valorisation des rejets thermiques par le...

31/03/2015 11

• VALORISATION DES REJETS THERMIQUES PAR LE PROCEDE THERMOACOUSTIQUE

Maurice-Xavier FRANCOIS

HEKYOM- www.hekyom.com

[email protected]

16ème Cycle de conférences Cnam/SIA

31/03/2015 16ème Cycle de conférences Cnam/SIA 2

La valorisation des rejets thermiques: un atout majeur

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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

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• 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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• 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

Sommaire


Comprendre la relation chaleur son


L’onde acoustique

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+

-

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


• 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).

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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


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


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


• 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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L’effet thermique de l’onde acoustique

Insuffisant pour un transfert de chaleur significatif

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120 dB hurlement ~ 20 Pa ΔT ≈ 0,02°C

78 dB chant ~0,158 Pa ΔT ≈ 0,0001°C


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

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Hydrogen flame

Sound generation

Higging’s singing flame (1777)

𝐿

1

4𝐿

Sound generation

Heated wire

Convective Air

Rijke tube (1859)


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??

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Sound generation

Flame

Bulb

Sondhauss tube (1850)


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


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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• 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 - 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


L’agent fluide pour la machine thermoacoustique

sera un gaz :

Hélium, Argon, Azote ou Air


TC

TF

T

S

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1 4

Cycles thermodynamiques reconnus (1): Cycle idéal de Carnot

QC>0

W<0

QF<0

CarnotCQ

W

C

FCarnot

T

TTc

W < 0


TC

TF

T

S

32

1 4

2’ 3’2" 3"

Ericsson

Carnot

Stirling

Equivalences au cycle de Carnot (2)


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


Machine de Stirling La machine originale de STIRLING 1820

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Machine de Stirling

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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


• L’effet thermoacoustique élémentaire en onde stationnaire

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QQ

PmaxPmin

Onde stationnaire pour cycle machinePhase(Pression, déplacement) = 0

temps

Pression acoustique

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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


• L’effet thermoacoustique élémentaire en onde progressive

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Q Q

Réfrigérateur à onde progressivePhase(Pression, déplacement) = π/2

Pmax Pmin

t

Pression

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< 4 δk

T-𝚫tT+𝚫t

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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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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,


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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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

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Résonateur


• «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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Des liaisons thermiques avec le milieu extérieur

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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

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• 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]

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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

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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

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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


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

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*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

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*Turbine bidirectionnelle: transforme l’oscillation linéaire imposée par l’onde

en mouvement rotatif avec une efficacité de 85%

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Les configurations acoustique originalesd’HEKYOM

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Configuration HEKYOM: amplification thermoacoustique contrôlée

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• Possibilité de mettre plusieurs amplificateurs en série pour récupérer plusde 85% de la chaleur disponible


Le concept HEKYOM N°2 : Conversion thermoacoustique avec 1, 2 ou 3 cellules d’amplification acoustique et rétroaction acoustique


QUELQUES REALISATIONS

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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

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Maquette 1kWe

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Maquette 1kWe


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)

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Groupe électrogène de 134kWe avec 89kWthermique dans les fumées

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Le projet en cours: initialement prévu avec des convertisseurs alternateur linéaire:

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Repris avec le concept N°2 de rétroaction acoustique:

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15kWe

10kWacoustique

29kWa

65kWthermique

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600°C 20°C

Echangeurchaud

Echangeurfroid

MOTEUR

Wac

20°C -15°C

REFRIGERATEUR

Stack ou Régénerateur

AMPLIFICATEUR

WacWac

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Plus généralement et pour résumer

introduction_machines thermiques thermoacoustique 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

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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


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


Space TRIPS 200watts électrique avec 1100 watts thermique radio-isotope pour sonde spatiale


Projet ESA 2015 5kWe énergie solaire en satelliteHEKYOM AIRBUS SSTL FOTEC


• Une petite expérience


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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• Merci de votre attention

valorisation des rejets thermiques par le...

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