EP4308801B1 - Machine thermique - Google Patents

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EP4308801B1
EP4308801B1 EP22714863.2A EP22714863A EP4308801B1 EP 4308801 B1 EP4308801 B1 EP 4308801B1 EP 22714863 A EP22714863 A EP 22714863A EP 4308801 B1 EP4308801 B1 EP 4308801B1
Authority
EP
European Patent Office
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pressure
module
fluid supply
thermodynamic
phase
Prior art date
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Active
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EP22714863.2A
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German (de)
English (en)
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EP4308801C0 (fr
EP4308801A1 (fr
Inventor
Pierre-Yves Berthelemy
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Cixten
Original Assignee
Cixten
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Filing date
Publication date
Application filed by Cixten filed Critical Cixten
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Application granted granted Critical
Publication of EP4308801C0 publication Critical patent/EP4308801C0/fr
Publication of EP4308801B1 publication Critical patent/EP4308801B1/fr
Active legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/32—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal machines.
  • Document US2006/059912 A1 describes an example of such a heat engine.
  • thermodynamic cycle of this type of thermal machine is very far from the ideal Stirling cycle, composed of two isochoric transformations and two isotherms. The efficiency is thus much lower than the theoretical efficiency.
  • WO84/00399A1 discloses an example of mechanical decoupling between the displacer positions and the working piston positions for a Stirling engine powered by external combustion.
  • the system works with an additional hydraulic piston to the working piston, which complicates the engine and the control of the assembly, especially since a pump is integrated between the pistons to compress the air before mixing it with the fuel.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • These systems can theoretically recover energy from very low-temperature sources but are not currently economically viable for temperatures below 100 degrees Celsius. They also require continuous cycle management based on the temperatures of the cold and hot sources to ensure that the fluid is properly single-phase, i.e. either gaseous or liquid, when passing through the expansion and compression components.
  • a compressor is essential to achieve compression between the low-pressure part and the high-pressure part.
  • the present invention aims to overcome at least one of these drawbacks and aims to propose an alternative thermal machine solution.
  • the invention relates to a thermal machine according to claim 1.
  • a thermal machine is capable and intended to carry out at least one conversion of thermal energy into mechanical energy comprising at least one thermodynamic fluid and capable and intended to implement a thermodynamic cycle comprising at least one isochoric heating phase 1-2, optionally one isobaric heating phase 2-3, one expansion phase 3-4 and one isobaric cooling phase 4-1 ( Figure 2 ).
  • the heat engine according to the invention allows the conversion of heat, preferably at low temperature, that is to say for first and second heat sources 1, 2 whose temperature T1, T2 does not exceed 150 degrees. Celsius, into mechanical energy.
  • This conversion is done following a closed thermodynamic cycle using a thermodynamic fluid preferentially in supercritical phase alternately heated and cooled via the first heat source 1 and the second heat source 2.
  • the thermodynamic cycle comprises at least one 1-2 isochoric heating phase, optionally one 2-3 isobaric heating phase, one preferably polytropic 3-4 expansion phase and one 4-1 isobaric cooling phase.
  • the supercritical thermodynamic cycle contains one 1-2 isochoric heating which is supplemented by one 2-3 isobaric heating if the pressure during heating exceeds a determined limit value between 100 bar and 200 bar.
  • the thermodynamic fluid is carbon dioxide
  • the pressure ranges of the thermodynamic fluid are typically between 74 bar and 350 bar, preferably 74 bar and 250 bar and the temperature ranges are between 0 degrees Celsius and 150 degrees Celsius, preferably between 10 degrees Celsius and 100 degrees Celsius.
  • the first conversion unit 6 advantageously allows the conversion of the pressure of the thermodynamic fluid at the thermodynamic fluid supply outlet G or of the hydraulic fluid at the hydraulic fluid supply outlet E into mechanical movement.
  • the energy recovery by the first conversion unit 6 can thus be done using a hydraulic fluid different from the thermodynamic fluid ( figures 3 , 8 has 10 ) or directly with the thermodynamic fluid ( figures 4 And 11 ).
  • the first control unit allows the control of the completion state of each thermodynamic transformation phase and therefore of the thermodynamic cycle, in particular by detecting the points of the thermodynamic cycle, for example by detecting pressure and/or flow rate as described below.
  • the second control unit allows the thermodynamic fluid to be moved alternately in the chamber from the cold part 4 to the hot part 5 and to modulate the heat supply of the module 3, 3'.
  • the second control unit allows the management of the pressure and/or flow rate from the first and second heat sources 1, 2 as described below.
  • the efficiency of the heat engine and its average power density can consequently be modulated at will, offering the possibility to optimize one or the other depending on the availability of the first and second heat sources 1, 2.
  • the mover is one or more mechanical parts.
  • the expansion 3, 4 is polytropic, that is to say it is neither isothermal nor adiabatic.
  • the expansion is variable and can approach either an isothermal expansion 3, 4' or an adiabatic expansion 3, 4" ( Figure 2 ).
  • the isochoric heating phase 1-2 does not correspond to an ideal/theoretical isochoric heating, but the heating phase approaches this ideal or theoretical isochore with a deviation value which is preferably between 0 and 20 percent.
  • the heating phase isobars 2-3 and/or the cooling phase 4-1 do not correspond to ideal/theoretical isobars, but approach them with a deviation value which is preferably between 0 and 20 percent.
  • Module 3 comprises at least one chamber suitable and intended to contain a high-pressure thermodynamic fluid, i.e. for pressures between 50 bars and 300 bars, preferably between 80 bars and 250 bars, and in the supercritical state, and which is connected to the thermodynamic fluid supply outlet G.
  • Module 3 is said to be basic. This is the case in particular for modules 3 described in the figures 4 And 11 .
  • module 3' further comprises a hydraulic piston 36 connected to the hydraulic fluid supply outlet E
  • this module 3' is said to be hybrid. This is the case in particular for the modules 3' described in the figures 3 , 8 has 10 .
  • the so-called basic module 3 can be connected to a hydraulic piston 36 which is outside the module 3.
  • Each basic module 3 or association of modules 3 can be coupled to one or more high-pressure hydraulic piston(s) 36 outside the module(s) 3 and maintained at temperature by one of the first/second heat sources 1, 2.
  • the hydraulic piston 36 thus makes it possible to transmit the pressure of the supercritical fluid to a hydraulic fluid.
  • a hydraulic reduction ratio can also be produced within the hydraulic piston 36 so as to modify the characteristics of the pressure and the volume of oil displaced. This may have a certain advantage in certain cases to facilitate the sizing of the charging system, in particular to adapt to the pressure/flow characteristics of the hydraulic motor 12.
  • the hydraulic piston 36 can be in the form of a so-called "liquid" piston, i.e. without a solid interface between the two fluids provided that they are immiscible and insoluble with each other. This makes it possible to avoid losses due to friction of seals.
  • said first conversion unit 6 comprises at least one hydraulic pressure accumulator 11 connected downstream of the mechanical conversion means, preferably of the motor 8, which is a hydraulic motor 12, said pressure accumulator 11 being capable and intended to maintain the pressure of the circuit 7 greater than or equal to the critical pressure of the thermodynamic fluid.
  • the pressure accumulator 11 ensures that the pressure of the hydraulic fluid in the circuit 7 is maintained above or equal to the critical pressure of the thermodynamic fluid for the entire thermodynamic cycle and in particular during the isobaric cooling phase.
  • this critical pressure is substantially equal to 73.77 bars. Consequently, the precharged pressure of the pressure accumulator 11 is preferably between 73 and 85 bars, preferably equal to 80 bars.
  • the thermodynamic fluid contained in one or more so-called hybrid module(s) 3' is alternately heated, then cooled and works against a quasi-constant assimilated pressure of the pressure accumulator 11. The pressure differences of the thermodynamic fluid, then of the hydraulic fluid are converted into mechanical energy by the hydraulic motor 12.
  • said first conversion unit 6 comprises at least one pressure accumulator 11 connected downstream of the mechanical conversion means, preferably of the engine 8 which is a thermodynamic fluid turbine 14 preferably in the supercritical state, said pressure accumulator 11 being capable and intended to maintain the pressure of the circuit 7 greater than or equal to the critical pressure of the thermodynamic fluid.
  • the pressure accumulator 11 ensures that the pressure of the thermodynamic fluid in the circuit 7 is maintained above or equal to the critical pressure of the thermodynamic fluid for the entire thermodynamic cycle and in particular during the isobaric cooling phase.
  • this critical pressure is substantially equal to 73.77 bars. Consequently, the precharged pressure of the pressure accumulator 11 is preferably between 73 and 85 bars, preferably equal to 80 bars.
  • the thermodynamic fluid contained in one or more so-called basic module(s) 3 is alternately heated then cooled and works against a quasi-constant assimilated pressure of the pressure accumulator 11. The only differences in pressure of the thermodynamic fluid are converted into mechanical energy by the thermodynamic fluid turbine 14.
  • said first control unit comprises at least one pressure and/or flow rate measuring member 9 arranged to control the phase in which the thermodynamic cycle is located and in particular to determine the completion of each phase of the cycle.
  • Said pressure and/or flow rate measuring member 9 is preferably arranged between the chamber and said pressure accumulator 11.
  • said first control unit makes it possible, thanks to at least one pressure and/or flow rate measuring member 9 arranged in the circuit 7 or in the chamber, to monitor the evolution of the different phases of the thermodynamic cycle by measuring the pressure of the thermodynamic or hydraulic fluid in the chamber or in the circuit 7 and/or by measuring the flow rate of the hydraulic fluid in the circuit 7.
  • This pressure and/or flow rate measuring member 9 is arranged upstream of the motor 8 or at the motor 8. This configuration makes it possible to monitor the state of completion of each thermodynamic transformation and therefore of the thermodynamic cycle, in particular by detecting11 the points of the cycle by detecting and monitoring the pressure and/or flow rate of the thermodynamic fluid or the hydraulic fluid.
  • said first control unit comprises two pressure and/or flow rate measuring members 9 of the circuit 7 in the form of a pressure sensor 90 and a rotation speed sensor 10.
  • the pressure sensor 90 allows direct measurement of the pressure of the hydraulic fluid in the circuit 7 ( Figure 3 ) or a direct measurement of the pressure of the thermodynamic fluid in circuit 7 ( Figure 4 ).
  • said pressure and/or flow rate measuring member 9 is arranged between the hydraulic fluid supply outlet E and said pressure accumulator 11. Said pressure and/or flow rate measuring member 9 is arranged in the circuit 7.
  • said pressure and/or flow rate measuring member 9 is arranged between the thermodynamic fluid supply outlet G and said pressure accumulator 11. Said pressure and/or flow rate measuring member 9 is arranged in the circuit 7.
  • said first control unit comprises at least one pressure and/or flow rate regulating element 13 of the circuit 7 arranged at least to control/pilot the isobaric heating phase and/or the expansion phase of the thermodynamic cycle, said at least one pressure and/or flow rate regulating element 13 being arranged between the thermodynamic fluid supply outlet G or the hydraulic fluid supply outlet E and said pressure accumulator 11.
