EP3585993B1 - Système de refroidissement régénératif - Google Patents
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- EP3585993B1 EP3585993B1 EP18707106.3A EP18707106A EP3585993B1 EP 3585993 B1 EP3585993 B1 EP 3585993B1 EP 18707106 A EP18707106 A EP 18707106A EP 3585993 B1 EP3585993 B1 EP 3585993B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02G1/057—Regenerators
Definitions
- the present invention relates to a regenerative cooling system which constitutes, among other things, an improvement of the heat engine with transfer-expansion and regeneration which was the subject of patent application No. FR 15 51593 of February 25, 2015 owned by the applicant and the patent published on 1 September 2016 under No. US 2016/0252048 A1 which also belongs to the applicant.
- said cycle leads to engines which deliver an efficiency which is substantially higher than that of spark ignition engines. Said efficiency is comparable to that of fast diesel engines. However, it is still lower than that of slow, very large displacement two-stroke diesel engines found, for example, in naval propulsion or stationary electricity production.
- the thermal engine with transfer-expansion and regeneration which is the subject of patent application No. FR 15 51593 and documents FR3032235 and WO2016120560 has been designed to remedy these shortcomings.
- Said engine has the particularity of using the regenerated Brayton cycle no longer by means of centrifugal compressors and turbines, but by means of positive displacement machines or at least by means of a positive pressure regulator formed around a "cylinder". regulator ".
- each end of said expansion cylinder is closed by an expansion cylinder head.
- said cylinder accommodates a double-acting expansion piston to form two transfer-expansion chambers of variable volume.
- Said piston can move in the expansion cylinder to transmit work to a power output shaft via a connecting rod and a crankshaft known per se.
- the volumetric regulator is effectively made up of a cylinder, which is not taught by the state of the art, which reports related machines.
- the patent US 2003/228237 A1 of December 11, 2003 includes a compressor, a regeneration heat exchanger, a heat source and an expander, however, the latter is not a cylinder but what the inventors authors of said patent have called a "gerotor".
- the second condition is that the inlet and outlet of the gases in the pressure reducing cylinder are regulated by duly phased intake and exhaust metering valves, which leads to the "pressure / volume" diagram to which a figure in the figure is devoted.
- the third condition is that the sealing device between the piston and the cylinder can operate at very high temperature.
- This new sealing device and without direct contact with the expansion cylinder makes it possible to operate said cylinder at high temperature, while the intake and exhaust metering valves included in the cylinder heads which close said cylinder make it possible to maximize the efficiency of the cylinder. thermal engine with transfer-expansion and regeneration.
- the internal walls of the expansion cylinder must be brought to high temperature so that the hot gases introduced into said cylinder do not cool on contact with said cylinder. walls, or at least, are cooled as little as possible by said walls. This applies at least to the internal walls of the expansion cylinder proper, and to those of the cylinder heads with which said cylinder cooperates.
- the patent application FR 15 51593 provides that the expansion cylinder, the cylinder heads of the expansion cylinder and the expansion piston of the transfer-expansion and regeneration heat engine can be made of materials resistant to very high temperatures such as ceramics based on alumina, zirconia or carbide silicon.
- the temperature of said gases therefore directly determines the temperature to which the materials constituting the hot parts of the expansion cylinder of the transfer-expansion and regeneration heat engine must withstand.
- the temperature resistance of said materials determines the maximum efficiency accessible by said motor.
- Said materials are mainly ceramics such as alumina, zirconia, silicon carbide or silicon nitride. These materials are hard and difficult to machine. Consequently, the cost price of the finished parts is relatively high, which is a brake on the adoption by the automotive industry of the transfer-expansion and regeneration heat engine which is the subject of the patent application.
- FR 15 51593 FR 15 51593 .
- said industry is aimed at the mass market, it is highly sensitive to the manufacturing cost price, which must remain as low as possible.
- FR 15 51593 belonging to the applicant.
- said system can also be applied without restriction to the regulator of any other regenerating Brayton cycle engine, whether said regulator is of the centrifugal, positive-displacement or some other type, and provided that it cooperates with a regenerator of some kind. type whatever.
- the regenerative cooling system comprises an enclosure inlet port which is connected to the outlet of the gas regulator by an enclosure inlet duct, the effective section of which is regulated by a flow rate regulating valve. .
- the regenerative cooling system comprises an enclosure outlet port which is connected to the regeneration low-pressure duct by an enclosure outlet duct, the effective section of which is regulated by a flow control valve.
- the regenerative cooling system comprises an outlet of the gas regulator which is connected to the low-pressure regeneration duct by an enclosure bypass duct.
- the regenerative cooling system according to the present invention comprises an effective section of the enclosure bypass duct which is regulated by a flow control valve.
- the regenerative cooling system according to the present invention comprises an exterior of the cooling enclosure which is coated with a heat shield.
- Figure 1 is a schematic representation in side view of the regenerative cooling system according to the invention as it can be implemented on the heat engine with transfer-expansion and regeneration object of patent application No. FR 15 51593 belonging to the applicant, and according to a variant of said system according to which the outlet of the gas regulator is connected to the low-pressure regeneration duct by an enclosure bypass duct, while the effective section of said bypass duct and of the outlet duct chamber is regulated by a flow control valve.
- the regenerative cooling system 100 is provided for a regenerative heat engine 1, the latter comprising at least one regeneration heat exchanger 5 which has a high-pressure regeneration duct 6 in which circulates in order to be preheated therein a working gas 81 which has been previously compressed by a compressor 2.
- said gas 81 is superheated by a heat source 12 before being introduced into a gas regulator 78 in which it is expanded to produce work on a power output shaft 17. .
- the working gas 81 is then expelled at the outlet of the gas regulator 78 and then introduced into a low-pressure regeneration duct 7 which the regeneration heat exchanger 5 has, said gas 81 - by circulating in said duct 7 - yielding a large part of its residual heat to the working gas 81 circulating in the high-pressure regeneration duct 6.
- the regenerative cooling system 100 comprises at least one cooling enclosure 79 which surrounds all or part of the gas pressure reducer 78 and / or the heat source 12 and / or a hot gas inlet duct 19 which connects said source 12 to said regulator 78, while a space for the circulation of gases 80 is left between said enclosure 79 on the one hand, and / or said regulator 78 and / or said source 12 and / or said duct 19 of on the other hand, the working gas 81 being able to circulate in said space 80.
- cooling enclosure 79 can be made of stamped or hydro-formed stainless steel sheet, and possibly be made in several parts assembled together by welding, screwing, or riveting, said enclosure then being able to be fixed directly or indirectly on the components 78, 12, 19 that it envelops.
