EP1043491A1 - Procédé pour générer et transmettre une énergie mécanique d'un moteur stirling à un organe consommateur d'énergie et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents
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- EP1043491A1 EP1043491A1 EP99810286A EP99810286A EP1043491A1 EP 1043491 A1 EP1043491 A1 EP 1043491A1 EP 99810286 A EP99810286 A EP 99810286A EP 99810286 A EP99810286 A EP 99810286A EP 1043491 A1 EP1043491 A1 EP 1043491A1
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Definitions
- the present invention relates to a method for generate and transmit mechanical energy from a piston transfer of a Stirling engine to a consumer body energy, the transfer piston being mounted in a cylinder, that gas is periodically moved between a hot room and a cold room at the ends respective of this cylinder by passing it through a hot exchanger connected to a hot source, a regenerator and a cold exchanger connected to a cold source and we exercise an elastic restoring force on this transfer piston.
- This invention also relates to a device for the implementation of this process.
- the object of the present invention is to remedy the less in part to the aforementioned drawbacks.
- this invention firstly relates to a process for producing and transmitting mechanical energy a transfer piston from a Stirling engine to an organ energy consumer as defined in claim 1.
- the subject of this invention is also a device for the implementation of this method, according to claim 9.
- the device illustrated in FIG. 1 comprises an elongated casing 1 formed by two cylindrical compartments 2, 3, assembled on an intermediate element 4, playing the role of frame.
- the cylindrical compartment 2 comprises a cylindrical housing 5, constituting a working volume, in which a transfer piston 6 is mounted free to move in the longitudinal axis of the cylindrical housing 5.
- the volume located between the piston 6 and the outer end of the housing 5 is that which is in contact with a hot exchanger 7 connected to a hot source (not shown) and constitutes the hot chamber or expansion volume V E of the Stirling engine, while at the at the other end of this cylindrical housing 5, there is a volume in contact with a cold exchanger 8 connected to a cold source (not shown), which constitutes the cold room or compression volume V C of the Stirling engine.
- a regenerator 9 is placed between the hot 7 and cold 8 exchangers.
- the end of the piston 6 adjacent to the cold room V C comprises a piston rod 6a, engaged in a closed volume 10 filled with gas and which constitutes an elastic return member of the transfer piston 6.
- the cylindrical compartment 3 contains a volume in which a moving element of an alternator, in this example, inductor 11 consisting of a cylindrical element carrying permanent magnets, is attached to the periphery of a annular member 12, the internal edge of which is integral with a elastic suspension member 14, constituted by springs annular plates, the peripheral edges of which are fixed to the frame 4 and whose internal edges are integral a rod 17, one end of which is fixed to the rod 6a of the piston 6.
- the internal edge of a second suspension member elastic 15 similar to member 14, is attached to the other end of rod 17, while its periphery is fixed to a support 13 secured to the frame 4.
- the armature of the alternator is formed by windings 16.
- Rods 6a and 17 cross the bottom of the closed volume 10 formed in the intermediate element 4 with a clearance included between 30 and 50 ⁇ m. Such a game is perfectly acceptable both in terms of manufacturing tolerances and the influence of gas leaks on energy efficiency and on the restoring force of the compressed gas in the volume closed 10.
- This resonator has the role of replacing the second piston, which according to the process which is the subject of the invention, no longer serves to produce energy, all the energy being produced by the transfer piston 6, as will be explained below. -afterwards, but serves to amplify the pressure wave and to ensure an appropriate phase shift between the displacement of the transfer piston 6 and the pressure variations p in the working volume.
- this tubular resonator 18 advantageously ends in a volume of Helmholtz 19.
- the part of this resonator which is in the Helmholtz volume ends with a flare 18a.
- the transfer piston 6 then plays the double role of transferring the gas between the hot room V E and the cold room V C and of producing all the driving energy transmitted to the inductor 11, provided that certain conditions, including let's go talk now, be met.
- Figure 5 shows the variation of the X position of the piston 6 and the variation of pressure as a function of time (or angle ⁇ ). This representation corresponds schematically to that of figure 4.
- the pressure decreases, gas is largely in the chamber hot or relaxing; when it increases, the gas is found mainly in the cold or compression room.
- the displacement X of the piston 6 precedes the pressure variation p.
- Figure 6 shows the variation in the amount of WG gas in Stirling working volume and pressure p in this volume.
- FIG. 4 shows that p X must be opposite to X. If p X becomes zero, or oriented in the direction of X, no energy is transmitted to the tubular resonator 18 to compensate for the losses by friction. Therefore, the pressure wave cannot be maintained and the machine stops working.
- the ratio of the sections a P / a must be between 0.4 and 0.6, preferably between 0.45 and 0.55.
- FIG. 7 gives an example of the efficiency of the cycle ⁇ C calculated as a function of the work provided by cycle E, with the wall temperature T H of the hot chamber V E and the amplitude X of the piston 6 as a parameter.
- the temperature of the cold exchanger T is equal to 50 ° C.
- the net efficiency of the engine can be obtained by multiplying the efficiency of the cycle by the efficiency of the heating means and that of the alternator.
- the engine should always operate at hot chamber temperatures between 600 ° and 700 ° C.
- the temperature T H of the hot chamber V E mainly influences the power, to a lesser extent the efficiency. But by lowering the temperature to 400-500 ° C, the efficiency and power decrease sharply, mainly because, under these conditions, the pressure variation p X induced by the movement of the piston becomes small and finally disappears completely.
- the lateral rigidity of the mechanical suspension of the piston 6 is ensured by flat springs 14, 15 of the type described in “Recent developments in cryocoolers” Ray Radebaugh 19 TH International Congress of Réfrigeration 1995 Proceedings Volume IIIb, allows it to oscillate perfectly along the longitudinal axis of the cylindrical housing 5, so that the pneumatic bearings to center it are not necessary.
