Defensa de la tesis de Ines MARZOUGUI (departamento de ingeniería mecánica)

Este trabajo numérico se centra en la intensificación de los intercambios y transferencias de calor para determinar el rendimiento energético de un motor Stirling de doble efecto, en el que predomina un flujo laminar alterno no permanente, impulsado por la acción de dos pistones en cuadratura de fase.

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El estudio presentado gira en torno a la optimización del funcionamiento de este motor a partir de una mayor optimización de las condiciones de funcionamiento y centrándose en la caracterización del regenerador, que es el elemento clave del motor Stirling.

Determinar el rendimiento energético de un motor Stirling de doble efecto.

Realizamos una simulación numérica (CFD) resolviendo las ecuaciones de Navier-Stokes acopladas a la ecuación de energía en las dos fuentes caliente y fría, y en el medio poroso de la matriz porosa (regenerador)

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El método numérico utilizado para esta simulación es del tipo SIMPLER basándose en un esquema de volúmenes finitos (o volúmenes de control) basado en elementos finitos.

En el regenerador (medio poroso), el flujo está descrito por la ley de Darcy-Brinkman-Forchheimer.

En el regenerador (medio poroso), el flujo está descrito por la ley de Darcy-Brinkman-Forchheimer.

A continuación, se realizó un estudio paramétrico de la porosidad, la naturaleza del material (tres tipos elegidos: acero inoxidable, Hastelloy X y aleación de lantano y níquel (LaNi5)), la permeabilidad y la configuración geométrica, para cualificar y cuantificar las transferencias de calor que condujeran a un mejor entendimiento entre la maximización de la energía del Stirling y la minimización de la caída de presión en el medio poroso. De hecho, se estudiaron y compararon estos tres materiales.

Los resultados muestran que la elección de la aleación de lantano y níquel (LaNi5) siguiendo sus características termofísicas, conduce a la mejor eficiencia energética del sistema.

A continuación estudiamos tres configuraciones geométricas de regeneradores, formando una matriz porosa con un único regenerador, dos subregeneradores y tres subregeneradores. El último caso, que representa un bloque formado por tres subregeneradores, con los mismos espesores y el mismo material, pero con porosidad variable, resulta ser la configuración más interesante. Esto conduce a una intensificación considerable de la transferencia de calor, lo que permite una mejor producción de energía mecánica, que puede convertirse en energía eléctrica que se disipará en un electrolizador para la producción de hidrógeno verde. Este último se utilizaría como combustible para alimentar parte del mismo motor de combustión interna (en un circuito cerrado).

Posteriormente, demostramos que la dirección de distribución de la porosidad axial juega un efecto notable en las respuestas energéticas del motor Stirling. En efecto, una porosidad decreciente en la dirección de la fuente fría a la fuente caliente, presenta importantes ventajas.

Por último, para aproximar mejor el comportamiento de un gas real en un motor Stirling, hemos considerado un fluido de trabajo que representa un gas de tipo van der Waals para llevar a cabo investigaciones detalladas y multi-objetivo pero para un número de subregeneradores que varía de 1 a 5. Los resultados así obtenidos, fueron validados por la Comisión Europea. Los resultados así obtenidos, fueron validados por comparación con trabajos experimentales existentes para el mismo sistema que el estudiado en nuestro caso.

Las diversas investigaciones llevadas a cabo mediante simulaciones numéricas y apoyándose en el método de diseño de experimentos, mostraron que el funcionamiento óptimo podía alcanzarse con una presión de carga de alrededor de 30 bar, una temperatura de calentamiento de alrededor de 630°C y una matriz porosa compuesta por 5 subregeneradores casi próximos entre sí.

Estos resultados demuestran claramente la eficacia de un proceso de este tipo, que utiliza un motor Stirling para la cogeneración a través de la recuperación del calor residual del escape de un motor de combustión interna y la posibilidad de su integración en sistemas de producción de energía limpia.

Sistema de cogeneración a través de la recuperación del calor residual del escape de un motor de combustión interna.

Relatores/Referentes:

• CASTELIN Cathy, directora de investigación del CNRS en LTEN UMR_C 6607, Universidad de Nantes
• Mohamed Sadok GUELLOUZ, Profesor HU en ENIB (Bizerte), Universidad de Cartago

Examinadores/Examinadores:

• LEGRAND Jack, Profesor, GEPEA (UMR CNRS 6144), Universidad de Nantes
• JEMNI Abdelmajid, Profesor, ENIM (Monastir), Universidad de Monastir, Túnez
• ALOUI Fethi, Profesor, LAMIH (UMR CNRS 8201), INSA Hauts-de-France, UPHF, Valenciennes
• GHEITH Ramla, Profesor, LAMIH (UMR CNRS 8201)
• GHEITH Ramla, Profesor titular del IDH en la Universidad de Monastir (ENIM), Túnez

Invitados/Invitados:

• KEIRSBULCK Laurent, Profesor, LAMIH (UMR CNRS 8201), UPHF, Valenciennes
• HACHEM Houda, Profesora titular en el CRTEn, Borj Cédria, Túnez (Co-supervisora)

Directores de tesis/Supervisores:

• Fethi ALOUI, Profesora en el INSA Hauts-de-France (LAMIH, UMR CNRS (LAMIH, UMR 8201)
• GHEITH Ramla, Profesor titular del IDH en la Universidad de Monastir (ENIM), Túnez