  • said first control unit makes it possible in particular, thanks to at least one pressure and/or flow regulation element 13, to supply or not to supply the motor 8.
  • Said first control unit also makes it possible, thanks to at least one pressure and/or flow regulation element 13, to control the movement of the thermodynamic fluid ( Figure 4 ) or hydraulic fluid ( Figure 3 ) in circuit 7 to control/pilot the isobaric heating phase and/or the expansion phase of the thermodynamic cycle
  • said at least one pressure and/or flow regulating element 13 is chosen from a pressure limiter 16 ( Figure 3 ) and/or a flow regulator, and/or a hydraulic valve 15 ( Figure 3 ) and/or an adjustable flow limiter and/or a variable throttle orifice 17 ( Figure 4 ) or an additional pressure accumulator 30 ( figure 18 ).
  • said at least one pressure and/or flow regulating element 13 is arranged between the hydraulic fluid supply outlet E and said pressure accumulator 11.
  • said first control unit comprises two pressure and/or flow regulating elements 13 in the form of an adjustable pressure limiter 16 and a hydraulic valve 15.
  • the adjustable pressure limiter 16 makes it possible to ensure the transition from the isochoric heating phase to the isobaric heating phase at a determined pressure.
  • the hydraulic valve 15 is opened to carry out the polytropic expansion then the cooling of the fluid after inversion of the displacers in the module(s) 3'.
  • the adjustable pressure limiter 16 can be replaced by an additional pressure accumulator 30 preferably precharged to the isobaric heating pressure.
  • This configuration allows the storage of energy in the additional pressure accumulator 30 during the isochoric heating phase.
  • said at least one pressure and/or flow regulating element 13 is arranged between the thermodynamic fluid supply outlet G and said pressure accumulator 11.
  • said first control unit comprises a pressure and/or flow regulating element 13 in the form of a variable throttle orifice 17.
  • the adjustable pressure limiter 16 and the hydraulic valve 15 of the first variant can be replaced by a single variable throttle orifice 17 so as to be able to actively control the isobaric heating phase and the preferably polytropic expansion phase.
  • the circuit 7 may comprise one or more pipes, preferably insulated, which in particular make it possible to connect the thermodynamic fluid supply outlet G or the hydraulic fluid supply outlet E to the pressure accumulator 11 and/or to the pressure measuring member. and/or flow 9 and/or to the pressure and/or flow regulating element 13 and/or to the motor 8.
  • the machine further comprises a second unit 18 for converting mechanical energy into electrical energy connected to said first conversion unit 6 downstream of said motor 8.
  • the second conversion unit 18 makes it possible to convert the mechanical energy coming from the motor 8 into electrical energy.
  • the second conversion unit 18 comprises at least one inertia 19 connected on the one hand to a coupling 20 and on the other hand to a generator 21.
  • the module 3, 3' comprises at least one piston (not shown) contained in a cylinder (not shown) connected to a working fluid supply circuit J, H by a first end and a second end of the cylinder to control the movement of the movable piston in the cylinder and the displacer and the piston are coupled to each other.
  • the movement of the piston causes the movement of the displacer in the chamber between the hot part 5 and the cold part 4.
  • the coupling between the displacer and the piston is preferably a magnetic coupling to limit friction losses in particular.
  • the second control unit comprises at least one first pressure and/or flow rate regulating member at the first end of the cylinder and at least one second pressure and/or flow rate regulating member at the second end of the cylinder to maintain or vary a pressure difference between the first end and the second end so as to alternately move said at least one displacer between the hot part 5 and the cold part 4.
  • the second control unit allows the management of the position of the thermodynamic fluid between the hot part 5 and the cold part 4 in at least one module 3, 3'.
  • Each module 3, 3' contains a certain mass of thermodynamic fluid preferably in supercritical phase which is alternately brought into contact with the first heat source 1 then with the second heat source 2 by means of one or more displacer(s).
  • This or these displacer(s) operate as free pistons whose stop-type position is determined solely by the pressure difference between the first end of the cylinder and the second end of the cylinder.
  • the working fluid supply circuit J, H is independent of the pressure regulation of said first heat transfer fluid supply circuit A, B and said second heat transfer fluid supply circuit C, D.
  • the working fluid supply circuit J, H is formed of said first heat transfer fluid supply circuit A, B and said second heat transfer fluid supply circuit C, D.
  • the second control unit comprises at least a first member for regulating the pressure and/or the flow rate of the first heat source 1 and a second member for regulating the pressure and/or the flow rate of the second heat source 2, the first member for regulating the pressure and/or the flow rate and the second member for regulating the pressure and/or the flow rate being configured to maintain or vary a pressure difference between the first heat source 1 and the second heat source 2 so as to alternately move said at least one displacer between the cold part 4 and the hot part 5.
  • the first heat source 1 comprises at least one preferably hydraulic pump, which forms the first pressure and/or flow rate regulating member and the second heat source 2 comprises a second preferably hydraulic pump, which forms the second pressure and/or flow rate regulating member.
  • the control of the movement of the preferably supercritical hydraulic fluid in the module 3, 3' is therefore carried out as simply as possible by adequate regulation of the preferably hydraulic pumps (not shown) of the first and second heat sources 1, 2 in order to create/maintain the differential pressure between the first and second heat transfer fluid supply circuits A, B and C, D required for the movement of the displacer(s).
  • the second control unit comprises at least a third pressure and/or flow rate regulating member of the first supply circuit A, B and a fourth pressure and/or flow rate regulating member of the second supply circuit C, D, the third pressure and/or flow rate regulating member and the fourth pressure and/or flow rate regulating member being configured to maintain or vary a pressure difference between the first supply circuit A, B and the second supply circuit C, D so as to alternately move said at least one displacer between the cold part 4 and the hot part 5.
  • the second control unit allows the management of the position of the thermodynamic fluid between the hot part 5 and the cold part 4 in at least one module 3, 3'.
  • Each module 3, 3' contains a certain mass of thermodynamic fluid preferably in supercritical phase which is alternately brought into contact with the first heat source 1 then with the second heat source 2 by means of one or more displacer(s).
  • This or these displacer(s) function as free pistons whose stop-type position is determined solely by the pressure difference between the first and second heat transfer fluid supply circuits A, B and C, D.
  • said first pressure and/or flow rate regulating member and/or said second pressure and/or flow rate regulating member and/or said third pressure and/or flow rate regulating member of the first heat transfer fluid supply circuit A, B and/or the fourth pressure regulating member of the second heat transfer fluid supply circuit C, D is chosen from a pressure limiter 26, 27 and/or a flow regulator 28, 29 and/or a hydraulic valve and/or an adjustable flow limiter and/or a variable throttle orifice or an additional pressure accumulator.
  • the second control unit preferably comprises at least one pressure sensor 22, 23, 24, 25.
  • the pressure sensor 22, 23 can be connected to the working fluid supply circuit J, H.
  • the pressure sensor 24, 25 can be connected to the first supply circuit A, B or to the second circuit supply circuit C, D.
  • the second control unit may also comprise a temperature sensor 37, 38 which may be connected to the first supply circuit A, B or to the second supply circuit C, D.
  • said thermal machine comprises at least a first module 3, 3' and a second module 3, 3', which are connected in series to each other at their thermodynamic fluid supply outlet G or their hydraulic fluid supply outlet E using a first interconnection pipe 31, which are connected in series to each other at their first supply circuit A, B, and which are connected in series to each other at their second supply circuit C, D.
  • said first control unit is arranged at least to centrally control the phase in which the thermodynamic cycle is located in said first module 3, 3' and in said second module 3, 3'.
  • said second control unit is common to the first module 3, 3' and to the second module 3, 3' and is arranged to centrally control said at least one displacer of the first module 3, 3' and said at least one displacer of the second module 3, 3'.
  • said thermal machine comprises at least one first module 32 and at least one second module 33, which are each connected to the first conversion unit 6 by their thermodynamic fluid supply outlet G or by their hydraulic fluid supply outlet E and the first module 32 and the second module 33 are arranged so that when said at least one displacer of the first module 32 is in the cold part 4 then said at least one displacer of the second module 33 is in the hot part 5.
  • this configuration is said to be in phase opposition.
  • the examples illustrated below in the figures 8 to 11 are distinguished by the management of energy from the isobaric heating phase 2-3. This management depends on the conversion system installed (hydraulic motor mapping, inertia size). It is therefore interesting to be able to modulate this energy to supply the hydraulic motor 12 in its best efficiency zone.
  • the first conversion unit 6 and the second conversion unit 18 are substantially identical to those of the first variant of the embodiment illustrated in the Figure 3 .
  • the thermal machine makes it possible to heat at least one first module 32 forming an assembly A while cooling at least one second module 33 forming an assembly B to avoid working with hydraulic pressure accumulators 11 of excessively large dimensions.
  • the hydraulic fluid thus passes from said at least one first module 32 to said at least one second module 33.
  • the pressure accumulator 11 then only plays a buffer storage role, the thermodynamic fluid not necessarily contracting at the same rate as it expands on the opposite side.
  • the equilibrium detection of said at least one second module 33 is carried out for example using a flow meter 34.
  • Four non-return valves 35 form a passive system for managing the flows between said at least one first module 32 and said at least one second module 33.
  • the energy of the isobaric heating phase 2-3 is not stored and feeds the hydraulic motor 12 directly upon opening the adjustable pressure limiter 16 at the pressure of point 2 of the cycle. There is no control of the supply flow rate of the hydraulic motor 12.
  • the addition of an additional pressure accumulator 30 in the high pressure part after the hydraulic valve 15 can make it possible to smooth the flow of fluid supplying the motor 8 during polytropic expansion in order to operate the latter in its best efficiency range.
  • the pressure accumulator 11 is precharged at least to the critical pressure of the thermodynamic fluid.
  • the energy of the isobaric heating phase 2-3 is partially stored in an additional pressure accumulator 30 in order to smooth the flow supplying the hydraulic motor 12 during this phase.
  • an additional pressure accumulator 30 is selected, sized to be able to store all of the energy during the isobaric heating phase 2-3, in this case it is possible to simplify by placing the additional pressure accumulator 30 before the hydraulic valve 15, which makes it possible to eliminate the adjustable pressure limiter 16.
  • the hydraulic valve 15 is opened, the energy from the isobaric heating and then from the preferably polytropic relaxation is then restored. Inertia 19 then determines the relaxation time.
  • 35 check valves can be simple ( figures 8 and 9 ) or tared ( Figure 10 ).
  • the energy of the isobaric heating phase 2-3 is fully stored in an additional pressure accumulator 30 then returned at the start of the expansion phase 3-4.
  • This management of the energy from the isobaric phase 2-3 is a significant advantage. Indeed, the energy of the thermodynamic cycle is recovered during two phases, the isobaric heating phase and the preferably polytropic expansion. However, the times of these two phases can be very different, the expansion phase being faster than the isobaric heating phase.
