CH650313A5 - Moteur a conversion thermomecanique, notamment moteur a fluide a basse temperature d'ebullition. - Google Patents

Moteur a conversion thermomecanique, notamment moteur a fluide a basse temperature d'ebullition. Download PDF

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CH650313A5 CH6437/82A CH643782A CH650313A5 CH 650313 A5 CH650313 A5 CH 650313A5 CH 6437/82 A CH6437/82 A CH 6437/82A CH 643782 A CH643782 A CH 643782A CH 650313 A5 CH650313 A5 CH 650313A5
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description

L'invention concerne un moteur à conversion thermomécanique, notamment moteur à fluide à basse température d'ébullition destiné à utiliser une source de chaleur telle qu'un capteur solaire en parti- 65 culier pour des pays étendus ou à réseau électrique peu développé.
La présente invention a pour but de créer un tel moteur à conversion thermomécanique, susceptible de fonctionner à des températures relativement basses, auxquelles travaillent les capteurs solaires, sans nécessiter de circuit complexe pour concentrer cette énergie thermique et arriver à des températures élevées.
Le moteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il se compose d'un circuit de circulation d'un fluide à température d'ébullition relativement basse, et comportant un cylindre muni d'un piston subdivisant le cylindre en deux chambres reliées par un dispositif de commutation à un évaporateur et à un condenseur, constituant l'un la source chaude, l'autre la source froide, le dispositif de commutation étant commandé pour relier alternativement les chambres du cylindre avec la source de vapeur et avec le condenseur.
L'invention sera décrite à titre d'exemple et à l'aide des dessins annexés dans lesquels:
— la fig. 1 est un schéma général de principe d'un moteur selon l'invention;
— la fig. 2 est un schéma d'une première variante de l'invention;
— la fig. 3 est un schéma d'une seconde variante de l'invention;
— la fig. 4 est un schéma d'une troisième variante;
— la fig. 5 est un schéma d'ensemble du mode de réalisation du moteur à conversion thermique;
— la fig. 6 est un schéma simplifié montrant les parties utiles, et leur liaison fonctionnelle, du moteur selon la fig. 5 dans un premier cas de fonctionnement;
— la fig. 7 est un schéma analogue à celui de la fig. 6 montrant les éléments utiles et leur liaison dans le second cas de fonctionnement.
Selon la flg. 1, le moteur thermomécanique se compose d'un cylindre 1, contenant un piston 2, définissant deux chambres Q, C, de part et d'autre du piston 2. Le cylindre est relié par les conduites 3,4 à un dispositif de commutation 5, lui-même relié par les conduites 6, 7, 8, 9 à deux réservoirs Rls R2 comportant chacun un échangeur de chaleur E1; E2.
Le dispositif de commutation 5 comporte des vannes V1; V2, V3, V4 permettant de réaliser alternativement les liaisons suivantes, suivant que les vannes Vl5 V3 ou V2, V4 sont ouvertes ou fermées.
Lorsque les vannes Vl5 V3 sont ouvertes, les vannes V2, V4 sont fermées et le réservoir R, est relié par les conduites 6, 3 à la chambre Q et le réservoir R2 est relié par les conduites 8, 4 à la chambre C,.
Lorsque les vannes Vt, V3 sont fermées, les vannes V2, V4 sont ouvertes, le réservoir R( est relié à la chambre C2 par les conduites 7, 4 et le réservoir R2 est relié à la chambre Ci par les conduites 9, 3.
Le dispositif de commutation 5 peut être réalisé soit par un ensemble de vannes V], V2, V3, V4 électromagnétiques ou pneumatiques, commandées par des signaux tout ou rien ou par un tiroir susceptible d'occuper deux positions et qui est commandé par un élec-tro-aimant ou encore un boisseau pivotant entre deux positions. Les réservoirs R,, R2 fonctionnent de façon interchangeable comme source chaude fournissant la vapeur et comme source froide condensant la vapeur.
Initialement, on suppose que le réservoir Ri contient la masse de liquide à vaporiser. Le réservoir R! est chauffé soit par le soleil, soit par une autre source. Cette chaleur vaporise le liquide du réservoir Ri et la vapeur sous pression alimente alternativement les chambres C,, C2 du cylindre 1 suivant l'état du dispositif de commutation 5.
