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FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES

U.F.R. Sciences & Techniques STMP
Ecole Doctorale EMMA
Département de Formation Doctorale


Thèse

présentée pour l’obtention du titre de

Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy-I
en Science Appliquée à Tout

par Camelia PETRE

Utilisation de la Thermodynamique à Vitesse Finie
pour l’Etude et l’Optimisation
du Cycle Carnot et des Machines de Stirling


Soutenance publique prévue à l’Université POLITEHNICA de Bucarest,
le 23 novembre 2007


Membres du jury :
Rapporteurs : M. Pierre ROCHELLE Professeur, Université de Paris
M. Rahal BOUSSEHAIN MdC, INSA Strasbourg
M. Florea CHIRIAC, Professeur, Université de Génie Civile, Bucarest
Mme Monica COSTEA MdC, Université Politehnica de Bucarest (UPB)
Examinateurs: M. Michel FEIDT Professeur, UHP, Nancy I (directeur de thèse)
M Stoian PETRESCU Professeur, UPB, Bucarest (directeur de thèse)
M. Ioan VOICA Doyen, UPB, Bucarest
Camelia PETRE - Teza de doctorat
08/ 80,5,

Lucrul efectuat în perioada 2002- D UHSUH]HQWDW SHQWUX PLQH R DGHY UDW vPERIJ LUHœWLLQLILF œLFXOWXUDO JUD LHFRQWDFWXOXLFXYLD DGHFHUFHWDUHœWLLQLILF SULQ
LQWHUPHGLXOXQRUSURIHVRULHPHUL LSHFDUHDPDYXW PDUHDRQRDUHGHD -i înWkOQLœLFXFDUH
am colaborat.
2SRUWXQLWDWHDGHDSUHJ WLRWH] GHGRFWRUDWvQFRWXWHO PL-DRIHULW œDQVDGHD
SHWUHFHSDWUXVWDJLLGHSUHJ WLUHœLFHUFHWDUHvQODERUDWRUXOGH(QHUJHWLF œL0HFDQLF 7HRUHWLF œL$SOLFDW /(07$GLQFDGUXO8QLYHUVLW LL+HQUL 3RLQFDUpGLQ1DQF\)UDQ D
JUD LHDFFHSWXOXLGOSURIGULQJ0LFKHO)(,’7F UXLDvLPXOXPHVFGLQVXIOHW
&HOH PDL FDOGH œL UHVSHFWXRDVH PXOXPLUL OH DGUHVH] GORU SURIGU LQJ 6WRLDQ
3(75(6&8œLSURIGULQJ0LFKHO)(,’7SHQWUXFRRUGRQDUHDGHvQDOW FDOLWDWHSHWLPSXO DFHVWHLSHULRDGHSHQWUXVIDWXULOHDWkWœWLLQ LILFHFkWœLFXOWXUDOHœLSHUVRQDOHFXFDUHP-au
DMXWDW $PDYXWPDUHDœDQV V EHQHILFLH]GHRLPSRUWDQW RULHQWDUHELEOLRJUDILF GH
DPEHOHS U L/HVXQWSURIXQGUHFXQRVF WRDUHSHQWUXPRGXOHILFLHQW œLSDVLRQDQW FXFDUHP -DXDQWUHQDW vQDFHDVW FHUFHWDUHSHQWUXVSLULWXOXQHLGHRVHELWHULJRULœWLLQ LILFHœLSHQWUX
vPS UW œLUHDH[SHULHQHLœLFRPSHWHQHORUGRPQLLORUVDOH