- the piston 6 can be centered with great precision. Due to the pneumatic suspension of this piston 6 and therefore the low forces required for the elastic suspension elements constituted by the annular flat springs 14 and 15, the amplitude of the piston 6 can be increased from 25% to 50% by relation to the device described in “Free-piston Stirling design features” Neill W. Lane et al. 8 TH International Stirling Engine Conference and Exhibition May 27-30, 1997 Ancona. This increase in amplitude leading to an increase in linear speeds, makes it possible to reduce the dimensions of the alternator. Under unchanged operating conditions, similar amounts of energy can be reached.
- the rigidity of the suspension of the piston 6 and by Therefore, the phase angle can be adjusted by adjusting gas pressure in the working volume of the Stirling.
- the natural frequency of tubular resonator 18 can be adjusted by varying the composition of the gas, i.e. its molecular weight.
- the engine is then started by first bringing the temperature of the gas in the hot chamber V E to a value T H at which the pressure of the working gas becomes independent of the position of the piston.
- the engine load is thus reduced to a minimum (losses by internal friction of the engine and by periodic flow through the exchangers and the regenerator).
- the temperature T H will be adjusted to the optimum working temperature.
- Power control is very easy.
- the amplitude of the piston 6 and therefore the power of the engine is adjusted, by adjusting the braking force exerted by the alternator to a determined value.
- the output power varies in proportion to the amplitude of the piston 6.
- the heating power of the burner (not shown) intended to heat the gas in the chamber hot V E is continuously adjusted to maintain the desired temperature T H in this hot or expansion chamber V E.
- the amplitude of the piston can therefore be precisely controlled. It is therefore not necessary to provide additional dead volume to avoid shocks in the event of accidental overshoot of the piston. It is only necessary to prevent the piston from exceeding a maximum amplitude in the event of a breakdown in the electrical network with which the alternator is associated.
- the natural frequency of the tubular resonator 18 only depends on the average temperature of the working gas therein. This temperature can be precisely adjusted to the desired value by means of an additional heat exchanger 20 arranged in the Helmholtz volume 19 and by controlling the thermal energy extracted. This allows the phase angle of the resonator to be adjusted relative to the other variables of the system.
- the heat extraction from the tubular resonator 18 makes it possible to reduce the cooling of the gas located in the cold room V C , which makes it possible to simplify the cold exchanger of the Stirling engine. Its dead volume and / or its losses by pneumatic friction can be reduced, bringing an additional advantage to the device which is the subject of the present invention.
- the working gas pressure in the Stirling volume varies cyclically depending on the oscillation of the pressure wave in the tubular resonator 18.
- the parameters of the tubular resonator 18, an example of which follows, must be adjusted to those of the Stirling process to ensure that these components interact properly, that is to say that the wave is driven by the cycle Stirling and that the resulting pressure variations maintain the periodicity of the Stirling cycle.
- the tubular resonator 18 can have a total length including the Helmholtz volume 19, of approximately 1.6 m, and a temperature T of 40 ° C.
- the average pressure p 0 of the gas is 4 MPa and the resonant frequency of this resonator is 50 Hz.
- a gas heavier than helium is advantageously used, such as a mixture of helium and argon or carbon dioxide with a molecular mass M of the gas of 14 kg / kmol.
- the minimum section S min of the tubular resonator 18 is, in this example, 4.75 cm 2 .
- the volume of gas V S of the Stirling 2 engine is 1000 cm 3
- that of the volume of Helmholtz 19 is 6000 cm 3 .
- the tubular resonator can be extended inside the Helmholtz volume 19. Given that this portion of the tube is only exposed to limited pressure differences, wall may be thin and can thus easily be put in conical form 18a preventing the formation of steep front pressure waves.
- FIG. 8 An example of sectional distribution along the tube 18 of the resonator is represented on the diagram of the figure 8.
- the left end of the diagram corresponds to the end of tube 18 in communication with the Stirling compartment 2, while the right end corresponds to that which communicates with the volume Helmholtz 19.
- the diagram in Figure 9 shows nine values to regular intervals of the gas flow velocity in the tube 18, related to the speed of sound (therefore to the number of Mach) depending on the position in the tube 18 during a cycle, while the diagram in Figure 10 shows the distribution of gas pressure relative to pressure average during the same cycle.
- the pressure diagram clearly shows that with a appropriate sizing of the tube, no shock occurs at the resonance conditions of the tube 18.
- the pressure in the Stirling 2 volume varies sinusoidally.
- the pressure and speed are orthogonal functions, that is to say that if the pressure takes an extreme value, the gas speed is null and vice versa.
- the range indicated takes account of the fact that, on the one hand, the coefficient of friction of the gas in unsteady state can differ from that of an established regime, on the other hand that the roughness of the tubes is known only approximately.
- the volumes of gas displaced are of the order of a hundred cm 3 .
- the cylindrical parts of the tube typically have diameters of 2.5 to 4cm. It can easily be curved or rolled up so that the entire device occupies as small a volume as possible.
- the device illustrated in FIG. 3 can have a height of 90cm, a width of 60cm and a depth of 40cm.
- FIG. 11 Such a variant is illustrated by FIG. 11 in which we find the end of the free piston 6a 'and that of the resonance tube 18' communicating with the cold room or compression volume V C.
- a rod 21 is slidably mounted in a cylindrical guide 22 by linear bearings 31.
- a connecting rod 23 is articulated by one end to the rod 21 and by its other end, to a crankshaft 24 integral with the axis of a rotary electric generator for example, mounted in an enclosure 25.
- the tubular resonator 18 can be constituted by two identical tubular elements arranged in opposition diametral with respect to said transfer piston 6, of so as to balance the lateral forces exerted on this piston 6.
- the tubular resonator 18 can be connected to the expansion volume V E or hot compartment of the Stirling engine, provided that the whole of this tube is kept warm and does not constitute a heat sink.
- FIG. 12 illustrates a variant in which the Helmhotz volume 19 is placed in a heating enclosure 26, heated by gaseous, liquid or solid fuels, while the tube 18 is surrounded by thermal insulation 27. It is thus possible to increase the temperature of the working gas contained in the tubular resonator 18 above the temperature T H of this gas in the expansion volume V E. The tubular resonator 18, 19 can then partially or entirely replace the hot exchanger 7 of the Stirling engine.