Au cours de chaque cycle, la vapeur se condense dans le réservoir R2 (condenseur), l'échangeur de chaleur E2 faisant alors partie d'un circuit de refroidissement qui peut être remplacé par un refroidissement direct, par exemple par ruissellement d'eau.
Progressivement suivant les cycles, le liquide se vaporise dans le réservoir Ri et se condense dans le réservoir R2. Lorsque la limite inférieure de liquide est atteinte dans le réservoir Ri, on commute le fonctionnement des réservoirs Rj, R2 par commutation des fluides caloporteurs dans les circuits et des vannes Vi, V3, V2, V4.
Lorsque le réservoir R2 fonctionne en évaporateur, les vannes V3, Vi sont d'abord ouvertes pour permettre l'entrée de la vapeur dans la chambre C2 et l'évacuation de la vapeur de la chambre Q dans le condenseur R,. Dans cette position, les vannes V4, V2 sont fermées.
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Dans la phase suivante du cycle, les vannes V4, V: sont ouvertes et les vannes V,, V, sont fermées. La vapeur alimente la chambre C, et la vapeur de la chambre C2 se condense dans le réservoir R,.
L'inversion du fonctionnement des réservoirs R,, R2 est assurée par un circuit à capteurs de niveau de liquide K,, K2 dans chacun des réservoirs R,, R,.
La vitesse de fonctionnement du moteur dépend de l'apport de chaleur par l'échangeur Bl (ou E2) ou du débit de vapeur alimentant les chambres Q et C2. Le fonctionnement se règle par les vannes d'étranglement W,, W2, W3, W4.
La fig. 2 montre une variante du moteur appliquée au cas simple d'un cylindre 10 muni d'un piston 11 délimitant deux chambres CI0, Cu, le piston étant rappelé dans la position d'extrémité gauche (position en pointillés) par un ressort de rappel 11'.
La chambre C10 est la seule à recevoir le fluide vaporisé. En effet, le réservoir de fluide R10, muni de l'échangeur de chaleur R,0, est relié par les conduites 12, 13 à un dispositif de commutation 16 et aux conduites 14, 15 à la chambre C|0. Le dispositif 16 comporte une vanne V,0 reliant les conduites 12, 14 et deux vannes Vn, V12 et un sas 17 reliant les conduites 13 et 15. Le réservoir R10 fonctionne comme un évaporateur recevant également le condensât.
L'échangeur E,0 fournit la chaleur au liquide du réservoir R10. Au début du cycle de fonctionnement, la vanne V10 est ouverte pour permettre l'envoi de la vapeur par la conduite 14 dans la chambre C10 du cylindre 10 et repousser le piston 11 vers la droite. Puis on ferme la vanne V10 et on ouvre la vanne V12, la vanne Vn étant fermée.
La vapeur passe dans le sas 17 et s'y condense; le piston 11 est rappelé dans sa position d'extrémité gauche par la pression atmosphérique assistée par le ressort 11'.
Lorsque le piston 11 est à gauche, la vanne VI2 se ferme et la vanne Vio s'ouvre. En même temps, on peut à ce moment ouvrir la vanne V,, pour laisser s'échapper le condensât du sas 17 vers le réservoir R10.
La fig. 3 montre une variante plus complète du moteur de la fig. 2, avec un cylindre à deux effets. Le cylindre 20, comportant un piston 21, est subdivisé en deux chambres C20, C21. Le moteur comporte un réservoir R20 muni d'un échangeur de chaleur E20 et le réservoir R20 fonctionne uniquement en évaporateur. Le dispositif de commutation 22 qui relie les chambres C20, C2i au réservoir R20 par les conduites 23, 24, 25, 26, 27 comporte des vannes V20, V21, V22, V23, v24i V25, un condenseur 28 et un sas 29.
Dans une première phase de fonctionnement, pour alimenter la chambre C20 en vapeur à partir du réservoir R20, la vanne V20 est ouverte, établissant la commutation entre les conduites 23, 26 et la chambre C20. La vanne V2I est fermée. La vanne est ouverte pour permettre le passage de la vapeur contenue dans la chambre C21 vers le condenseur 28. La vanne V23 est fermée pour éviter que la vapeur ne passe du réservoir R20 par les conduites 25, 27 dans la chambre C21. La vapeur de la chambre C21 s'échappe ainsi dans le condenseur 28 pour s'y condenser. Le condensât est reçu dans le sas 29, la vanne V24 étant ouverte et la vanne V25 fermée. Puis la vanne V24 est fermée et la vanne V25 ouverte, pour permettre l'évacuation du condensât du sas 29 dans le réservoir R20.