&HOH PDL VLQFHUH PXOXPLUL OH DGUHVH] œL GOXLSURIGULQJ $OH[DQdru ’2%529,&(6&8 GLQ 8QLYHUVLWDWHD 32/,7(+1,&$ %XFXUHœWL SHQWUX DMXWRUXO V u
LPSRUWDQWvQSHULRDGDGHLQWHULPDWSHQWUXVIDWXULOHœLUHFRPDQG ULOHH[WUHPGHXWLOHÌLVXQWUHFXQRVF WRDUHSHQWUXVXSUDYHJKHUHDœLVXV LQHUHDXQHLEXQHGHVI œXU ULDGPLQLVWUDWLve în
FDGUXOXQLYHUVLW LLœLSHQWUXFRRUGRQDUHDœWLLQLILF DFRUGDW vQDFHDVW SHULRDG
LQV PXOXPHVFGOXLSURIGULQJ Jean-Pierre FINANCE, rectorul8QLYHUVLW LL
„Henri Poincaré” Nancy 1, dnei prof.dr.ing. Ecaterina ANDRONESCU, rectorul
8QLYHUVLW LL˜3ROLWHKQLFD·%XFXUHœWLGOXLSURI GULQJ*0$75,&$/, UHVSRQVDELOFX&RRSHUDUHD øWLLQLILF $’(0( SHQWUX VXV LQHUHD DFHVWHL FRODERU UL LQWHUXQLYHUVLWDUH
UHPN-83%GLQFDGUXOF UHLDSUH]HQWDWH] IDFHSDUWH’HDVHPHQHDDGUHVH]PXOXPLULOHPHOHF WUH EGIDE-$’(0(SHQWUXVSULMLQXOILQDQFLDUFHDXI FXW SRVLELOHSHULRDGHOHGH
cercetare la LEMTA.
0XOXPHVFUHVSHFWXRV GOXLSURIGULQJ0LUFHD0$5,1(6&8œHIXOFDWHGUHLGH7HUPRWHKQLF 0DœLQL 7HUPLFH œL ,QVWDOD LL )ULJRULILFH GLQ 83% SHQWUX DFFHSWXO œL
susLQHUHDFRODERU ULLFX8+31
LQV vPLH[SULPUHFXQRœWLLQDGQHLSURI GULQJ0RQLFD&267($FDUHPL -a oferit
VSULMLQXOGkQœLLSHWRWSDUFXUVXODFHVWHLSHULRDGHvQWU-R PDQLHU DJUHDELO œLHILFLHQW ÌL
PXOXPHVF VLQFHU œL GLQ VXIOHW SHQWUX WRW DMXWRUXO œL WRDWH VIDWXULOH FkW œL SHQWUXvPS UW œLUHDXQHLH[SHULHQHVLPLODUH
’RUHVFFDWRDWHFDGUHOHGLGDFWLFHGLQFDWHGUD7HUPRWHKQLF 0DœLQL7HUPLFHœL ,QVWDOD LL)ULJRULILFHGLQ83%V UHJ VHDVF DLFLUHFXQRœWLLQDPHDSHQWUXDMXWRUXOSUH LRV
de care am beQHILFLDWSHQWUXVXJHVWLLOHH[WUHPGHXWLOHœLSURPSWLWXGLQHDFXFDUHDX
U VSXQV VROLFLW ULORU PHOH Dna.prof.dr.ing. Emilia Cerna MLADIN, dna.prof.dr.ing.
Eugenia VASILESCU, dl.prof.dr.ing. Gheorghe POPESCU, dl.prof.dr.ing. Petre
RADUCANU sunt printre cei care m-DXvQFXUDMDWœLVXV LQXW
0XOXPHVF IRDUWH PXOW œL GORULQJ ) 6,&$5’ œL ’ /(’8&4 LQJLQHUL GH
&HUFHWDUH vQ )ULJ ,QGXVWULDO OD (’) 5’ œL UHVSHFWLY &(0$*5() SHQWUX GDWHOHH[SHULPHQWDOHIXUQL]DWHœLSHQWUXFRODERUDUHDUHIHULWRDUHODSDUWHDH[SHULPHQWDO 0XOXPLUL
DGUHVH]œLPHPEULORUJUXSXOXL*(63(GRFWRUDQ]LWHKQLFLHQLHWF3HQWUXFOLPDWXOGHOXFUX
realizat la LEMTA. 5HVSHFWXRDVHPXOXPLULDGXFSHDFHDVW FDOHS ULQLORUPHLFDUHP-au VXVLQXW œLP VXVLQvQWRWFHHDFHUHDOL]H].
1Camelia PETRE - Teza de doctorat