- the tubular resonator 18, 19 has a considerable exchange surface and thanks to the periodic flow which is established therein, the internal heat transfer is favorable. Due to the standing wave regime which is established in this resonator, its internal volume is not part of the dead volume of the Stirling engine.
- FIG. 13 shows a configuration in which the tubular resonator 18 is integrated in a high temperature solar collector.
- the tube 18 of the resonator is put in the form of a helix, placed inside a cylindrical or conical cavity 28.
- One end of this tubular resonator 18 opens in a volume of Helmholtz 19, while that the other end communicates with the expansion volume V E of the Stirling engine, of which the transfer piston 6 and the regenerator 9 have been shown.
- FIG. 14 very schematically illustrates the combination of four Stirling engines of which it has been shown that the respective compression volumes V CA , V CB , V CC , V CD , alternatively the respective expansion volumes V EA , V EB , V EC , V ED , connected by four tubular resonators T 1 , T 2 , T 3 and T 4 .
- the whole forms a closed loop, each volume V being connected to two other neighboring volumes, the whole forming a square of which the resonance tubes T 1 to T 4 constitute the sides, the volumes V CA to V CD , alternately V EA to V ED being arranged at the corners.
- This configuration makes it possible to increase the thermal power by associating machines with each other according to a modular design.
- the section variations given to the tubes T 1 to T 4 also make it possible to balance the dynamic forces of the movement of the working gas in these tubes.
- FIG. 15 simply shows two pairs of motors whose compression volumes V CA , V CB , respectively V CC , V CD , alternatively the expansion volumes V EA , V EB , respectively V EC , V ED , are connected by two tubular resonators T 1 , respectively T 2 , while the compression volumes V CA and V CC on the one hand, and the compression volumes V CB and V CD , on the other hand, alternately the expansion volumes V EA and V EC on the one hand and the expansion volumes V EB and V ED , on the other hand, are connected to each other by connecting tubes T C1 and T C2 whose role is to ensure that the pressures of the compression volumes, alternately of expansion, thus connected are the same since the motors arranged diagonally are in phase.
- FIG. 16 shows two Stirling engines illustrated by their only compression volumes V CI , V CII , alternatively their expansion volumes V EI , V EII connected by a tubular resonator 18.
- FIG. 17 shows the heating of a tubular resonator 18 connecting two Stirling engines as illustrated by FIGS. 14 to 16, arranged in a heating enclosure 26.
- the respective ends of the tube 18 of this resonator communicate with the expansion volumes V EI , V EII of two Stirling engines.
- V EI , V EII expansion volumes
- the tube 18 of the resonator common to these two motors also constitutes a heating element common to these two motors. It would also be possible to use several resonance tubes 18 in parallel in order to increase the exchange surface and improve the heat transfer.
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Abstract
Ce procédé est destiné à générer et transmettre de l'énergie mécanique d'un piston de transfert (6) d'un moteur Stirling à un organe consommateur d'énergie (11), le piston de transfert (6) étant monté dans un cylindre (2). On exerce une force élastique de rappel sur ce piston de transfert (6) par l'intermédiaire d'une tige (6a) solidaire de ce piston (6) et on crée entre la section (aP) de ladite tige (6a) et celle (a) dudit piston de transfert (6) un rapport apte à produire la totalité de ladite énergie mécanique et à la transmettre audit organe consommateur d'énergie (11). On forme une onde de pression, en reliant un résonateur pneumatique (18) à l'une desdites chambres froide (VC), chaude (VE) et en l'ajustant de façon que l'onde de pression soit amplifiée et déphasée par rapport au déplacement dudit piston de transfert (6). <IMAGE>
Description
La présente invention se rapporte à un procédé pour
générer et transmettre une énergie mécanique d'un piston de
transfert d'un moteur Stirling à un organe consommateur
d'énergie, le piston de transfert étant monté dans un cylindre,
selon lequel on déplace périodiquement du gaz entre une
chambre chaude et une chambre froide ménagées aux extrémités
respectives de ce cylindre en le faisant passer à travers un
échangeur chaud relié à une source chaude, un régénérateur
et un échangeur froid relié à une source froide et on exerce
une force élastique de rappel sur ce piston de transfert.
Cette invention se rapporte également à un dispositif pour
la mise en oeuvre de ce procédé.
Les moteurs Stirling à piston libre ont été considérés
depuis longtemps comme une solution idéale pour des unités
de couplage chaleur-force servant à la production d'énergie
thermique et mécanique pour des habitations. La possibilité
d'augmenter le degré d'utilisation du combustible fossile,
la propreté, le processus de combustion externe silencieux
constituent les arguments principaux en faveur de l'application
de cette technologie aux habitations. Cependant jusqu'ici,
la complexité et le prix élevé de telles unités ont
empêché son emploi.
On a récemment proposé d'associer un piston moteur à un
piston de transfert d'un moteur Stirling et de fixer les aimants
inducteurs d'un alternateur électrique à ce piston moteur
pour les déplacer par rapport aux enroulements de l'induit
de cet alternateur. Ce concept prometteur présente cependant
l'inconvénient de nécessiter deux pistons coaxiaux,
mobiles l'un par rapport à l'autre, qui doivent être guidés
avec une grande précision. En effet, la tige du piston de
transfert est montée coulissante dans un volume fermé rempli
de gaz du piston moteur, qui joue le rôle de moyens de rappel
élastiques. Ce système nécessite également un asservissement
de manière à régler le déphasage entre ces pistons.
Un tel système est développé par la firme américaine Sun-power
Inc. Athens, Ohio, et a fait notamment l'objet d'un
article intitulé « Development of a 3kW free-piston Stirling
engine with the displacer gas-spring partially sprung to the
power piston » G. Chen et J. McEntee, Proceedings of the
26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference,
vol. 5, p. 233-238. Un fort couplage élastique entre les
deux pistons indique qu'une fraction substantielle de
l'énergie motrice induite est engendrée par les forces du
gaz agissant sur le piston de transfert et transférée par
l'accouplement élastique au piston moteur. Les auteurs de
l'article affirment que 2/3 de l'énergie totale est produite
par le piston de transfert du moteur Stirling. Dans ce
moteur, ce piston sert donc non seulement à transférer le
gaz entre les volumes chaud et froid situés aux deux extrémités
du cylindre dans lequel se déplace ce piston, mais
aussi à engendrer une partie de l'énergie motrice.
