoacoustique générant les ondes
Onde progressive : circuit continu sans réflexion : L= λ
TA
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Résonateur acoustique hybride
Onde progressive : circuit continu sans réflexion
: L= λ
Swift –Backaus, LANL,USA
Onde stationnaire: résonateur de Helmoltz de grand
facteur de qualité
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• L’amplitude de l’onde acoustique (pression acoustique) est
exprimée en décibel :
LdB = 10 ln10 (I/Ir) =20 ln10 (p/pr)
Pr=2.10-5 Pa, seuil de sensibilité autour de 1khz
• Pour cette pression seuil, on a dans l’air:
– La vitesse acoustique u1 =p/ρ0.c1 = 5.10-8 m/s et
– le déplacement acoustique: x1= u1/ =10-11 m.
• Seuil de douleur 120dB,
• et une pression acoustique de 2bars correspond à une
intensité de 200 décibels: système thermoacoustique
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10
L’effet thermique de l’onde acoustique
78 dB chant ~0,158 Pa  ΔT ≈ 0,0001°C
120 dB hurlement ~ 20 Pa  ΔT ≈ 0,02°C
Insuffisant pour un transfert de chaleur significatif
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11
Interaction chaleur son ? : elle existe
• Une flamme ou un fil chauffant introduit dans un tube
(lampe à pétrole): apport de CHALEUR au sein du fluide
Higging’s singing flame (1777)
Sound generation
effet RIJKE
Rijke tube (1859)
Sound generation

Heated wire
Hydrogen flame
1

4
Convective Air
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Interaction chaleur son ? : elle existe
• Un tube chauffé en paroi chante : effet Soundhauss, souffleur de verre :
apport de CHALEUR à l’interface solide- fluide.
Sondhauss tube (1850)
Bulb
Sound generation
Flame
• Quelle épaisseur pour la zone d’interaction??
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La couche limite thermique : Zone d’interaction Fluide- Paroi
TEMPERATURE oscillante imposée à l’interface solide-fluide
coté solide: T(0,t)=T0+T1 cos(ωt):
T(x)
exp(-x/δκ)
COUCHE LIMITE
 
2k
 mC p
Helium (25 bar)
δκ = 0.5 mm (500°C)
δκ =0.3 mm (25°C)
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T0
x
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Autrement dit:
• Si la parcelle de gaz oscillante est plus éloignée de la paroi que δk, δν elle
n’a « aucun lien thermique ou visqueux avec elle ». Son comportement est
adiabatique
• Si la parcelle de gaz oscillante est à une distance de la paroi ~ δk, δν elle a
« un lien thermique ou visqueux avec elle (mauvais) ».
• Si la parcelle de gaz oscillante est à une distance de la paroi << δk, δν elle
a un excellent « lien thermique ou visqueux avec elle. Son comportement
est Isotherme avec la paroi (avec beaucoup de frottement hélas)
• In audio acoustique, │x1│<< δk, δν << λ
• In thermo acoustique
δk, δν <<│x1│<< λ
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Conséquences:
• L’espace utile pour transférer de la
chaleur d’une source « solide » vers le
fluide de travail « gaz » est faible:
• δk(thermique)
• Il faut mettre en parallèle un grand
nombre de couches limites identiques
(p, v, T) en leur donnant des conditions
aux limites identiques
Si les canaux sont très petits on utilise
des empilement de fils métalliques
tissés (voir plus loin)
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16
• Empilement de plaques: stack
(70plaques)
• Empilement de grilles:
régénérateur (350 canaux)
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• Machine thermique et machine
thermoacoustique
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Les « abc » de la conversion d’énergie thermique - 1
Une machine thermique de conversion d’énergie est déterminée par:
• Le choix d’un agent de transformation adapté à un cycle possible: fluide à
changement de phase (eau, R134 A, CO2, fluide organique), gaz, sel
magnétique
• Le choix d’un cycle thermodynamique (Rankine, Stirling, Ericsson, Brayton)
• Le choix des actionneurs :
– compresseur, réservoir sous pression, onde acoustique, générateur d’ondes
– détendeur à piston, turbine, onde acoustique,
– alternateur rotatif, turbine bi directionnelle, alternateur linéaire
• Le choix des récupérateurs de rejet, des moyens de transfert de chaleur
adapté. Caloduc.
• La faisabilité technologique et économique de chacun des composants
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L’agent fluide pour la machine thermoacoustique
sera un gaz :
Hélium, Argon, Azote ou Air
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20
T
QC>0
TC
3
2

W<0
TF
W
QC
 Carnot
W<0
Carnot 
4
1
QF<0
Tc  TF
TC
S
Cycles thermodynamiques reconnus (1): Cycle idéal de Carnot
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21
T
TC
2
2’
2"
3’
3
3"
Carnot
Ericsson
TF
Stirling
1
4
S
Equivalences au cycle de Carnot (2)
31/03/2015
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22
T
1-2 COMPRESSION ISOT
1
TC
2
4-1 RECHAUFFEMENT
2-3 REROIDISSEMENT
à V=CSTE
TF
4
Cycle de
Stirling
à V=CSTE
3-4 DETENTE ISOT
3
2-3 et 4-1 suppose l’existence
d’un milieu nouveau:
REGENERATEUR
S
Equivalence au cycle de Carnot
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23
Machine de Stirling
La machine originale de STIRLING 1820
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Machine de Stirling
LE MOTEUR STIRLING : L’ANCETRE (1820)
DES SYSTEMES THERMOACOUSTIQUES
 Apport de chaleur externe
 Une partie chaude + une partie froide
 Piston et déplaceur déphasés de π/2 ;
 Dilatation thermique à haute pression
(déplaceur en position haute) ;
 Cycle thermodynamique : deux
isochores, deux isothermes ;
 Le régénérateur stocke la chaleur 2-3
et redonne la chaleur en 4-1.