  • the flow rates supplying the motor 8 can therefore be very variable from one phase to the other. However, for example, the hydraulic motors 12 maintain good efficiency in defined flow rate ranges which can be lower than the actual flow rate variations of the cycle.
  • thermodynamic cycle varies greatly depending on the temperature difference between the first and second heat sources 1, 2 but is between a few seconds to a few tens of seconds.
  • the thermodynamic cycle is carried out without a mechanical compressor.
  • the configuration is similar to that of the Figure 4 A 36 4/2 distributor can also fulfill the role of managing the flows between the different sets A and B but needs to be controlled (active system), unlike the four non-return valves 35 described previously.
  • said at least one first module 32 of the set A is heated in the isobaric heating phase 2-3 and said at least one second module 33 of the set B is cooled in the cooling phase 4-1.
  • the hydraulic valve 15 is closed.
  • the additional pressure accumulator 30 is open and stores the energy coming from the isobaric heating phase 2-3.
  • the flow meter 341 allows the detection of the end of this heating phase.
  • said at least one first module 32 of the assembly A is cooled in the cooling phase 4-1 and said at least one second module 33 of the assembly B is heated in the isochoric heating phase 1-2.
  • the hydraulic valve 15 is closed.
  • the coupling 20 is decoupled.
  • the additional pressure accumulator 30 is closed as long as the pressure is lower than the precharge pressure of the additional pressure accumulator 30. This phase is completed when the pressure in said at least one second module 33 of the assembly B is equal to the precharge pressure of the additional pressure accumulator 30.
  • said at least one first module 32 of the set A is cooled in the cooling phase 4-1 and said at least one second module 33 of the set B is heated in the isobaric heating phase 2-3.
  • the hydraulic valve 15 is closed.
  • the additional pressure accumulator 30 is open and stores the energy coming from the isobaric heating phase 2-3.
  • the flow meter 341 allows the detection of the end of this heating phase.
  • said at least one first module 32 of the assembly A is cooled in the cooling phase 4-1 and said at least one second module 33 of the assembly B is in the expansion phase 3-4.
  • the hydraulic valve 15 is open.
  • the additional pressure accumulator 30 restores the stored energy.
  • the rotation speed sensor 10 and/or the pressure sensor 9, 90 associated with the assembly B makes it possible to detect the end of the expansion phase.
  • the flow meter 342 and/or the pressure sensor 9, 90 associated with the assembly A makes it possible to detect the end of this cooling phase.
  • the coupling 20 is coupled and the mechanical energy is transformed into electricity.
  • phase opposition architecture that is to say that set A is heated and set B is cooled or vice versa and two volumes of thermodynamic fluids follow opposite phases at each instant.
  • the non-return valves 35 make it possible to supply the hydraulic motor 12 always in the same direction by forming a circuit managed solely by the induced pressure differences.
  • the coupling 20, ideally of the freewheel type, does not require any particular action and transmits energy to the inertia only in the direction of rotation of the hydraulic motor 12, while remaining decoupled if the hydraulic motor 12 rotates less quickly. that the inertia 19.
  • the additional pressure accumulator 30 is calibrated to an opening pressure of point 2 of the cycle, allowing isochoric heating as long as the pressure is lower than the pressure at point 2 of the cycle.
  • the first control unit only requires the use of two flow meters 34, 341, 342 and/or two pressure sensors 9, 90 in order to determine the ends of the heating and cooling phases.
  • phase-opposed architectures as illustrated in figure 9 is that a set A, B can chain the first three phases of the cycle [1-2, 2-3, 3-4] independently of the other set B, A which is only in the cooling phase [4-1]
  • the inversion of the displacers only occurs when the two sequences are finished, [1-2, 2-3, 3-4] on one side and [4-1] on the other, but it is not determined that the cooling [4-1] is systematically longer or shorter than the succession of phases [1-2, 2-3, 3-4]
  • the order of magnitude of the time necessary for the two sequences is however quite close in the temperature and pressure range targeted, which avoids downtime in the use of the machine.
  • FIG 19 represents an example of module 3 according to the invention for the movement of a thermodynamic fluid alternately between a cold part 4 connected to a first heat source 1 and a hot part 5 connected to a second heat source 2 for a thermodynamic cycle thermal machine.
  • This module 3 generally comprises at least one cartridge 101 or a plurality of cartridges 101, in the example of the figure 19 , a single cartridge 101 described below is included, and further comprises:
  • the first heat transfer fluid supply circuit A, B connected to first circulation means 103 of said at least one cartridge 101 by at least one first supply orifice 135 and at least one second supply orifice 136 of the first circulation means 103,
  • a second heat transfer fluid supply circuit C, D connected to second circulation means 109 of said at least one cartridge 101 by at least one at least one third supply port 137 and at least one fourth supply port 138 of the second circulation means 109,
  • junction plate 139 comprising at least junction means 114 of the cartridge 101
  • a working fluid supply circuit H, J connected to a third profile 115 of said at least one cartridge 101 by at least one fifth supply orifice 140 which the third profile 115 comprises and at least one sixth supply orifice 141 which the third profile 115 comprises, arranged to control the movement of the piston 126,
  • thermodynamic fluid supply outlet G connected to the chamber 124 of said at least one cartridge 101 or a hydraulic fluid supply outlet E connected to a first filling space 121 or to a second filling space 123 of said chamber 124.
  • the working fluid supply circuit H, J is formed of said first heat transfer fluid supply circuit A, B and said second heat transfer fluid supply circuit C, D.
  • the module 3 comprises a first insulating enclosure 143 which comprises at least one first compartment 144 into which said at least one first supply orifice 135 of the first circulation means 103 opens and at least one second compartment 145 into which said at least one second supply orifice 136 of the first circulation means 103 opens.
  • the module 3 comprises a second insulating enclosure 143' which comprises at least one third compartment 146 into which said at least one third supply orifice 137 of the second circulation means 109 opens and at least one fourth compartment 147 into which said at least one fourth supply orifice 138 of the second circulation means 109 opens.
  • the first compartment 144 and the second compartment 145 are preferably delimited by at least one first separating wall 148.
  • the third compartment 146 and the fourth compartment 147 are preferably delimited by at least one second separating wall 149.
  • the third profile 115 is preferably made of non-magnetic material and the displacer 125 and the piston 126 are magnetically coupled to each other through the third profile 115 by magnetic connection means 127.
  • this configuration allows control of the displacer 125 from outside the chamber 124 by means of a magnetic coupling between the piston 126 and the displacer 125.
  • This magnetic coupling makes it possible to transmit axial forces to the displacer 125 without mechanical contact and therefore without friction. This avoids causing prohibitive losses and wear due to friction. This arrangement thus helps to limit losses.
  • Non-magnetic means a material that does not have magnetic properties or whose magnetic permeability is low, i.e. for example close to 1 and generally less than 50.
  • said third profile 115, said first profile 102 and said second profile 108, the displacer 125 and the piston 126 are coaxial.

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Description

  • [La présente invention concerne le domaine des machines thermiques. Document US2006/059912 A1 décrit un exemple d'une telle machine thermique.
  • Le pilotage des machines thermiques telles que des moteurs Stirling classiques, pour lesquels il existe un couplage mécanique des pièces en mouvement, est complexe car la vitesse de rotation dépend principalement de la différence de température entre la source chaude et froide. De ce fait, le cycle thermodynamique réel de ce type de machine thermique est très éloigné du cycle idéal de Stirling, composé de deux transformations isochores et de deux isothermes. Le rendement est ainsi bien inférieur au rendement théorique.
  • Des améliorations ont été apportées pour améliorer le cycle et se rapprocher au maximum du cycle théorique. Ainsi la publication WO2010/043469A1 propose par exemple une méthode de pilotage d'une machine thermique à cycle de Stirling à pistons fluidiques. Le procédé est basé sur le cycle de Stirling dans lequel le déplacement du fluide thermodynamique se fait avec une gestion du fluide de travail. Cette logique comporte l'inconvénient majeur que le fluide de travail transite entre les parties chaudes et froides occasionnant des pertes de chaleur importantes. De plus, la compression isotherme nécessite une régulation par le biais d'un compresseur hydraulique.
  • La publication WO84/00399A1 divulgue un exemple de découplage mécanique entre les positions du déplaceur et les positions du piston de travail pour un moteur Stirling alimenté en chaleur par une combustion externe. Le système travaille cependant avec un piston hydraulique supplémentaire au piston de travail, ce qui complexifie le moteur et le pilotage de l'ensemble, d'autant plus qu'une pompe est intégrée entre les pistons pour compresser l'air avant de le mélanger au combustible.
  • Un autre domaine de procédé de conversion de chaleur basse température en électricité sont les systèmes ORC (Organic Rankine Cycle) qui tirent parti du changement de phase d'un fluide organique. Ces systèmes peuvent théoriquement récupérer de l'énergie à partir de sources à très basses températures mais ne sont aujourd'hui pas économiquement viables pour des températures inférieures à 100 degrés Celsius. Ils nécessitent en outre une gestion continue du cycle en fonction des températures des sources froide et chaude pour assurer que le fluide est bien monophasique, c'est-à-dire soit gazeux, soit liquide, lors de la traversée des organes de détente et de compression. Par ailleurs, un compresseur est indispensable pour réaliser la compression entre la partie basse pression et la partie haute pression.
  • La présente invention a pour but de pallier au moins l'un de ces inconvénients et vise à proposer une solution de machine thermique alternative.
  • A cet effet, l'invention concerne une machine thermique selon la revendication 1.
  • L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à plusieurs modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels:
    • [Fig. 1] la figure 1 représente un schéma global représentatif de la machine thermique en fonction du type de module,
    • [Fig. 2] la figure 2 représente le diagramme Température T- Entropie S d'un cycle thermodynamique de la machine thermique pour le dioxyde de carbone,
    • [Fig. 3] la figure 3 représente une vue schématique d'une machine thermique selon une première variante de l'invention illustrant la première unité de pilotage,
    • [Fig. 4] la figure 4 représente une vue schématique d'une machine thermique selon une deuxième variante de l'invention illustrant la première unité de pilotage,
    • [Fig. 5] la figure 5 représente une vue schématique d'un module pour machine thermique illustrant une deuxième unité de pilotage selon une première possibilité,
    • [Fig. 6] la figure 6 représente une vue schématique d'un module pour machine thermique illustrant la deuxième unité de pilotage selon une deuxième possibilité,
    • [Fig. 7] la figure 7 représente une vue schématique d'un module pour machine thermique illustrant la deuxième unité de pilotage,
    • [Fig. 8] la figure 8 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon un premier exemple,
    • [Fig. 9] la figure 9 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon un deuxième exemple,
    • [Fig. 10] la figure 10 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon un troisième exemple,
    • [Fig. 11] la figure 11 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon un quatrième exemple,
    • [Fig. 12] la figure 12 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon le troisième exemple et illustre son fonctionnement,
    • [Fig. 13] la figure 13 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon le troisième exemple et illustre son fonctionnement,
    • [Fig. 14] la figure 14 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon le troisième exemple et illustre son fonctionnement,
    • [Fig. 15] la figure 15 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon le troisième exemple et illustre son fonctionnement,
    • [Fig. 16] la figure 16 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon le troisième exemple et illustre son fonctionnement,
    • [Fig. 17] la figure 17 représente une vue schématique d'une machine thermique avec une architecture dite en opposition de phase selon le troisième exemple et illustre son fonctionnement,
    • [Fig. 18] la figure 18 représente une vue schématique d'une machine thermique selon la première variante de l'invention dans laquelle le limiteur de pression est remplacé par un accumulateur de pression additionnel,
    • [Fig. 19] la figure 19 représente une vue en coupe d'un module comprenant une cartouche.