2Camelia PETRE - Teza de doctorat
CUPRINS
CUPRINS...................................................................................................... 3
INTRODUCERE.......................................................................................... 7
1. CERCETARE BIBLIOG5$),& ........................................................ 11
1.1. Aspecte energetice mondiale.............................................................. 11
&RQVLGHUD LL JHQHUDOHDVXSUDPDœLQLORU6WLUOLQJ .................................. 14
1.2.1. Robert STIRLING (1790-1878)......................................................................14
3ULQFLSLXOGHIXQFLRQDUHDPDœLQLORU6WLUOLQJ ..................................................15 6FXUW LQFXUVLXQHvQHYROX LDPDœLQLORU6WLUOLQJ...............................................18
6ROX LLFRQVWUXFWLYHDOHPDœLQLORU6WLUOLQJ........................................................22
3ULQFLSDOHOHDSOLFDLLDOHPDœLnilor Stirling......................................................25 3ULQFLSDOHOHFRUSRUD LLLPSOLFDWHvQGH]YROWDUHDPDœLQLORU6WLUOLQJ...................26
6XPDU DODYDQWDMHORUœLGH]DYDQWDMHORUPDœLQLORU6WLUOLQJ ................................30 &kWHYDGDWHDFWXDOHGHVSUHPDœLQLOH6WLUOLQJ....................................................35
0HWRGHGHDQDOL] œL RSWLPL]DUHWHUPRGLQDPLF ................................. 37
&ODVLILFDUHJHQHUDO DPHWRGHORUGHDQDOL] WHUPRGLQDPLF .............................38
1.3.2. Optimizarea sistemelor energetice: nHFHVLWDWHœLQLYHOHGHRSWLPL]DUH .............40
1.3.3. Metoda ciclului Stirling ideal..........................................................................42
1.3.3.1. Ciclul motorului Stirling ideal..................................................................43
&LFOXOLQYHUVDW6WLUOLQJLGHDOPDœLQDIULJRULILF œLSRPSDGHF OGXU ......46
1.3.4. Metoda Schmidt .............................................................................................48
0HWRGDH[HUJRHFRQRPLF ...............................................................................54 0HWRGD’LUHFW ...............................................................................................56
1.3.6.1. Ipoteze de lucru........................................................................................56 6FKHPHGHFDOFXOSHQWUXPRWRDUH6WLUOLQJFRQYHQLRQDOH ..........................57
1.3.6.3. Algoritmul Metodei Directe .....................................................................62 5H]XOWDWHQXPHULFHRE LQXWH.....................................................................68
1.3.7. Coduri de calcul..............................................................................................68
1.3.7.1. Centrul de cercetare NASA Glenn............................................................69
1.3.7.2. Stirling Machines World ..........................................................................70
3URJUDPXOGH$QDOL] 1XPHULF 6WLUOLQJ..................................................71 0HWRG 6LPSO GH&DOFXOD3HUIRUPDQHORU0RWRUXOXL6WLUOLQJ .................71
1.3.7.5. LASER ....................................................................................................71
&RPSDUD LHvQWUH7HUPRGLQDPLFDvQ7LPS)LQLW œL 7HUPRGLQDPLFDFX
9LWH] )LQLW ............................................................................................. 72
7HUPRGLQDPLF vQ7LPS)LQLW .........................................................................73 1HFHVLWDWHDGH]YROW ULLDFHVWXLQRXGRPHQLXDOWHUPRGLQDPLFLL ................73
1.4.1.2. Timpul –FRQFHSW GHED] .........................................................................74
1.4.1.3. Concepte utilizate în TTF.........................................................................75
&ULWHULLGHSHUIRUPDQ .............................................................................79
3Camelia PETRE - Teza de doctorat
$OJRULWPXOGHED] DO77).......................................................................79