- the figure 1 illustrates that the regenerative cooling system 100 according to the invention further comprises at least one enclosure inlet port 82 which is directly or indirectly connected to the outlet of the gas regulator 78 and through which all or part of the working gas 81 expelled from said regulator 78 via said outlet can enter the gas circulation space 80.
- the regenerative cooling system 100 also comprises at least one enclosure outlet port 83 which is directly or indirectly connected to the low-pressure regeneration duct 7 and via which the working gas 81 can exit from the gas circulation space 80 before being introduced into said low-pressure duct 7.
- the cooling enclosure 79 surrounds the gas regulator 78 and / or the heat source 12 and / or the hot gas inlet duct 19 in a sealed manner so that the working gas 81 cannot enter. in the gas circulation space 80 only through the enclosure inlet port 82, while said gas 81 can only leave said space 80 through the enclosure outlet port 83.
- the enclosure inlet port 82 can be connected to the outlet of the gas regulator 78 by an enclosure inlet duct 84, the effective section of which is regulated by a flow control valve 85, the latter being able to - depending on its position - prohibit, leave free, or restrict the flow of the gas working 81 in said duct 84.
- the enclosure outlet port 83 can be connected to the low-pressure regeneration duct 7 by an enclosure outlet duct 86, the effective section of which is regulated by a flow rate regulating valve 85, the latter being able to - as a function of its position - prohibit, leave free, or restrict the circulation of the gas working 81 in said enclosure outlet duct 86.
- the figure 1 also illustrates that another variant of the regenerative cooling system 100 according to the invention consists in that the outlet of the gas regulator 78 can be connected to the low-pressure regeneration duct 7 by an enclosure bypass duct 87 which allows the working gas 81 expelled at the outlet of the gas regulator 78 to go directly from said outlet to the low-pressure regeneration duct 7 without passing through the gas circulation space 80.
- the effective section of the enclosure bypass duct 87 can optionally be adjusted by a flow rate regulating valve 85, the latter being able - depending on its position - to prohibit, leave free, or restrict the flow of gas. working 81 in said bypass duct 87.
- a heat shield 88 which can be made of any heat-insulating material known to those skilled in the art and which can - in addition to the enclosure cooling 79 - coat the various ducts and hot components that make up the regenerative heat engine 1.
- said heat shield 88 is provided to prevent any excessive heat loss which is unfavorable to the efficiency of the regenerative heat engine 1.
- the regeneration engine 1 here comprises a two-stage compressor 2 which consists in particular of a low-pressure compressor 35 which sucks in the gas working 81 in the atmosphere via a compressor inlet duct 3, the outlet of said compressor low-pressure 35 being connected to the inlet of a high-pressure compressor 36 via a compressor intercooler 37.
- the figure 1 illustrates that at the outlet of the high-pressure compressor 36, the working gas 81 is expelled into the high-pressure regeneration duct 6 which comprises the regeneration heat exchanger 5 which in this case is a counter-current heat exchanger 41 known per se.
- the working gas 81 is expelled from the high-pressure compressor 36 at a pressure of twenty bars and at a temperature of two hundred degrees Celsius.
- the working gas 81 By circulating in the high-pressure regeneration duct 6, the working gas 81 is preheated to a temperature of six hundred and fifty degrees Celsius by the hot working gas 81 which circulates in the adjacent low-pressure regeneration duct 7.
- the efficiency of the regeneration heat exchanger 5 is one hundred percent.
- the working gas 81 which circulates in the low-pressure regeneration duct 7 enters the latter at a temperature of six hundred and fifty degrees Celsius and leaves said duct 7 at a temperature of two hundred degrees Celsius before be released into the atmosphere via the engine outlet duct 33, while the working gas 81 which circulates in the high-pressure regeneration duct 6 enters the latter at a temperature of two hundred degrees Celsius and leaves it at a temperature of two hundred degrees Celsius. temperature of six hundred and fifty degrees Celsius.
- said working gas 81 is then superheated to one thousand four hundred degrees Celsius by the heat source 12 which - according to this exemplary embodiment - consists of a fuel burner 38.
- the working gas 81 is conveyed through a hot gas inlet pipe 19 to the gas expander 78 which is none other than the expansion cylinder 13 of the heat engine with transfer-expansion and regeneration object of patent application N ° FR 15 51593 .
- the hot gas inlet duct 19 is preferably made of ceramic with high temperature resistance until it is connected to an expansion cylinder head 14 covering one or the other end of the expansion cylinder 13.
- the temperature of said duct 19 remains approximately equal to one thousand four hundred degrees Celsius so that the working gas 81 circulating in said duct 19 maintains its temperature throughout its journey.
- each end of the expansion cylinder 13 is capped with an expansion cylinder head 14 so that with a double-acting pressure reducing piston 15 are defined two transfer-expansion chambers 16.
- each cylinder head comprises a metering valve of intake 24 and an exhaust metering valve 31.
- the heat transfer-expansion and regeneration engine being hot, the expansion cylinder 13 and the expansion cylinder heads 14 are maintained at a temperature in the region of seven hundred degrees Celsius. This makes it possible to produce said cylinder 13 and said cylinder heads 14 in a material that is less expensive and more common than ceramic, such as stainless steel or ferritic cast iron with silicon.
- the double-acting expansion piston 15 is for its part, and according to this non-limiting example of embodiment of the regenerative cooling system 100 according to the invention, made of silicon nitride.
- the average operating temperature of said piston 15 is of the order of eight hundred degrees Celsius.
- said piston 15 is connected by mechanical transmission means 19 to a power output shaft 17, said means 19 being in particular constituted by a connecting rod 42 articulated around a crank 43.
- the working gas 81 brought to a pressure of twenty bars and to a temperature of one thousand four hundred degrees Celsius is therefore introduced into one or the other transfer-expansion chamber 16 by the corresponding inlet metering valve 24.
- said gas 81 begins to cool slightly, in particular in contact with the internal walls of the cylinder head 14 which it passes through, and the internal walls of the cylinder head.
- the transfer-expansion chamber 16 into which it is introduced with the aim of being relaxed there by the double-acting pressure reducing piston 15. Said walls are - as we have seen previously - maintained at seven hundred degrees Celsius by the regenerative cooling system 100.
- the double-acting regulator piston 15 having reached its Bottom Dead Center, the exhaust metering valve 31 opens and said piston 15 expels said gas 81 into the enclosure inlet duct 84 which conveys said gas 81 to speaker input port 82.
- the working gas 81 then enters the gas circulation space 80 and then goes via this space to the enclosure outlet port 83. In doing so, said gas 81 licks the hot outer walls of the expansion cylinder 13 and the cylinder heads. expansion cylinder 14. Said outer walls have been provided wholly or partly rough and / or dotted with geometric patterns in order to produce a convective forcing forcing the working gas 81 to take more or less heat from said walls when said gas 81 circulates in contact with said walls.