  • Une machine thermique est apte et destinée à réaliser au moins une conversion d'énergie thermique en énergie mécanique comprenant au moins un fluide thermodynamique et apte et destinée à mettre en œuvre un cycle thermodynamique comprenant au moins une phase de chauffage isochore 1-2, optionnellement une phase de chauffage isobare 2-3, une phase de détente 3-4 et une phase de refroidissement isobare 4-1 (figure 2).
  • La machine thermique comprend au moins :
    • une première source de chaleur 1 à une première température T1 configurée pour contenir et transmettre une énergie thermique à au moins un fluide caloporteur (figure 1),
    • une deuxième source de chaleur 2 à une deuxième température T2 configurée pour contenir et transmettre une énergie thermique à au moins un fluide caloporteur, les première et deuxième températures T1 et T2 étant différentes (figure 1),
    • au moins un module 3, 3' pour le déplacement du fluide thermodynamique alternativement entre une partie froide 4 reliée à la première source de chaleur 1 et une partie chaude 5 reliée à la deuxième source de chaleur 2 (figures 3 à 16),
    • ledit au moins un module 3, 3' comprenant au moins la partie froide 4,
    • ledit au moins un module 3, 3' comprenant un premier circuit d'alimentation du fluide caloporteur A, B raccordé à la première source de chaleur 1 et à la partie froide 4,
    • ledit au moins un module 3, 3' comprenant au moins la partie chaude 5,
    • ledit au moins un module 3, 3' comprenant un deuxième circuit d'alimentation du fluide caloporteur C, D raccordé à la deuxième source de chaleur 2 et à la partie chaude 5,
    • ledit au moins un module 3, 3' comprenant au moins une chambre apte et destinée à contenir ledit au moins un fluide thermodynamique et laquelle est raccordée à au moins une sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G à une première pression P1 ou à une sortie d'alimentation en fluide hydraulique E à une deuxième pression P2,
    • au moins une première unité de conversion 6 d'une différence de pression du fluide thermodynamique en énergie mécanique comprenant au moins un circuit 7 lequel comprend au moins des moyens de conversion mécanique, de préférence un moteur 8, ladite première unité de conversion 6 étant reliée à la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G (figures 4 et 11) ou à la sortie d'alimentation en fluide hydraulique E (figures 3, 8 à 10).
  • Conformément à l'invention, la machine thermique est caractérisée en ce que ledit au moins un module 3, 3' comprend en outre au moins un déplaceur mobile dans ladite chambre alternativement entre la partie froide 4 et la partie chaude 5,
    • ladite chambre étant apte et destinée à contenir ledit au moins un fluide thermodynamique à haute pression présentant des pressions comprises entre 50 bars et 300 bars et à l'état supercritique,
    • en ce qu'elle comprend au moins une première unité de pilotage au moins en partie disposée dans la première unité de conversion 6 agencée au moins pour contrôler la phase dans laquelle se trouve le cycle thermodynamique dans ledit au moins un module 3, 3',
    • et en ce qu'elle comprend une deuxième unité de pilotage dudit au moins un module 3, 3' agencée pour piloter le déplacement dudit au moins un déplaceur alternativement entre la partie chaude 5 et la partie froide 4.
  • Avantageusement, la machine thermique selon l'invention permet la conversion de chaleur, préférentiellement à basse température, c'est à dire pour des première et deuxième sources de chaleur 1, 2 dont la température T1, T2 n'excède pas 150 degrés Celsius, en énergie mécanique. Cette conversion se fait suivant un cycle thermodynamique fermé utilisant un fluide thermodynamique préférentiellement en phase supercritique alternativement chauffé et refroidi via la première source de chaleur 1 et la deuxième source de chaleur 2. Comme l'illustre la figure 2 le cycle thermodynamique comprend au moins une phase de chauffage isochore 1-2, optionnellement une phase de chauffage isobare 2-3, une phase de détente de préférence polytropique 3-4 et une phase de refroidissement isobare 4-1. Le cycle thermodynamique supercritique contient un chauffage isochore 1-2 qui est complété par un chauffage isobare 2-3 si la pression lors du chauffage dépasse une valeur limite déterminée entre 100 bars et 200 bars. Lorsque le fluide thermodynamique est du dioxyde carbone, les domaines de pression du fluide thermodynamique sont typiquement entre 74 bars et 350 bars, préférentiellement 74 bars et 250 bars et les domaines de températures sont entre 0 degré Celsius et 150 degrés Celsius, préférentiellement entre 10 degrés Celsius et 100 degrés Celsius. Ces différentes phases du cycle thermodynamique peuvent être pilotées afin de moduler le cycle thermodynamique réel suivi par le fluide thermodynamique. Ceci permet d'influencer en continu le rendement et la puissance moyenne. La première unité de conversion 6 permet avantageusement la conversion de la pression du fluide thermodynamique à la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G ou du fluide hydraulique à la sortie d'alimentation en fluide hydraulique E en mouvement mécanique. La récupération de l'énergie par la première unité de conversion 6 peut ainsi se faire en utilisant un fluide hydraulique différent du fluide thermodynamique (figures 3, 8 à 10) ou directement avec le fluide thermodynamique (figures 4 et 11). La première unité de pilotage permet le contrôle de l'état d'achèvement de chaque phase de transformation thermodynamique et donc du cycle thermodynamique, notamment par la détection des points du cycle thermodynamique par exemple par la détection de pression et/ou de débit comme décrit ci-après. La deuxième unité de pilotage permet de déplacer alternativement le fluide thermodynamique dans la chambre de la partie froide 4 à la partie chaude 5 et de moduler l'apport en chaleur du module 3, 3'. Par exemple, la deuxième unité de pilotage permet la gestion de la pression et/ou du débit en provenance des première et deuxième sources de chaleur 1, 2 comme décrit ci-après. Il en résulte que le rendement de la machine thermique et sa puissance volumique moyenne peuvent en conséquence être modulés à volonté, en offrant la possibilité d'optimiser l'un ou l'autre en fonction de la disponibilité des première et deuxième sources de chaleur 1, 2.
  • Le déplaceur est une ou plusieurs pièces mécaniques.
  • De préférence, la détente 3, 4 est polytropique, c'est-à-dire qu'elle n'est ni isotherme, ni adiabatique. Ainsi, la détente est variable et peut se rapprocher soit d'une détente isotherme 3, 4' ou d'une détente adiabatique 3, 4" (figure 2).
  • De préférence, la phase de chauffage isochore 1-2 ne correspond pas à un chauffage isochore idéal/théorique, mais la phase de chauffage s'approche de cette isochore idéale ou théorique avec une valeur de déviation qui est de préférence comprise entre 0 et 20 pourcents.
  • De préférence, la phase de chauffage isobares 2-3 et/ou la phase de refroidissement 4-1 ne correspondent pas à des isobares idéales/théoriques, mais s'en approchent avec une valeur de déviation qui est de préférence comprise entre 0 et 20 pourcents.
  • Le module 3 comprend au moins une chambre apte et destinée à contenir un fluide thermodynamique à haute pression, c'est à dire pour des pressions comprises entre 50 bars et 300 bars préférentiellement comprises entre 80 bars et 250 bars, et à l'état supercritique et laquelle est raccordée à la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G. Le module 3 est dit basique. C'est le cas notamment pour les modules 3 décrits dans les figures 4 et 11.
  • Dans le cas où le module 3' comprend en outre un piston hydraulique 36 raccordé à la sortie d'alimentation en fluide hydraulique E, ce module 3' est dit hybride. C'est le cas notamment pour les modules 3' décrits dans les figures 3, 8 à 10.
  • De manière alternative, le module 3 dit basique peut être raccordé à un piston hydraulique 36 qui est en dehors du module 3. Chaque module 3 ou association de modules 3 basiques peut être couplé à un ou plusieurs piston(s) hydraulique(s) 36 haute pression en dehors du ou des module(s) 3 et maintenu(s) en température par une des première/deuxième sources de chaleur 1, 2. Le piston hydraulique 36 permet ainsi de transmettre la pression du fluide supercritique à un fluide hydraulique. Un rapport de réduction hydraulique, non représenté, peut également être réalisé au sein du piston hydraulique 36 de sorte à modifier les caractéristiques de la pression et du volume d'huile déplacé. Cela peut avoir un certain avantage dans certains cas pour faciliter le dimensionnement du système de charge, notamment pour s'adapter aux caractéristiques pression/débit du moteur hydraulique 12. Si aucun rapport de réduction n'est nécessaire, alors le piston hydraulique 36 peut être sous forme de piston dit « liquide », c'est-à-dire sans interface solide entre les deux fluides à condition qu'ils soient non miscibles et non solubles entre eux. Cela permet d'éviter des pertes par frottement de joints.
  • Comme l'illustre la figure 3, selon une première variante de réalisation de l'invention, ladite première unité de conversion 6 comprend au moins un accumulateur de pression 11 hydraulique relié en aval des moyens de conversion mécanique, de préférence du moteur 8, lequel est un moteur hydraulique 12, ledit accumulateur de pression 11 étant apte et destiné à maintenir la pression du circuit 7 supérieure ou égale à la pression critique du fluide thermodynamique.
  • Avantageusement, l'accumulateur de pression 11 assure que la pression du fluide hydraulique dans le circuit 7 soit maintenue au-dessus ou égale à la pression critique du fluide thermodynamique pour tout le cycle thermodynamique et notamment pendant la phase de refroidissement isobare. Pour le dioxyde carbone, cette pression critique est sensiblement égale à 73,77 bars. Par conséquent, la pression préchargée de l'accumulateur de pression 11 est de préférence comprise entre 73 et 85 bars, préférentiellement égale à 80 bars. Dans cette configuration le fluide thermodynamique contenu dans un ou plusieurs module(s) 3' dit hybrides est alternativement chauffé, puis refroidi et travaille contre une pression assimilée quasi constante de l'accumulateur de pression 11. Les différences de pression du fluide thermodynamique, puis du fluide hydraulique sont converties en énergie mécanique par le moteur hydraulique 12.
  • Comme l'illustre la figure 4, selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, ladite première unité de conversion 6 comprend au moins un accumulateur de pression 11 relié en aval des moyens de conversion mécanique, de préférence du moteur 8 lequel est une turbine à fluide thermodynamique 14 préférentiellement à l'état supercritique, ledit accumulateur de pression 11 étant apte et destiné à maintenir la pression du circuit 7 supérieure ou égale à la pression critique du fluide thermodynamique.
