Utilisation de la thermodynamique à vitesse finie pour l’étude et l’optimisation du cycle Carnot et des machines de Stirling, Use of Thermodynamics with Finite Speed for the Study and Optimization of Carnot Cycle and Stirling Machinesc

Camelia Petre

Description

Sous la direction de Bucarest Universitatea politehnica, Michel Feidt, Stoian Petrescu
Thèse soutenue le 23 novembre 2007: Nancy 1
Le sujet choisi a nécessité une étude bibliographique pour les études de recherche publiées dans les domaines de la Thermodynamique à Vitesse Finie (TVF) et Thermodynamique en Temps Fini (TTF), et pas seulement. Le premier chapitre est dédié à l’état de l’art bibliographique en ce qui concerne le sujet. Une synthèse des aspects énergétiques du Monde, les principales considérations sur les machines de Stirling, les principales méthodes d’analyse et optimisation thermodynamique sont présentés. La comparaison entre la TVF et TTF est présentée, car le développement original s’appuie sur deux méthodes, une de la TVF et l’autre de la TTF, ou plutôt en Dimension Finie. Le deuxième chapitre est dédié aux contributions originales dans le domaine de la TVF: l’adaptation de la Méthode Directe à l’étude et optimisation des machines à cycle inverse avec des irréversibilités internes et externes; amélioration de la méthode de Schmidt en considérant la cinématique effective de la machine considérée ; présentation d’une étude de sensibilité qui permet de séparer les irréversibilités par causes et analyser les effets séparément ; adaptation de la Méthode Directe à l’étude et optimisation de moteurs de Stirling solaires et des ensembles solaire récepteur – concentrateur - moteur Stirling solaire- générateur électrique ; validation de schéma par la comparaison avec les données expérimentales; mise en valeur de la recherche par une application pratique: système de génération d’énergie électrique à partir de l’énergie solaire et hydrogène comme vecteur d’énergie. Le troisième chapitre est dédié aux contributions originales dans le domaine de la TTF. Un modèle thermodynamique pour l’étude et optimisation des machines thermiques est proposé et appliqué pour le cycle de Carnot, pour plusieurs cas, pour des lois de transfert de chaleur linéaires et non linéaires convectif et radiatif. L‘existence des données expérimentales a fait possible la simulation du fonctionnement avec le modèle analytique et la validation. Les conclusions générales et perspectives attendues sont présentées.
-Thermodynamique à vitesse finie (TVF)
-Thermodynamique en temps fini (TTF)
The stated subject needed an important bibliographic research for the publications in the field of Thermodynamics with Finite Speed (TFS) and Thermodynamics in Finite Time (TFT), and more than that. The first chapter is dedicated to the current status in the chosen subject. A synthesis of worldwide energetic aspects, main considerations on Stirling machines, main methods for analysis and optimization are presented. An important paragraph is the comparison between TFS and TFT, since the original contributions represent two methods, one from TFS and the other one from TFT. The second chapter is dedicated to the original contributions in the field of TFS: adjustment of the Direct Method to the study and optimization of reverse cycle machines with internal and external irreversibilities; correction of the Schmidt method by considering the effective kinematics of the studied machine; development of a sensitivity study to analyze the effects of each irreversibility; adaptation of the Direct Method to the study and optimization of Stirling solar engines and solar assemblies receiver – concentrator - Stirling engine - electric generator; validation of the proposed scheme par comparison with experimental data; research practical utilization: a proposed solar system for electric energy and hydrogen (as an energy career) production. The third chapter is dedicated to the original contributions in the field of TFT. A thermodynamic model pour for the study and optimization of thermal machines is proposed and applied to the Carnot cycle, for more cases, for linear and non linear convective and radiative heat transfer laws. Existence of experimental data allowed the operating simulation and validation of the model. The general conclusions and perspectives are presented.
Source: http://www.theses.fr/2007NAN10115/document

Informations

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Extrait

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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,

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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)................................................................