7HUPRGLQDPLFDvQ7LPS)LQLW YHUVXV 7HUPRGLQDPLFDFX’LPHQVLXQH)LQLW ...89 7HUPRGLQDPLFDFX9LWH] )LQLW .....................................................................90
1HFHVLWDWHDGH]YROW ULLDFHVWXLGRPHQLXDOWHUPRGLQDPLFLL.......................90
1.4.3.2. Concepte utilizate în TVF ........................................................................91
1.4.4. Câteva concluzii .............................................................................................91
&2175,%8 ,,25,*,NALE LA DEZVOLTAREA
TERMODINAMICII CU VI7(= ),1,7 ............................................ 93
ÌPEXQ W LUHa Metodei Schmidt prin considerarea cinematicii efective
.................................................................................................................. 95
$SOLFD LHSUDFWLF 0LFUR-criogeneratorul MC 80K–1 .....................................95
2.1.2. /HJLOHGHYDULD LHHIHFWLY DYROXPHORUGHFRPSULPDUHœLGHVWLQGHUHDOHPDœLQLL
studiate.....................................................................................................................98 &DOFXOXOSHUIRUPDQHORUPDœLQLL....................................................................100
$GDSWDUHD0HWRGHL’LUHFWHSHQWUXVWXGLXO œL RSWLPL]DUHDPDœLQLORU
IULJRULILFHœL DSRPSHORUGHF OGXU 6WLUOLQJ ............................................ 103
2.2.1. Ipoteze simplificatoare..................................................................................103
2.2.2. Algoritmul Metodei Directe pentru cicluri inversate .....................................103
6FKHPDGHFDOFXO‡SHVLPLVW · .......................................................................107 6FKHPDGHFDOFXO‡RSWLPLVW · .......................................................................108
6FKHPDGHFDOFXO‡FHDPDLSX LQSHVLPLVW ·..................................................110
2.3. Combinarea Metodei 6FKPLGW vPEXQ W LW FX0HWRGD’LUHFW ........ 112
&RPSDUDUHDUH]XOWDWHORURE LQXWHSULQWUHL PHWRGH ............................ 114
2.4.1.5H]XOWDWHQXPHULFHœLJUDILFH ........................................................................115
2.4.2. Studiu de sensibilitate pentru optimizarea parametrilor .................................117
2.4.3. Defalcarea ireversiELOLW LORUSHFDX]H ...........................................................121
$GDSWDUHD0HWRGHL’LUHFWHSHQWUXVWXGLXO œL RSWLPL]DUHDDQVDPEOHORU
cu motor Stirling solar............................................................................. 122
2.0RGXOJHQHUDOGHIXQF LRQDUHDXQXLDQVDPEOXVRODU.....................................123 6FKHPDGHFDOFXOœLRSWLPL]DUHDPRWRDUHORU6WLUOLQJVRODUH ..........................124
7HKQLF GHFDOFXODUDQGDPHQWXOXLUHFHSWRUXOXLGHUDGLD LHFRQFHQWUDW ..124
2.5.2.2. Algoritmul de calcul a ansamblului solar................................................125
2.5.2.3. Algoritmul de optimizare .......................................................................127
5H]XOWDWHRE LQXWHœLFRQFOX]LL ......................................................................128
2.5.4. Validarea schemei de optimizare a ansamblelor cu motor Stirling solar ........129
2.5.5. Studii de sensibilitate....................................................................................136
3XQHUHDvQYDORDUHSUDFWLF DFHUFHW ULL dezvoltate: sistem de generare a
HQHUJLHL HOHFWULFHGLQHQHUJLHVRODU œL KLGURJHQFDSXUW WRUGHHQHUJLH ... 141
2.6.1. Câteva variante de calcul ..............................................................................142
$OLPHQWDUHDXWLOL]DWRULORUFXHQHUJLHHOHFWULF SURGXV QXPDLGLQKLGURJHQ
„solar” (varianta A) ................................................................................................143
6FKHPDLQVWDOD LHLSURSXVHYDULDQWD$ .................................................143
4Camelia PETRE - Teza de doctorat
2.6.2.2. Algoritmul de calcul (varianta A)...........................................................145
5H]XOWDWHRE LQXWHYDULDQWD$