  • Avantageusement, l'accumulateur de pression 11 assure que la pression du fluide thermodynamique dans le circuit 7 soit maintenue au-dessus ou égale à la pression critique du fluide thermodynamique pour tout le cycle thermodynamique et notamment pendant la phase de refroidissement isobare. Pour le dioxyde carbone, cette pression critique est sensiblement égale à 73,77 bars. Par conséquent, la pression préchargée de l'accumulateur de pression 11 est de préférence comprise entre 73 et 85 bars, préférentiellement égale à 80 bars. Dans cette configuration le fluide thermodynamique contenu dans un ou plusieurs module(s) 3 dit basique(s) est alternativement chauffé puis refroidi et travaille contre une pression assimilée quasi constante de l'accumulateur de pression 11. Les seules différences de pression du fluide thermodynamique sont converties en énergie mécanique par la turbine à fluide thermodynamique 14.
  • De préférence, ladite première unité de pilotage comprend au moins un organe de mesure de pression et/ou de débit 9 agencé pour contrôler la phase dans laquelle se trouve le cycle thermodynamique et en particulier pour déterminer l'achèvement de chaque phase du cycle. Ledit organe de mesure de pression et/ou de débit 9 est de préférence disposé entre la chambre et ledit accumulateur de pression 11.
  • Avantageusement, ladite première unité de pilotage permet grâce au moins à un organe de mesure de pression et/ou de débit 9 disposé dans le circuit 7 ou dans la chambre de suivre l'évolution des différentes phases du cycle thermodynamique grâce à la mesure de la pression du fluide thermodynamique ou hydraulique dans la chambre ou dans le circuit 7 et/ou grâce à la mesure du débit du fluide hydraulique dans le circuit 7. Cet organe de mesure de pression et/ou de débit 9 est disposé en amont du moteur 8 ou au niveau du moteur 8. Cette configuration permet le contrôle de l'état d'achèvement de chaque transformation thermodynamique et donc du cycle thermodynamique, notamment par la détection11 des points du cycle par détection et suivi de pression et/ou de débit du fluide thermodynamique ou du fluide hydraulique.
  • De préférence comme l'illustrent les figures 3 et 4, selon la première variante de réalisation de l'invention et la deuxième variante de réalisation, ladite première unité de pilotage comprend deux organes de mesure de pression et/ou de débit 9 du circuit 7 sous la forme d'un capteur de pression 90 et d'un capteur de vitesse de rotation 10.
  • Le capteur de vitesse de rotation 10 est disposé au niveau du moteur 8 et permet une mesure indirecte du débit dans le circuit 7. Par exemple, le capteur de vitesse de rotation 10 peut permettre via la mesure du débit du fluide hydraulique dans le circuit 7 de conclure qu'à la fin de la phase de chauffage isobare, le système est à l'équilibre.
  • Le capteur de pression 90 permet une mesure directe de la pression du fluide hydraulique dans le circuit 7 (figure 3) ou une mesure directe de la pression du fluide thermodynamique dans le circuit 7 (figure 4).
  • Selon la première variante de réalisation illustrée à la figure 3, ledit organe de mesure de pression et/ou de débit 9 est disposé entre la sortie d'alimentation en fluide hydraulique E et ledit accumulateur de pression 11. Ledit organe de mesure de pression et/ou de débit 9 est disposé dans le circuit 7.
  • Selon la deuxième variante de réalisation illustrée à la figure 4, ledit organe de mesure de pression et/ou de débit 9 est disposé entre la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G et ledit accumulateur de pression 11. Ledit organe de mesure de pression et/ou de débit 9 est disposé dans le circuit 7.
  • De préférence et comme l'illustrent les figures 3 et 4, ladite première unité de pilotage comprend au moins un élément de régulation de pression et/ou de débit 13 du circuit 7 agencé au moins pour commander/piloter la phase de chauffage isobare et/ou la phase de détente du cycle thermodynamique, ledit au moins un élément de régulation de pression et/ou de débit 13 étant disposé entre la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G ou à la sortie d'alimentation en fluide hydraulique E et ledit accumulateur de pression 11.
  • Avantageusement, ladite première unité de pilotage permet notamment grâce au moins à un élément de régulation de pression et/ou de débit 13 d'alimenter ou non le moteur 8. Ladite première unité de pilotage permet en outre grâce au moins à un élément de régulation de pression et/ou de débit 13 de commander le déplacement du fluide thermodynamique (figure 4) ou du fluide hydraulique (figure 3) dans le circuit 7 pour commander/piloter la phase de chauffage isobare et/ou la phase de détente du cycle thermodynamique
  • De préférence, ledit au moins un élément de régulation de pression et/ou de débit 13 est choisi parmi un limiteur de pression 16 (figure 3) et/ou un régulateur de débit, et/ou une vanne hydraulique 15 (figure 3) et/ou un limiteur de débit réglable et/ou un orifice à étranglement variable 17 (figure 4) ou un accumulateur de pression additionnel 30 (figure 18).
  • Selon la première variante de réalisation illustrée à la figure 3, ledit au moins un élément de régulation de pression et/ou de débit 13 est disposé entre à la sortie d'alimentation en fluide hydraulique E et ledit accumulateur de pression 11.
  • Selon la première variante de réalisation illustrée à la figure 3, ladite première unité de pilotage comprend deux éléments de régulation de pression et/ou de débit 13 sous la forme d'un limiteur de pression réglable 16 et une vanne hydraulique 15.
  • Avantageusement, le limiteur de pression réglable 16 permet d'assurer le passage de la phase de chauffage isochore à la phase de chauffage isobare à une pression déterminée. A la fin du chauffage isobare, lorsque le système est à l'équilibre, la vanne hydraulique 15 est ouverte pour réaliser la détente polytropique puis le refroidissement du fluide après inversion des déplaceurs dans le(s) module(s) 3'.
  • Comme l'illustre la figure 18, le limiteur de pression réglable 16 peut être remplacé par un accumulateur de pression additionnel 30 de préférence préchargé à la pression de chauffage isobare.
  • Cette configuration permet le stockage de l'énergie dans l'accumulateur de pression additionnel 30 pendant la phase de chauffage isochore.
  • Selon la deuxième variante de réalisation illustrée à la figure 4, ledit au moins un élément de régulation de pression et/ou de débit 13 est disposé entre la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G et ledit accumulateur de pression 11.
  • Selon la deuxième variante de réalisation illustrée à la figure 4, ladite première unité de pilotage comprend un élément de régulation de pression et/ou de débit 13 sous la forme d'un orifice à étranglement variable 17.
  • Avantageusement, dans cette deuxième variante le limiteur de pression réglable 16 et la vanne hydraulique 15 de la première variante peuvent être remplacés par un unique orifice à étranglement variable 17 de sorte à pouvoir contrôler activement la phase de chauffage isobare et la phase de détente de préférence polytropique.
  • Dans la première unité de conversion, le circuit 7 peut comprendre une ou des conduites de préférence calorifugées et qui permettent notamment de relier la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G ou à la sortie d'alimentation en fluide hydraulique E à l'accumulateur de pression 11 et/ou à l'organe de mesure de pression et/ou de débit 9 et/ou à l'élément de régulation de pression et/ou de débit 13 et/ou au moteur 8.
  • De préférence et comme l'illustrent les figures 3 et 4, la machine comprend en outre une deuxième unité de conversion 18 d'énergie mécanique en énergie électrique raccordée à ladite première unité de conversion 6 en aval dudit moteur 8.
  • Avantageusement, la deuxième unité de conversion 18 permet de convertir l'énergie mécanique provenant du moteur 8 en énergie électrique.
  • De préférence et comme l'illustrent les figures 3 et 4, la deuxième unité de conversion 18 comprend au moins une inertie 19 reliée d'une part à un accouplement 20 et d'autre part à un générateur 21.
  • De préférence, le module 3, 3' comprend au moins un piston (non représenté) contenu dans un cylindre (non représenté) raccordé à un circuit d'alimentation en fluide de travail J, H par une première extrémité et une deuxième extrémité du cylindre pour piloter le déplacement du piston mobile dans le cylindre et le déplaceur et le piston sont couplés l'un à l'autre.
  • Avantageusement, le déplacement du piston entraîne le déplacement du déplaceur dans la chambre entre la partie chaude 5 et la partie froide 4. Le couplage entre le déplaceur et le piston est de préférence un couplage magnétique pour limiter les pertes par frottements notamment.
  • De préférence et comme l'illustre la figure 5, selon une première possibilité la deuxième unité de pilotage comprend au moins un premier organe de régulation de la pression et/ou du débit à la première extrémité du cylindre et au moins un deuxième organe de régulation de la pression et/ou du débit à la deuxième extrémité du cylindre pour maintenir ou faire varier une différence de pression entre la première extrémité et la deuxième extrémité de sorte à déplacer alternativement ledit au moins un déplaceur entre la partie chaude 5 et la partie froide 4.
  • Avantageusement, la deuxième unité de pilotage permet la gestion de la position du fluide thermodynamique entre la partie chaude 5 et la partie froide 4 dans au moins un module 3, 3'. Chaque module 3, 3' contient une certaine masse de fluide thermodynamique de préférence en phase supercritique qui est alternativement mis au contact de la première source de chaleur 1 puis de la deuxième source de chaleur 2 par l'intermédiaire d'un ou plusieurs déplaceur(s). Ce ou ces déplaceur(s) fonctionne(nt) comme des pistons libres dont la position de type butée est déterminée uniquement par la différence de pression entre la première extrémité du cylindre et la deuxième extrémité du cylindre. Dans ce cas, le circuit d'alimentation en fluide de travail J, H est indépendant de la régulation de la pression dudit premier circuit d'alimentation du fluide caloporteur A, B et dudit deuxième circuit d'alimentation du fluide caloporteur C, D.
  • De préférence et comme l'illustrent le figures 6 et 7, le circuit d'alimentation en fluide de travail J, H est formé dudit premier circuit d'alimentation du fluide caloporteur A, B et dudit deuxième circuit d'alimentation du fluide caloporteur C, D.
  • De préférence et selon une possibilité non représentée, la deuxième unité de pilotage comprend au moins un premier organe de régulation de la pression et/ou du débit de la première source de chaleur 1 et un deuxième organe de régulation de la pression et/ou du débit de la deuxième source de chaleur 2, le premier organe de régulation de la pression et/ ou du débit et le deuxième organe de régulation de la pression et/ou du débit étant configurés pour maintenir ou faire varier une différence de pression entre la première source de chaleur 1 et la deuxième source de chaleur 2 de sorte à déplacer alternativement ledit au moins un déplaceur entre la partie froide 4 et la partie chaude 5.
  • Préférentiellement, la première source de chaleur 1 comprend au moins une pompe de préférence hydraulique, laquelle forme le premier organe de régulation de la pression et/ou du débit et la deuxième source de chaleur 2 comprend une deuxième pompe de préférence hydraulique, laquelle forme le deuxième organe de régulation de la pression et/ou du débit.