- the internal geometry of the cooling enclosure 79 and / or the external geometry of the expansion cylinder 13 and / or the external geometry of the expansion cylinder heads 14 can advantageously form channels which force all or part of the working gas 81 to following a route or several simultaneous routes to go from the enclosure entry port 82 to the enclosure exit port 83 via the gas circulation space 80.
- the double strategy of convective forcing and forced route of the working gas 81 makes it possible to choose, first of all, the heat export zones from the hot external walls of the expansion cylinder 13 and the cylinder heads of the expansion cylinder 14 towards said gas 81, on the second hand, the chronological order of sweeping of said zones by said gas 81, and on the third and final part, the intensity of the convective forcing along the route of said gas 81.
- the temperature of the working gas 81 subtracts heat from the hot outer walls of the expansion cylinder 13 and the expansion cylinder heads 14 to the point that the temperature of said gas 81 gradually goes from five hundred and fifty degrees Celsius to six hundred and fifty degrees Celsius. In doing so and in relation to the strategy of convective forcing and route chosen for said gas 81, the latter homogenizes the temperature of the expansion cylinder 13 and of the expansion cylinder heads 14, said temperature being maintained in the vicinity of seven hundred degrees Celsius.
- the working gas 81 having reached its new temperature of six hundred and fifty degrees Celsius, said gas 81 arrives at the enclosure outlet port 83 and joins the low-pressure regeneration duct 7 via the enclosure outlet duct 86.
- the heat extracted from the expansion cylinder 13 and the expansion cylinder heads 14 to maintain them at a temperature of the order of seven hundred degrees Celsius is in no way dissipated in vain.
- said heat is reintroduced into the thermodynamic cycle of the regenerative heat engine 1 to replace part of the heat to be supplied by the fuel burner 38 to bring the working gas 81 to a temperature of one thousand four hundred. degrees Celsius before the latter is directed towards the expansion cylinder 13 and then introduced into the transfer-expansion chambers 16.
- the enclosure bypass duct 87 which comprises a flow rate adjustment valve 85. It is also noted in figure 1 that the enclosure outlet duct 86 also comprises a flow rate adjustment valve 85.
- These two said Valves 85 constitute an alternative embodiment of the regenerative cooling system 100 according to the invention and are provided to regulate the temperature of the expansion cylinder 13 and of the cylinder heads of the expansion cylinder 14.
- the flow rate adjustment valve 85 of the enclosure bypass duct 87 opens said bypass duct 87 while the flow rate adjustment valve 85 of the enclosure outlet duct 86 closes said outlet duct 86.
- This has the effect of preventing the working gas 81 expelled from the transfer-expansion chambers 16 by their respective exhaust metering valve 31 from passing through the exhaust space. circulation of gases 80 to reach the low-pressure regeneration duct 7. Said gas 81 therefore joins said duct 7 directly, via the enclosure bypass duct 87.
- the flow rate control valves 85 are rarely either fully open or fully closed, and that said valves 85 can be kept ajar to regulate the temperature of the expansion cylinder 13 and of the expansion cylinder heads 14 without abrupt variation. working gas flow rate 81 circulating in the gas circulation space 80.
- control device formed, for example, of at least one temperature sensor and a microcontroller known per se, which make it possible to control servomotors of any type whatsoever which each actuates a flow rate adjustment valve 85 on opening or closing.
- the flow rate control valves 85 can also be connected to one another by a mechanical connection to share the same booster. In this case, said connection guarantees that when the first said valve 85 is closed the second is open, and vice versa.
- the regenerative cooling system 100 provides numerous advantages, in particular to the use of the heat engine with transfer-expansion and regeneration which is the subject of patent application No. FR 15 51593 belonging to the applicant.
- the pressure reducing cylinder 13 and the pressure reducing cylinder heads 14 from ceramic material such as, for example, silicon carbide. Indeed, this type of material is notoriously expensive to produce because of its great hardness making it difficult to machine using cutting tools or conventional rectification. Thanks to the regenerative cooling system 100 according to the invention, it is possible to replace said ceramic with cast iron or stainless steel. This greatly reduces the cost of manufacturing the heat transfer-expansion and regeneration engine, which is decisive, in particular for said engine to be able to access the automobile market.
- the expansion cylinder 13 and the expansion cylinder heads 14 being cooler, it is possible to use materials with very low thermal conductivity and high mechanical resistance to compression such as quartz to produce the pillars.
- the expansion valve cylinder heads 14 being maintained at seven hundred degrees Celsius, they can receive pre-existing silicon nitride valves, compatible with these temperature levels.
- Such valves have for example been developed by the company "NGK” and have been the subject of research on their industrialization at low cost in particular within the framework of the project N ° G3RD-CT-2000-00248 entitled “LIVALVES”, financed in within the framework of the fifth European FP5-GROWTH framework program.
- the air cushion segment as provided in patent application No. FR 15 51593 belonging to the applicant can be made of a superalloy which is durably resistant to these temperature levels, without risk for said segment of being subjected to a temperature significantly higher than said seven hundred degrees Celsius, in particular when the heat engine with transfer-expansion and regeneration is stopped and before the latter has cooled.
- the regenerative cooling system 100 makes it possible to limit the temperature to which the heat shields 88 which surround the expansion cylinder 13 and the expansion cylinder heads 14.
- the cooling enclosure 79 is inserted between between said screens 88 on the one hand, and said cylinder 13 and said cylinder heads on the other hand. The cost price and the durability of said screens 88 are thus improved to a considerable extent.
- the regenerative cooling system 100 makes it possible to decouple the existing relationship according to patent application No. FR 15 51593 between the temperature resistance of the constituent materials of the expansion cylinder 13 and the expansion cylinder heads 14 on the one hand, and the temperature of the working gas 81 leaving the fuel burner 38 on the other hand.
- the regenerative cooling system 100 can advantageously be applied to any other regenerative heat engine 1 whose configuration and temperature characteristics are compatible with said system 100.
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Description
- La présente invention est relative à un système de refroidissement régénératif qui constitue entre-autres un perfectionnement du moteur thermique à transfert-détente et régénération ayant fait l'objet de la demande de brevet N°
FR 15 51593 US 2016/0252048 A1 qui appartient également au demandeur. - On connaît le cycle de Brayton à régénération ordinairement mis en oeuvre au moyen de compresseurs centrifuges et de turbines.
- Suivant ce mode de mise en oeuvre, ledit cycle conduit à des moteurs qui délivrent un rendement sensiblement supérieur à celui des moteurs à allumage commandé. Ledit rendement est comparable à celui des moteurs Diesel rapides. Il reste toutefois inférieur à celui des moteurs Diesel deux-temps lents de très grosse cylindrée trouvés par exemple dans la propulsion navale ou la production stationnaire d'électricité.