On pourrait certes se demander légitimement, dès lors,
si il ne serait pas possible de produire la totalité de
l'énergie motrice à l'aide du piston de transfert et
d'associer la partie mobile du générateur électrique à
celui-ci. Une telle hypothèse à elle seule ne résoudrait
cependant pas les problèmes susmentionnés. En effet, le
déphasage nécessaire entre les deux pistons coaxiaux devant
subsister pour permettre la production d'énergie et son
transfert, les problèmes de guidage et d'asservissement
resteraient inchangés.
Le but de la présente invention est de remédier au
moins en partie aux inconvénients susmentionnés.
A cet effet, cette invention a tout d'abord pour objet
un procédé pour produire et transmettre une énergie mécanique
d'un piston de transfert d'un moteur Stirling à un organe
consommateur d'énergie, tel que défini par la revendication
1. Cette invention a également pour objet un dispositif
pour la mise en oeuvre de ce procédé, selon la revendication
9.
Le remplacement du piston moteur par un résonateur
pneumatique entièrement statique permet non seulement de
simplifier considérablement le dispositif, comme ceci est
évident, puisque ce procédé permet de supprimer le piston
moteur, mais aussi de faciliter l'asservissement comme on
l'expliquera par la suite. Ceci signifie que non seulement
l'invention permet de simplifier sensiblement le dispositif
et d'en réduire les coûts de production, mais aussi que la
fiabilité du dispositif s'en trouve accrue. Or pour qu'un
tel dispositif présente un intérêt économique, il faut non
seulement qu'il puisse être produit à un prix compétitif,
mais qu'il soit capable de fonctionner aussi de nombreuses
années sans nécessiter aucun entretien ni réglage.
D'autres particularités et avantages du procédé et du
dispositif objets de l'invention apparaítront à la lecture
de la description qui suit, ainsi que du dessin annexé, qui
illustre, schématiquement et à titre d'exemple, deux formes
d'exécution et diverses variantes de ce dispositif.
Le dispositif illustré par la figure 1 comporte un
carter allongé 1 formé de deux compartiments cylindriques 2,
3, assemblés sur un élément intermédiaire 4, jouant le rôle
de bâti. Le compartiment cylindrique 2 comporte un logement
cylindrique 5, constituant un volume de travail, dans lequel
un piston de transfert 6 est monté libre de se déplacer dans
l'axe longitudinal du logement cylindrique 5. A une extrémité,
le volume situé entre le piston 6 et l'extrémité externe
du logement 5 est celui qui est en contact avec un échangeur
chaud 7 relié à une source chaude (non représentée) et constitue
la chambre chaude ou volume d'expansion VE du moteur
Stirling, tandis qu'à l'autre extrémité de ce logement cylindrique
5, on trouve un volume en contact avec un échangeur
froid 8 relié à une source froide (non représentée),
qui constitue la chambre froide ou volume de compression VC
du moteur Stirling. Un régénérateur 9 est disposé entre les
échangeurs chaud 7 et froid 8.
L'extrémité du piston 6 adjacente à la chambre froide
VC comporte une tige de piston 6a, engagée dans un volume
fermé 10 rempli de gaz et qui constitue un organe de rappel
élastique du piston de transfert 6.
Le compartiment cylindrique 3 renferme un volume dans
lequel un élément mobile d'un alternateur, dans cet exemple,
l'inducteur 11 constitué par un élément cylindrique portant
des aimants permanents, est solidaire de la périphérie d'un
organe annulaire 12, dont le bord interne est solidaire d'un
organe de suspension élastique 14, constitué par des ressorts
plats annulaires, dont les bords périphériques sont
fixés au bâti 4 et dont les bords internes sont solidaires
d'une tige 17 dont une extrémité est fixée à la tige 6a du
piston 6. Le bord interne d'un second organe de suspension
élastique 15 semblable à l'organe 14, est fixé à l'autre
extrémité de la tige 17, tandis que sa périphérie est fixée
à un support 13 solidaire du bâti 4. L'induit de l'alternateur
est formé par des enroulements 16.
Les tiges 6a et 17 traversent le fond du volume fermé
10 ménagé dans l'élément intermédiaire 4 avec un jeu compris
entre 30 et 50µm. Un tel jeu est parfaitement acceptable
aussi bien du point de vue des tolérances de fabrication que
de l'influence des fuites de gaz sur le rendement énergétique
et sur la force de rappel du gaz comprimé dans le volume
fermé 10.
Un résonateur tubulaire 18, dont seule l'extrémité
solidaire du compartiment cylindrique 2 est représentée sur
la figure 1, communique avec le volume de compression ou
chambre froide VC du moteur Stirling. Ce résonateur a pour
rôle de remplacer le second piston, qui selon le procédé
objet de l'invention, ne sert plus à produire de l'énergie,
toute l'énergie étant produite par le piston de transfert 6,
comme on l'expliquera ci-après, mais sert à amplifier l'onde
de pression et à assurer un déphasage approprié entre le
déplacement du piston de transfert 6 et les variations de
pression p dans le volume de travail.
Comme illustré par la figure 3, l'autre extrémité de ce
résonateur tubulaire 18 se termine avantageusement dans un
volume de Helmholtz 19. Dans ce cas, de préférence, la partie
de ce résonateur qui se trouve dans le volume Helmholtz
se termine par un évasement 18a.
Le piston de transfert 6 joue alors le double rôle de
transfert du gaz entre la chambre chaude VE et la chambre
froide VC et de production de toute l'énergie motrice transmise
à l'inducteur 11, pour autant que certaines conditions,
dont nous allons parler maintenant, soient remplies.
Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de
déterminer le rapport entre la surface ap de la tige 6a du
piston 6 et celle a du piston lui-même.
