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31/03/2015 11
• VALORISATION DES REJETS THERMIQUES PAR LE PROCEDE THERMOACOUSTIQUE
Maurice-Xavier FRANCOIS
HEKYOM- www.hekyom.com
mxfrancois@hekyom.com
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 2
La valorisation des rejets thermiques: un atout majeur
2
650 °C232 °C
MEDIUM HIGHLOW
Classification des rejets thermique
Distribution des rejets thermique enindustrie –France 60TWh (2012)
Concept TA N°1
Concept TA N°2
31/03/2015 33
• 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
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
31/03/2015 44
• 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
16ème Cycle de conférences Cnam/SIA
• 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
Sommaire
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 6
L’onde acoustique
6
+
-
P
X
L’onde acoustique se propageant engendre sur la parcelle fluide traversée :
• compression (échauffement),
• détente (refroidissement).
• Et déplacement :
La parcelle fluide concernée oscille autour de sa position d’équilibre
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 7
• 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).
7
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 progressive : circuit continu sans réflexion : L= λ
TA
Onde stationnaire: 2 extrémités fermées : λ/2 ou une fermé et une ouverte : λ/4
TA TA :module thermoacoustique générant les ondes
TA
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Résonateur acoustique hybride
Onde progressive : circuit continu sans réflexion : L= λ
Onde stationnaire: résonateur de Helmoltz de grand facteur de qualité
Swift –Backaus, LANL,USA
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 10
• 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
10
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 11
L’effet thermique de l’onde acoustique
Insuffisant pour un transfert de chaleur significatif
11
120 dB hurlement ~ 20 Pa ΔT ≈ 0,02°C
78 dB chant ~0,158 Pa ΔT ≈ 0,0001°C
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 12
Interaction chaleur son ? : elle existe• Une flamme ou un fil chauffant introduit dans un tube effet RIJKE
(lampe à pétrole): apport de CHALEUR au sein du fluide
12
Hydrogen flame
Sound generation
Higging’s singing flame (1777)
𝐿
1
4𝐿
Sound generation
Heated wire
Convective Air
Rijke tube (1859)
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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.
• Quelle épaisseur pour la zone d’interaction??
13
Sound generation
Flame
Bulb
Sondhauss tube (1850)
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COUCHE LIMITE
x
T(x)
T0
pmC
k
2
Helium (25 bar)
δκ = 0.5 mm (500°C)
δκ =0.3 mm (25°C)
TEMPERATURE oscillante imposée à l’interface solide-fluidecoté solide: T(0,t)=T0+T1 cos(ωt):
exp(-x/δκ)
La couche limite thermique : Zone d’interaction Fluide- Paroi
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 15
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
15
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 16
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)
16
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 17
• Empilement de plaques: stack
(70plaques)
• Empilement de grilles:
régénérateur (350 canaux)
17
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 18
• Machine thermique et machine thermoacoustique
18
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 19
Les « abc » de la conversion d’énergie thermique - 1Une 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
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 2121
TC
TF
T
S
32
1 4
Cycles thermodynamiques reconnus (1): Cycle idéal de Carnot
QC>0
W<0
QF<0
CarnotCQ
W
C
FCarnot
T
TTc
W < 0
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 2222
TC
TF
T
S
32
1 4
2’ 3’2" 3"
Ericsson
Carnot
Stirling
Equivalences au cycle de Carnot (2)
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 2323
TC
TF
T
S
4 3
1 2
1-2 COMPRESSION ISOT Cycle de
Stirling
Equivalence au cycle de Carnot
4-1 RECHAUFFEMENT
à V=CSTE2-3 REROIDISSEMENT
à V=CSTE
3-4 DETENTE ISOT 2-3 et 4-1 suppose l’existence
d’un milieu nouveau:
REGENERATEUR
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 24
Machine de Stirling La machine originale de STIRLING 1820
24
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 25
Machine de Stirling
25
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.
LE MOTEUR STIRLING : L’ANCETRE (1820) DES SYSTEMES THERMOACOUSTIQUES
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 26
• L’effet thermoacoustique élémentaire en onde stationnaire
26
31/03/2015
PmaxPmin
Onde stationnaire pour cycle machinePhase(Pression, déplacement) = 0
temps
Pression acoustique
27
Une période acoustique schématisée
Couche limite thermique
Couche limite thermiqueChaud
Froid
V
Qchaud
Qfroid
p
Paroi solide chauffée et présentant au fluide un champ de gradient de température
δk
T-𝚫t T+𝚫t
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 28
• L’effet thermoacoustique élémentaire en onde progressive
28
31/03/2015
Q Q
Réfrigérateur à onde progressivePhase(Pression, déplacement) = π/2
Pmax Pmin
t
Pression
29
< 4 δk
T-𝚫tT+𝚫t
31/03/2015 30
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
31/03/2015 31
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,
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 32
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
32
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 33
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
33
Résonateur
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 34
• «Le milieu actif: couches limites en parallèle (p, T)» soit:
• Empilement de plaques: stack (70plaques)
Ou
• Empilement de grilles: régénérateur (350 canaux)
34
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 35
Des liaisons thermiques avec le milieu extérieur
35
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 36
• 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
36
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 37
• 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]
37
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 38
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
38
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 39
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
39
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 40
1:Onde stationnaire: 2 extrémités fermées : λ/2 ou une fermé et une ouverte : λ/4
2: Onde progressive : circuit torique continu sans réflexion : L= λ
TA
TA
3: hybride
TA
TATA
TA
TA
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 41
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
41
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 42
*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
42
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 43
*Turbine bidirectionnelle: transforme l’oscillation linéaire imposée par l’onde
en mouvement rotatif avec une efficacité de 85%
43
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 44
Les configurations acoustique originalesd’HEKYOM
44
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 45
Configuration HEKYOM: amplification thermoacoustique contrôlée
45
• Possibilité de mettre plusieurs amplificateurs en série pour récupérer plusde 85% de la chaleur disponible
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 4747
Le concept HEKYOM N°2 : Conversion thermoacoustique avec 1, 2 ou 3 cellules d’amplification acoustique et rétroaction acoustique
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 49
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
49
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 52
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)
52
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 53
Groupe électrogène de 134kWe avec 89kWthermique dans les fumées
53
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 54
Le projet en cours: initialement prévu avec des convertisseurs alternateur linéaire:
54
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 55
Repris avec le concept N°2 de rétroaction acoustique:
55
15kWe
10kWacoustique
29kWa
65kWthermique
31/03/2015
600°C 20°C
Echangeurchaud
Echangeurfroid
MOTEUR
Wac
20°C -15°C
REFRIGERATEUR
Stack ou Régénerateur
AMPLIFICATEUR
WacWac
56
Plus généralement et pour résumer
introduction_machines thermiques thermoacoustique 56
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 57
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
57
31/03/2015 5916ème Cycle de conférences Cnam/SIA
Projet G. SWIFT avec PRAXAIR
– Capacité : 10 000 à 20 000 gallons/jour
– Puissance: 200 à 400 kW
– Gaz liquéfié: 85 % ?
• 2000-2010: liquéfaction de
gaz naturel à partir de la chaleur
de combustion du gaz
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 60
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 61
Space TRIPS 200watts électrique avec 1100 watts thermique radio-isotope pour sonde spatiale
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 62
Projet ESA 2015 5kWe énergie solaire en satelliteHEKYOM AIRBUS SSTL FOTEC
31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 64
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
Tube résonant en λ/4
Fil résistif de chauffage
T+x T
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