- Outre un rendement somme toute modeste, les moteurs à compresseurs centrifuges et turbines à cycle de Brayton à régénération délivrent leur meilleur rendement sur une plage de puissance et de régime de rotation relativement étroite. De plus, leur temps de réponse en modulation de puissance est long. Leur champ d'application est à ces divers titres limité et ils sont difficilement adaptables au transport terrestre et particulièrement, à l'automobile et au poids-lourds.
- Le moteur à thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet N°
FR 15 51593 FR3032235 WO2016120560 a été prévu pour palier à ces défauts. Ledit moteur présente la particularité de mettre en oeuvre le cycle de Brayton régénéré non plus au moyen de compresseurs centrifuges et de turbines, mais au moyen de machines volumétriques ou pour le moins, au moyen d'un détendeur volumétrique constitué autour d'un « cylindre détendeur ». - Sur les figures de la demande de brevet N°
FR 15 51593 - Parmi les avantages revendiqués par l'invention objet de la demande de brevet N°
FR 15 51593 - Pour que ces objectifs puissent être atteints, comme l'expose clairement la demande de brevet
FR 15 51593 - La première est que le détendeur volumétrique soit effectivement constitué d'un cylindre, ce que n'enseigne pas l'état de l'art faisant état de machines apparentées. A titre d'exemple, le brevet
US 2003/228237 A1 du 11 décembre 2003 comprend bien un compresseur, un échangeur thermique de régénération, une source de chaleur et un détendeur, toutefois, ce dernier n'est pas un cylindre mais ce que les inventeurs auteurs dudit brevet ont appelé un « gerotor ». - La deuxième condition est que l'entrée et la sortie des gaz dans le cylindre détendeur soient réglées par des soupapes doseuses d'admission et d'échappement dûment phasées, ce qui conduit au diagramme « pression / volume » auquel est consacrée une figure dans la demande de brevet N°
FR 15 51593 - La troisième condition est que le dispositif d'étanchéité entre le piston et le cylindre puisse opérer à très haute température.
- On note que le moteur à thermique à transfert-détente et régénération décrit dans la demande de brevet N°
FR 15 51593 - Ce dispositif d'étanchéité nouveau et sans contact direct avec le cylindre détendeur rend possible le fonctionnement à haute température dudit cylindre, cependant que les soupapes doseuses d'admission et d'échappement que comportent les culasses qui ferment ledit cylindre permettent de maximiser le rendement du moteur à thermique à transfert-détente et régénération.
- Volontairement, le dispositif d'étanchéité innovant basé sur un segment à coussin d'air a été placé dans la demande de brevet N°
FR 15 51593 - Comme cela est clairement exposé dans la demande de brevet
FR 15 51593 - Conformément au principe de la thermodynamique des moteurs énoncé par Sadi Carnot, la demande de brevet
FR 15 51593 - C'est pourquoi la demande de brevet
FR 15 51593 - Les parties chaudes et les composants à haute température du moteur à thermique à transfert-détente et régénération ont d'ailleurs fait l'objet de brevets de perfectionnements dudit moteur. A ce titre, on peut citer la demande de brevet N°
FR 15 58585 FR 15 58593 - On remarque que les demandes de brevet N°
FR 15 58585 FR 15 58593 - Notamment, les configurations proposées dans lesdits brevets évitent dans de larges proportions que la chaleur ne migre depuis les pièces chaudes vers les pièces froides avec lesquelles elles coopèrent. Ceci préserve au moteur à thermique à transfert-détente et régénération un rendement élevé.
- En revanche, les perfectionnements exposés dans les demandes de brevet N°
FR 15 58585 FR 15 58593 - La température desdits gaz détermine donc directement la température à laquelle doivent résister les matériaux constitutifs des parties chaudes du cylindre détendeur du moteur à thermique à transfert-détente et régénération. Ainsi, indirectement, la résistance à la température desdits matériaux détermine le rendement maximal accessible par ledit moteur.
- On remarque d'ailleurs que les matériaux pouvant résister aux très hautes températures dont il est question sont relativement peu nombreux dans la mesure où ils doivent en outre offrir une résistance mécanique élevée à ces mêmes dites températures, en plus d'être résistants à la corrosion et à l'oxydation.
- Lesdits matériaux sont principalement des céramiques telles que l'alumine, le zircone, le carbure de silicium ou le nitrure de silicium. Ces matériaux sont durs et difficiles à usiner. En conséquence, le prix de revient des pièces finies est relativement élevé ce qui est un frein à l'adoption par l'industrie automobile du moteur à thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet
FR 15 51593 - L'idéal serait donc que les parois internes du cylindre détendeur dudit moteur restent maintenues à une température maximale de par exemple sept à neuf cents degrés Celsius. En effet, à de telles températures, des matériaux plus courants et moins chers à produire et à usiner que les céramiques tels que les fontes ou les aciers inoxydables ou réfractaires peuvent être utilisés pour fabriquer ledit cylindre détendeur. Ceci vaut aussi pour les culasses et leurs plénums et conduits respectifs qui coopèrent avec ledit cylindre.
- Toutefois, il est impératif d'une part, d'éviter de baisser la température des gaz chauds admis dans le cylindre détendeur du moteur thermique à transfert-détente et régénération et d'autre part, de laisser s'échapper en pure perte la chaleur desdits gaz au travers de parois plus froides dudit cylindre au contact desquelles sont mis lesdits gaz. En effet, ces deux actions auraient pour conséquence dommageable de réduire significativement le rendement final du moteur thermique à transfert-détente et régénération.
- En l'état actuel de l'art et de la technique, on comprend donc qu'il faut choisir entre un moteur thermique à transfert-détente et régénération à très haut rendement mais onéreux et complexe à produire, et un moteur relevant du même principe mais recourant à des matériaux peu cher à produire, et ceci au prix d'un gros sacrifice en rendement, ce dernier étant significativement réduit. Ceci constitue un dilemme.
- C'est pour sortir dudit dilemme que le système de refroidissement régénératif selon l'invention permet, selon un mode particulier de réalisation :
- De réduire significativement la température des parois internes du cylindre détendeur et de ses culasses du moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet
FR 15 51593 - D'autoriser une température d'entrée des gaz dans le cylindre détendeur supérieure à celle que pourraient supporter - en l'absence du système de refroidissement régénératif selon l'invention - des matériaux chers et complexes comme les céramiques ;
- De conférer au moteur à thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet
FR 15 51593 - Il est entendu que le système de refroidissement régénératif selon l'invention s'adresse principalement au moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet
FR 15 51593 - Toutefois, ledit système peut aussi s'appliquer sans restriction au détendeur de tout autre moteur à cycle de Brayton à régénération, que ledit détendeur soit de type centrifuge, volumétrique ou de quelque autre type, et pourvu qu'il coopère avec un régénérateur de quelque type que ce soit.