L'intérêt des variantes à simple effet selon la fig. 2 ou à double effet selon la fig. 3, par rapport au mode de réalisation du schéma de principe de la fig. 1, réside dans la continuité du fonctionnement.
Dans les fig. 2, 3, on a représenté le sas condenseur 17 et le sas 29 et le condenseur 28 comme faisant partie des dispositifs de commutation 16, 22. En réalité, il n'en est pas ainsi et les vannes V10, Vu, V12, de même que les vannes V20, V21, V22, V23, V24, V25 peuvent être combinées en un seul dispositif de commutation, par exemple un tiroir ou un boisseau se déplaçant ou pivotant entre deux positions correspondant respectivement à l'ouverture et à la fermeture des diverses vannes suivant l'état de fonctionnement.
Le moteur de la fig. 4 se compose de deux cylindres 30,40 à pistons 31,41 délimitant deux chambres C30, C31 et C40, C41. La tige 32, 42 des pistons commande une liaison par crémaillère et pignon 33, 43. Les deux réservoirs R30, R3i reliés aux deux cylindres 30, 40 fonctionnent en parallèle par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation 50 qui comporte un organe de commutation 51 coopérant avec un second organe de commutation 52.
Le dispositif de commutation 50 est relié aux réservoirs R30, R3i et aux cylindres 30,40 par les conduites 53, 54, 55, 56, 57, 58, les conduites 57 et 58 se divisant en deux conduites reliées respectivement aux chambres C31, C41, C30, C40. La conduite 58 est reliée simultanément aux chambres C30, C40. Les deux organes de commutation 51, 52 sont reliés par une conduite 59 et une double conduite 60, 61 avec interposition d'un réservoir 62.
Au niveau de l'organe de commutation 51, la conduite 59 se divise en deux branches, de même qu'au niveau de l'organe de commutation 52. Il en est de même de la conduite 60 au niveau du dispositif de commutation 51 et de la conduite 61 au niveau du dispositif de commutation 52. Les deux positions de l'organe de commutation 51 sont représentées par les traits pleins 51a, 51b et les pointillés 51c, 51d. L'organe de commutation 52 se compose de quatre vannes V50,
V51,v52,v53.
Selon la fig. 5, le moteur comporte un cylindre 50 à piston 51 fermant deux chambres C51, C52 reliées par une conduite respective 100, 101 à un dispositif de commande 102, assurant alternativement la liaison des deux chambres C51, C52 avec l'évaporateur 104 par l'intermédiaire de la conduite 103 et avec le condenseur 106 par l'intermédiaire de la conduite 105.
Le circuit comporte deux réservoirs auxiliaires 107, 108. Le réservoir auxiliaire 107 est relié en partie basse à l'évaporateur 104 par la conduite 110 munie de la vanne V6i ; la partie haute du réservoir 107 est reliée à la partie haute de l'évaporateur 104 par une conduite 111 munie d'une vanne V62. La partie haute du réservoir auxiliaire 107 est également reliée par une conduite 112 munie d'une vanne V63 au condenseur 106. La partie basse du second réservoir auxiliaire 108 est reliée par une conduite 113 munie d'une vanne W61 à l'évaporateur 104. La partie haute du réservoir auxiliaire 108 est reliée par une conduite 114 munie d'une vanne W62 à l'évaporateur 104. Enfin, la partie haute du réservoir 108 est reliée par une conduite 115 munie d'une vanne W63 au condenseur 106.
Le premier réservoir auxiliaire 107 est muni d'un circuit de fluide réfrigérant 116 comportant une vanne V64. De même, le second réservoir auxiliaire 108 est muni d'un circuit à fluide réfrigérant 117 comportant une vanne WM. Le remplissage et l'évacuation des chambres C51, C52 du cylindre 50 sont assurés par la commutation du dispositif de commutation, relié à l'évaporateur et au condenseur. L'évaporateur 104 et le condenseur 106 sont alternativement pris en combinaison avec les premier et second réservoirs auxiliaires 107, 108, comme cela sera décrit à l'aide des fig. 6 et 7, de façon à supprimer le problème des pressions résiduelles dans le sas.