L'analyse du cycle isothermique montre que la pression
du gaz dans le volume de travail devient indépendante de la
position du piston 6 si:
aP a = TH - TC TH
Le fonctionnement du moteur est possible seulement si
le rapport de surface aP/a est inférieur à cette limite,
c'est-à-dire que le déplacement du piston 6 doit induire une
composante de pression pX (fig. 4) qui doit être opposée au
déplacement X du piston 6. Le déplacement du piston de
transfert 6 est positif si celui-ci se déplace en direction
du volume VE. La variation de la quantité de gaz WG dans le
volume de travail du Stirling donne lieu à une variation de
pression pW, qui est en phase avec WG. La variation de la
pression p dans le volume de travail du Stirling correspond
à la somme vectorielle des deux pressions partielles pX et
pW.
La figure 5 montre la variation de la position X du
piston 6 et la variation de la pression en fonction du temps
(ou de l'angle Φ). Cette représentation correspond schématiquement
à celle de la figure 4. Lorsque la pression
diminue, le gaz se trouve en grande partie dans la chambre
chaude ou de détente; lorsqu'elle augmente, le gaz se trouve
essentiellement dans la chambre froide ou de compression.
Pour produire de l'énergie, il faut que le déplacement X du
piston 6 précède la variation de pression p.
La figure 6 représente la variation de la quantité de
gaz WG dans le volume de travail Stirling et la pression p
dans ce volume. Lorsque le gaz s'écoule vers le résonateur
tubulaire 18 (WG diminue), la pression est plus grande que
durant son retour (WG augmente). Il y a donc un transport
d'énergie du volume Stirling vers le tube, qui compense les
pertes par frottement dans ce résonateur tubulaire 18.
Afin que p soit en retard sur WG, la figure 4 montre
que pX doit être opposé à X. Si pX devient nul, ou orienté
en direction de X, aucune énergie n'est transmise vers le
résonateur tubulaire 18 pour compenser les pertes par frottement.
Par conséquent, l'onde de pression ne peut pas être
maintenue et la machine cesse de fonctionner.
Suite à une étude d'optimisation effectuée à l'aide
d'un programme informatique spécialement adapté pour le
calcul des cycles Stirling selon la présente invention, les
résultats ont montré que le rapport des sections aP/a doit
se situer entre 0,4 et 0,6, de préférence entre 0,45 et
0,55.
La figure 7 donne un exemple de rendement du cycle ηC
calculé en fonction du travail fourni par cycle E, avec la
température de paroi TH de la chambre chaude VE et l'amplitude
X du piston 6 comme paramètre. La température de
l'échangeur froid T est égale à 50°C. Le rendement net du
moteur peut être obtenu en multipliant le rendement du cycle
par le rendement des moyens de chauffage et celui de
l'alternateur.
Ce diagramme montre que dans une gamme relativement
grande d'amplitudes du piston, on peut obtenir de bons
rendements, les valeurs les plus élevées étant atteintes à
charge partielle. Ces rendements sont légèrement inférieurs
à ceux du dispositif de l'état de la technique susmentionné,
mais cette très légère baisse est largement compensée par la
simplification apportée au dispositif.
Le moteur devrait toujours fonctionner à des températures
de la chambre chaude comprises entre 600° et 700°C. Dans
cette gamme, la température TH de la chambre chaude VE
influence principalement la puissance, dans une moindre
mesure le rendement. Mais en abaissant la température à 400-500°C,
le rendement et la puissance diminuent fortement,
essentiellement parce que, dans ces conditions, la variation
de pression pX induite par le mouvement du piston devient
petite et finalement disparaít complètement.
La rigidité latérale de la suspension mécanique du
piston 6 est assurée par des ressorts plats 14, 15 du type
de ceux décrits dans « Recent developments in cryocoolers »
Ray Radebaugh 19TH International Congress of Réfrigeration
1995 Proceedings Volume IIIb, lui permet d'osciller
parfaitement selon l'axe longitudinal du logement cylindrique
5, de sorte que les paliers pneumatiques pour le centrer
ne sont pas nécessaires. Lors de l'assemblage initial, le
piston 6 peut être centré avec une grande précision. En
raison de la suspension pneumatique de ce piston 6 et par
conséquent, des faibles forces nécessaires pour les éléments
de suspension élastiques constitués par les ressorts plats
annulaires 14 et 15, on peut augmenter l'amplitude du piston
6 de 25% à 50% par rapport au dispositif décrit dans « Free-piston
Stirling design features » Neill W. Lane et al. 8TH
International Stirling Engine Conference and Exhibition May
27-30, 1997 Ancona. Cette augmentation d'amplitude conduisant
à une augmentation des vitesses linéaires, permet de
réduire les dimensions de l'alternateur. Dans des conditions
de fonctionnement inchangées, on peut atteindre des quantités
d'énergie similaires.
L'utilisation d'un seul piston mobile simplifie le démarrage
et le contrôle de puissance de manière significative
par rapport aux systèmes Stirling conventionnels à piston
libre. La rigidité de la suspension du piston 6 et par
conséquent, l'angle de phase peuvent être ajustés en réglant
la pression du gaz dans le volume de travail du Stirling. La
fréquence naturelle du résonateur tubulaire 18 peut être
ajustée en variant la composition du gaz, c'est-à-dire sa
masse moléculaire.
Le démarrage du moteur est ensuite exécuté en portant
tout d'abord la température du gaz dans la chambre chaude VE
à une valeur TH à laquelle la pression du gaz de travail
devient indépendante de la position du piston. La charge du
moteur est ainsi réduite à un minimum (pertes par frottement
interne du moteur et par l'écoulement périodique à travers
les échangeurs et le régénérateur). Après le démarrage, la
température TH sera ajustée à la température de travail
optimum.
Le contrôle de la puissance s'effectue très facilement.