- Les autres caractéristiques de la présente invention ont été décrites dans la description et dans les revendications secondaires dépendantes directement ou indirectement de la revendication principale.
- Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention est prévu pour un moteur thermique à régénération, ce dernier comprenant au moins un échangeur thermique de régénération qui présente un conduit haute-pression de régénération dans lequel circule pour y être préchauffé un gaz travaillant qui a été préalablement comprimé par un compresseur, tandis qu'au sortir dudit conduit ledit gaz est surchauffé par une source de chaleur avant d'être introduit dans un détendeur de gaz dans lequel il est détendu pour produire un travail sur un arbre de sortie de puissance, ledit gaz étant ensuite expulsé en sortie du détendeur de gaz puis introduit dans un conduit basse-pression de régénération que présente l'échangeur thermique de régénération, ledit gaz - en circulant dans ledit conduit - cédant une grande partie de sa chaleur résiduelle au gaz travaillant circulant dans le conduit haute-pression de régénération, ledit système comprenant :
- Au moins une enceinte de refroidissement qui enveloppe en tout ou partie le détendeur de gaz et/ou la source de chaleur et/ou un conduit d'admission des gaz chauds qui relie ladite source audit détendeur, tandis qu'est laissé un espace de circulation des gaz entre ladite enceinte d'une part, et/ou ledit détendeur et/ou ladite source et/ou ledit conduit d'autre part ;
- Au moins un port d'entrée d'enceinte qui est directement ou indirectement relié à la sortie du détendeur de gaz et par lequel tout ou partie du gaz travaillant expulsé dudit détendeur via ladite sortie peut pénétrer dans l'espace de circulation des gaz ;
- Au moins un port de sortie d'enceinte qui est directement ou indirectement relié au conduit basse-pression de régénération et via lequel le gaz travaillant peut sortir de l'espace de circulation des gaz avant d'être introduit dans ledit conduit basse-pression.
- Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention comprend un port d'entrée d'enceinte qui est relié à la sortie du détendeur de gaz par un conduit d'entrée d'enceinte dont la section effective est réglée par une vanne de réglage de débit.
- Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention comprend un port de sortie d'enceinte qui est relié au conduit basse-pression de régénération par un conduit de sortie d'enceinte dont la section effective est réglée par une vanne de réglage de débit.
- Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention comprend une sortie du détendeur de gaz qui est reliée au conduit basse-pression de régénération par un conduit de contournement d'enceinte.
- Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention comprend une section effective du conduit de contournement d'enceinte qui est réglée par une vanne de réglage de débit.
- Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention comprend un extérieur de l'enceinte de refroidissement qui est revêtu d'un écran thermique.
- La description qui va suivre en regard du dessin annexé et donné à titre d'exemple non limitatif permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente, et les avantages qu'elle est susceptible de procurer :
Figure 1 est une représentation schématique en vue latérale du système de refroidissement régénératif suivant l'invention tel qu'il peut être mis en oeuvre sur le moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet N°FR 15 51593 - On a montré en
figure 1 le système de refroidissement régénératif 100, divers détails de ses composants, ses variantes, et ses accessoires. - Comme le montre ladite
figure 1 , le système de refroidissement régénératif 100 est prévu pour un moteur thermique à régénération 1, ce dernier comprenant au moins un échangeur thermique de régénération 5 qui présente un conduit haute-pression de régénération 6 dans lequel circule pour y être préchauffé un gaz travaillant 81 qui a été préalablement comprimé par un compresseur 2. - Au sortir du conduit haute-pression de régénération 6, ledit gaz 81 est surchauffé par une source de chaleur 12 avant d'être introduit dans un détendeur de gaz 78 dans lequel il est détendu pour produire un travail sur un arbre de sortie de puissance 17.
- Le gaz travaillant 81 est ensuite expulsé en sortie du détendeur de gaz 78 puis introduit dans un conduit basse-pression de régénération 7 que présente l'échangeur thermique de régénération 5, ledit gaz 81 - en circulant dans ledit conduit 7 - cédant une grande partie de sa chaleur résiduelle au gaz travaillant 81 circulant dans le conduit haute-pression de régénération 6.
- C'est dans ce contexte clairement illustré en
figure 1 que le système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention comprend au moins une enceinte de refroidissement 79 qui enveloppe en tout ou partie le détendeur de gaz 78 et/ou la source de chaleur 12 et/ou un conduit d'admission des gaz chauds 19 qui relie ladite source 12 audit détendeur 78, tandis qu'est laissé un espace de circulation des gaz 80 entre ladite enceinte 79 d'une part, et/ou ledit détendeur 78 et/ou ladite source 12 et/ou ledit conduit 19 d'autre part, le gaz travaillant 81 pouvant circuler dans ledit espace 80. - On note que l'enceinte de refroidissement 79 peut être faite de tôle d'acier inoxydable emboutie ou hydro formée, et être possiblement réalisée en plusieurs parties assemblées entre-elles par soudage, vissage, ou rivetage, ladite enceinte pouvant ensuite être fixée directement ou indirectement sur les composants 78, 12, 19 qu'elle enveloppe.
- La
figure 1 illustre que le système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention comprend en outre au moins un port d'entrée d'enceinte 82 qui est directement ou indirectement relié à la sortie du détendeur de gaz 78 et par lequel tout ou partie du gaz travaillant 81 expulsé dudit détendeur 78 via ladite sortie peut pénétrer dans l'espace de circulation des gaz 80. - Toujours en
figure 1 , on remarque que le système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention comprend aussi au moins un port de sortie d'enceinte 83 qui est directement ou indirectement relié au conduit basse-pression de régénération 7 et via lequel le gaz travaillant 81 peut sortir de l'espace de circulation des gaz 80 avant d'être introduit dans ledit conduit basse-pression 7. - On notera que préférentiellement, l'enceinte de refroidissement 79 enveloppe le détendeur de gaz 78 et/ou la source de chaleur 12 et/ou le conduit d'admission des gaz chauds 19 de manière étanche de sorte que le gaz travaillant 81 ne peut entrer dans l'espace de circulation des gaz 80 que par le port d'entrée d'enceinte 82 cependant que ledit gaz 81 ne peut sortir dudit espace 80 que par le port de sortie d'enceinte 83.