  • Le pilotage du déplacement du fluide hydraulique préférentiellement supercritique dans le module 3, 3' est de ce fait réalisé au plus simple par une régulation adéquate des pompes de préférence hydrauliques (non représentées) des première et deuxième sources de chaleur 1, 2 afin de créer/ maintenir la pression différentielle entre les premier et deuxième circuits d'alimentation du fluide caloporteur A, B et C, D requise au déplacement du ou des déplaceurs.
  • Si la régulation des pompes de préférence hydrauliques n'est pas envisageable, une régulation des premier/deuxième circuits d'alimentation en fluide caloporteur A, B et C, D avec des éléments rapportés décrits ci-après dans la deuxième possibilité (limiteur de pression 26, 27 et/ou un régulateur de débit 28, 29) permet alors de contrôler précisément le débit et la pression dans chaque partie du ou des module(s) 3, 3'.
  • De préférence et comme l'illustre la figure 6, selon une deuxième possibilité la deuxième unité de pilotage comprend au moins un troisième organe de régulation de la pression et/ou du débit du premier circuit d'alimentation A, B et un quatrième organe de régulation de la pression et/ou du débit du deuxième circuit d'alimentation C, D, le troisième organe de régulation de la pression et/ou du débit et le quatrième organe de régulation de la pression et/ou du débit étant configurés pour maintenir ou faire varier une différence de pression entre le premier circuit d'alimentation A, B et le deuxième circuit d'alimentation C, D de sorte à déplacer alternativement ledit au moins un déplaceur entre la partie froide 4 et la partie chaude 5.
  • Avantageusement, la deuxième unité de pilotage permet la gestion de la position du fluide thermodynamique entre la partie chaude 5 et la partie froide 4 dans au moins un module 3, 3'. Chaque module 3, 3' contient une certaine masse de fluide thermodynamique de préférence en phase supercritique qui est alternativement mis au contact de la première source de chaleur 1 puis de la deuxième source de chaleur 2 par l'intermédiaire d'un ou plusieurs déplaceur(s). Ce ou ces déplaceur(s) fonctionne(nt) comme des pistons libres dont la position de type butée est déterminée uniquement par la différence de pression entre les premier et deuxième circuits d'alimentation du fluide caloporteur A, B et C, D.
  • De préférence, ledit premier organe de régulation de la pression et/ou du débit et/ou ledit deuxième organe de régulation de la pression et/ou du débit et/ou ledit troisième organe de régulation de la pression et/ou du débit du premier circuit d'alimentation du fluide caloporteur A, B et/ou le quatrième organe de régulation de la pression du deuxième circuit d'alimentation du fluide caloporteur C, D est choisi parmi un limiteur de pression 26, 27 et/ou un régulateur de débit 28, 29 et/ou une vanne hydraulique et/ou un limiteur de débit réglable et/ou un orifice à étranglement variable ou un accumulateur de pression additionnel.
  • La deuxième unité de pilotage comprend de préférence au moins un capteur de pression 22, 23, 24, 25. Le capteur de pression 22, 23 peut être raccordé au circuit d'alimentation en fluide de travail J, H. De manière alternative, le capteur de pression 24,25 peut être raccordé au premier circuit d'alimentation A, B ou au deuxième circuit d'alimentation C, D. La deuxième unité de pilotage peut également comprendre un capteur de température 37, 38 qui peut être raccordé au premier circuit d'alimentation A, B ou au deuxième circuit d'alimentation C, D.
  • De préférence et comme l'illustrent les figures 3 et 4, ladite machine thermique comprend au moins un premier module 3, 3' et un deuxième module 3, 3', lesquels sont raccordés en série l'un à l'autre au niveau de leur sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G ou de leur sortie d'alimentation en fluide hydraulique E à l'aide d'une première conduite d'interconnexion 31 , lesquels sont raccordés en série l'un à l'autre au niveau de leur premier circuit d'alimentation A, B, et lesquels sont raccordés en série l'un à l'autre au niveau de leur deuxième circuit d'alimentation C, D.
  • De préférence, ladite première unité de pilotage est agencée au moins pour contrôler de manière centralisée la phase dans laquelle se trouve le cycle thermodynamique dans ledit premier module 3, 3' et dans ledit deuxième module 3, 3'.
  • De manière alternative, ladite deuxième unité de pilotage est commune au premier module 3, 3' et au deuxième module 3, 3' et est agencée pour piloter de manière centralisée ledit au moins un déplaceur du premier module 3, 3' et ledit au moins un déplaceur du deuxième module 3, 3'.
  • Comme l'illustrent les figures 8 à 11, ladite machine thermique comprend au moins un premier module 32 et au moins un deuxième module 33, lesquels sont chacun raccordés à la première unité de conversion 6 par leur sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G ou par leur sortie d'alimentation en fluide hydraulique E et le premier module 32 et le deuxième module 33 sont agencés de sorte que lorsque ledit au moins un déplaceur du premier module 32 est dans la partie froide 4 alors ledit au moins un déplaceur du deuxième module 33 est dans la partie chaude 5.
  • Avantageusement, cette configuration est dite en opposition de phases. Les exemples illustrés ci-après dans les figures 8 à 11 se distinguent par la gestion de l'énergie issue de la phase de chauffage isobare 2-3. Cette gestion dépend du système de conversion installé (cartographie moteur hydraulique, taille inertie). Il est ainsi intéressant de pouvoir moduler cette énergie pour alimenter le moteur hydraulique 12 dans sa zone de meilleur rendement.
  • Dans un premier exemple illustré à la figure 8, la première unité de conversion 6 et la deuxième unité de conversion 18 sont sensiblement identiques à celles de la première variante de réalisation illustrée à la figure 3. La machine thermique permet de chauffer au moins un premier module 32 formant un ensemble A tout en refroidissant au moins un deuxième module 33 formant un ensemble B pour éviter de travailler avec des accumulateurs de pression 11 hydrauliques de trop grandes dimensions. Le fluide hydraulique passe ainsi dudit au moins un premier module 32 audit au moins un deuxième module 33. Dans ce cas, l'accumulateur de pression 11 jouant alors uniquement un rôle de stockage tampon, le fluide thermodynamique ne se contractant pas obligatoirement au même rythme qu'il se dilate du côté opposé. La détection d'équilibre dudit au moins un deuxième module 33 est réalisée par exemple à l'aide d'un débitmètre 34. Quatre clapets anti-retour 35 forment un système passif de gestion des flux entre ledit au moins un premier module 32 et ledit au moins un deuxième module 33.
  • Avantageusement, dans le premier exemple de la figure 8, l'énergie de la phase de chauffage isobare 2-3 n'est pas stockée et alimente le moteur hydraulique 12 directement à l'ouverture du limiteur de pression réglable 16 à la pression du point 2 du cycle. Il n'y a pas de contrôle de débit d'alimentation du moteur hydraulique 12.
  • Dans un deuxième exemple illustré à la figure 9, l'ajout d'un accumulateur de pression additionnel 30 dans la partie haute pression après la vanne hydraulique 15 peut permettre de lisser le débit de fluide alimentant le moteur 8 lors de la détente polytropique afin de faire fonctionner ce dernier dans son domaine de meilleur rendement. L'accumulateur de pression 11 est préchargé au minimum à la pression critique du fluide thermodynamique.
  • Avantageusement, dans le deuxième exemple de la figure 9, l'énergie de la phase de chauffage isobare 2-3 est partiellement stockée dans un accumulateur de pression additionnel 30 afin de lisser le débit alimentant le moteur hydraulique 12 au cours de cette phase.
  • Dans un troisième exemple illustré à la figure 10, on sélectionne un accumulateur de pression additionnel 30 dimensionné pour pouvoir stocker l'intégralité de l'énergie lors de la phase de chauffage isobare 2-3, dans ce cas il est possible de simplifier en plaçant l'accumulateur de pression additionnel 30 avant la vanne hydraulique 15 ce qui permet de supprimer le limiteur de pression réglable 16. Lors de l'ouverture de la vanne hydraulique 15 l'énergie issue du chauffage isobare puis de la détente de préférence polytropique est alors restituée. L'inertie 19 détermine alors le temps de la détente.
  • Les clapets anti retour 35 peuvent être simples (figures 8 et 9) ou tarés (figure 10).
  • Avantageusement, dans le troisième exemple de la figure 10, l'énergie de la phase de chauffage isobare 2-3 est intégralement stockée dans un accumulateur de pression additionnel 30 puis restituée au début de la phase de détente 3-4.
  • Cette gestion de l'énergie issue de la phase isobare 2-3 est un avantage important. En effet l'énergie du cycle thermodynamique est récupérée au cours de deux phases, la phase de chauffage isobare et la détente de préférence polytropique. Or les temps de ces deux phases peuvent être très différents, la phase de détente étant plus rapide que la phase de chauffage isobare. Les débits alimentant le moteur 8 peuvent en conséquence être très variables d'une phase à l'autre. Or, par exemple les moteurs hydrauliques 12 conservent de bons rendements dans des plages définies de débits qui peuvent être inférieures aux variations de débit réelles du cycle. C'est pourquoi, il est proposé dans les exemples des figures 9 et 10 un « lissage » de cette énergie, par le biais d'un stockage partiel ou total de l'énergie de la phase de chauffage isobare dans un accumulateur de pression additionnel 30 placé avant ou après l'élément de régulation de pression et/ou de débit 13 (vanne hydraulique 15). Il est ainsi possible de moduler le débit d'alimentation du moteur 8 pour rester dans sa plage de hauts rendements. L'ordre de grandeur du temps pour réaliser un cycle thermodynamique complet varie fortement en fonction de la différence de températures entre les première et deuxième sources de chaleur 1, 2 mais se situe entre quelques secondes à quelques dizaines de secondes. Le cycle thermodynamique est réalisé sans compresseur mécanique.
  • Dans un quatrième exemple illustré à la figure 11, la configuration est similaire à celle de la figure 4. Un distributeur 36 4/2 peut également remplir le rôle de gestion des flux entre les différents ensembles A et B mais nécessite d'être piloté (système actif), contrairement aux quatre clapets anti-retour 35 décrits précédemment.
  • Le fonctionnement du troisième exemple illustré à la figure 10 est expliqué ci-dessous en relation avec les figures 12 à 17. Comme l'illustre la figure 12, ledit au moins un premier module 32 de l'ensemble A est chauffé dans la phase de chauffage isochore 1-2 et ledit au moins un deuxième module 33 de l'ensemble B est refroidi dans la phase de refroidissement 4-1. L'accouplement 20 est découplé. La vanne hydraulique 15 est fermée. L'accumulateur de pression additionnel 30 est fermé tant que la pression est inférieure à la pression de précharge de l'accumulateur de pression additionnel 30. Cette phase est achevée lorsque la pression dans ledit au moins un premier module 32 de l'ensemble A est égale à la pression de précharge de l'accumulateur de pression additionnel 30.