Pour les fig. 6 et 7, dans un but de simplification, seules les liaisons établies entre les différents réservoirs (évaporateur 104, condenseur 106, premier et second réservoirs auxiliaires 107, 108) ainsi qu'avec le dispositif de commande 102 sont représentées. Les conduites dont les vannes sont fermées n'ont pas été représentées. De plus, par convention, les vannes qui sont ouvertes ne sont pas représentées.
Selon la fig. 6, l'ensemble évaporateur est formé par l'évaporateur 104 et le second réservoir auxiliaire 108 qui sont reliés par les conduites 113, 114 dont les vannes W61, W62 sont ouvertes. L'ensemble condenseur est constitué par le condenseur 106 ainsi que par le premier réservoir auxiliaire 107, reliés par la conduite 112 dont la vanne W63 est ouverte.
Le circuit de refroidissement 116 du second réservoir auxiliaire 107 qui fait maintenant partie de l'ensemble condenseur est mis en œuvre, la vanne V64 étant ouverte pour permettre la circulation du fluide réfrigérant. Les différentes autres vannes, à savoir les vannes V«,V« des conduites 110,111 reliant le réservoir 107 à l'évaporateur 104, sont fermées, de même que la vanne W63 de la conduite 115 qui relie le condenseur 106 au second réservoir auxiliaire 108.
Comme le second réservoir auxiliaire 108 fait partie de l'ensemble
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évaporateur, le circuit de fluide réfrigérant 117 est coupé, sa vanne WM étant fermée.
Le second cas de fonctionnement est représenté à la fig. 7 avec les mêmes conventions que celles utilisées pour la fig. 6. L'ensemble évaporateur E est formé de l'évaporateur 104 et du premier réservoir auxiliaire 107 reliés par les conduites 110 et 111 permettant l'équilibrage des pressions et le passage du liquide contenu dans le réservoir 107 vers l'évaporateur 104. L'ensemble condenseur est formé par le condenseur 106 et par le second récipient auxiliaire 108 relié au condenseur par la conduite 115. Le premier réservoir auxiliaire 107 faisant partie de l'évaporateur, son circuit de fluide réfrigérant 116 n'est pas utilisé et la vanne correspondante V64 est fermée. Le second réservoir auxiliaire 108 faisant partie de l'ensemble condenseur C, son circuit de fluide réfrigérant 117 est utilisé, et sa vanne W64 est ouverte.
Par ailleurs, les différents circuits ou liaisons non représentés, dont les vannes sont fermées, sont les suivants : la vanne V63 de la conduite 112 reliant le condenseur 106 au premier réservoir auxiliaire 116; les vannes W6i, W62 montées respectivement dans les conduites 113, 114 et qui relient le second réservoir auxiliaire 108 à l'évaporateur 104.
L'alternance entre les deux cas de fonctionnement des fig. 6 et 7, c'est-à-dire la commande d'ouverture et de fermeture des vannes V61, Va, V6„ VM et W„, W62, W„, WM, est assurée automatiquement, dès que le niveau de condensât dans l'ensemble condenseur C atteint une 5 valeur prédéterminée correspondant à un niveau maximal, et que, réciproquement, le niveau du liquide dans l'ensemble évaporateur E a atteint un niveau minimal. Cela permet de faire fonctionner l'ensemble du circuit de fluide à température d'ébullition relativement basse en circuit fermé, sans rencontrer de problèmes de pressions ré-10 siduelles dans le condenseur et permettre ainsi la réinjection de con-densats sans utiliser de pompe de réinjection.
Les réservoirs auxiliaires 107, 108 sont placés à un niveau supérieur à celui de l'évaporateur 104 tout en étant placés en dessous du condenseur 106 pour permettre l'écoulement des condensats par gra-15 vité.
De plus, les réservoirs auxiliaires 107, 108 sont reliés à l'évaporateur 104 respectivement par deux conduites 110, 111, et 113, 114 dont les unes débouchent dans le fond des réservoirs auxiliaires 108 et les autres 111, 114 dans la partie haute des réservoirs auxiliaires 20 107 et 108. Ces doubles conduites sont nécessaires pour permettre l'équilibrage des pressions et, par suite, l'évacuation du condensât des réservoirs 107,108 par gravité.
