Numerical modeling and optimization of a regenerative Stirling refrigerating machine for moderate cooling applications

Modélisation numérique et optimisation d'une machine frigorifique régénérative Stirling destinée à la production de froid à température modérée Les machines à cycle Stirling sont utilisées aussi bien en cycle moteur que récepteur. Le moteur à cycle Stirling possède un bon potentiel d'utilisation en raison de certains avantages comme la combustion externe et la flexibilité du carburant. La machine Stirling est utilisée en cryogénie mais les applications pour le refroidissement domestique sont encore peu développées. L'objectif principal de ce travail est de développer un modèle numérique thermodynamique permettant de déterminer et d’optimiser les performances d’une machine frigorifique pour des applications de froid domestiques. Cette thèse présente donc la modélisation numérique, la simulation, la validation expérimentale et l'optimisation paramétrique d'un réfrigérateur Stirling de type Beta, conçu au laboratoire fonctionnant avec de l’air pour une application domestique.Nous avons développé un modèle numérique non-idéal du second ordre appelé modèle simple modifié. Ce modèle incorpore des pertes thermiques et fluidiques par conduction, effet navette pompage, pertes de charge, fuites de gaz vers le volume tampon. Ces pertes sont directement intégrées dans le modèle d’équations différentielles permettant d’exprimer les variations de pression, de température, de masse de gaz dans les volumes de compression et de détente, ainsi que les débits massiques de gaz traversant les différents volumes de la machine Stirling. La prise en compte de ces pertes permet de calculer la production de froid et le coefficient de performance (COP) associé. Le modèle est simulé à l'aide du code MATLAB. Les résultats numériques sont comparés aux résultats expérimentaux et aux résultats issus de la littérature. Le modèle numérique proposé peut être utilisé pour concevoir une machine frigorifique à cycle Stirling avec une précision raisonnable. La contribution de cette étude comprend également l'investigation de l'effet des différents fluides de travail (air, azote, hydrogène et hélium) sur les performances de la machine frigorifique et son optimisation paramétrique. Dans la gamme d’utilisation de la machine, l'air et l'azote ont montré de meilleures performances de refroidissement que l'hélium et l'hydrogène, principalement en raison du débit massique plus élevé. L'optimisation paramétrique des performances de la machine frigorifique comprend également les effets des paramètres de fonctionnement (vitesse de rotation, pression de charge et température) et géométriques (angle de phase, dimensions et porosité du régénérateur, jeu entre le piston et le cylindre, rapport du volume balayé et rapport du diamètre du piston à la course). Enfin, nous proposons des jeux de paramètres permettant d’optimiser un réfrigérateur Stirling présentant un COP de 1.3, une puissance frigorifique de 625 W à une température de -4 °C.