- Suivant une variante de réalisation du système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention montrée en
figure 1 , le port d'entrée d'enceinte 82 peut être relié à la sortie du détendeur de gaz 78 par un conduit d'entrée d'enceinte 84 dont la section effective est réglée par une vanne de réglage de débit 85, cette dernière pouvant - en fonction de sa position - interdire, laisser libre, ou restreindre la circulation du gaz travaillant 81 dans ledit conduit 84. - A titre d'autre variante toujours montrée en
figure 1 , le port de sortie d'enceinte 83 peut être relié au conduit basse-pression de régénération 7 par un conduit de sortie d'enceinte 86 dont la section effective est réglée par une vanne de réglage de débit 85, cette dernière pouvant - en fonction de sa position - interdire, laisser libre, ou restreindre la circulation du gaz travaillant 81 dans ledit conduit de sortie d'enceinte 86. - La
figure 1 illustre aussi qu'une autre variante du système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention consiste en ce que la sortie du détendeur de gaz 78 peut être reliée au conduit basse-pression de régénération 7 par un conduit de contournement d'enceinte 87 qui permet au gaz travaillant 81 expulsé en sortie du détendeur de gaz 78 d'aller directement de ladite sortie au conduit basse-pression de régénération 7 sans passer par l'espace de circulation des gaz 80. - Selon cette dernière variante, la section effective du conduit de contournement d'enceinte 87 peut éventuellement être réglée par une vanne de réglage de débit 85, cette dernière pouvant - en fonction de sa position - interdire, laisser libre, ou restreindre la circulation du gaz travaillant 81 dans ledit conduit de contournement 87.
- En
figure 1 , on remarque qu'avantageusement l'extérieur de l'enceinte de refroidissement 79 peut être revêtu d'un écran thermique 88 qui peut être constitué de tout matériau calorifuge connu de l'homme de l'art et qui peut - outre l'enceinte de refroidissement 79 - revêtir les divers conduits et organes chauds qui constituent le moteur thermique à régénération 1. - On note qu'en ce cas, ledit écran thermique 88 est prévu pour prévenir toute déperdition de chaleur excessive laquelle est défavorable au rendement du moteur thermique à régénération 1.
- Le fonctionnement du système de refroidissement régénératif 100 selon l'invention se comprend aisément à la vue de la
figure 1 . - Pour détailler ledit fonctionnement, nous retiendrons ici l'exemple de réalisation du système de refroidissement régénératif 100 selon l'invention lorsque le moteur à régénération 1 auquel il s'applique est constitué du moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet N°
FR 15 51593 - Comme on le voit sur la
figure 1 , le moteur à régénération 1 comprend ici un compresseur 2 bi-étagé qui est notamment constitué d'un compresseur basse-pression 35 qui aspire du gaz travaillant 81 dans l'atmosphère via un conduit d'entrée de compresseur 3, la sortie dudit compresseur basse-pression 35 étant reliée à l'entrée d'un compresseur haute-pression 36 via un refroidisseur intermédiaire de compresseur 37. - La
figure 1 illustre qu'en sortie du compresseur haute-pression 36, le gaz travaillant 81 est expulsé dans le conduit haute-pression de régénération 6 que comprend l'échangeur thermique de régénération 5 qui en l'occurrence est un échangeur thermique à contre-courant 41 connu en soi. On assumera ici l'hypothèse selon laquelle le gaz travaillant 81 est expulsé du compresseur haute-pression 36 sous une pression de vingt bars et à une température de deux-cents degrés Celsius. - En circulant dans le conduit haute-pression de régénération 6, le gaz travaillant 81 est préchauffé à une température de six-cent-cinquante degrés Celsius par le gaz travaillant 81 chaud qui circule dans le conduit basse-pression de régénération 7 adjacent.
- Pour simplifier, considérons que le rendement de l'échangeur thermique de régénération 5 est de cent pour cent. Ceci implique que le gaz travaillant 81 qui circule dans le conduit basse-pression de régénération 7 entre dans ce dernier à une température de six-cent-cinquante degrés Celsius et sort dudit conduit 7 à une température de deux-cents degrés Celsius avant d'être relâché dans l'atmosphère via le conduit de sortie de moteur 33, cependant que le gaz travaillant 81 qui circule dans le conduit haute-pression de régénération 6 entre dans ce dernier à une température de deux-cents degrés Celsius pour en ressortir à une température de six-cent-cinquante degrés Celsius.
- Sortant du conduit haute-pression de régénération 6, ledit gaz travaillant 81 est ensuite surchauffé à mille-quatre-cents degrés Celsius par la source de chaleur 12 qui - selon cet exemple de réalisation - est constituée d'un brûleur de carburant 38.
- Au sortir dudit brûleur 38, le gaz travaillant 81 est acheminé par un conduit d'admission des gaz chauds 19 jusqu'au détendeur de gaz 78 qui n'est autre que le cylindre détendeur 13 du moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet N°
FR 15 51593 - On note que le conduit d'admission des gaz chauds 19 est préférentiellement réalisé en céramique à haute résistance à la température jusqu'à son raccordement avec une culasse de cylindre détendeur 14 coiffant l'une ou l'autre extrémité du cylindre détendeur 13. Ainsi, la température dudit conduit 19 reste approximativement égale à mille-quatre-cents degrés Celsius de sorte que le gaz travaillant 81 circulant dans ledit conduit 19 conserve sa température tout au long de son parcours.
- Ainsi donc, comme illustré en
figure 1 , chaque extrémité du cylindre détendeur 13 est coiffée d'une culasse de cylindre détendeur 14 de sorte que soient définies avec un piston détendeur à double effet 15 deux chambres de transvasement-détente 16. On note aussi que chaque culasse comporte une soupape doseuse d'admission 24 et une soupape doseuse d'échappement 31. - Grâce au système de refroidissement régénératif 100 selon l'invention, le moteur thermique à transfert-détente et régénération étant chaud, le cylindre détendeur 13 et les culasses de cylindre détendeur 14 sont maintenus à une température voisine de sept-cents degrés Celsius. Ceci permet de réaliser ledit le cylindre 13 et lesdites culasses 14 dans un matériau moins cher et plus courant que la céramique, tel que l'inox ou la fonte ferritique au silicium.
- Le piston détendeur à double effet 15 est quant à lui, et selon cet exemple non-limitatif de réalisation du système de refroidissement régénératif 100 selon l'invention, fabriqué en nitrure de silicium. La température moyenne de fonctionnement dudit piston 15 est de l'ordre de huit-cents degrés Celsius.
- On remarque en
figure 1 que ledit piston 15 est relié par des moyens mécaniques de transmission 19 à un arbre de sortie de puissance 17, lesdits moyens 19 étant notamment constitués d'une bielle 42 articulée autour d'une manivelle 43. - Le gaz travaillant 81 porté à une pression de vingt bars et à une température de mille-quatre-cents degrés Celsius est donc introduit dans l'une ou l'autre chambre de transvasement-détente 16 par la soupape doseuse d'admission 24 correspondante.