On règle l'amplitude du piston 6 et par conséquent la
puissance du moteur, en ajustant la force de freinage
exercée par l'alternateur à une valeur déterminée. Pour des
températures données du gaz TH, TC dans les chambres chaude
respectivement froide, la puissance de sortie varie
proportionnellement à l'amplitude du piston 6. La puissance
de chauffage du brûleur (non représenté) destiné à chauffer
le gaz de la chambre chaude VE est ajustée en continu pour
maintenir la température TH désirée dans cette chambre chaude
ou d'expansion VE. Dans des conditions normales, l'amplitude
du piston peut donc être contrôlée avec précision. Il
n'est donc pas nécessaire de prévoir de volume mort supplémentaire
pour éviter des chocs en cas de dépassement d'amplitude
accidentel du piston. Il est seulement nécessaire
d'empêcher que le piston ne dépasse une amplitude maximum en
cas de panne dans le réseau électrique auquel est associé
l'alternateur.
Toute non linéarité de la rigidité de la suspension du
piston libre 6 a un effet marginal sur sa phase étant donné
qu'il est couplé à une charge et se comporte comme un oscillateur
fortement amorti.
Une fois que l'ensemble du dispositif est scellé, la
fréquence naturelle du résonateur tubulaire 18 dépend seulement
de la température moyenne du gaz de travail qui s'y
trouve. Cette température peut être réglée avec précision à
la valeur désirée au moyen d'un échangeur de chaleur supplémentaire
20 disposé dans le volume Helmholtz 19 et en
contrôlant l'énergie thermique extraite. Ceci permet d'ajuster
l'angle de phase du résonateur par rapport aux autres
variables du système. L'extraction de chaleur du résonateur
tubulaire 18 permet de diminuer le refroidissement du gaz
situé dans la chambre froide VC, ce qui permet de simplifier
l'échangeur froid du moteur Stirling. Son volume mort et/ou
ses pertes par frottement pneumatique peuvent être réduits,
apportant un avantage supplémentaire au dispositif objet de
la présente invention.
La pression du gaz de travail dans le volume Stirling
varie de manière cyclique en fonction de l'oscillation de
l'onde de pression dans le résonateur tubulaire 18. En
faisant varier de façon appropriée la section du tube, comme
on l'expliquera ci-après, on peut obtenir des variations de
pression presque parfaitement sinusoïdales. La dissipation
d'énergie est alors exclusivement due aux pertes par frottement
du fluide et restent modérées, au moins pour les variations
de pression considérées dans cette application. Les
paramètres du résonateur tubulaire 18 dont un exemple suit,
doivent être ajustés à ceux du processus Stirling pour
garantir que ces composants interagissent de manière convenable,
c'est-à-dire que l'onde est entraínée par le cycle
Stirling et que les variations de pression résultantes maintiennent
la périodicité du cycle Stirling.
A titre d'exemple, le résonateur tubulaire 18 peut
avoir une longueur totale y compris le volume Helmholtz 19,
d'environ 1,6m, et une température T de 40°C. La pression
moyenne p0 du gaz est de 4MPa et la fréquence de résonance
de ce résonateur est de 50Hz. Pour limiter la longueur du
tube on utilisera avantageusement un gaz plus lourd que
l'hélium, tel qu'un mélange d'hélium et d'argon ou de
dioxyde de carbone avec une masse moléculaire M du gaz de 14
kg/kmol. La section minimale Smin du résonateur tubulaire 18
est, dans cet exemple, de 4,75cm2. Le volume de gaz VS du
moteur Stirling 2 est de 1000cm3, tandis que celle du volume
de Helmholtz 19 est de 6000cm3.
Avantageusement, le résonateur tubulaire peut être
prolongé à l'intérieur du volume Helmholtz 19. Etant donné
que cette portion du tube est seulement exposée à des
différences de pression limitées, sa paroi peut être mince
et peut ainsi facilement être mise sous forme conique 18a
empêchant la formation d'ondes de pression à front raide.
Un exemple de répartition de la section le long du tube
18 du résonateur est représenté sur le diagramme de la figure
8. L'extrémité gauche du diagramme correspond à l'extrémité
du tube 18 en communication avec le compartiment Stirling
2, tandis que l'extrémité droite correspond à celle qui
communique avec le volume Helmholtz 19.
Le diagramme de la figure 9 représente neuf valeurs à
intervalles réguliers de la vitesse d'écoulement du gaz dans
le tube 18, rapportée à la vitesse du son (donc au nombre de
Mach) en fonction de la position dans le tube 18 durant un
cycle, tandis que le diagramme de la figure 10 montre la
répartition de la pression du gaz rapportée à la pression
moyenne durant le même cycle.
Le diagramme des pressions montre clairement qu'avec un
dimensionnement approprié du tube, aucun choc ne se produit
aux conditions de résonance du tube 18. La pression dans le
volume Stirling 2 varie de façon sinusoïdale. La pression et
la vitesse sont des fonctions orthogonales, c'est-à-dire que
si la pression prend une valeur extrême, la vitesse du gaz
est nulle et réciproquement.
Le facteur de qualité calculé du tube 18 se situe entre
25 et 40 pour un rapport de pression dans le volume Stirling
πC = pmax/pmin = 1,1, respectivement entre 15 et 25 pour πC =
1,2. La fourchette indiquée tient compte du fait que, d'une
part, le coefficient de frottement du gaz en régime instationnaire
peut différer de celui d'un régime établi, d'autre
part que la rugosité des tubes n'est connue qu'approximativement.
Dans le cas du moteur Stirling à faible puissance étudié
dans cet exemple, typiquement de l'ordre 2kW à 5kW, les
volumes de gaz déplacés sont de l'ordre d'une centaine de
cm3. Les parties cylindriques du tube ont typiquement des
diamètres de 2,5 à 4cm. Il peut facilement être courbé ou
enroulé de manière à ce que l'ensemble du dispositif occupe
un volume aussi réduit que possible. A titre d'exemple, le
dispositif illustré par la figure 3 peut avoir une hauteur
de 90cm, une largeur de 60cm et une profondeur de 40cm.
La variante illustrée par la figure 2 ne diffère de la
forme d'exécution de la figure 1 que par le fait que l'organe
de rappel élastique du piston de transfert 6, n'est plus
constitué par le volume fermé 10, mais directement par le
compartiment cylindrique 3 renfermant l'alternateur. En
effet, ce compartiment est également un volume fermé et peut
donc aussi servir d'organe élastique de rappel et remplacer
ainsi le volume 10 de la forme d'exécution de la figure 1.