  • Comme l'illustre la figure 13, ledit au moins un premier module 32 de l'ensemble A est chauffé dans la phase de chauffage isobare 2-3 et ledit au moins un deuxième module 33 de l'ensemble B est refroidi dans la phase de refroidissement 4- 1. La vanne hydraulique 15 est fermée. L'accumulateur de pression additionnel 30 est ouvert et stocke l'énergie provenant de la phase de chauffage isobare 2-3. Le débitmètre 341 permet la détection de la fin de cette phase de chauffage.
  • Comme l'illustre la figure 14, ledit au moins un premier module 32 de l'ensemble A est dans la phase de détente 3-4 et ledit au moins un deuxième module 33 de l'ensemble B est refroidi dans la phase de refroidissement 4-1. La vanne hydraulique 15 est ouverte. L'accumulateur de pression additionnel 30 restitue l'énergie stockée. Le capteur de vitesse de rotation 10 permet de détecter la fin de la phase de détente. Le débitmètre 342 permet la détection de la fin de cette phase de refroidissement. L'accouplement 20 est accouplé et l'énergie mécanique est transformée en électricité. Lorsque la détente et le refroidissement sont terminés, la vanne hydraulique 15 est fermée et ledit au moins un déplaceur dudit au moins un premier module 32 et ledit au moins un déplaceur dudit au moins un deuxième module 33 sont inversés par inversion de pression différentielle, tel que décrit précédemment à l'aide du deuxième module de pilotage.
  • Comme l'illustre la figure 15, ledit au moins un premier module 32 de l'ensemble A est refroidi dans la phase de refroidissement 4-1 et ledit au moins un deuxième module 33 de l'ensemble B est chauffé dans la phase de chauffage isochore 1-2. La vanne hydraulique 15 est fermée. L'accouplement 20 est découplé. L'accumulateur de pression additionnel 30 est fermé tant que la pression est inférieure à la pression de précharge de l'accumulateur de pression additionnel 30. Cette phase est achevée lorsque la pression dans ledit au moins un deuxième module 33 de l'ensemble B est égale à la pression de précharge de l'accumulateur de pression additionnel 30.
  • Comme l'illustre la figure 16, ledit au moins un premier module 32 de l'ensemble A est refroidi dans la phase de refroidissement 4-1 et ledit au moins un deuxième module 33 de l'ensemble B est chauffé dans la phase de chauffage21 isobare 2-3. La vanne hydraulique 15 est fermée. L'accumulateur de pression additionnel 30 est ouvert et stocke l'énergie provenant de la phase de chauffage isobare 2-3. Le débitmètre 341 permet la détection de la fin de cette phase de chauffage.
  • Comme l'illustre la figure 17, ledit au moins un premier module 32 de l'ensemble A est refroidi dans la phase de refroidissement 4-1 et ledit au moins un deuxième module 33 de l'ensemble B est dans la phase de détente 3-4. La vanne hydraulique 15 est ouverte. L'accumulateur de pression additionnel 30 restitue l'énergie stockée. Le capteur de vitesse de rotation 10 et/ou le capteur de pression 9, 90 associé à l'ensemble B permet de détecter la fin de la phase de détente. Le débitmètre 342 et/ou le capteur de pression 9, 90 associé à l'ensemble A permet la détection de la fin de cette phase de refroidissement. L'accouplement 20 est accouplé et l'énergie mécanique est transformée en électricité. Lorsque la détente et le refroidissement sont terminés, la vanne hydraulique 15 est fermée et ledit au moins un déplaceur dudit au moins un premier module 32 et ledit au moins un déplaceur dudit au moins un deuxième module 33 sont inversés par inversion de pression différentielle, tel que décrit précédemment à l'aide du deuxième module de pilotage.
  • Avantageusement, le séquençage proposé et expliqué en relation avec les figures 12 à 17 et permet de suivre l'évolution des phases dans une architecture dite à opposition de phase, c'est-à-dire que l'ensemble A est chauffé et l'ensemble B est refroidi ou inversement et deux volumes de fluides thermodynamiques suivent des phases opposées à chaque instant.
  • L'inversion des déplaceurs au sein des modules se fait selon la description en en relation avec les figures 5 à 7.
  • Un certain nombre d'éléments ont un fonctionnement « passif », simplifiant ainsi au maximum le pilotage de la machine thermique. Par exemple les clapets anti-retours 35 permettent d'alimenter le moteur hydraulique 12 toujours dans le même sens en formant un circuit géré uniquement par les différences de pression induites. L'accouplement 20, idéalement de type roue libre, ne nécessite aucune action particulière et transmet de l'énergie à l'inertie que dans le sens de rotation du moteur hydraulique 12, tout en restant découplé si le moteur hydraulique12 tourne moins vite que l'inertie 19. L'accumulateur de pression additionnel 30 est taré à une pression d'ouverture du point 2 du cycle, permettant le chauffage isochore tant que la pression est inférieure à la pression au point 2 du cycle.
  • La première unité de pilotage nécessite seulement l'utilisation de deux débitmètres 34, 341, 342 et/ou de deux capteurs de pression 9, 90 afin de déterminer les fins de phases de chauffage et de refroidissement.
  • Une des caractéristiques des architectures en opposition de phase telles qu'illustrées en figure 9 est qu'un ensemble A, B peut enchaîner les trois premières phases du cycle [1 -2, 2-3, 3-4] indépendamment de l'autre ensemble B, A qui n'est qu'en phase de refroidissement [4-1] L'inversion des déplaceurs n'intervient que lorsque les deux séquences sont finies, [1-2, 2-3, 3-4] d'un côté et [4-1] de l'autre, mais il n'est pas déterminé que le refroidissement [4-1] soit systématiquement plus long ou plus court que la succession des phases [1-2, 2-3, 3-4] L'ordre de grandeur du temps nécessaire aux deux séquences est toutefois assez proche dans le domaine de température et de pression visées, ce qui évite les temps morts dans l'utilisation de la machine.
  • Cette logique d'optimisation ne vaut que pour les architectures en opposition de phase. Pour les architectures simples telles qu'en figure 3, seule une optimisation du cycle est possible.
  • La figure 19 représente un exemple de module 3 selon l'invention pour le déplacement d'un fluide thermodynamique alternativement entre une partie froide 4 reliée à une première source de chaleur 1 et une partie chaude 5 reliée à une deuxième source de chaleur 2 pour machine thermique à cycle thermodynamique.
  • Ce module 3 comprend généralement au moins une cartouche 101 ou une pluralité de cartouches 101, dans l'exemple de la figure 19, une seule cartouche 101 décrite ci-après est comprise, et comprend en outre :
  • le premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B raccordé à des premiers moyens de circulation 103 de ladite au moins une cartouche 101 par au moins un premier orifice d'alimentation 135 et au moins un deuxième orifice d'alimentation 136 des premiers moyens de circulation 103,
  • un deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D raccordé à des deuxièmes moyens de circulation 109 de ladite au moins une cartouche 101 par au moins un troisième orifice d'alimentation 137 et au moins un quatrième orifice d'alimentation 138 des deuxièmes moyens de circulation 109,
  • une platine de jonction 139 comprenant au moins des moyens de jonction 114 de la cartouche 101,
  • un circuit d'alimentation en fluide de travail H, J, raccordé à un troisième profilé 115 de ladite au moins une cartouche 101 par au moins un cinquième orifice d'alimentation 140 que comprend le troisième profilé 115 et au moins un sixième orifice d'alimentation 141 que comprend le troisième profilé 115, agencé pour piloter le déplacement du piston 126,
  • une sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G raccordée à la chambre 124 de ladite au moins une cartouche 101 ou une sortie d'alimentation d'un fluide hydraulique E raccordée à un premier espace de remplissage 121 ou à un deuxième espace de remplissage 123 de ladite chambre 124.
  • De préférence et comme l'illustre la figure 19, le circuit d'alimentation en fluide de travail H, J est formé dudit premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B et dudit deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D.
  • De préférence et comme l'illustre la figure 19, le module 3 comprend une première enceinte 143 isolante qui comprend au moins un premier compartiment 144 dans lequel débouche ledit au moins un premier orifice d'alimentation 135 des premiers moyens de circulation 103 et au moins un deuxième compartiment 145 dans lequel débouche ledit au moins un deuxième orifice d'alimentation 136 des premiers moyens de circulation 103.
  • De préférence additionnellement ou alternativement et comme l'illustre la figure 19, le module 3 comprend une deuxième enceinte 143' isolante qui comprend au moins un troisième compartiment 146 dans lequel débouche ledit au moins un troisième orifice d'alimentation 137 des deuxièmes moyens de circulation 109 et au moins un quatrième compartiment 147 dans lequel débouche ledit au moins un quatrième orifice d'alimentation 138 des deuxièmes moyens de circulation 109.
  • Le premier compartiment 144 et le deuxième compartiment 145 sont, de préférence, délimités par au moins une première paroi séparatrice 148.
  • Le troisième compartiment 146 et le quatrième compartiment 147 sont de préférence, délimités par au moins une deuxième paroi séparatrice 149.
  • Comme l'illustre la figure 19, une cartouche 101 pour le déplacement d'un fluide thermodynamique entre une partie froide 4 reliée à une première source de chaleur 1 et une partie chaude 5 reliée à une deuxième source de chaleur 2 pour machine thermique à cycle thermodynamique comprend au moins :
    • un premier échangeur, formant une partie dite froide 4, comprenant un premier profilé 102 creux comprenant des premiers moyens de circulation 103 d'au moins un fluide caloporteur aptes et destinés à être raccordés à un premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B relié à une première source de chaleur, ledit premier profilé 102 comprenant une paroi interne et une paroi externe,
    • un deuxième échangeur, formant une partie dite chaude, comprenant un deuxième profilé 108 creux comprenant des deuxièmes moyens de circulation 109 d'au moins un fluide caloporteur aptes et destinés à être raccordés à un deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D relié à une deuxième source de chaleur, ledit deuxième profilé 108 comprenant une paroi interne et une paroi externe,
    • un troisième profilé 115 creux apte et destiné à être raccordé à au moins un circuit d'alimentation en au moins un fluide de travail J, H, ledit troisième profilé 115 étant disposé à l'intérieur du premier profilé 102 et du deuxième profilé 108, ledit troisième profilé 115 comprenant une paroi interne et une paroi externe,
    • au moins une partie de la paroi interne du premier profilé 102 et une première partie de la paroi externe du troisième profilé 115 étant espacées et situées en regard l'une de l'autre de sorte à former un premier espace de remplissage 121,
    • au moins une partie de la paroi interne du deuxième profilé 108 et une deuxième partie de la paroi externe du troisième profilé 115 étant espacées et situées en regard l'une de l'autre de sorte à former un deuxième espace de remplissage 123,
    • au moins une chambre 124 apte et destinée à contenir au moins un fluide thermodynamique préférentiellement à haute pression et à l'état supercritique, ladite chambre 124 comprenant au moins le premier espace de remplissage 121 et le deuxième espace de remplissage 123 lesquels sont communicants,
    • au moins un déplaceur 125 disposé à l'intérieur de ladite chambre 124 et monté coulissant relativement à la paroi externe dudit troisième profilé 115 et mobile entre une première position et une deuxième position, et configuré pour déplacer alternativement ledit au moins un fluide thermodynamique entre le premier espace de remplissage 121 et le deuxième espace de remplissage 123,
    • un piston 126 disposé à l'intérieur dudit troisième profilé 115 et monté coulissant relativement à la paroi interne dudit troisième profil 115 et mobile entre la première position et la deuxième position, le piston 126 étant apte et destiné à être déplacé par ledit au moins un fluide de travail J, H entre la première position et la deuxième position,
    • le déplaceur 125 et le piston 126 étant couplés l'un à l'autre.
