Florian Tarby¹, Sylvie Begot¹, François Lanzetta¹, Steve Djetel-Gothe^1
⋆ : sylvie.begot@univ-fcomte.fr
¹ FEMTO-ST
Mots clés : Machine frigorifique ; Stirling ; Modélisation
Résumé :

De nos jours la production de froid à température modérée est largement dominée par les machines à compression de vapeur utilisant des fluides de travail impactant le réchauffement climatique. Les machines Stirling, déjà utilisées en cryogénie, pourraient être une alternative pour cette application dans le domaine frigorifique.

Dans ce but, nous travaillons sur une machine Stirling de type Beta.

Nous avons modélisé cette machine à l’aide d’un modèle monodimensionnel développé dans le logiciel SAGE. Les composants du modèle sont un piston, un déplaceur, un échangeur chaud, un échangeur froid, un régénérateur, ainsi que les volumes de compression, détente et volume de rebond. Les différents composants sont reliés par des débits de gaz de travail et des flux thermiques. Pour le gaz de travail, les équations résolues dans le modèle sont les équations de conservation de la masse, de la quantité mouvement et de l’énergie ainsi que l’équation d’état du gaz. Le régime est harmonique. Des corrélations empiriques sont utilisées pour déterminer les coefficients d’échange thermique et de pertes de charge.

Le modèle a été validé grâce aux résultats expérimentaux obtenus à l’aide du prototype FEMTO-60 développé au laboratoire. Il s’agit d’une machine de type Beta, de puissance frigorique de l’ordre de 450 W à 5^∘C fonctionnant à l’azote comme gaz de travail, sous une pression de 15 à 20 bar, à une fréquence de rotation de 5 à 13 Hz. Le diamètre du piston est de 60 mm, le volume balayé est de 120 cm³. Le régénérateur est constitué de grilles métalliques.

Une analyse de sensibilité a ensuite été conduite en faisant varier les paramètres opérationnels et les paramètres géométriques de la machine. Pour les paramètres opérationnels, les effets du changement de gaz de travail, de pression, de fréquence de rotation ont été évalués. Pour les paramètres géométriques, les effets de la longueur du régénérateur, de sa porosité, des diamètres du piston et du déplaceur ainsi que le nombre et longueur des canaux des échangeurs ont été évalués. Grâce aux résultats de cette étude, une nouvelle conception de machine a été proposée sur le plan théorique. Elle permet d’augmenter la valeur de la puissance froide produite et du COP.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2022-059

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