Modelling, design and fabrication of a Stirling machine for cold production
Modélisation et réalisation d'une machine réceptrice de Stirling pour la production de froid
Résumé
Refrigeration production is largely dominated by vapor compressor machines using refrigerants which have a high global warning potential. Following international directives aimed at eliminating these harmful gases, the Stirling refrigerator using neutral gas is an alternative. Widely used in cryogenics and in certain niche areas, it is less widespread in refrigeration for intermediate temperature (-60°C to ambient temperature). Therefore, this thesis is dedicated to the study of a Stirling machine for cold production in this intermediate temperature range. This manuscript presents four parts:First, the state of the art on the modern Stirling refrigerator is presented. Second, the design and fabrication of the machine with three strong points: production of cold for intermediate temperatures with nitrogen as working gas, use of parts made by metallic 3D prototype and use of a magnet coupling on the crankshaft outlet.Third, the experimental characterization then producing cold at different pressures and speeds. For a nitrogen charged pressure of 16 bar and a speed of 580 rpm, the cold production is: 280 W at -44°C with a COP of 0.23, 530 W at 0°C with a COP of 0.50, 600 W at 18°C with a COP of 0.65. The machine has a maximum efficiency of 7.7% at -30°C for 344 W of cold and a COP of 0.29.Fourth, the modeling of the prototype by the SAGE software gave thermodynamic results very close to the experiment in terms of Carnot’s COP.The manuscript of this thesis constitutes a complete cartography of the prototype produced within the Energy department of FEMTO-ST.
La production de froid est largement dominée par les machines à compression de vapeur utilisant des fluides frigorigènes connus avoir un fort Potentiel de Réchauffement Global. Suite aux directives internationales visant à supprimer ces gaz nocifs, la machine Stirling frigorifique utilisant un gaz neutre s’avère une alternative. Très utilisée en cryogénie et dans certains domaines de niche, elle est moins répandue en réfrigération pour des températures intermédiaires (-60 °C à l’ambiante). Cette thèse est organisée en quatre parties :1) Etat de l’art sur la machine Stirling frigorifique moderne.2) Conception et réalisation d’un prototype ayant trois points forts : production de froid pour des températures intermédiaires avec de l’azote comme gaz de travail, usage des pièces réalisées par prototypage 3D métallique et emploi d’un accouplement magnétique sur l’arbre de sortie du vilebrequin.3) Réalisation des essais expérimentaux de caractérisation puis de production de froid à différentes pressions et vitesses. Pour une pression de remplissage d’azote à 16 bar et une vitesse 580 tr.min-1, la production de froid est : 280 W à -44°C avec un COP de 0,23 ; 530 W à 0°C avec un COP de 0,50 ; 600 W à 18°C avec un COP de 0,65. La machine présente une efficacité maximale de 7,7% à -30°C pour 344 W de froid produit et un COP de 0,29.4) Modélisation du prototype par le logiciel SAGE. Les simulations ont donné des résultats thermodynamiques très proches de l’expérimentation en termes de COP de Carnot.Le manuscrit de cette thèse constitue une cartographie complète du prototype réalisé au sein du département Energie de FEMTO-ST.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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