- En passant au travers de l'orifice maintenu ouvert par la soupape doseuse d'admission 24, ledit gaz 81 commence à légèrement se refroidir notamment au contact des parois internes de la culasse de cylindre détendeur 14 qu'il traverse, et des parois interne de la chambre de transvasement-détente 16 dans laquelle il est introduit dans l'objectif d'y être détendu par le piston détendeur à double effet 15. Lesdites parois sont - comme nous l'avons vu précédemment - maintenues à sept-cents degrés Celsius par le système de refroidissement régénératif 100.
- Nous ferons à ce stade l'hypothèse que le gaz travaillant 81 perd en moyenne cent degrés Celsius en léchant les parois internes de la culasse de cylindre détendeur 14, et celles de la chambre de transvasement-détente 16. En conséquence, la température du gaz travaillant 81 a chuté pendant son transvasement depuis le conduit d'admission des gaz chauds 19 vers la chambre de transvasement-détente 16 pour passer de mille-quatre-cents degrés Celsius à mille-trois-cents degrés Celsius.
- Lorsque la quantité de gaz travaillant 81 recherchée a été effectivement introduite dans la chambre de transvasement-détente 16 par la soupape doseuse d'admission 24 correspondante, cette dernière se referme, et le piston détendeur à double effet 15 détend ledit gaz 81. Ce faisant, ledit piton 15 récolte le travail produit par la détente dudit gaz 81, et communique ledit travail à l'arbre de sortie de puissance 17 notamment via la bielle 42 et la manivelle 43.
- Une fois le gaz travaillant 81 détendu par le piston détendeur à double effet 15, la pression dudit gaz 81 a chuté à environ un bar absolu. Il en est de même pour la température dudit gaz 81 qui est passée de mille-trois-cents degrés Celsius à cinq-cent-cinquante degrés Celsius.
- Le piston détendeur à double effet 15 ayant atteint son Point Mort Bas, la soupape doseuse d'échappement 31 s'ouvre et ledit piston 15 expulse ledit gaz 81 dans le conduit d'entrée d'enceinte 84 qui achemine ledit gaz 81 jusqu'au port d'entrée d'enceinte 82.
- Le gaz travaillant 81 pénètre alors dans l'espace de circulation des gaz 80 puis se dirige via cet espace vers le port de sortie d'enceinte 83. Ce faisant, ledit gaz 81 lèche les parois externes chaudes du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14. Lesdites parois externes ont été prévues en tout ou partie rugueuses et/ou parsemées de motifs géométriques afin de produire un forçage convectif obligeant le gaz travaillant 81 à prélever plus ou moins de chaleur auxdites parois lorsque ledit gaz 81 circule au contact desdites parois.
- En outre, la géométrie interne de l'enceinte de refroidissement 79 et/ou la géométrie externe du cylindre détendeur 13 et/ou la géométrie externe des culasses de cylindre détendeur 14 peuvent avantageusement former des canaux qui forcent tout ou partie du gaz travaillant 81 à suivre un itinéraire ou plusieurs itinéraires simultanés pour aller du port d'entrée d'enceinte 82 au port de sortie d'enceinte 83 via l'espace de circulation des gaz 80.
- On comprend que la double stratégie de forçage convectif et d'itinéraire forcé du gaz travaillant 81 permet de choisir de première part, les zones d'export de chaleur depuis les parois externes chaudes du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14 vers ledit gaz 81, de deuxième part, l'ordre chronologique de balayage desdites zones par ledit gaz 81, et de troisième et dernière part, l'intensité du forçage convectif le long de l'itinéraire dudit gaz 81.
- En tout état de cause, pendant son parcours dans l'enceinte de refroidissement 79, la température du gaz travaillant 81 soustrait de la chaleur aux parois externes chaudes du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14 au point que la température dudit gaz 81 passe progressivement de cinq-cent-cinquante degrés Celsius à six-cent-cinquante degrés Celsius. Ce faisant et en relation avec la stratégie de forçage convectif et d'itinéraire choisie pour ledit gaz 81, ce dernier homogénéise la température du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14 ladite température étant maintenue au voisinage de sept-cents degrés Celsius.
- Le gaz travaillant 81 ayant atteint sa nouvelle température de six-cent-cinquante degrés Celsius, ledit gaz 81 parvient au port de sortie d'enceinte 83 et rejoint le conduit basse-pression de régénération 7 via le conduit de sortie d'enceinte 86.
- Comme on l'a compris à la lecture de ce qui précède, en circulant dans le conduit basse-pression de régénération 7 et avant d'être relâché dans l'atmosphère via le conduit de sortie de moteur 33, le gaz travaillant 81 expulsé du port de sortie d'enceinte 83 cède une grande partie de sa chaleur au gaz travaillant 81 qui circule dans le conduit haute-pression de régénération 6 adjacent.
- En définitive et grâce au système de refroidissement régénératif 100 selon l'invention, la chaleur extraite du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14 pour les maintenir à une température de l'ordre de sept-cents degrés Celsius n'est en rien dissipée en pure perte.
- En effet, ladite chaleur est réintroduite dans le cycle thermodynamique du moteur thermique à régénération 1 pour se substituer à une partie de la chaleur devant être apportée par le brûleur de carburant 38 pour porter le gaz travaillant 81 à une température de mille-quatre-cents degrés Celsius avant que ce dernier ne soit dirigé vers le cylindre détendeur 13 puis introduit dans les chambres de transvasement-détente 16.
- On remarque en
figure 1 le conduit de contournement d'enceinte 87 lequel comprend une vanne de réglage de débit 85. On remarque aussi enfigure 1 que le conduit de sortie d'enceinte 86 comprend également une vanne de réglage de débit 85. Ces deux dites vannes 85 constituent une variante de réalisation du système de refroidissement régénératif 100 selon l'invention et sont prévues pour réguler la température du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14. - En effet, si ladite température est trop élevée, la vanne de réglage de débit 85 du conduit de contournement d'enceinte 87 obture ledit conduit de contournement 87 tandis que la vanne de réglage de débit 85 du conduit de sortie d'enceinte 86 ouvre ledit conduit de sortie 86. Ceci a pour effet de forcer le gaz travaillant 81 expulsé des chambres de transvasement-détente 16 par leur soupape doseuse d'échappement 31 respective à passer par l'espace de circulation des gaz 80 pour rejoindre le conduit basse-pression de régénération 7.
- Si au contraire la température du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14 est trop basse, la vanne de réglage de débit 85 du conduit de contournement d'enceinte 87 ouvre ledit conduit de contournement 87 tandis que la vanne de réglage de débit 85 du conduit de sortie d'enceinte 86 ferme ledit conduit de sortie 86. Ceci a pour effet d'interdire au gaz travaillant 81 expulsé des chambres de transvasement-détente 16 par leur soupape doseuse d'échappement 31 respective de passer par l'espace de circulation des gaz 80 pour rejoindre le conduit basse-pression de régénération 7. Ledit gaz 81 rejoint donc ledit conduit 7 directement, via le conduit de contournement d'enceinte 87.