Jusqu'ici nous n'avons décrit qu'une forme d'exécution
dans laquelle l'énergie mécanique produite est transmise à
un organe à mouvement alternatif comme celui du piston libre
du moteur Stirling. En variante, il serait également possible
de transformer ce mouvement alternatif en un mouvement
rotatif comme ceci est bien connu dans le cas des moteurs à
explosion ou des moteurs à vapeur.
Une telle variante est illustrée par la figure 11 sur
laquelle on retrouve l'extrémité du piston libre 6a' et
celle du tube de résonance 18' communiquant avec la chambre
froide ou volume de compression VC. Une tige 21 est montée
coulissante dans un guidage cylindrique 22 par des roulements
linéaires 31. Une bielle 23 est articulée par une
extrémité à la tige 21 et par son autre extrémité, à un
vilebrequin 24 solidaire de l'axe d'un générateur électrique
rotatif par exemple, monté dans une enceinte 25.
Dans une variante non représentée des figures 1 à 3
notamment, le résonateur tubulaire 18 peut être constitué
par deux éléments tubulaires identiques disposés en opposition
diamétrale par rapport audit piston de transfert 6, de
manière à équilibrer les forces latérales qui s'exercent sur
ce piston 6.
En variante, le résonateur tubulaire 18 peut être relié
au volume d'expansion VE ou compartiment chaud du moteur
Stirling, à condition que l'ensemble de ce tube soit maintenu
chaud et ne constitue pas un puits de chaleur. La figure
12 illustre une variante dans laquelle le volume Helmhotz 19
est placé dans une enceinte de chauffage 26, chauffée par
des combustibles gazeux, liquides ou solides, alors que le
tube 18 est entouré par une isolation thermique 27. On peut
ainsi augmenter la température du gaz de travail contenu
dans le résonateur tubulaire 18 au-dessus de la température
TH de ce gaz dans le volume d'expansion VE. Le résonateur
tubulaire 18, 19 peut alors se substituer en partie ou entièrement
à l'échangeur chaud 7 du moteur Stirling. Il en
résulte ainsi l'économie partielle ou totale d'un échangeur
compliqué, coûteux et difficile à optimiser (surface d'échange
suffisante avec un volume mort réduit et de faibles
pertes de charge). Le résonateur tubulaire 18, 19 présente
une surface d'échange considérable et grâce à l'écoulement
périodique qui s'établit dans celui-ci, le transfert interne
de chaleur est favorable. En raison du régime d'ondes stationnaires
qui s'établit dans ce résonateur, son volume interne
ne fait pas partie du volume mort du moteur Stirling.
Le principe de fonctionnement du cycle Stirling reste
le même que celui expliqué à l'aide des figures 4 à 6.
Pour favoriser l'échange de chaleur on peut augmenter
la surface d'échange à l'aide d'ailettes 30 à l'intérieur
et/ou à l'extérieur du volume Helmholtz 19. Etant donné que
le diamètre du tube 18 est déjà de l'ordre de 2 à 4 fois supérieur
à celui de l'échangeur de chaleur 7 et que le diamètre
du volume Helmholtz est encore lui-même 2 à 4 fois supérieur
à celui du tube 18, l'écartement entre les ailettes
peut être sensiblement augmenté. Par conséquent, un tel
échangeur est beaucoup moins sensible à l'encrassement par
des suies ou autres résidus de combustion que les échangeurs
Stirling conventionnels de faible taille. Si nécessaire, il
peut facilement être nettoyé et est donc particulièrement
bien adapté à des systèmes fonctionnant avec des combustibles
solides ou de la biomasse.
La variante illustrée par la figure 13 montre une configuration
dans laquelle le résonateur tubulaire 18 est
intégré dans un collecteur solaire à haute température. A
cet effet, le tube 18 du résonateur est mis sous une forme
d'hélice, placée à l'intérieur d'une cavité cylindrique ou
conique 28. Une extrémité de ce résonateur tubulaire 18
s'ouvre dans un volume de Helmholtz 19, tandis que l'autre
extrémité communique avec le volume d'expansion VE du moteur
Stirling, dont on a représenté le piston de transfert 6 et
le régénérateur 9. Un miroir parabolique 29 disposé sous
l'ouverture de la cavité 28, concentre le rayonnement
solaire à l'intérieur de celle-ci.
Un des avantages de cette solution réside dans le fait
qu'un tel collecteur est relativement peu sensible à la
répartition exacte du rayonnement solaire incident, étant
donné que le mouvement périodique du gaz dans le tube 18 du
résonateur assure une répartition uniforme de la température
dans celui-ci. Un autre avantage résulte du fait que lors de
l'apparition du soleil, au moment où un niveau de température
TH du gaz dans la chambre chaude VE est atteint, le
moteur Stirling se met facilement en marche; le risque d'une
surchauffe instantanée du collecteur est ainsi diminué.
Une autre variante (figure 14) illustre très schématiquement
la combinaison de quatre moteurs Stirling dont on a
montré que les volumes de compression respectifs VCA, VCB,
VCC, VCD, alternativement les volumes d'expansion respectifs
VEA, VEB, VEC, VED, reliés par quatre résonateurs tubulaires
T1, T2, T3 et T4. L'ensemble forme une boucle fermée, chaque
volume V étant relié à deux autres volumes voisins, le tout
formant un carré dont les tubes de résonance T1 à T4
constituent les côtés, les volumes VCA à VCD, alternativement
VEA à VED étant disposés aux angles. Cette configuration
permet d'augmenter la puissance thermique en associant entre
elles des machines selon une conception modulaire.
Lorsque deux moteurs sont couplés par l'intermédiaire
d'un résonateur tubulaire dans une configuration symétrique,
ils travaillent en opposition de phase. Lorsque l'on a
quatre moteurs disposés aux sommets d'un carré comme dans la
figure 14, les moteurs qui sont sur une même diagonale sont
en phase et sont déphasés de 180° par rapport aux deux
autres moteurs disposés sur l'autre diagonale. Les forces
transmises à l'extérieur par cet ensemble sont entièrement
compensées, ce qui permet de réduire les vibrations transmises
à l'extérieur.