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• L’effet thermoacoustique élémentaire en
onde stationnaire
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26
p
Pression acoustique
Pmax
Qchaud
Pmin
temps
Une période acoustique schématisée
V
Qfroid
T-t
T+t
Couche limite thermique
Q
δk
Q
Couche limite thermique
Chaud
Froid
Paroi solide chauffée et présentant au fluide un champ de gradient de température
Onde stationnaire pour cycle machine
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Phase(Pression, déplacement) = 0
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• L’effet thermoacoustique élémentaire en
onde progressive
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Pression
Pmax
Pmin
t
T+t
T-t
< 4 δk
Q
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Q
Réfrigérateur à onde progressive
Phase(Pression, déplacement) = π/2
29
conclusion
• Onde stationnaire: Les propriétés du champ acoustique impose une
distance entre les plaques de l’ordre de l’épaisseur de peau thermique
rh≈δk. On parle de STACK (de plaques) et le cycle thermodynamique est
irréversible par nature: Cycle de Brayton avec une efficacité de 20% de
CARNOT
• Onde progressive : Les propriétés du champ acoustique impose une
distance entre les plaques rh<< δk= 300µ La parcelle fluide décrit un cycle
de STIRLING, réversible et on atteint des efficacités de 70% de CARNOT
• rh rayon hydraulique ≈ espacement entre les plaques
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30
Le long de la paroi où les sources de chaleur sont
distribuées :
• Le déplacement acoustique est << longueur du régénérateur, chaque
parcelle fluide décrit son cycle organisé par l’onde acoustique et
naturellement coopératif,
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31
Une machine thermoacoustique comprend:
1.
Cellule de base avec milieu actif et échangeurs de chaleur
2.
Des liaisons thermiques avec le milieu extérieur
3.
Un résonateur fixant la fréquence, la cellule étant placée efficacement
dans le champ acoustique
4.
Des convertisseurs acousto- électrique
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32
Une cellule de base
est constituée du milieu actif « régénérateur ou stack » placé
entre l’échangeur chaud qui apporte la chaleur et l’échangeur
froid qui évacue la partie non transformée
Résonateur
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• «Le milieu actif: couches limites en parallèle (p, T)» soit:
• Empilement de plaques: stack (70plaques)
Ou
• Empilement de grilles: régénérateur (350 canaux)
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34
Des liaisons thermiques avec le milieu
extérieur
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16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
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• L’ échangeur de chaleur thermoacoustique est
constitué d’un grand nombre de ‘canaux’ en parallèle :
 Pour apporter la chaleur aux nombreuses couches
limites disposées en parallèle,
 Pour disposer d’une grande surface pour l’échange de
chaleur entre le gaz de travail et le caloporteur
 Ces canaux peuvent être des tubes avec un fluide de
transfert circulant autour
 Ce peut être des tubes percées dans la masse et le
fluide caloporteur échange sur la surface externe du
cylindre
En résumé :
Le problème N°1 est de réaliser la surface d’échange
Maximum entre le gaz acoustique et le caloporteur
31/03/2015
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36
• L’échangeur de chaleur à l’interface gaz solide obéit à
la loi:
Q (Watt)= h (W/m2.°C) *A(m2)*[T1 –T2] (°C)
En général il y a 3 résistances thermiques en série:
R1caloporteur-solide + R2solide+ R3solide-gaz et
1/h= 1/h1+R2+1/h3
R2 est très faible [10-5] h3 est moyen [103] et R1
dépend du fluide caloporteur [convection forcée:102,
condensation: 104]
31/03/2015
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37
Le transfert depuis la source externe:
• En convection forcée, la température de la chaleur baisse fortement
(100°C), la température des tubes en parallèle dans une section n’est pas
uniforme: mauvais
• Avec un fluide à changement de phase: « caloduc », le transfert se fait
avec un très faible DELTA T (°C).