- On comprend que dans la pratique, les vannes de réglage de débit 85 sont rarement soit pleinement ouvertes soit pleinement fermées, et que lesdites vannes 85 peuvent être maintenues entrouvertes pour réguler la température du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14 sans variation brutale de débit de gaz travaillant 81 circulant dans l'espace de circulation des gaz 80.
- On comprend aussi que la régulation de ladite température nécessite un dispositif de commande formé par exemple d'au moins un capteur de température et d'un microcontrôleur connus en soi, lesquels permettent de piloter des servomoteurs de quelque type que ce soit qui chacun actionne une vanne de réglage de débit 85 en ouverture ou en fermeture.
- Selon un mode particulier de réalisation du système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention, les vannes de réglage de débit 85 peuvent aussi être reliées entre-elles par une liaison mécanique pour partager le même servomoteur. En ce cas, ladite liaison garantit que lorsque la première dite vanne 85 est fermée la seconde est ouverte, et inversement.
- On déduit aisément de ce qui précède que le système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention apporte de nombreux avantages, notamment à la mise en oeuvre du moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet N°
FR 15 51593 - A titre de premier avantage, il n'est plus nécessaire de réaliser le cylindre détendeur 13 et les culasses de cylindre détendeur 14 en matériau céramique comme par exemple le carbure de silicium. En effet, ce type de matériau est notoirement cher à produire du fait de sa grande dureté le rendant difficilement usinable au moyen d'outils de coupe ou de rectification conventionnels. Grâce au système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention, il est possible de remplacer ladite céramique par de la fonte ou de l'acier inoxydable. Ceci réduit fortement le prix de revient en fabrication du moteur thermique à transfert-détente et régénération ce qui est décisif, notamment pour que ledit moteur puisse accéder au marché automobile.
- A titre de deuxième avantage, le cylindre détendeur 13 et les culasses de cylindre détendeur 14 étant plus froids, il est possible de recourir à des matériaux à très faible conductivité thermique et à forte résistance mécanique à la compression tels que le quartz pour réaliser les piliers évidés du cylindre détendeur à double effet à support adaptatif objet de la demande de brevet N°
FR 15 58585 - A titre de troisième avantage, les culasses de cylindre détendeur 14 étant maintenues à sept-cents degrés Celsius, elles peuvent recevoir des soupapes en nitrure de silicium préexistantes, compatibles avec ces niveaux de température. De telles soupapes ont par exemple été développées par la société « NGK » et ont fait l'objet de recherches sur leur industrialisation à bas coût notamment dans le cadre du projet N°G3RD-CT-2000-00248 intitulé « LIVALVES », financé dans le cadre du cinquième programme cadre Européen FP5-GROWTH.
- A titre de quatrième avantage, avec une température de paroi intérieure de cylindre détendeur 13 maintenue au voisinage de sept-cents degrés Celsius, le segment à coussin d'air tel que prévu dans la demande de brevet N°
FR 15 51593 - A titre de cinquième avantage, appliqué au moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet N°
FR 15 51593 - Ces avantages sont obtenus sans préjudice pour le rendement énergétique final du moteur thermique à transfert-détente et régénération.
- Au contraire, le système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention permet de découpler la relation existante selon la demande de brevet N°
FR 15 51593 - En quelque sorte, grâce au système de refroidissement régénératif 100 suivant l'invention, il est envisageable de hausser la température du gaz travaillant 81 sortant du brûleur de carburant 38 pour augmenter le rendement final du moteur thermique à transfert-détente et régénération et ceci, sans compromettre la tenue à la température des principaux organes qui constituent ledit moteur.
- On note qu'outre le moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet N°
FR 15 51593
Claims (6)
- Système de refroidissement régénératif (100) prévu pour un moteur thermique à régénération (1), ce dernier comprenant au moins un échangeur thermique de régénération (5) qui présente un conduit haute-pression de régénération (6) dans lequel circule pour y être préchauffé un gaz travaillant (81) qui a été préalablement comprimé par un compresseur (2), tandis qu'au sortir dudit conduit (6) ledit gaz (81) est surchauffé par une source de chaleur (12) avant d'être introduit dans un détendeur de gaz (78) dans lequel il est détendu pour produire un travail sur un arbre de sortie de puissance (17), ledit gaz (81) étant ensuite expulsé en sortie du détendeur de gaz (78) puis introduit dans un conduit basse-pression de régénération (7) que présente l'échangeur thermique de régénération (5), ledit gaz (81) - en circulant dans ledit conduit (7) - cédant une grande partie de sa chaleur résiduelle au gaz travaillant (81) circulant dans le conduit haute-pression de régénération (6), ledit système (100) étant caractérisé en ce qu'il comprend:• Au moins une enceinte de refroidissement (79) qui enveloppe en tout ou partie le détendeur de gaz (78) et/ou la source de chaleur (12) et/ou un conduit d'admission des gaz chauds (19) qui relie ladite source (12) audit détendeur (78), tandis qu'est laissé un espace de circulation des gaz (80) entre ladite enceinte (79) d'une part, et/ou ledit détendeur (78) et/ou ladite source (12) et/ou ledit conduit (19) d'autre part;• Au moins un port d'entrée d'enceinte (82) qui est directement ou indirectement relié à la sortie du détendeur de gaz (78) et par lequel tout ou partie du gaz travaillant (81) expulsé dudit détendeur (78) via ladite sortie peut pénétrer dans l'espace de circulation des gaz (80) ;• Au moins un port de sortie d'enceinte (83) qui est directement ou indirectement relié au conduit basse-pression de régénération (7) et via lequel le gaz travaillant (81) peut sortir de l'espace de circulation des gaz (80) avant d'être introduit dans ledit conduit basse-pression (7).
- Système de refroidissement régénératif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le port d'entrée d'enceinte (82) est relié à la sortie du détendeur de gaz (78) par un conduit d'entrée d'enceinte (84) dont la section effective est réglée par une vanne de réglage de débit (85).
- Système de refroidissement régénératif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le port de sortie d'enceinte (83) est relié au conduit basse-pression de régénération (7) par un conduit de sortie d'enceinte (86) dont la section effective est réglée par une vanne de réglage de débit (85).
- Système de refroidissement régénératif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie du détendeur de gaz (78) est reliée au conduit basse-pression de régénération (7) par un conduit de contournement d'enceinte (87).
- Système de refroidissement régénératif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la section effective du conduit de contournement d'enceinte (87) est réglée par une vanne de réglage de débit (85).
- Système de refroidissement régénératif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'extérieur de l'enceinte de refroidissement (79) est revêtu d'un écran thermique (88).
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