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7 feuilles dessins

Claims (8)

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    REVENDICATIONS
    1. Moteur à conversion thermomécanique, caractérisé en ce qu'il se compose d'un circuit de circulation d'un fluide et d'un cylindre (1) muni d'un piston (2) subdivisant le cylindre en deux chambres (C(, 5 Ç.) reliées par un dispositif de commutation (5) à un évaporateur
    (R,, R2) et à un condenseur (R2, R,), constituant l'un la source chaude, l'autre la source froide, le dispositif de commutation (5)
    étant commandé pour relier alternativement les chambres (C,, C2) du cylindre (1) avec la source de vapeur et avec le condenseur. 10
  2. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commutation (16) est constitué par un ensemble de trois vannes (V,0, V12, Vu), l'une étant placée dans le chemin d'alimentation en vapeur de la chambre (C,0) du cylindre (10), et les deux autres (Vu, V12) étant situées de part et d'autre d'un sas de condensa- is tion (17), placé dans le chemin de retour (15,13) de condensation de la vapeur, les vannes (VI0, VI2) n'étant pas ouvertes en même temps.
  3. 3. Moteur selon la revendication 2, à double effet, caractérisé en ce que le réservoir de liquide formant évaporateur (R20) est relié aux deux chambres (C20, C21) par un dispositif de commutation (22) à 20 cinq branches (23,24, 25, 26, 27), munies de vannes (V20, V21, V22,
    V23) pour brancher alternativement l'une ou l'autre des chambres (C20> C2i) sur l'évaporateur (R20) tout en interdisant l'alimentation de l'autre chambre (Q>,, C20) qui, elle, est branchée sur le condenseur (28).
  4. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dis- 25 positif de commutation (22) comporte un sas (29) reliant le condenseur (28) à l'évaporateur (R20), le sas étant muni en amont et en aval de vannes (V24, V25), qui ne peuvent être ouvertes simultanément.
  5. 5. Moteur.selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux cylindres (30, 40) à double effet, à chambres (C30, C40 et 30 C31, C4|) alimentées respectivement en parallèle ou reliées respectivement en parallèle sur le condenseur, deux réservoirs (R3o, R31) fonctionnant alternativement en évaporateur et en condenseur ainsi qu'un dispositif de commutation (50) muni de deux organes de commutation (51, 52) assurant l'alimentation en vapeur des chambres 35 respectives et le retour des condensais, le chemin d'alimentation en vapeur (60, 61) comportant une chambre (62) formant réserve pour permettre le fonctionnement du moteur pendant la période transitoire d'inversion de fonctionnement des réservoirs (R30, R31) du mode évaporateur au mode condenseur ou inversement. 40
  6. 6. Moteur selon la revendication 1, le condenseur (106) formant sas pour recueillir le condensât et permettre le retour du condensât dans l'évaporateur, caractérisé en ce que le condenseur (106) est relié à l'évaporateur (104) par deux réservoirs auxiliaires (107,108) et par des conduites de liaison (112,115,110,111 et 113,114) munies de 45 vannes (V„, V62, V«, WäI, W«, WJ.
  7. 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les réservoirs auxiliaires (107,108) sont munis de circuits de refroidissement (116, 117) respectifs munis de vannes (VH, WM).
  8. 8. Moteur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce so que les réservoirs auxiliaires (107, 108) sont respectivement reliés à l'évaporateur (104) par une conduite (110,113) débouchant dans le fond du réservoir auxiliaire (107,108) et par une conduite (111,114) débouchant dans la partie haute du réservoir auxiliaire (107,108),
    ces deux conduites étant munies chacune d'une vanne (V61, V62, W61, 55 W62).
    60
CH6437/82A 1981-11-19 1982-11-05 Moteur a conversion thermomecanique, notamment moteur a fluide a basse temperature d'ebullition. CH650313A5 (fr)

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FR8121709A FR2516593B1 (fr) 1981-11-19 1981-11-19 Moteur a conversion thermo-mecanique notamment moteur a fluide a basse temperature d'ebullition
FR8200535A FR2519693B2 (fr) 1982-01-14 1982-01-14 Moteur a conversion thermomecanique, notamment moteur a fluide a basse temperature d'ebullition

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