Etude et optimisation d’une machine frigorifique de Stirling

La problématique de la thèse est celle de la production de froid respectueuse de l’environnement, c’est-à-dire sans fluide frigorigène. En effet, les technologies actuelles de production de froid reposent sur un cycle à compression de vapeur qui utilise des fluides frigorigènes. Ces fluides contribuent au réchauffement climatique et sont caractérisés par un Global Warming Potential (GWP) en général très largement supérieur à un. Il existe donc un besoin de technologie alternative. Associée à un moteur électrique qui l’entraîne, la machine Stirling peut fonctionner en mode production de froid sans utiliser de fluide frigorigène.

Les travaux porteront sur la modélisation et la validation expérimentale d’une machine frigorifique de Stirling fonctionnant avec un gaz de travail neutre (azote, hélium). Une nouvelle architecture de régénérateur sera étudiée. Les travaux seront complétés par une analyse exergétique des performances de la machine. En fin de thèse, ces travaux seront intégrés dans un modèle de consommation domestique (type modèle du CREST) incluant l’analyse en cycle de vie.

Calendrier prévisionnel :

M1-M4 : Etude bibliographique

M4-M16 : Développement d’un modèle de machine intégrant un nouveau concept de régénérateur

M16-M24 : Validation expérimentale

M24-M30 : Intégration à un modèle global permettant d’évaluer les impacts

M30-M36 : Rédaction des articles et publications, préparation de la soutenance

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This thesis addresses the issue of environmentally-friendly refrigeration production, i.e. refrigerant-free refrigeration. Current refrigeration production technologies are based on a vapour compression cycle that uses refrigerants. These fluids contribute to global warming and are characterised by a Global Warming Potential (GWP) generally well in excess of one. There is therefore a need for an alternative technology. Combined with an electric motor that drives it, the Stirling machine can operate in cold production mode without using refrigerant.

The work will focus on the modelling and experimental validation of a Stirling refrigeration machine operating with a neutral working gas (nitrogen, helium). A new regenerator architecture will be studied. The work will be completed by an exergy analysis of the machine's performance. At the end of the thesis, this work will be integrated into a domestic consumption model (of the CREST type) including a life cycle analysis.

Provisional timetable :

M1-M4: Bibliographical study

M4-M16: Development of a machine model incorporating a new regenerator concept

M16-M24: Experimental validation

M24-M30: Integration into a global model for assessing impacts

M30-M36: Drafting of articles and publications, preparation of thesis defense

L’institut FEMTO-ST (Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies, UMR 6174), est une unité mixte de recherche, placé sous la tutelle du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et de l'Université Marie et Louis Pasteur et des ces deux établissements-composantes SUPMICROTECH et UTBM.

L’institut FEMTO-ST est un laboratoire de recherche public d’envergure mondial de grande taille regroupant plus de 700 personnes. Les services soutien et support de l'activité scientifique sont structurés en services communs. L'activité scientifique est structurée en sept départements scientifiques et une équipe de recherche transverse (Récits) :

    Département Automatique et Systèmes Micro-Mécatroniques - AS2M

    Département d'Informatique et Systèmes Complexes - DISC

    Département Energie

    Département Mécanique Appliquée

    Département Micro Nano Sciences et Systèmes - MN2S

    Département Optique

    Département Temps-Fréquence