Les variations de section données aux tubes T1 à T4
permettent également d'équilibrer les forces dynamiques du
mouvement du gaz de travail dans ces tubes.
La variante de la figure 15 montre simplement deux
paires de moteurs dont les volumes de compression VCA, VCB,
respectivement VCC, VCD, alternativement les volumes d'expansion
VEA, VEB, respectivement VEC, VED, sont reliés par deux
résonateurs tubulaires T1, respectivement T2, alors que les
volumes de compression VCA et VCC d'une part, et les volumes
de compression VCB et VCD, d'autre part, alternativement les
volumes d'expansion VEA et VEC d'une part et les volumes
d'expansion VEB et VED, d'autre part, sont reliés les uns aux
autres par des tubes de liaison TC1 et TC2 dont le rôle est
d'assurer que les pressions des volumes de compression,
alternativement d'expansion, ainsi reliés sont les mêmes
étant donné que les moteurs disposés en diagonales sont en
phase.
La figure 16 montre deux moteurs Stirling illustrés par
leurs seuls volumes de compression VCI, VCII, alternativement
leurs volumes d'expansion VEI, VEII reliés par un résonateur
tubulaire 18.
La figure 17 montre le chauffage d'un résonateur tubulaire
18 reliant deux moteurs Stirling comme illustré par
les figures 14 à 16, disposé dans une enceinte de chauffage
26. Les extrémités respectives du tube 18 de ce résonateur
communiquent avec les volumes d'expansion VEI, VEII de deux
moteurs Stirling. Ainsi le tube 18 du résonateur commun à
ces deux moteurs constitue également un élément de chauffage
commun à ces deux moteurs. Il serait également envisageable
d'utiliser plusieurs tube de résonance 18 en parallèle afin
d'augmenter la surface d'échange et d'améliorer le transfert
de chaleur.
Claims (17)
- Procédé pour générer et transmettre de l'énergie mécanique d'un piston de transfert (6) d'un moteur Stirling à un organe consommateur d'énergie (11), le piston de transfert (6) étant monté dans un cylindre (2), selon lequel on déplace périodiquement du gaz entre une chambre chaude (VE) et une chambre froide (VC) ménagés aux extrémités respectives de ce cylindre (2) en le faisant passer à travers un échangeur chaud (7) relié à une source chaude, un régénérateur (9) et un échangeur froid (8) relié à une source froide et on exerce une force élastique de rappel sur ce piston de transfert (6) par l'intermédiaire d'une tige (6a) solidaire de ce piston (6), caractérisé en ce que l'on crée entre la section (aP) de ladite tige (6a) et celle (a) dudit piston de transfert (6) un rapport apte à produire la totalité de ladite énergie mécanique et à la transmettre audit organe consommateur d'énergie (11) et que l'on forme une onde de pression, en reliant un résonateur pneumatique (18) à l'une desdites chambres froide (VC), chaude (VE) et en l'ajustant de façon que l'onde de pression soit amplifiée et déphasée par rapport au déplacement dudit piston de transfert (6), de manière à produire ladite énergie mécanique et de transmettre à ce résonateur pneumatique (18) une énergie apte à compenser ses pertes par frottement.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport (ap/a) que l'on crée entre la section (aP) de ladite tige (6a) et celle (a) dudit piston (6) est compris entre 40 et 60%.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on fait sortir de manière étanche ladite tige (6a) dudit cylindre (2) pour la mettre en communication avec un volume fermé (3) dans lequel on dispose ledit organe consommateur d'énergie (11) et on exerce ladite force de rappel élastique à l'aide des variations de pression du gaz contenu dans ledit volume fermé (3), consécutivement aux déplacements de ladite tige (6a).
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour éviter la formation d'ondes à fronts raides, on fait varier la section d'un conduit tubulaire (18) destiné à former ledit résonateur pneumatique.
- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on dispose un volume de Helmholtz (19) à l'extrémité dudit conduit tubulaire (18) opposée à celle reliée à l'une desdites chambres froide (VC) chaude (VE) dudit moteur Stirling.
- Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'on dispose une partie (18a) du conduit tubulaire (18) à section variable à l'intérieur du volume Helmholtz (19).
- Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'on refroidit de manière contrôlée le gaz contenu dans ledit volume Helmholtz (19).
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on ajuste la fréquence propre dudit résonateur (18) en mélangeant des gaz dans une proportion déterminée.
- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit piston (6) est cinématiquement solidaire dudit organe consommateur d'énergie (11).
- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit organe consommateur d'énergie (11) est constitué par la partie mobile d'un générateur électrique.
- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite force de rappel élastique exercée sur ledit piston (6) est engendrée par un espace fermé (10, 3) rempli de gaz sous une pression déterminée, fonction de la fréquence propre désirée pour ledit piston (6) et dont une des parois est constituée par une portion de ladite tige de piston (6a).
- Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que quatre moteurs Stirling sont reliés les uns aux autres au moyen de quatre résonateurs tubulaires, les pistons de transfert de deux moteurs Stirling non adjacents travaillant en phase et les deux autres en opposition de phase.
- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit organe consommateur d'énergie est un organe rotatif, relié audit piston par un embiellage, des moyens de guidage linéaires étant associés audit piston.
- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit résonateur est constitué par deux éléments tubulaires identiques disposés en opposition diamétrale par rapport audit piston de transfert.
- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit résonateur tubulaire (18) est relié à la chambre chaude (VE) du moteur Stirling et qu'il est associé à des moyens de chauffage constituant la source chaude dudit moteur Stirling. 12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que chaque extrémité du résonateur tubulaire (18) est relié à l'une des chambres froide (VC) chaude (VE) d'un moteur Stirling.
- Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11 et 15, caractérisé en ce que chaque extrémité du résonateur tubulaire (18) est relié à l'une des chambres froide (VC), chaude (VE) d'un moteur Stirling.
- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage présentent la forme d'un collecteur de rayonnement solaire (28, 29).
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