La nature du fluide caloporteur dépend de la température de la
source:
• Chaleur à 20°C: eau – liquide : évacuation de la chaleur
• Chaleur à 200°C: huile – liquide : apport de chaleur
• Chaleur à 400°C hydrocarbure
• Chaleur à 900°C sodium
• Chaleur à 1400°C lithium
31/03/2015
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38
Un résonateur fixant la fréquence, la
cellule étant placée efficacement dans le
champ acoustique
• Il permet d’avoir une très forte pression moyenne: 40bars, une
pression acoustique élevée +/-2bars dans un encombrement
compatible avec l’application visée
31/03/2015
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39
1:Onde stationnaire: 2 extrémités fermées : λ/2 ou une fermé et une
ouverte : λ/4
TA
TA
2: Onde progressive : circuit torique continu sans réflexion : L= λ
TA
TA
TA
T
TA
A
3: hybride
31/03/2015
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40
Les convertisseurs acoustique vers électrique
et réciproquement
1.
électro acoustique de type haut parleur :
Alternateur linéaire = générateur d’onde
2.
acoustique vers électrique:
Alternateur linéaire ou turbine bidirectionnelle, et bientôt
magnétohydrodynamique
31/03/2015
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41
*Alternateur linéaire : piston magnétique oscillant par l’onde acoustique
dans un bobinage fermé par une charge
(Technologie Qdrive) une cellule de base:
Une double cellule
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
42
*Turbine bidirectionnelle: transforme l’oscillation linéaire imposée par l’onde
en mouvement rotatif avec une efficacité de 85%
31/03/2015
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43
Les configurations acoustique originales
d’HEKYOM
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
44
Configuration HEKYOM: amplification
thermoacoustique contrôlée
• Possibilité de mettre plusieurs amplificateurs en série pour récupérer plus
de 85% de la chaleur disponible
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
45
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
46
Le concept HEKYOM N°2 : Conversion thermoacoustique avec 1, 2 ou
3 cellules d’amplification acoustique et rétroaction acoustique
31/03/2015
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47
QUELQUES REALISATIONS
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
48
Un prototype 2013 preuve de concept:
générateur électrique HEKYOM -AIRBUS
• Transforme de la chaleur (simulée par effet joule) en énergie acoustique
convertie ensuite en électricité
• Efficacité énergétique de l’amplificateur thermoacoustique 70% de
CARNOT
• Un candidat pour valoriser les rejets thermiques
31/03/2015
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49
Maquette 1kWe
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
50
Maquette 1kWe
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
51
Un exemple d’application en cours de
réalisation:
• Récupérer la chaleur disponible dans les gaz
d’échappement d’un groupe électrogène
• Transformer cette chaleur en énergie
électrique
• Projet VALTA (HEKYOM, SDMO,EReIE,ASTER)
soutenu par le fond « TOTAL– ADEME)
31/03/2015
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52
Groupe électrogène de 134kWe avec 89kWthermique
dans les fumées
31/03/2015
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53
Le projet en cours:
initialement prévu avec des convertisseurs alternateur linéaire:
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
54
Repris avec le concept N°2 de rétroaction acoustique:
15kWe
10kWacoustique
29kWa
65kWthermique
31/03/2015
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Plus généralement et pour résumer
REFRIGERATEUR
AMPLIFICATEUR
MOTEUR
20°C
-15°C
600°C
20°C
Wac
Echangeur
chaud
Wac
Echangeur
froid
Wac
Stack ou Régénerateur
31/03/2015
introduction_machines thermiques
thermoacoustique
56
56
Autres applications de la thermoacoustique
• Réfrigérateur 350W à -10°C
• Liquéfaction gaz naturel
• Pompes à chaleur moyenne et Haute température
(et pour relever le niveau de température de la chaleur)
• Chaleur = énergie acoustique = pompe à chaleur
• « Electricité dans l’espace »
1. Thermoacoustique et Magnétohydrodynamique
2. Thermoacoustique+ turbine + solaire
3. Thermoacoustique + réacteur nucléaire
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
57
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
58
Projet G. SWIFT avec PRAXAIR
• 2000-2010: liquéfaction de
gaz naturel à partir de la chaleur
de combustion du gaz
– Capacité : 10 000 à 20 000
gallons/jour
– Puissance: 200 à 400 kW
– Gaz liquéfié: 85 % ?
31/03/2015
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Space TRIPS
• Electricité dans l’espace: Procédé thermoacoustique très
fiable
• Projet « Space TRIPS », projet Européen dirigé par
HEKYOM avec CNRS, AREVA, THALES Alénia Space (It),
HDZR (Ge) IPUL (lettonie)
• Thermoacoustique + MHD (magnétohydrodynamique:
piston magnétique solide remplacé par liquide
conducteur ) : aucune pièce mécanique mobile et grande
fiabilité
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
60
Space TRIPS
200watts électrique avec 1100 watts thermique radio-isotope pour sonde
spatiale
31/03/2015
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61
Projet ESA 2015 5kWe énergie solaire en satellite
HEKYOM AIRBUS SSTL FOTEC
31/03/2015
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• Une petite expérience
31/03/2015
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
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Expérience : machine à onde stationnaire
• On injecte de la chaleur sur un fil résistif rouge, Il s’établit un gradient de
température le long du stack. Lorsque ce gradient dépasse une valeur
critique, tout champ acoustique présent peut être amplifié et le
résonateur sélectionne sa fréquence de résonance
x T
T+
Fil résistif de chauffage
Tube résonant en λ/4
31/03/2015
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• Merci de votre attention
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