  • Préférentiellement, le troisième profilé 115 est de préférence en matériau amagnétique et le déplaceur 125 et le piston 126 sont couplés magnétiquement l'un à l'autre au travers du troisième profilé 115 par des moyens de liaison magnétique 127.
  • Avantageusement, cette configuration permet un contrôle du déplaceur 125 par l'extérieur de la chambre 124 par l'intermédiaire d'un couplage magnétique entre le piston 126 et le déplaceur 125. Ce couplage magnétique permet de transmettre des efforts axiaux au déplaceur 125 sans contact mécanique et donc sans frottement. On évite ainsi d'entraîner des pertes et des usures rédhibitoires par frottement. Cet agencement contribue ainsi à limiter les pertes.
  • On entend par amagnétique un matériau qui ne présente pas de propriétés magnétiques ou dont la perméabilité magnétique est faible c'est à dire par exemple proche de 1 et de manière générale inférieure à 50.
  • Préférentiellement et comme l'illustre la figure 19, ledit troisième profilé 115, ledit premier profilé 102 et ledit deuxième profilé 108, le déplaceur 125 et le piston 126 sont coaxiaux.

Claims (15)

  1. Machine thermique apte et destinée à réaliser au moins une conversion d'énergie thermique en énergie mécanique comprenant au moins un fluide thermodynamique et apte et destinée à mettre en œuvre un cycle thermodynamique comprenant au moins une phase de chauffage isochore, optionnellement une phase de chauffage isobare, une phase de détente et une phase de refroidissement isobare, la machine thermique comprenant au moins :
    - une première source de chaleur (1 ) à une première température T1 configurée pour contenir et transmettre une énergie thermique à au moins un fluide caloporteur,
    - une deuxième source de chaleur (2) à une deuxième température T2 configurée pour contenir et transmettre une énergie thermique à au moins un fluide caloporteur, les première et deuxième températures T1 et T2 étant différentes,
    - au moins un module (3, 3') pour le déplacement du fluide thermodynamique alternativement entre une partie froide (4) reliée à la première source de chaleur (1) et une partie chaude (5) reliée à la deuxième source de chaleur (2), ledit au moins un module (3, 3') comprenant au moins la partie froide (4), ledit au moins un module (3, 3') comprenant un premier circuit d'alimentation du fluide caloporteur (A, B) raccordé à la première source de chaleur (1 ) et à la partie froide (4), ledit au moins un module (3, 3') comprenant au moins la partie chaude (5), ledit au moins un module (3, 3') comprenant un deuxième circuit d'alimentation du fluide caloporteur (C,D) raccordé à la deuxième source de chaleur (2) et à la partie chaude (5), ledit au moins un module (3, 3') comprenant au moins une chambre apte et destinée à contenir ledit au moins un fluide thermodynamique et laquelle est raccordée à au moins une sortie d'alimentation en fluide thermodynamique (G) à une première pression P1 ou à une sortie d'alimentation en fluide hydraulique (E) à une deuxième pression P2,
    - au moins une première unité de conversion (6) d'une différence de pression du fluide thermodynamique en énergie mécanique comprenant au moins un circuit (7) lequel comprend au moins des moyens de conversion mécanique, de préférence un moteur (8), ladite première unité de conversion (6) étant reliée à la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique (G) ou à la sortie d'alimentation en fluide hydraulique (E),
    - au moins une première unité de pilotage au moins en partie disposée dans la première unité de conversion (6) agencée au moins pour contrôler la phase dans laquelle se trouve le cycle thermodynamique dans ledit au moins un module (3, 3'),
    ladite machine thermique est
    caractérisée en ce que ledit au moins un module (3, 3') comprend en outre au moins un déplaceur mobile dans ladite chambre alternativement entre la partie froide (4) et la partie chaude (5), ladite chambre étant apte et destinée à contenir ledit au moins un fluide thermodynamique à haute pression présentant des pressions comprises entre 50 bars et 300 bars et à l'état supercritique, et en ce qu'elle comprend une deuxième unité de pilotage dudit au moins un module (3, 3') agencée pour piloter le déplacement dudit au moins un déplaceur alternativement entre la partie chaude (5) et la partie froide (4).
  2. Machine thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première unité de conversion (6) comprend au moins un accumulateur de pression (11) relié en aval des moyens de conversion mécanique, de préférence du moteur (8), lequel est un moteur hydraulique (12) ou une turbine à fluide thermodynamique (14) préférentiellement à l'état supercritique, ledit accumulateur de pression (11) étant apte et destiné à maintenir ou faire varier la pression du circuit (7) supérieure ou égale à la pression critique du fluide thermodynamique.
  3. Machine thermique selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite première unité de pilotage comprend au moins un organe de mesure de pression et/ou de débit (9) agencé pour contrôler la phase dans laquelle se trouve le cycle thermodynamique et en particulier pour déterminer l'achèvement de chaque phase du cycle, ledit organe de mesure de pression et/ou de débit (9) étant disposé entre la chambre et ledit accumulateur de pression (11) et de préférence étant disposé entre la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique (G) ou à la sortie d'alimentation en fluide hydraulique (E) et ledit accumulateur de pression (11).
  4. Machine thermique selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite première unité de pilotage comprend au moins un élément de régulation de pression et/ou de débit (13) du circuit (7) agencé au moins pour commander/piloter la phase de chauffage isobare et/ou la phase de détente du cycle thermodynamique, ledit au moins un élément de régulation de pression et/ou de débit (13) étant disposé entre la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique (G) ou à la sortie d'alimentation en fluide hydraulique (E) et ledit accumulateur de pression (11).
  5. Machine thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une deuxième unité de conversion (18) d'énergie mécanique en énergie électrique raccordée à ladite première unité de conversion (6) en aval des moyens de conversion mécanique, de préférence dudit moteur (8).
  6. Machine thermique selon la revendication 5, caractérisée en ce que la deuxième unité de conversion (18) comprend au moins une inertie (19) reliée d'une part à un accouplement (20) et d'autre part à un générateur (21).
  7. Machine thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le module (3, 3') comprend au moins un piston contenu dans un cylindre raccordé à un circuit d'alimentation en fluide de travail (J, H) par une première extrémité et une deuxième extrémité du cylindre pour piloter le déplacement du piston mobile dans le cylindre et en ce que le déplaceur et le piston sont couplés l'un à l'autre.
  8. Machine thermique selon la revendication 7, caractérisée en ce que la deuxième unité de pilotage comprend au moins un premier organe de régulation de la pression et/ou du débit à la première extrémité du cylindre et au moins un deuxième organe de régulation de la pression et/ou du débit à la deuxième extrémité du cylindre pour maintenir ou faire varier une différence de pression entre la première extrémité et la deuxième extrémité de sorte à déplacer alternativement ledit au moins un déplaceur entre la partie chaude (5) et la partie froide (4).
  9. Machine thermique selon la revendication 7, caractérisée en ce que le circuit d'alimentation en fluide de travail (J, H) est formé dudit premier circuit d'alimentation du fluide caloporteur (A, B) et dudit deuxième circuit d'alimentation du fluide caloporteur (C,D), et en ce que la deuxième unité de pilotage comprend au moins un premier organe de régulation de la pression et/ou du débit de la première source de chaleur (1) et un deuxième organe de régulation de la pression et/ou du débit de la deuxième source de chaleur (2), le premier organe de régulation de la pression et/ ou du débit et le deuxième organe de régulation de la pression et/ou du débit étant configurés pour maintenir ou faire varier une différence de pression entre la première source de chaleur (1 ) et la deuxième source de chaleur (2) de sorte à déplacer alternativement ledit au moins un déplaceur entre la partie froide (4) et la partie chaude (5).
  10. Machine thermique selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisée en ce que ledit élément de régulation de pression et/ou de débit (13) et/ou ledit premier organe de régulation de la pression et/ou du débit et/ou ledit deuxième organe de régulation de la pression et/ou du débit et/ou ledit troisième organe de régulation de la pression et/ou du débit du premier circuit d'alimentation du fluide caloporteur (A, B) et/ou le quatrième organe de régulation de la pression du deuxième circuit d'alimentation du fluide caloporteur (C,D) est choisi parmi un limiteur de pression (16, 26, 27) et/ou un régulateur de débit (28, 29) et/ou une vanne hydraulique (15) et/ou un limiteur de débit réglable et/ou un orifice à étranglement variable (17) ou un accumulateur de pression additionnel (30).
  11. Machine thermique selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit organe de mesure de pression et/ou de débit (9) du circuit (7) est choisi parmi au moins un capteur de pression (90) ou un débitmètre ou un capteur de vitesse de rotation (10) ou un capteur de déplacement linéaire d'un piston hydraulique.
  12. Machine thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que ladite machine thermique comprend au moins un premier module (3, 3') et un deuxième module (3, 3'), lesquels sont raccordés en série l'un à l'autre au niveau de leur sortie d'alimentation en fluide thermodynamique (G) ou de leur sortie d'alimentation en fluide hydraulique (E) à l'aide d'une première conduite d'interconnexion (31 ), lesquels sont raccordés en série l'un à l'autre au niveau de leur premier circuit d'alimentation (A, B), et lesquels sont raccordés en série l'un à l'autre au niveau de leur deuxième circuit d'alimentation (C,D).
  13. Machine thermique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ladite première unité de pilotage est agencée au moins pour contrôler de manière centralisée la phase dans laquelle se trouve le cycle thermodynamique dans ledit premier module (3, 3') et dans ledit deuxième module (3, 3').
  14. Machine thermique selon la revendication 11, caractérisée en ce que ladite deuxième unité de pilotage est commune au premier module (3, 3') et au deuxième module (3, 3') et est agencée pour piloter de manière centralisée ledit au moins un déplaceur du premier module (3, 3') et ledit au moins un déplaceur du deuxième module (3, 3').
  15. Machine thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que ladite machine thermique comprend au moins un premier module (32) et au moins un deuxième module (33), lesquels sont chacun raccordés à la première unité de conversion (6) par leur sortie d'alimentation en fluide thermodynamique (G) ou par leur sortie d'alimentation en fluide hydraulique (E) et en ce que le premier module (32) et le deuxième module (33) sont agencés de sorte que lorsque ledit au moins un déplaceur du premier module (32) est dans la partie froide (4) alors ledit au moins un déplaceur du deuxième module (33) est dans la partie chaude (5).
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